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国际先进研究期刊》的研究在电子、电子、仪表工程

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适应的DSP处理器3 g和4 g无线通信

Vinni沙玛,Tanuja卡
副教授,E&TC称,Bhilai理工的杜尔格,恰蒂斯加尔邦,印度
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文摘

技术进步导致了手机的处理器体系结构将发生重大变革,转变的典型手机1990年的现代智能手机。下一代的移动计算的需求将会增加由于更高的数据速率,增加了复杂性的算法和计算多样性,但电力需求将同样严格把关,确保合理的电池寿命。下一代移动平台的设计必须解决三个关键问题:效率、可编程性和自适应性。本文分析移动信号处理应用程序和先进的信号处理体系结构处理的严格要求。本文阐述了数字信号处理器的作用为第三代(3 g)移动系统和DSP架构4 g无线通信。

关键字
VLIW处理器架构,RISC处理器,SoC, ARM处理器

介绍
第一代(1 g)蜂窝无线移动系统模拟和基于frequency-division-multiple访问(FDMA)技术。第二促进手机行业来自第二代(2 g)的引入,数字技术标准,包括全球移动通信系统(GSM) - 136(时分多址(TDMA),和个人数字蜂窝(PDC) [1]。从一代到二代的移动通信、新标准部署数字的性质。因此,由于需要操作大数据流,更多的MAC(复杂的乘法和积累)和ACS(积累比较和选择)操作是必需的。在这里,DSP在无线通信中发挥作用。信号处理一直扮演着重要的角色在无线通信系统的研究和开发。随着对高容量和高可靠性的需求systemsincreases,信号处理具有更重要的作用。今天的可编程dsp是普遍在无线数字蜂窝电话的手机市场。
需求方涵盖非常广泛的建筑修改应用程序。dsp可分为三个一般类,例如特定于应用程序的需求方,领域特定dsp、通用dsp。
AS-DSPs通常是定制的应用程序服务高端应用程序的性能需求,或模具尺寸/成本降到最低。一般市场上体积必须允许开发定制的解决方案,并进行定制获得市场优势。然而,上市时间约束必须允许设计周期很长。的例子可以找到AS-DSP如语音编码。应用定制数据中可以找到路径,解决代,总线体系结构,内存和输入输出。
DS-DSPs是为了更广泛的应用领域,如蜂窝调制解调器。他们可以应用于各种不同的应用程序。由于特殊的指令和额外的硬件领域特定算法高效地运行如。维特比算法和均衡器。DS-DSP是专为一个市场容量足够高,允许专业解决方案。其特定优势AS-DSP是其快速可用性。
GP-DSPs进化从传统FFT /过滤multiply-accumulate设计模型。例子是TIC50,朗讯16 xx,摩托罗拉563 xx, ADI 21 xxx和DSP-Semi橡木/松。GP-DSPs免费,广泛适用,有大型软件基础。他们缺乏性能相比更多的定制的解决方案为特定的应用程序。

相关工作
气Bi等el。[1]的结论是,在21世纪的开始,无线移动市场见证前所未有的增长推动了信息爆炸和技术革命。在射频领域,这一趋势从窄带到宽带的家庭标准根据不同的应用需求。Byoung-Woon金et.el。[6]描述了一个16位可编程定点数字信号处理器MDSP-II呼吁移动通信的应用程序。的指令集MDSP-II仔细分析后确定的全球移动通信系统(GSM)基带功能。艾伦采集者等el。[7]提出了一种参数化的DSP数据通路设计和参数化的DSP设计流程。提出参数化的DSP由DSP本身以及特殊街区为通信系统而设计的。
索林Zoican et.el。[11]的角色说明第三代移动系统的数字信号处理器。他们讨论全球目标和属性,包括全球漫游,通用连接,数据传输速率高、位置服务功能,并支持高质量的多媒体服务。人埃文斯et.el。[12]讨论了3 g和4 g的驱动程序的局限性。Manoj Kumar Jain et.el[13]分析了移动处理器的设计和部署多年来受到通信、性能、低功耗操作和移动处理器的发展是由低功率消耗等因素驱动,用户界面性能、上市时间等。r . el[18]室利罗摩克里希纳等人提出了一个设计变量的点FFT处理器使用FPGA的OFDMA技术应用。FFT处理器电路用Verilog HDL语言来描述,使用第四的II 7.2软件构建模型,并使用ModelSim SE 6.2 b软件验证时间函数。

