标题：基带芯片
定义
基带芯片是用来合成即将发射的基带信号，或对接收到的基带信号进行解码。具体地说，就是：发射时，把音频信号编译成用来发射的基带码；接收时，把收到的基带码解译为音频信号。同时，也负责地址信息（手机号、网站地址）、文字信息（短讯文字、网站文字）、图片信息的编译。
组成
基带芯片可分为五个子块:CPU处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块.
CPU处理器对整个移动台进行控制和管理,包括定时控制、数字系统控制、射频控制、省电控制和人机接口控制等.若采用跳频,还应包括对跳频的控制.同时,CPU处理器完成GSM终端所有的软件功能,即GSM通信协议的layer1(物理层)、layer2(数据链路层)、layer3(网络层)、MMI(人-机接口)和应用层软件.
信道编码器主要完成业务信息和控制信息的信道编码、加密等,其中信道编码包括卷积编码、FIRE码、奇偶校验码、交织、突发脉冲格式化.
数字信号处理器主要完成采用Viterbi算法的信道均衡和基于规则脉冲激励-长期预测技术(RPE-LPC)的语音编码/解码.
调制/解调器主要完成GSM系统所要求的高斯最小移频键控(GMSK)调制/解调方式.
接口部分包括模拟接口、数字接口以及人机接口三个子块:
(1)模拟接口包括:语音输入/输出接口;射频控制接口.
(2)辅助接口:电池电量、电池温度等模拟量的采集.
(3)数字接口包括:系统接口;SIM卡接口;测试接口;EEPROM接口;存储器接口:ROM接口主要用来连接存储程序的存储器FLASHROM,在FLASHROM中通常存储layer1,2,3、MMI和应用层的程序.RAM接口主要用来连接存贮暂存数据的静态RAM(SRAM).
区别
传统的说,一个手机包括很多部分,学一件东西,首先我们从简单入手,假设我所要了解的手机只有最基本的功能--打电话发短信,那么这个手机应该包括以下几个部分,①射频部分,②基带部分,③电源管理,④外设,⑤软件.
从去年MTK刮起一阵旋风,大江南北70%的国产手机都是基于MTK平台的,MTK平台的6117,6119,6228,6305等一系列的芯片组代号红遍手机行业,但它们之间是怎样的联系呢?有人误解这些芯片组代号是MTK平台的代号,按照我的理解,61xx系列是射频芯片组;62xx系列是基带芯片组;63xx系列是电源管理芯片组,每一种MTK平台是这三种芯片组的组合,其中由于基带芯片组的重要性更高,所以一般以基带芯片组的代号来代指该MTK平台.
①射频部分:一般是信息发送和接收的部分;
②基带部分:一般是信息处理的部分;
③电源管理:一般是节电的部分,由于手机是能源有限的设备,所以电源管理十分重要,MTK做得好一个很大的原因就是电源管理做的好.
④外设:一般包括LCD,键盘,机壳等;
⑤软件:一般包括系统,驱动,中间件,应用四大部分;
基带芯片是整个手机的核心部分,这个就好比电脑的主机,其它都是外设.传统的基带芯片分为ABB和DBB两个部分,BB是Baseband的缩写,别想歪了,现在的网络小说太多,很多词都有了特殊的含义,但其实,它们真的很朴实.A是ANALOG的缩写,D是DIGITAL的缩写.
为什么会有ABB呢,因为基带芯片不光处理数字信号,也有可能处理模拟信号,最常见的就是声音的捕捉和合成转换,不要幻想手机中的声音是数字编码的,早期的大哥大根本没有那个处理能力.
DBB又是干什么的呢?在手机行业中,有一个潜规则,定义双芯片解决方案为smartphone,单芯片解决方案为feature phone,所谓的单双芯片就是DBB的核心部分.一般情况这种核心芯片的价格不菲,低端手机为了节约成本,只内嵌一个MCU芯片,成本稍高的中高端手机额外内嵌一个DSP芯片.还有一些高端手机的DBB有三个芯片,一个ARM7的主管通信部分,一个ARM9的充当MCU负责应用,一个DSP专用芯片负责大计算编解码的,随着硬件成本在手机中的比重越来越低,三芯片的解决方案可能将会是主流.
