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基帶晶元是用來合成即將發射的基帶信號,或對接收到的基帶信號進行解碼。具體地說,就是:發射時,把音頻信號編譯成用來發射的基帶碼;接收時,把收到的基帶碼解譯為音頻信號。

1 基帶晶元 -基帶晶元的定義

  基帶晶元是用來合成即將發射的基帶信號,或對接收到的基帶信號進行解碼。具體地說,就是:發射時,把音頻信號編譯成用來發射的基帶碼;接收時,把收到的基帶碼解譯為音頻信號。同時,也負責地址信息(手機號、網站地址)、文字信息(短訊文字、網站文字)、圖片信息的編譯。

2 基帶晶元 -基帶晶元的組成

  基帶晶元可分為五個子塊:CPU處理器、通道編碼器、數字信號處理器、數據機和介面模塊.

  CPU處理器對整個移動台進行控制和管理,包括定時控制、數字系統控制、射頻控制、省電控制和人機介面控制等.若採用跳頻,還應包括對跳頻的控制.同時,CPU處理器完成GSM終端所有的軟體功能,即GSM通信協議的layer1(物理層)、layer2(數據鏈路層)、layer3(網路層)、MMI(人-機介面)和應用層軟體.

  通道編碼器主要完成業務信息和控制信息的通道編碼、加密等,其中通道編碼包括卷積編碼、FIRE碼、奇偶校驗碼、交織、突發脈衝格式化.

  數字信號處理器主要完成採用Viterbi演算法的通道均衡和基於規則脈衝激勵-長期預測技術(RPE-LPC)的語音編碼/解碼.

  調製/解調器主要完成GSM系統所要求的高斯最小移頻鍵控(GMSK)調製/解調方式.

  介面部分包括模擬介面、數字介面以及人機介面三個子塊:

  (1)模擬介面包括:語音輸入/輸出介面;射頻控制介面.

  (2)輔助介面:電池電量、電池溫度等模擬量的採集.

  (3)數字介面包括:系統介面;SIM卡介面;測試介面;EEPROM介面;存儲器介面:ROM介面主要用來連接存儲程序的存儲器FLASHROM,在FLASHROM中通常存儲layer1,2,3、MMI和應用層的程序.RAM介面主要用來連接存貯暫存數據的靜態RAM(SRAM).

3 基帶晶元 -基帶晶元與射頻晶元的區別

  傳統的說,一個手機包括很多部分,學一件東西,首先我們從簡單入手,假設我所要了解的手機只有最基本的功能--打電話發簡訊,那麼這個手機應該包括以下幾個部分,①射頻部分,②基帶部分,③電源管理,④外設,⑤軟體.

  從去年MTK颳起一陣旋風,大江南北70%的國產手機都是基於MTK平台的,MTK平台的6117,6119,6228,6305等一系列的晶元組代號紅遍手機行業,但它們之間是怎樣的聯繫呢?有人誤解這些晶元組代號是MTK平台的代號,按照我的理解,61xx系列是射頻晶元組;62xx系列是基帶晶元組;63xx系列是電源管理晶元組,每一種MTK平台是這三種晶元組的組合,其中由於基帶晶元組的重要性更高,所以一般以基帶晶元組的代號來代指該MTK平台.

  ①射頻部分:一般是信息發送和接收的部分;

  ②基帶部分:一般是信息處理的部分;

  ③電源管理:一般是節電的部分,由於手機是能源有限的設備,所以電源管理十分重要,MTK做得好一個很大的原因就是電源管理做的好.

  ④外設:一般包括LCD,鍵盤,機殼等;

  ⑤軟體:一般包括系統,驅動,中間件,應用四大部分;

  基帶晶元是整個手機的核心部分,這個就好比電腦的主機,其它都是外設.傳統的基帶晶元分為ABB和DBB兩個部分,BB是baseband的縮寫,別想歪了,現在的網路小說太多,很多詞都有了特殊的含義,但其實,它們真的很樸實.A是ANALOG的縮寫,D是DIGITAL的縮寫,我的外語不太好,但模擬和數字這兩個還勉強認識.

  為什麼會有ABB呢,因為基帶晶元不光處理數字信號,也有可能處理模擬信號,最常見的就是聲音的捕捉和合成轉換,不要幻想手機中的聲音是數字編碼的,早期的大哥大根本沒有那個處理能力.

  DBB又是幹什麼的呢?在手機行業中,有一個潛規則,定義雙晶元解決方案為smartphone,單晶元解決方案為feature phone,所謂的單雙晶元就是DBB的核心部分.一般情況這種核心晶元的價格不菲,低端手機為了節約成本,只內嵌一個MCU晶元,成本稍高的中高端手機額外內嵌一個DSP晶元.還有一些高端手機的DBB有三個晶元,一個ARM7的主管通信部分,一個ARM9的充當MCU負責應用,一個DSP專用晶元負責大計算編解碼的,隨著硬體成本在手機中的比重越來越低,三晶元的解決方案可能將會是主流.

