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展讯GSM/GPRS手机核心芯片的创新研制和开发

The Innovation & Development of Handset Core Chip Based on GSM/GPRS

展讯通信有限公司



展迅通信(上海)有限公司成立于2001年7月,主要从事新一代无线通信专用集成电路产品和系统的开发与销售,运用创新的软硬件架构和设计方法,为无线通信终端厂商,设计公司提供可快速市场化的无线终端整体解决方案。

展 讯的“展芯”SC6000系列芯片包括SC6600 GSM/GPRS(2G/2.5G)手机核心芯片,SC6600-D 3D立体声音乐手机核心芯片、SC6600-M MPEG4多媒体手机核心芯片、SC6800多功能智能手机核心芯片等5个型号的手机芯片产品。这些SoC芯片包含2个通用处理器单元,2个可编程数据处理器,若干特殊算法的硬件加速器,数百存储单元,4个模拟基带单元,7个ADC,10个DAC以及众多数据I/O接口。
“ 展芯”系列 芯片是实现四合一架构的多功能单芯片方案。为实现该方案,在设计开发过程中,展讯通信突破了软硬件协同设计、并行开发 、通信算法、低功耗低噪声集成、新功能植入、多媒体处理和集成、软件配套等关键技术。


产品定义及SoC设计开发流程

手机对多媒体、新功能的需求迅速增长。若继续采用通用的芯片系统架构,在增加多媒体等新功能后,必将导致整机系统成本、功耗的大幅上升。为了解决该难题,展讯首创多模多媒体四合一架构,为新一代手机芯片设计闯出了新路。

(1)系统设计。根据GSM/GPRS标准和多媒体需求,提出终端的总体要求以及各个子模块的指标,对系统各级进行划分,提出了不同的软、硬件划分方案,然后采用最佳方案。制定模块级技术指标,对每个模块提出设计要求和设计文档,并结合系统的仿真对整个设计进行优化。

(2)系统仿真。建立了上行和下行的仿真链路。链路中包含发射机、接收机和信道模型。

(3)芯片结构设计。在系统设计文档的规范下,设计了高级语言模型,将其转换成RTL模型;根据仿真需求,在RTL模型上建立了大量测试用例,验证芯片结构设计的正确性。
(4)单元电路设计。包括存储器、数模/模数转换器、直流转换器、数字频率综合器、计算单元等单元电路的设计和仿真。

(5)超大规模集成电路设计。对芯片完成了验证、综合、布局、布线、信号完整性、时序分析、可测试性等一系列的设计,并且设计了芯片的测试向量及测试平台、芯片的后端设计。

(6)终端测试。根据应用需要,设计了多款测试终端平台,主要是RF电路及PCB设计、终端的小型化设计、驱动软件。


关键技术及创新点

“展芯”系列手机核心处理芯片系列涵盖了手机中除射频功能外的所有功能。在研发中,为实现四合一的系统架构和高度集成的单芯片总体解决方案,展讯通信采用了全新的系统设计方法,创新了多项关键技术。

可扩展的多模多媒体芯片架构

展讯首次提出了模拟/数字/电源管理/多媒体四合一的芯片结构技术,将模拟基带处理功能、数字基带处理功能、电源管理功能和多媒体功能集成在一颗通信核心处理芯片上。以四合一结构设计的单芯片可使手机开发平均周期从9-12个月缩短至3-6个月,开发成本降低至60%(图1)。

图1 展讯单芯片解决方案(略)

为 了实现四合一的结构,展讯还攻克了许多技术难点,创新了许多关键技术,包括嵌入式低压电源稳压器设计技术、系统干扰隔离技术等,建立了软硬件资源共享及有效的通信机制。

同时,展讯还关注结构的多模和可扩展性。可扩展多模(双模或多模)机制是在GSM/GPRS的基础上,满足引入TD-SCDMA或WCDMA功能的不同组合要求,以便实现多种多模方案。多媒体功能的整合设计是在支持各种常用音频格式的音乐播放的基础上,满足包括高像素(500万)照相处理和自动聚焦、游戏图像处理,MPEG-4视频录制及播放,手机移动电视等不同组合功能的要求。

软硬件协同设计、并行开发技术和开发平台

手 机开发过程中软件的开发通常要等到硬件(芯片)开发完成之后才能开始,延长了整个开发周期。为了解决该问题,展讯创造了软硬件并行开发、协同设计的技术和开发平台,充分利用并行开发软/硬件的优势,不仅缩短了系统开发周期,而且优化了系统设计,提高系统软硬件分工的合理性。

GSM/GPRS无线通信系统算法

展讯GSM/GPRS手机核心芯片的研发在无线通信系统算法方面有诸多优化和创新。

(1)无线通信系统中双向时隙同步估计技术。该技术详细给出一种基于输入信号序列来获得时隙同步的方法,可大大减小时隙估计的偏差。

(2)接收信号大动态范围处理技术。该项发明描述了一种大动态范围的接收信号缩放的方法,且给出了具体的电路原理图。它通过对接收信号的再缩放,可实现对接收机进行没有信号畸变的基带信号处理,使可接收的信号动态范围显著增大。