提出的方法
本文以以下方式组织。在下一节中我们将移动处理器根据他们的应用程序域。后,在第五部分我们已经讨论了3 g移动的可编程数字信号处理器。在这方面,首先我们已经讨论了第三代移动通信系统的需求,然后对3 g移动通信系统DSP体系结构。接下来,第六节中,我们已经介绍了最相关的技术对4 g移动处理器。在这个我们已经讨论了各种DSP处理器的体系结构。

无线应用程序特定的需求方
由于无线市场日益增长的重要性现在有几个需求方与无线应用程序设计。最初的GSM - 136,只有被应用到具体领域,如语音编解码器因为它们有限的性能。为了避免缺点,一些特定于应用程序的开发。例如,朗讯的DSP 1618执行维特比解码使用协处理器[2],它支持多种解码模式控制寄存器在芯片领域的成本。同样的TMS 320 c54x支持具体指令维特比解码[3],这使得它对移动通信有用。但是它只有一个乘法器,所以很难处理复数乘法和积累,用于信道均衡等应用程序。几个
dsp能够支持每周期是两个MAC操作,例如,基于very-long-instruction-word TMS320C6X没有专用的MAC单位,但有两个乘数和六个算术单元。它执行MAC操作通过使用单独的繁殖并添加指令[4]。此外,双重MAC单位在朗讯的DSP 1600执行两个乘法和两个积累在一个指令周期和支持的维特比解码[5]。
特定于应用程序的DSP的一个例子是一个特殊的DSP块称为移动通信加速器(MCA)使用MetaCore框架开发。这是一个设计框架生成特定于应用程序的指令集处理器DSP应用程序,与发电机组等软件工具编译器,汇编器和指令集模拟器。例子是MDSP-II,一个16位DSP [6]。特殊功能块以及改进的一个指令集对移动通信的应用程序。所以,剩下的处理能力等其他特性可用回波消除和语音识别技术,剩下的处理能力有助于减少,能耗,使此类dsp为便携式应用程序更温和,通过执行相同的功能在降低时钟频率。GSM基带功能,需要每秒5300万条指令(MIPS)通用的数字信号处理器,可以用19 MIPS。
在DSP进化,VLIW处理器开发支持基于编译器的程序员友好环境[7]。例子包括TIs TMS320C6X [8], ADIs Tiger-SHARC[9],朗讯、摩托罗拉的恒星核心[10]。显然这些VLIW处理器使用并行指令计算与预测和假设(EPIC),帮助编译器。处理器在统计上,多个问题操作利用许多DSP应用程序中的指令级并行性的内在。,these devices allow very efficient compilation of higher-level code, hence the need for DSP-specific assembly level coding of algorithms is reduced. The trend of wireless toward an open application-driven system will make this kind of DSP more convincing as a multimedia processor in the handset.