  MCU和DSP充當DBB的CPU是整個手機主機的靈魂,但這不意味著其他的就可要可不要,手機有串口,有紅外,有藍牙,有sim卡,有鍵盤,有內存,有LCD,有USB…基帶晶元上要支持這些東西,光說說是做不到的,有複雜的匯流排,石英鐘,附加安全晶元等等,也可能是基帶晶元上捆綁的附屬品.基帶晶元加上基本外設的成本通常也叫BOM成本.

  手機終端中最重要的核心就是射頻晶元和基帶晶元.射頻晶元負責射頻收發、頻率合成、功率放大;基帶晶元負責信號處理和協議處理.

  在TD-SCDMA終端發展中,處於產業鏈上游位置終端晶元方案的研發進展是推動TD產業商用化深入的關鍵.只有射頻收發和基帶晶元相互配合,才能共同完成中國3G晶元產業鏈的完整布局.

  但射頻晶元跟基帶晶元相比,中國廠商的力量明顯薄弱.從廠商數量和融資規模來看就可見一斑.

  射頻晶元簡單的說就是接收信號和發送信號.我們的手機接打電話和接收簡訊時主管與基站通信的部分.

  射頻原理,全天下的都差不多一樣,兩條通道,一條發射,一條接收,但只有一根天線,一般是由一個開關(switch)來切換接收和發送的狀態.有人要問,"何時切換?我打電話的時候既接收信號又發送信號,怎麼沒有感覺到切換呀!",這個開關切換速度非常快,就好比我們平時在電腦上可以同時下載和上傳多個文件而感覺不出來是通過一根網線做到的一樣.

  我們的手機是數字手機,所以要處理的都是數字信號,而射頻發射的都是模擬信號,所以這個有一個數模轉換的過程,數模轉換的部分可能被包含在基帶晶元中也可能被包含在射頻晶元中.MTK平台的就包含在基帶晶元中.

  數字信號轉換成模擬信號后信號非常的弱,不足以發送給基站,所以一般射頻晶元中都有一個PA功放,功放顧名思義就是將功率放大,功率放大的代價就是電源消耗嚴重,所以我們打電話的時候特別的消耗電,那一般不打電話時也有信號發送給基站啊,要不手機上的信號怎麼忽強忽弱的,對的,但是沒有電話時射頻信號一般發送的周期特長,比通話時信號發送的頻率要低的多,所以這時不太耗電.

  發送的通道要比接收的多一個振蕩器,為啥要多個振蕩器呢?我們都知道目前世界上有850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz四個GSM手機頻段,這個頻段是啥意思?以900MHz為例,就是一秒鐘傳輸9億個信號,換句話說每傳輸一個信號的時間間隔是9億分之一秒,那麼這個時間間隔由誰來把關呢?就是由這個振蕩器,這個振蕩器的震蕩頻率就是採用的頻段標準.

  於是我們理理思路:

  發射端:

  數字信號-->DAC(數模轉換)-->混頻器(與振蕩器混合)-->發射功放-->發射

  接收端:

  數字信號<--ADC(模數轉換)<--濾波器<--接收功放<--接收

  下劃線的部分為MTK平台射頻晶元集成的功能,這就是一個射頻原理框架,是不是所有的射頻都一樣?只除了振蕩頻率不一樣.

  其實不是的,現在只是在硬體層面,在軟體層面每個手機射頻晶元中還有射頻協議棧,GSM的是GSM協議棧,CDMA的是CDMA協議棧,WCDMA的是WCDMA協議棧,每個都不一樣,傳說中的ttpcom公司就是依靠著GSM協議棧發家的,這個所謂的協議棧有點象我們的ip協議,定義了一系列的傳輸規則,所以兩部手機通信不僅是因為他們的頻率相同,也因為他們使用相同的協議棧.

  在寫windows編程時,儘管我們不曉得網卡如何傳輸數據,但我們只需要根據編程定義中的socket使用方法來寫程序,我們就能夠寫網路應用,同樣道理,我們只要知道GSM協議如何傳輸信息,那麼我們就可以將信息通過射頻傳輸出去,這個類似socket的方法就是我們所謂的AT命令,射頻晶元數模轉換后的信號就是AT命令,有了AT命令就有了可以識別的數字信號,手機可以做相應處理,所以手機上的數據業務豐富都是多虧了AT命令的出現.

  所以,簡單的說,射頻晶元就是起到一個發射機和接收機的作用.