MCU和DSP充当DBB的CPU是整个手机主机的灵魂,但这不意味着其他的就可要可不要,手机有串口,有红外,有蓝牙,有sim卡,有键盘,有内存,有LCD,有USB…基带芯片上要支持这些东西,光说说是做不到的,有复杂的总线,石英钟,附加安全芯片等等,也可能是基带芯片上捆绑的附属品.基带芯片加上基本外设的成本通常也叫BOM成本.
手机终端中最重要的核心就是射频芯片和基带芯片.射频芯片负责射频收发、频率合成、功率放大;基带芯片负责信号处理和协议处理.
在TD-SCDMA终端发展中,处于产业链上游位置终端芯片方案的研发进展是推动TD产业商用化深入的关键.只有射频收发和基带芯片相互配合,才能共同完成中国3G芯片产业链的完整布局.
但射频芯片跟基带芯片相比,中国厂商的力量明显薄弱.从厂商数量和融资规模来看就可见一斑.
射频芯片简单的说就是接收信号和发送信号.我们的手机接打电话和接收短信时主管与基站通信的部分.
射频原理,全天下的都差不多一样,两条通道,一条发射,一条接收,但只有一根天线,一般是由一个开关(switch)来切换接收和发送的状态.有人要问,"何时切换?我打电话的时候既接收信号又发送信号,怎么没有感觉到切换呀!",这个开关切换速度非常快,就好比我们平时在电脑上可以同时下载和上传多个文件而感觉不出来是通过一根网线做到的一样.
我们的手机是数字手机,所以要处理的都是数字信号,而射频发射的都是模拟信号,所以这个有一个数模转换的过程,数模转换的部分可能被包含在基带芯片中也可能被包含在射频芯片中.MTK平台的就包含在基带芯片中.
数字信号转换成模拟信号后信号非常的弱,不足以发送给基站,所以一般射频芯片中都有一个PA功放,功放顾名思义就是将功率放大,功率放大的代价就是电源消耗严重,所以我们打电话的时候特别的消耗电,那一般不打电话时也有信号发送给基站啊,要不手机上的信号怎么忽强忽弱的,对的,但是没有电话时射频信号一般发送的周期特长,比通话时信号发送的频率要低的多,所以这时不太耗电.
发送的通道要比接收的多一个振荡器,为啥要多个振荡器呢?我们都知道目前世界上有850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz四个GSM手机频段,这个频段是啥意思?以900MHz为例,就是一秒钟传输9亿个信号,换句话说每传输一个信号的时间间隔是9亿分之一秒,那么这个时间间隔由谁来把关呢?就是由这个振荡器,这个振荡器的震荡频率就是采用的频段标准.
于是我们理理思路:
发射端:
数字信号-->DAC(数模转换)-->混频器(与振荡器混合)-->发射功放-->发射
接收端:
数字信号<--ADC(模数转换)<--滤波器<--接收功放<--接收
下划线的部分为MTK平台射频芯片集成的功能,这就是一个射频原理框架,是不是所有的射频都一样?只除了振荡频率不一样.
其实不是的,现在只是在硬件层面,在软件层面每个手机射频芯片中还有射频协议栈,GSM的是GSM协议栈,CDMA的是CDMA协议栈,WCDMA的是WCDMA协议栈,每个都不一样,传说中的ttpcom公司就是依靠着GSM协议栈发家的,这个所谓的协议栈有点象我们的ip协议,定义了一系列的传输规则,所以两部手机通信不仅是因为他们的频率相同,也因为他们使用相同的协议栈.
在写windows编程时,尽管我们不晓得网卡如何传输数据,但我们只需要根据编程定义中的socket使用方法来写程序,我们就能够写网络应用,同样道理,我们只要知道GSM协议如何传输信息,那么我们就可以将信息通过射频传输出去,这个类似socket的方法就是我们所谓的AT命令,射频芯片数模转换后的信号就是AT命令,有了AT命令就有了可以识别的数字信号,手机可以做相应处理,所以手机上的数据业务丰富都是多亏了AT命令的出现.
所以,简单的说,射频芯片就是起到一个发射机和接收机的作用.
详解
1.目前常用的基带芯片大多采用基于ARM7TDMI芯核的微处理器,ARM7TDMI是低端的ARM芯核,它所使用的电路技术能使它稳定地在低于5V的电源下工作,可采用16/32位指令实现8/16/32位数据格式,具有高的指令吞吐量、良好的实时中断响应、小的处理器宏单元.ARM7能高效的运行移动电话软件,参考框图如图1:
控制核ARM7TDMI,采用0.35um制造工艺.包括一个ARM7 32位RISC微处理核;1个Thumb能将16bit指令解压为32bit指令;1个快速乘法器,一个输入校验断路器(ICEbreaker)模块.ICEbreaker模块给控制核提供单片内集成调试(debug)支持,当控制器停在程序断点时,有权访问控制器的全部内容及控制器可访问的全部地址空间.通过JTAG同步串联连接,信息随后送给计算机主机用于显示.