可编程数字信号处理器3 g移动
答:第三代移动通信系统的要求
大多数应用程序需要音频、视频和通信处理能力、需求放在处理器用于基站和移动台越来越密集计算和带宽。RISC微控制器(MCU)和需求方提供这些应用程序。虽然RISC处理器架构,使有效的异步控制流,dsp构架为同步表现良好,恒定速率数据流。因为需要控制和媒体处理在许多嵌入式应用程序。dsp和单片机通常一起使用在董事会层面或SoC (SoC)的集成。RISC处理器和dsp团结的完美处理引擎各种多媒体应用和产品,如手机、数码相机、便携式网络音频/视频设备。
关键基站领域要求的高性能dsp将包括:
——天线阵列的自适应数字波束形成(BS -基站)
-功率控制(BS和MS -基础和移动站)
——声音处理(在二元同步通信:基站控制)
基带调制解调器(BTS:基地收发站)
数字信号处理器需要[11]BS和女士在图1和图2我们可以观察到。现在,有一些新兴技术例如:——基于DSP的网络电话联系PSTN和包网络(VoIP网关);DSP处理能力的进步,小的足迹,和减少功耗有扩展数量的渠道进行VoIP网关。
介绍了3 g移动系统的需求如下:
智能天线:数字波束形成算法的设计目标源的位置在一个嘈杂的环境。在3 g波束形成。系统可以集成与Rake接收机,信号的对抗衰落和多路径效应。对于这些算法,TigerSHARC快速浮点计算性能使它一个很好的选择。
功率控制:所需的计算功率控制是multiply-accumulate密集型的. .计算multiply-accumulate密集。对于这样的应用程序,以adsp - 21065 l SHARC处理器的选择。
语音处理:需求方是传统的蜂窝系统中的语音处理的选择. .ADSP-21mod980, 8 DSP核心,能够600年MMACS(每秒百万mac),是理想的候选人的这一部分信号链。
基带调制解调器:3 g标准预计将是一个重要因素,使应用程序涉及宽带信号的传输。
耙,Channel-Encoding /解码硬件软件权衡:由于参数的变异性,datarates,和内存引用,这些函数是适合DSP操作
Glueless同构和异构多处理:TigerSHARC DSP高速通信提供了一些选项,包括片上的DMA(直接memoryaccess)和SDRAM的支持,随着港口专用用户可编程的链接。
b . DSP体系结构为3 g移动通信系统:选择DSP来获得所需的计算速度并不是一个直接指定时钟速度最高的架构和指令集大大影响算法的执行速度。“MIPS”(每秒数百万的指令)。另一个需要考虑的方面是DSP体系结构使用的类。
两个最近推出了新的类来考虑:很长的指令字(VLIW)和静态超标量体系结构.VLIW试图降低成本和提高执行速度,减少硬件的复杂性。在VLIW排序机制取决于一个指令格式。延迟在VLIW,所有操作在一个特定的实现软件是完全开放的。德州仪器的TMS320C6x系列VLIW结构的一个例子。静态超标量体系结构的体系结构应用一致的和功能定义良好的编程模型,和时间表是在运行时确定的。的TigerSHARC™DSP从模拟设备是静态超标量体系结构的体系结构的一个例子。
TigerSHARC架构
TigerSHARC DSP的[19],如图3所示(一个)每行允许多个指令,因此降低了整体循环计数需要执行3 g相关功能,如信道解码,de-spreading,路径搜索。自从驻留在软件而不是静态的硬件加速功能块或协处理器,TigerSHARC需求方提供的灵活性,可扩展性和互操作性需要在当今高度竞争的市场。TigerSHARC DSP提供所有的处理能力,使一个高速3 g数据通道。
图3 (b)说明了黑鳍白鲑架构[20]。黑鳍白鲑采取了独特的一步,建筑结合媒体处理属性双重mac (multiply-accumulate引擎,通常用于高性能DSP应用程序)和经典的RISC特征像内存管理功能,有助于简化,enterpriselevel编程模式和风格。设备有DSP功能没有找到任何RISC微控制器和重要单片机特征不典型的需求方。

可编程数字信号处理器为4 g移动
答:DSP处理器为4 g
3 g支持多媒体互联网式服务和2 g相比更好的速度和质量。基于w - cdma的airinterface设计提供改进的高容量覆盖介质比特率(384 kbit / s)和有限的覆盖率高达2 Mbit / s(室内环境)。统计多路复用的空气也提高了数据包传输模式的效率。有一些局限性[12]与3 g如下:
吗?更高的数据率与CDMA之间由于过度干扰服务是很困难的。
吗?很难提供一个全方位的多速率服务,
4 g是高度动态的支持:用户的交通、空中接口和终端类型,无线环境中,服务质量类型和移动模式。
4 g,将更多的需求和内置的智能可调。因此软件系统而不是hard-and-fixed物理系统是必需的。4 g系统[13]需要提供全面、安全的基于全ip移动宽带解决笔记本电脑,电脑,无线调制解调器,智能手机和其他移动设备。设施如ultrabroadband互联网接口、IP电话、游戏设施,可能是提供给操作者。在现代DSP的架构可以被复制扩展处理器核心。增强了DSP的利用SIMD操作,虽然multipleissue DSP的实现VLIW或超标量体系结构的体系结构
系统芯片(SoC)的基础架构移动设备处理器体系结构变得简单的SOC设计。实时响应能力在移动设备可以由使用一种改进的DSP芯片杂交。芯片的电压下降使低功耗操作移动设备。马丁·埃尔[14]提出了手机可重构处理器体系结构。动态可配置的系统芯片(CSoC)移动通信体系结构得到了增强。CSoC特定应用程序的修改。其架构的处理器内核、内存ASIC核心和片上可重构硬件单元。大多数智能手机都是单个或双核SoC。对于移动应用程序,速度比四核SoC的双核CPU提供了更好的性能。移动将成为未来SoC的更复杂的提供更好的性能。
ARM处理器的手机手臂基于处理器是最广泛使用的现代智能手机。手臂a32-bit指令集架构基于RISC架构[15]。ARM处理器是专门用于智能手机,因为它的低功耗和性能。不同的部门架构中使用智能手机ARMv5用于低端设备,和ARMv6 v7中使用高性能设备。v7有硬件浮点单元(FPU)提供改进的速度。32位ARM架构,如ARMv7-A,是应用最广泛的建筑移动设备。ARM体系结构是主要的硬件架构的移动设备的操作系统iOS、Android、Windows Phone, Windows RT,巴达,黑莓OS / Blackberry10, MeeGo, Firefox OS, Tizen, Ubuntu触觉,旗鱼和Igelle操作系统。