4 基帶晶元 -基帶晶元之處理器詳解

  1.目前常用的基帶晶元大多採用基於ARM7TDMI芯核的微處理器,ARM7TDMI是低端的ARM芯核,它所使用的電路技術能使它穩定地在低於5V的電源下工作,可採用16/32位指令實現8/16/32位數據格式,具有高的指令吞吐量、良好的實時中斷響應、小的處理器宏單元.ARM7能高效的運行行動電話軟體,參考框圖如圖1:

  控制核ARM7TDMI,採用0.35um製造工藝.包括一個ARM7 32位RISC微處理核;1個Thumb能將16bit指令解壓為32bit指令;1個快速乘法器,一個輸入校驗斷路器(icebreaker)模塊.ICEbreaker模塊給控制核提供單片內集成調試(debug)支持,當控制器停在程序斷點時,有權訪問控制器的全部內容及控制器可訪問的全部地址空間.通過JTAG同步串聯連接,信息隨後送給計算機主機用於顯示.

  ARM可訪問的地址空間由存儲器管理單元(MMU)控制.MMU負責提供片選,控制等待狀態及ARM產生的全部訪問數據寬度(8bit/16bit/32bit).MMU支持外部8bit或16bit長度的程序與數據存儲器,外部ROM字寬由程序存儲器尺寸pin指示,外部RAM則由寄存器指示.MMU管理ARMT狀態變化:工作到睡眠由ARM7軟體實現,睡眠到喚醒由中斷或複位實現;MMU分配被要求的外部系統匯流排給DSP.

  中斷控制寄存器是存儲器的映射,它允許隱藏與清除中斷,配置由中斷源及由ARM產生的中斷信號FIQ,IRQ之間的映射.一共有10個中斷源:外部設備中斷、DSP產生的中斷、SIM I/F中斷(要求與SIM卡交換讀寫字)、VART1.2中斷(要求與數據終端設備交換讀寫位元組),按鍵掃描中斷(指示按鍵連通或斷開),TDMA幀中斷1,TDMA幀中斷2,OS記號,RTC警報.

  Boot ROM內含ARM與USC(Universal system connector)系統串口的基本通信代碼,ROM代碼用於初始化MCU系統,而且能通過一個簡單的通信方案實現往內部SRAM下載更有效的通信協議.

  2.處理器外圍設備

  ARM7外圍設備是存儲器的映射並能被靈活驅動.除UARTS部分之外,它們的組成如圖3所述.

  IM I/F驅動SIM卡,並且執行部分ETSI Rec11.11介面協議:複位序列,Card on sequence,card off sequence, byte or multi-byte transfer.

  16個通用輸入輸出(GPIO)線可用,但它們的使用有所限制,因為它們常與其它信號(如地址線、串口線等)復用,故要計算實際可用的GPIO數量.

  脈衝產生器產生軟體可調的PWM輸出頻率及占空比.

  特殊EEPROM串口匯流排確保當ARMT串接EEPROM時不會降低處理速度.

  GPSI(General purpose Serial Interface)允許連接多種設備.

  輔助ADC I/F包含5個模擬輸入:溫渡感應,電池電壓……

  鍵盤掃描識別25個鍵的狀態.

  RTC模塊能提供一個帶報警提示的全天完整的時間時鐘,並帶100年日曆(注:不同的基帶晶元該項功能有差異,有的晶元的RTC只是一個32位計數器,需要通過軟體計算年月日時分秒).

5 基帶晶元 -基帶晶元之數字信號處理器(DSP)詳解

  1.DSP子系統

  DSP子系統能使行動電話機信號處理軟體有效執行及具靈活性.框圖如圖4.

  DSP核有許多種.例如:OAK,ADSP-218X等.以下以OAK為例做簡單介紹.OAK核包括一個16-bit(數據和程序)帶4個36位累加器的定點DSP,還帶強大的字位處理單元和子程序與中斷嵌套的深堆棧.

  一個片上16位數據隨機存儲器,容量4K.

  當處理器停在程序斷點時,智能調試介面(SDI)有權訪問處理器的全部內容及控制器可訪問的全部地址空間.通過JTAG同步串聯連接,信息隨後送給計算機主機用於顯示.

  DSP可訪問的地址空間由OAK 存儲器管理單元(MMU)控制,對所有OAK芯核要求的數據訪問,MMU負責提供片選,控制等待狀態和數據寬度.

  MMU管理DSP狀態變化:工作到睡眠由DSP軟體實現,睡眠到喚醒由中斷實現.

  中斷控制寄存器是存儲器的映射,它們隱藏和清除中斷,配置中斷源和DSP產生的中斷信號(NMI,INT0,INT1,INT2)間的映射.

  對DSP有5個可能的中斷源:ARM芯核產生的中斷,RX處理請求(處理接收的射頻信號取樣),PCM I/F請求(讀寫語音信號的取樣),TDMA幀頭的標示,語音幀編解碼請求.