ARM可访问的地址空间由存储器管理单元(MMU)控制.MMU负责提供片选,控制等待状态及ARM产生的全部访问数据宽度(8bit/16bit/32bit).MMU支持外部8bit或16bit长度的程序与数据存储器,外部ROM字宽由程序存储器尺寸pin指示,外部RAM则由寄存器指示.MMU管理ARMT状态变化:工作到睡眠由ARM7软件实现,睡眠到唤醒由中断或复位实现;MMU分配被要求的外部系统总线给DSP.
中断控制寄存器是存储器的映射,它允许隐藏与清除中断,配置由中断源及由ARM产生的中断信号FIQ,IRQ之间的映射.一共有10个中断源:外部设备中断、DSP产生的中断、SIM I/F中断(要求与SIM卡交换读写字)、VART1.2中断(要求与数据终端设备交换读写字节),按键扫描中断(指示按键连通或断开),TDMA帧中断1,TDMA帧中断2,OS记号,RTC警报.
Boot ROM内含ARM与USC(Universal system connector)系统串口的基本通信代码,ROM代码用于初始化MCU系统,而且能通过一个简单的通信方案实现往内部SRAM下载更有效的通信协议.
2.处理器外围设备
ARM7外围设备是存储器的映射并能被灵活驱动.除UARTS部分之外,它们的组成如图3所述.
IM I/F驱动SIM卡,并且执行部分ETSI Rec11.11接口协议:复位序列,Card on sequence,card off sequence, byte or multi-byte transfer.
16个通用输入输出(GPIO)线可用,但它们的使用有所限制,因为它们常与其它信号(如地址线、串口线等)复用,故要计算实际可用的GPIO数量.
脉冲产生器产生软件可调的PWM输出频率及占空比.
特殊EEPROM串口总线确保当ARMT串接EEPROM时不会降低处理速度.
GPSI(General purpose serial Interface)允许连接多种设备.
辅助ADC I/F包含5个模拟输入:温渡感应,电池电压……
键盘扫描识别25个键的状态.
RTC模块能提供一个带报警提示的全天完整的时间时钟,并带100年日历(注:不同的基带芯片该项功能有差异,有的芯片的RTC只是一个32位计数器,需要通过软件计算年月日时分秒).
详解2
1.DSP子系统
DSP子系统能使移动电话机信号处理软件有效执行及具灵活性.框图如图4.
DSP核有许多种.例如:OAK,ADSP-218X等.以下以OAK为例做简单介绍.OAK核包括一个16-bit(数据和程序)带4个36位累加器的定点DSP,还带强大的字位处理单元和子程序与中断嵌套的深堆栈.
一个片上16位数据随机存储器,容量4K.
当处理器停在程序断点时,智能调试接口(SDI)有权访问处理器的全部内容及控制器可访问的全部地址空间.通过JTAG同步串联连接,信息随后送给计算机主机用于显示.
DSP可访问的地址空间由OAK 存储器管理单元(MMU)控制,对所有OAK芯核要求的数据访问,MMU负责提供片选,控制等待状态和数据宽度.
MMU管理DSP状态变化:工作到睡眠由DSP软件实现,睡眠到唤醒由中断实现.
中断控制寄存器是存储器的映射,它们隐藏和清除中断,配置中断源和DSP产生的中断信号(NMI,INT0,INT1,INT2)间的映射.
对DSP有5个可能的中断源:ARM芯核产生的中断,RX处理请求(处理接收的射频信号取样),PCM I/F请求(读写语音信号的取样),TDMA帧头的标示,语音帧编解码请求.
根据GSM-1C,部分DSP资源(至少1K程序RAM,0.5K数据RAM,约10MIPS的运算能力)可用于用户特殊程序.