(3)移动台空帧检测技术。这是一种在GSM移动台中非连续发射模式下检测和鉴别空帧的方法,检测的结果能够指示出接收到的帧是有用帧的还是空帧,这个结果将被使用于调整移动台的其他部分,如AGC、AFC等。

(4)迭 代滤波频率估计算法。其原理是:首先接收FCCH数据突发包,并且把采样分解为一系列子集;然后,用一个自动回归滤波器对得到的子集进行滤波操作,再对经过滤波操作的子集进行相关操作,累加后估计计算出频 率。

(5)频率控制信道(FCCH)检测算法。针对移动通信中同步捕获的课题,提出了GSM系统中一种频率控制信道检测的算法。该算法给出了一个相位微分器将输入信号转换成直流成分,此直流成分经过一个带阻滤波器后与没有经过带阻滤波器的信号相比,比值可以用来计算和分辨FCCH中信号的边界。

(6)自 动频率控制(AFC)算法。这种方法利用从恢复数据中得到的频偏信息来确定移动站中的本地压控振荡器的偏转方向和偏转量,从而实现对基站精确的频率跟踪。

(7)空寻呼信道消息块检测方法。通过检测PCH消息块的第一个突发,来判断PCH消息是否是空,如果是则忽略PCH消息,不再去接收、解调它的其余三个突发,最多时可节约手机寻呼检测电量消耗的3/4,从而延长待机时间。

(8)不受信号功率或噪声方差变化影响的维特比解码算法。在解不相关信号时,不受信号功率或噪声方差变化的影响;同时,这种方法能显著提高维特比解码器在信号不相关情况下的性能。

无线通讯系统算法方面的创新,提高了芯片及系统的性能,降低了芯片面积和功耗。

支持低功耗、高性能的芯片设计技术

高度集成的四合一架构为整个系统降低了功耗和成本。但是,除了要解决供电、去耦等系统级难题外,芯片本身的低功耗、高性能等设计技术也需要创新。

(1)差分电压式低功耗存储器。随着芯片功能的迅速扩大,存储器的使用也越来越多,且成为芯片中耗电最多的模块。在GSM/GPRS手机核心芯片研发中,展讯提出了差分电压式存储总线结构。它结合数字电路中独特的分时控制算法,大大减少了存储器的功率消耗,使基带存储器耗电量仅为同类产品的一半。

(2)多电压I/O电路设计技术。展讯发明了一种工作在多级电压上带有保护电路的I/O缓冲器,它能够承受多种工作电压,且泄漏电流很小甚至没有泄漏电流。

(3)特殊电路的设计技术。为了提高芯片的性能、降低功耗,展讯对许多似乎成熟的电路,如FIR滤波器、Viterbi解码器、Turbo解码器等进行了进一步研究,产生了独特的创新技术。

基带芯片植入技术

在开发过程中为手机应用创造了多项新技术、新功能。包括快速“即按即讲”(PoC)核心技术、全新的手机时间校准技术、自动呼叫转移技术、指纹识别器用于字符输入技术和选择性接听电话功能。

单芯片多媒体整合技术

采用全新的系统设计,将多媒体功能集成在一个高集成度的SoC芯片中,研发了具有强大多媒体功能的新一代芯片。

该多媒体基带芯片包括:64和弦及MP3的手机铃声、各种常用音频格式的音乐播放,高像素照相处理功能,照相自动聚焦,游戏图形处理器,MPEG-4视频录制及播放,手机移动电视,视频电话等。

无线通信协议栈技术及软件工具

展讯通信开发了中国首个商用的GSM/GPRS通信协议栈和从层1到层7的完整的手机软件,在一些关键的协议实现上,对小区选择、网络选择和省电等作了优化工作,同时开发了完整、成套的开发工具、测试工具和生产工具,大大方便了手机研发和生产。

(1)完整协议栈软件的实现。使用SDL和C相结合的方法,用SDL建模、处理状态和事件,用C语言完成复杂的运算、逻辑处理等任务,对SDL自动产生的代码采取了优化,采用模块化技术与协议专用的脚本语言,从而使系统在处理复杂的状态机和非常多的异常事件时,具有稳定性和兼容性,并节省开发时间。

(2)开发工具和环境。为实现软硬件协同设计技术,建立了相关的开发工具,测试工具和开发系统环境及其有效的开发模式和方法,开发了PC端的手机模拟器、基站模拟器、手机终端和测试PC的通信模块软件、调试诊断工具软件等,从而节省开发时间。

(3 )调试方法和手段。在内存管理,代码管理,出错处理等方面,开发出了调试方法和手段,包括处理ROM中代码,设立断点,捕获、分析空中消息,监控、诊断和分析内部软件运行情况,保存出错现场、并输出到PC端进行分析等。

(4)平台开发工具。为更好地配合基于展讯平台的二次开发,提供了相关的平台开发软件。

(5)生产工具。为了方便最终手机生产、提升整个产业链,开发、提供了手机生产方面的工具,以完成手机终端的生产测试工作,如RF校准测试工具、ADC校准工具、下载工具、手机自动测试软件及可按生产线配制的整套软件。

《世界电子元器件》2007.2
         
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