試析手機基帶芯片的低功耗研究及設計

南京六九零二科技有限公司 曹榮祥

試析手機基帶芯片的低功耗研究及設計

南京六九零二科技有限公司 曹榮祥

隨著科技的發展時代的進步，智能手機技術日新月異，手機顯示屏更加高清、處理速度越來越快速內存容量不斷擴大，而這些技術的發展電池的考驗非常大，所以在智能手機的發展過程中，如何節省功耗就成為了急需解決的問題?；鶐酒且环N通信處理器，任何手機都不可缺少，它的集成度已經非常的高了，一般的3G基帶芯片的規?？蛇_到23000000門，智能手機低功耗問題中需要著重關注的方面之一，就是基帶芯片的低功耗設計。本文首先闡述了低功消耗策略的提出與實現、功耗測試與仿真結果，試著分析收集基帶芯片的低功耗的研究及設計。

收集基帶芯片；低功耗；設計及研究

1 低功耗策略的提出

1.1 基于日常生活

手機主要功能有：接打電話、收發短信以及上網等。自從其問世以來人們已經越來越離不開這種同學設備。據相關統計，截止2010年底，全球使用手機的人數達到50億人，隨著使用手機人數的增加，手機通話時間也越來越長。其中美國人最甚，每月達到了835分鐘，其次是中國的香港和大陸，分別是430和420分鐘，每天平均打電話的時間約為14分鐘。由此我們也可以知道，手機在一天只有一小部分時間被使用，其他的時間都是處于待機的狀態，而基帶芯片除了在手機使用的過程中會運行以外，在手機待機的過程中沒有必要與通信基站進行數據交換，如果這時ARM，DSPs等硬件電路還處于運行的狀態，那么手機電池中的部分電量就會被無意義的損失掉，所以為了避免這種無意義的消耗，在手機出于待機狀態時這些功能模塊的電源和時鐘都應該處于關閉狀態。

1.2 基于通信協議

FDMA系統中的一個頻道可以稱為幀，并且在TDMA中被定義成每個載頻中所包含的8個連續的時隙。發送所有突發脈沖的地方，是TDMA幀的一個時隙上，突發脈沖序列也是由一個消息格式存在于TDMA信道上的一個時隙中的。所有TDMA幀中時隙的個數為8個，時隙中馬元的個數有156.25個，其長度為0.577ms，幀的時長大概是4.615ms。由此可知，移動終端在向基站傳輸數據時，為了可以可以按整數倍的幀時長來關斷芯片的供電，應該嚴格使用結果和時長的幀進行消息的傳送，而不是連續的傳輸數據，也不是按照需要傳送長短不一樣的數據塊。

2 低功耗策略的實現

當2G系統在待機時，系統狀態機控制著每個模塊的時鐘和電源的開關，并且還控制著整個2G系統休眠與運行狀態之間的安全切換，在物理實現方面,使用門控時鐘技術管理時鐘供給，使用電源管理狀態機控制電源相關信號。系統休眠的起止時刻和休眠時長等問題可疑通過休眠定時器來解決，確保系統的一次休眠為整數倍的TDMA幀，可以利用硬件校準來對休眠定時器的誤差分析和引入誤差的原因進行分析，同時對不同環境中的計時精度也要進行改進，在仿真結果方面達到了設計的要求。

為了實現系統在休眠狀態與運行狀態之間安全的進行切換，應該聯合起來使用休眠定時器與系統狀態機。具體措施有，休眠定時器在系統還為進入休眠狀態時，要確?？梢哉５倪\行。另外，休眠定時器一直都要處于運行狀態，與喚醒的方式無關，特別是提前喚醒方式。

表1 功耗測試結果

3 功耗測試與仿真結果

3.1 功耗測試結果

測試芯片功耗的過程比較復雜且工作量很大，想要完成這項工作，必須在在嚴格特定的使用案例下完成，測試的結果會隨著測試使用案例的不同而不同。在本文中使用的是手機待機時的功耗測試案例，想要測試功耗就應該分兩種情況。