DSP嵌入代码运行要实现语音编解码、信道编解码、加密、解密、脉冲(Burst)产生与调整、电源检测等.主要处理步骤如图:
DSP子系统是ARM7芯核内外部可设定地址空间的映射.在ARM内部的地址空间,保留静态位置给DSP配置,用于以流控制的DSP的状态和信息交换;ARM在外部的地址空间给出两个基址,一个给ROM用于DSP把代码从外部存储空间传输到内部程序存储器,一个给RAM作为DSP工作状态时的存储空间.ARM的MMU单元可以使DSP通过DMA(存储器直接存取)机制与外部设备高速交换数据,同时减少数据交换时对CPU资源的占用.
2.DSP外设
DSP外设被映射为存储器或被用作DSP用户可定义寄存器接口,如下图:
PCM I/F部分给DSP系统处理音频数据流:在传输通路,它负责从音频前置末端或DAI端口传送音频取样信号;在接收通路,它传输解压的音频取样信号到音频前置末端或DAI端口.
DSP射频端口为DSP子系统处理射频数据流:在传输通路,它传输存储符号到数字GMSK调制器;在接收通路,它存储从RX ADC传过来的IQ信号直到DSP处理完.
Hardwired协处理器减轻了DSP处理负担,它承担通用DSP结构不擅长处理的部分GSM信号处理,并且还负责部分密码算法处理和Viterbi解码.
详解3
通用异步收发接口(UART)
无线接口
该接口与移动电话无线部分有效连接.如图6所示.在发射方向,输出信号为基带GMSK信号,频谱客GSM 05.05REC.在0~1800KHZ带宽内.TX POWER ramp的上升与下降是可编程控制,而且与功率放大器相匹配.在接收方面,输入信号预期为滤除干扰信号的基带信号.在RF到BB转换中邻近信道预计滤除至少9DB RX增益控制可以调节器节RF信号电平达到基带忒片输入信号的动态范围之内.提供模拟或者数字接口.RX增益可自动调节在接收信号平(仅针对BCCH载波)或ARM7子系统预设值.频率控制器可以按每步小于0.5HZ调节参考的振频率.PCC接口承载接收、发射及burst监控频率值.内部定是窗口可以被频率合成器决定时间相匹配.
语音接口
语音前置端口是满足G712要求的编解码器,它允许如图所示的语音有效连接.
在发射方向,发话器信号在转化成PCM I/F前被数字代及滤波,一对差分发话器给电发话器提供差分电流源.
在接收方向,信号被解压与滤波传给扬声器,DSP子系统产生蜂鸣信号给蜂鸣器,一对差分输出驱动信号被提供,语言前置端口控制语音信号放大量及调整数字滤波器率响应.
电源/复位管理与定时产生
这部分小功能块是降低功耗的主要部分:只让必须工作的小功能块工作.程序能实现如下功能:当数字寻功能块工作在空闲状态时停止或减慢其数字时钟;切断模拟子功能块的电源当其工作在空闲模式时;简单图举例如下图4-11:
在收到子系统复位要求或者看门狗计算器满时,复位信号发生器产生内部复位信号,时钟发生器产生基带子系统的操作时钟,内PCC为ARMT子系统及DSP子系统产生高速时钟,分别为26MHZ与52MHZ时钟.功耗降低开关内含让基带芯片子系统接通或断开电源的寄存器.
定时产生器产生定时窗口让基带芯片子系统与外接天线设备在TDMA帧内动态接通或关断.为了将听与呼叫功能块的功耗最小化:采用慢的时间基准代替快的时钟基准使功耗降低;TDMA帧巾断可以被掩饰为了可编程同期.
公用debug/测试接口
该接口允许测试或debug设备连接在同一端口,它为最终目的提供debug工具.根据端口或核选择器数值,该接口将外部信号与内部端口连接:DAI端口,DSP JTAG串联端口或者ARM7 JTAG串联端口.
开发工具通过VSD模块(VLSI串行器模块)驱动DSP(OAK SDI)与ARM ICEbreaker VSD 模块将Host信号转化为JTAG格式,而且容许通过测试端口连接内部资源.在开发芯片,增加debug连接脚,容许通过外接逻辑分析器观察与实时跟踪记录内部信号.
基带芯片
未来TD-LTE手机基带芯片主流是28nm单芯片方案。TD-LTE手机基带芯片的研发进度目前来看是受制于28nm的产能瓶颈和TDSCDMA与TD-LTE的研发难度，预计要到2014年多个公司的基带芯片方案才能量产上市，我们认为这个也是中国的TD-LTE商用的大前提。因此预计中国TD-LTE在2014年将迎来大规模商用化的春天。[1]