基帶芯片架構及驗證研究

重慶郵電大學通信與信息工程學院 潘應進

?

基帶芯片架構及驗證研究

重慶郵電大學通信與信息工程學院 潘應進

【摘要】結合2G、3G再到LTE和衛星通信，對基帶芯片的發展進行了研究，介紹了基帶芯片的主要功能，總結了基帶芯片的基本架構。結合基帶芯片的架構提出了其驗證的基本需求和策略。

【關鍵詞】基帶芯片；衛星通信；架構；驗證

1　基帶芯片功能概述

基帶芯片是整個手機的核心部分，用來合成即將發射的基帶信號，或者對接收到的基帶信號進行解碼。基帶芯片可分為五個部分：CPU處理器、信道編解碼、數字信號處理器、調制解調器和接口模塊。CPU處理器對整個移動臺進行控制和管理，包括定時控制、數字系統控制、射頻控制、省電控制和人機接口控制等。若采用跳頻，還應包括對跳頻的控制。同時，CPU處理器完成終端所有的軟件功能，即通信協議的layer1（物理層）、layer2（數據鏈路層）、layer3（網絡層）、MMI（人-機接口）和應用層軟件。信道編碼器主要完成業務信息和控制信息的信道編碼、加密等。數字信號處理器主要完成采用Viterbi算法的信道均衡和基于規則脈沖激勵-長期預測技術（RPE-LPC）的語音編碼/解碼。調制解調器主要完成通信系統所要求的高斯最小頻移鍵控調制/解調方式。

2　基帶芯片架構

隨著無線通信技術的飛速發展，基帶芯片不僅發展迅速，而且各式各樣。從2G、2.5G、3G到4G，再到5G，基帶芯片在功能上經歷了從單模到雙模，再到多模的演變，在結構上也經歷了從MCU+DSP的雙核結構到ARM+多DSP或者多ARM+多DSP的多核結構的發展。但無論是單模還是多模，雙核還是多核，基帶芯片都要實現兩個主要功能：通信和應用，其中通信部分又包括基帶信號處理和協議棧。其中協議棧要求是實時的，應用部分則無需實時。因此，是否將協議棧和應用部分分到不同的處理器去運行，以及選擇什么樣的操作系統，都會影響基帶芯片的基本架構。

傳統的基帶芯片的基本架構[1]采用的是ARM+DSP的雙核結構。ARM完成協議棧的處理，DSP完成基帶信號的處理，ARM與DSP之間由一個雙口的靜態隨機存儲器連接。

LTE基帶芯片的基本架構[2]采用了多ARM+多DSP的結構，涉及到編解碼、信道估計、信道均衡、同步與測量算法。由于LTE對不同帶寬的支持，所以帶寬的不同對以上參數均有動態的影響，進一步增加了實現的復雜度。

我國第一代衛星通信基帶處理芯片的采用了雙CPU+DSP+硬件加速器的結構，包含三個部分：協議層子系統、物理層子系統和IP子系統。協議層子系統完成協議的層二層三的協議處理，同時，完成與應用處理的交互，完成對物理層的控制和數據交互。協議層物理子系統除協議功能外，還負責控制整個芯片的工作，包括復位、啟動、工作等。物理層子系統完成協議的層一的協議處理，主要是上行數據的編碼、調制、加密等，下行數據的同步、解調、解密、譯碼等。IP子系統完成芯片的輔助控制功能和外設連接功能。

隨著通信要求的不斷提升，基帶芯片的結構越來越復雜，但都有一個共同的特點，即所有的基帶芯片都是基于某一總線架構的，總線架構實現不同IP的互連和通信。另外，雖然目前業界使用的總線架構五花八門，但從上述內容可以看出，對通信基帶芯片而言，無論是最早的2G、3G，還是現在的4G和5G，甚至是衛星通信，最常用也是性能最好的總線架構仍然是ARM公司的AMBA總線。

3　基帶芯片的驗證

基帶芯片的驗證經歷了從傳統驗證方法到驗證方法學的演進過程，與傳統驗證方法相比，驗證方法學[3]的問世大幅的提升了驗證的質量值效率，但也由于性能的增強，使用也更加繁瑣。但隨著基帶芯片復雜度的不斷提升，驗證的需求也越來越多，主要表現在一下幾個方面：

（1）隨機的激勵產生方式。芯片復雜度的提升使得待測功能點的持續增加，傳統的定向測試已經無法滿足需求，需要隨機的激勵，增強對測試空間的覆蓋程度。

（2）功能覆蓋率的收集。使用了隨機激勵，就必須要有功能覆蓋率的支持，否則無法準確的判斷功能點的覆蓋情況。

（3）驗證平臺的可重用性。面對激烈的競爭市場，要求芯片的設計周期大幅縮短，這樣也就縮短了驗證平臺在單個芯片上的使用周期，因此，增強驗證平臺的可重用性，縮短新項目的設計周期。

（4）驗證結果的自動化檢查。要想大幅的縮短驗證周期，傳統的人工檢查驗證結果的方式顯然不足取，需要設計自動化的結果檢查機制，減少人為的干預，不僅能提高驗證的效率，還能提高正確性。

從這些需求來看，簡單的傳統驗證顯然已無法滿足，需要研究更為高效的驗證方法，綜合驗證方法的發展，驗證方法學使用隨機的激勵產生方式，具有收集功能覆蓋率的功能，加入計分板實現自動的結果比對，完全滿足現階段基帶芯片的驗證需求。而UVM[4]是目前最新的驗證方法學，吸收了縱多驗證方法學的優點，將是未來芯片驗證的發展方向。

4　結束語

在我國4G覆蓋率不斷上升的背景下，5G的研發，衛星通信的發展，核心技術之一還是基帶芯片的設計與驗證。在目前基帶芯片架構趨于穩定的情況，驗證成了提升芯片質量和市場競爭力的關鍵。在不斷改進基帶芯片架構的同時研發高效的驗證方法，對我國基帶芯片的發展具有重大的意義。

參考文獻

[1]胡東偉,梁宏明,陳杰.移動終端基帶芯片概論[J].移動通信,2009,33(8):29-32.

[2]李鑫,劉亞新.LTE基帶芯片技術難點與現狀分析[J].現代電信科技,2014(11):57-62.

[3]陳禮升.基于AMBA總線的SoC通用平臺搭建和SystemVerilog驗證研究[D].濟南:濟南大學,2011.

[4]Accellera.Universal Verification Methodology(UVM) 1.1 User’s Guide[M].2011.

潘應進（1990－），男，重慶郵電大學碩士研究生，研究方向：基帶芯片驗證和嵌入式研究。

作者簡介：