  根據GSM-1C,部分DSP資源(至少1K程序RAM,0.5K數據RAM,約10MIPS的運算能力)可用於用戶特殊程序.

  DSP嵌入代碼運行要實現語音編解碼、通道編解碼、加密、解密、脈衝(Burst)產生與調整、電源檢測等.主要處理步驟如圖:

  DSP子系統是ARM7芯核內外部可設定地址空間的映射.在ARM內部的地址空間,保留靜態位置給DSP配置,用於以流控制的DSP的狀態和信息交換;ARM在外部的地址空間給出兩個基址,一個給ROM用於DSP把代碼從外部存儲空間傳輸到內部程序存儲器,一個給RAM作為DSP工作狀態時的存儲空間.ARM的MMU單元可以使DSP通過DMA(存儲器直接存取)機制與外部設備高速交換數據,同時減少數據交換時對CPU資源的佔用.

  2.DSP外設

  DSP外設被映射為存儲器或被用作DSP用戶可定義寄存器介面,如下圖:

  PCM I/F部分給DSP系統處理音頻數據流:在傳輸通路,它負責從音頻前置末端或DAI埠傳送音頻取樣信號;在接收通路,它傳輸解壓的音頻取樣信號到音頻前置末端或DAI埠.

  DSP射頻埠為DSP子系統處理射頻數據流:在傳輸通路,它傳輸存儲符號到數字GMSK調製器;在接收通路,它存儲從RX ADC傳過來的IQ信號直到DSP處理完.

  Hardwired協處理器減輕了DSP處理負擔,它承擔通用DSP結構不擅長處理的部分GSM信號處理,並且還負責部分密碼演算法處理和Viterbi解碼.

6 基帶晶元 -基帶晶元之介面詳解

  通用非同步收發介面(UART)

  無線介面

  該介面與行動電話無線部分有效連接.如圖6所示.在發射方向,輸出信號為基帶GMSK信號,頻譜客GSM 05.05REC.在0~1800KHZ帶寬內.TX POWER ramp的上升與下降是可編程式控制制,而且與功率放大器相匹配.在接收方面,輸入信號預期為濾除干擾信號的基帶信號.在RF到BB轉換中鄰近通道預計濾除至少9DB RX增益控制可以調節器節RF信號電平達到基帶忒片輸入信號的動態範圍之內.提供模擬或者數字介面.RX增益可自動調節在接收信號平(僅針對BCCH載波)或ARM7子系統預設值.頻率控制器可以按每步小於0.5HZ調節參考的振頻率.PCC介面承載接收、發射及burst監控頻率值.內部定是窗口可以被頻率合成器決定時間相匹配.

  語音介面

  語音前置埠是滿足G712要求的編解碼器,它允許如圖所示的語音有效連接.

  在發射方向,發話器信號在轉化成PCM I/F前被數字代及濾波,一對差分發話器給電發話器提供差分電流源.

  在接收方向,信號被解壓與濾波傳給揚聲器,DSP子系統產生蜂鳴信號給蜂鳴器,一對差分輸出驅動信號被提供,語言前置埠控制語音信號放大量及調整數字濾波器率響應.

  電源/複位管理與定時產生

  這部分小功能塊是降低功耗的主要部分:只讓必須工作的小功能塊工作.程序能實現如下功能:當數字尋功能塊工作在空閑狀態時停止或減慢其數字時鐘;切斷模擬子功能塊的電源當其工作在空閑模式時;簡單圖舉例如下圖4-11:

  在收到子系統複位要求或者看門狗計算器滿時,複位信號發生器產生內部複位信號,時鐘發生器產生基帶子系統的操作時鐘,內PCC為ARMT子系統及DSP子系統產生高速時鐘,分別為26MHZ與52MHZ時鐘.功耗降低開關內含讓基帶晶元子系統接通或斷開電源的寄存器.

  定時產生器產生定時窗口讓基帶晶元子系統與外接天線設備在TDMA幀內動態接通或關斷.為了將聽與呼叫功能塊的功耗最小化:採用慢的時間基準代替快的時鐘基準使功耗降低;TDMA幀巾斷可以被掩飾為了可編程同期.

  公用debug/測試介面

  該介面允許測試或debug設備連接在同一埠,它為最終目的提供debug工具.根據埠或核選擇器數值,該介面將外部信號與內部埠連接:DAI埠,DSP JTAG串聯埠或者ARM7 JTAG串聯埠.

  開發工具通過VSD模塊(VLSI串列器模塊)驅動DSP(OAK SDI)與ARM ICEbreaker VSD 模塊將Host信號轉化為JTAG格式,而且容許通過測試埠連接內部資源.在開發晶元,增加debug連接腳,容許通過外接邏輯分析器觀察與實時跟蹤記錄內部信號.

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