圖2 校準過程全圖

圖3 校準過程細節

以下公式為記時方法的版本在本文討論的休眠定時器中已經成功流片，具體測試結果如表1所示。

表1中主要描述了兩種功耗測試案例的測試參數和結果，另外主要參數的具體設置再其中也有體現，而并沒有給出其他參數配置。在兩種案例進行時，手機沒有需要處理的電話、短信息或上網業務，也就是處于一種待機的狀態。而在基帶芯片方面，測試使用的基帶芯片規模達到48000000門，其中模擬基帶部分采用65ns工藝制造，同時還能支持GSM/WCDMA/LTE的多模智能手機基帶芯片，數字基帶部分采用40mm工藝制造。

3.2 功耗仿真結果

硬件校準仿真結果：

圖2和圖3中主要使用的時鐘周期上有-200ppm的32KHz時鐘得到的結果，而并沒有用標準的32768Hz的時鐘得到仿真波形的校準結果，32KHz的時鐘周期在仿真中設置的是30511475ps，26MNz時鐘的時鐘周期為38461538 fs，ModelSim的仿真精度設為飛秒（fs)。

首先應該設置一些校準參數，其中主要有slot，frame，frame16三個值，這三個值分別代表在一次校準過程中，cnt-32k的值為多少時去讀cnt-15000的值。在本次設計中分別設置：slot=288，frame16=2419。

4 總結

如今，智能手機想要更進一步的發展，關鍵的一個環節就是縮短手機的待機時間，想要實現這個愿望，一種方法是加大電池的容量，另一種方法就是減少手機的各個組成模塊的功耗，目前的所有手機中基帶處理芯片是不可缺少的配件之一，以低功耗為前提研究和設計基帶處理芯片，可以讓手機有更多的待機時間。上述文章中主要講述了想要設計和實現手機基帶芯片的低功耗應該完成的工作，具體有以下幾點：（1）首先分析了手機在人們日常生活中所占用的時間，在通信協議中的低功耗控制方面，制定出手機基帶芯片的低功耗策略，低功耗策略的制定過程中，不僅結合了基帶芯片本身的作用與架構，還總結了組成手機的各個部位和關于在設計芯片過程中使用的低功耗方法提出的。另外，系統準確休眠整數倍的TDMA幀也可以當做該策略，并在幀邊界喚醒系統，讓基帶芯片消耗的功耗更加少。

（2）本文中設計了休眠定時器，其主要目的是為了準確記錄整數倍的TDMA幀，在TDMA幀的真邊界，系統是否處于休眠狀態會有一定的變化，幀的邊界在系統進入運行狀態時自動喚醒系統，而當系統離開運行狀態時會關斷通信模塊的時鐘。另外，調節定時器的休眠時間不是固定的，可以自己進行調整。在硬件校準方面，定時器上也做了設計，目的為了適應不同的使用環境。

（3）分別對驗證仿真波形與流片測試結果進行了分析，在功耗節省率方面，也進行了詳細的計算，對設計中每一個重點給出了驗證仿真波形并分析。

5 結束語

采取本文描述的降低功耗的方法有一定的效果，但是這種策略并不是最有效的?，F階段，高階電值晶體管技術相較于以前有了長足的發展，在其尺寸方面不斷在縮小，3D晶體管技術的不斷發展，使這種從工藝角度對功耗的節省和改進處理性能等方面有著很好的促進作用，但是還有一個研究熱點和難點，就是如何做到集成電路更低的功耗。筆者在本文中主要是從系統的角度作為出發點和落腳點，而并沒有從其他更好方面進行闡述，希望對研究低功耗的技術能有新思路。

[1]楊崢嶸．手機基帶芯片中系統功耗控制模塊的設計與驗證[D]．西安電子科技大學,2013．

[2]孫騰達．手機基帶芯片的低功耗設計[D]．西安電子科技大學,2013．

[3]姚艷麗．低功耗手機基帶芯片的時鐘管理模塊的設計與驗證[D]．西安電子科技大學,2014．

[4]馬林．手機基帶芯片的低功耗研究與設計[D]．西安電子科技大學,2012．

[5]王璐璐．數字電路功耗分析及優化的研究[D]．吉林大學,2013．

[6]吳輝．高速率無線傳輸在WSN系統中的應用研究與設計[D]．北方工業大學,2013．