手臂皮层处理器手臂皮层处理器核心分为以下变量:Cortex-A处理器(ARM应用处理器)Cortex-R处理器(ARM嵌入式实时处理器)Cortex-M处理器(ARM嵌入式处理器)
高通Snapdragon处理器金鱼草是一个家庭的移动系统芯片(SoC)高通提供的处理器架构。800年2013年,高通Snapdragon处理器与金环蛇400 CPU核提供2.3 GHz处理器时钟速度超过所有其他在移动领域。
NvidiaTegra处理器Tegra是一个系列为移动设备由Nvidia开发。完成部门架构CPU、图形处理单元(GPU),内存控制器等在一个包中。高性能和低功耗音频/视频应用程序提供。发现英伟达'sTegra 4的社会比高通Snapdragon处理器的性能代价。Nvidiahas推出下一代移动处理器,Tegra K1。这是一个移动手机游戏应用程序处理器与192图形核心。Nvidia K1推出支持两个版本:传统的32位的“4 + 1”ARM内核像Tegra 4,和双核64位版本。Tegra K1被认为是更强大的比Xbox 360。

b一个变量点FFT处理器的4 g标准:
IMT-Advanced品种超过二元伦理学的发展。在所有建议4 g, CDMA spectrumwireless传播技术在3 g系统和丢失的是- 95取代了OFDMA formerfrequency-domain均衡。这是结合MIMO(多的多),如multipleantennas、动态信道分配和channe ldependent调度。正交频分多址(OFDMA)是一种细胞空气接口用于4 g通信网络WiMAX等。
OFDMA有几个好处从increasedflexibility改善吞吐量和健壮性[16]通过将信道分配给特定的用户,从多个用户可以同时发生没有干扰,因此被称为多址干扰(MAI)病情最小化什么影响。此外,子渠道化使concentrationof数量减少的副载波传输能量。
另一种方法来应对路径消失是间隔的载体OFDMA [17]。它与码分复用OFDMA (CDM),鲁棒性也在不断增加。一个变量点FFT处理器[18]可能是使用FPGA设计的OFDMA技术应用。FFT处理器使用Verilog HDL语言来描述电路,第四的II 7.2软件构建模型,ModelSim SE 6.2 b软件是用于验证时间函数。这个设计完成的主要计算模块在OFDMA系统中,当应用于实时信号处理系统,

结论
本文进行各种处理器架构3 g和4 g无线通信。图1和图2显示GSM移动台和基站的要求。许多解决方案实现了基站或移动电台多年来,和每个解决方案所需的两个组件的组合,asic和需求方。
TigerSHARC DSP提供所有的处理能力,使一个高速3 g数据通道。TMS320C6x系列试图降低成本和提高执行速度,减少硬件的复杂性。图3显示了TigerSHARC和黑鳍白鲑架构。我们已经讨论了高级功能的移动设备的主要制造商,和第四代(4 g)无线宽带。对4 g可用各种DSP处理器系统芯片(SoC)的基础架构,ARMv-5ARMv-6 ARMv-7, Cortex-A, Cortex-R, Cortex-M处理器,高通Snapdragon处理器,NvidiaTegra处理器和可变点FFT处理器。图4显示了FFT处理器的框图。
DSP体系结构的计算能力已经大大提高了由于芯片制造的进步。如下表1所示,相同的DSP芯片提供约5 GIPS(每秒千兆指令)2000年,相比之下1980年5 MIPS和增长到50的溢价,在2010年。考虑其他因素也,DSP集成的进步是很重要的。移动高清视频、成本有效和权力高效支持这些应用程序需要在不久的将来。

承认
我们要感谢专家们的DSP处理器资源的使用和分析我们欣赏:德州仪器,Bi,索林Zoican Byoung-Woon Kim和R。Ramakrishnan等等。

未来趋势
占主导地位的嵌入式和移动设备操作系统仍出现,新一代的移动设备。未来的移动处理器会将更多的并行性超标量体系结构的设计。VLIW和SIMD架构将成为更受欢迎,因为它们允许减少处理器芯片的频率和电压在不损失性能。在未来所有这些趋势将导致更有效和强大的嵌入式和移动设备。的一大挑战是用电还是在低水平。一种可能性是嵌入在办公室和城市环境中许多小型处理器,可以协助移动设备和减少电力需求。

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