基帶芯片

基帶芯片可以合成即將發射的基帶信號，並且解碼接收到的基帶信號。發射基帶信號時，把音頻信號編譯成基帶碼；接收信號時，把基帶碼譯碼為音頻信號。同時，基帶芯片也負責地址信息、文字信息和圖片信息等的編譯。基帶芯片是一種集成度非常複雜的SOC，主流的基帶芯片支持多種網絡制式，即在一顆基帶芯片上支持所有的移動網絡和無線網絡制式，包括2G、3G、4G和WiFi等，多模移動終端可實現全球範圍內多個移動網絡和無線網絡間的無縫漫遊。目前大部分基帶芯片的基本結構是微處理器和數字信號處理器，微處理器是整顆芯片的控制中心，大部分使用的是ARM核，而DSP子系統負責基帶處理。 ^[1] 

存在於智能手機中的基帶芯片可以理解為一個結構複雜的SoC芯片，這種芯片具有多種功能，各個功能的正常工作是通過微型處理器進行配置與協調的。這種複雜的芯片以ARM微型處理器為中心，它通過ARM微型處理器的專用總線（AHB總線）來控制和配置ARM微型處理器周圍的各個外設功能模塊，這些功能模塊主要有GSM、WiFi、GPS、藍牙、DSP和內存等等，並且每一個功能模塊都有獨立的內存和地址空間，他們的功能是相互獨立的，互不影響的。並且基帶芯片自身擁有一個電源管理芯片。 ^[2] 

基帶芯片可分為五個子塊：CPU處理器、信道編碼器、數字信號處理器、調製解調器和接口模塊。 ^[2] 

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、省電控制和人機接口控制等。若採用跳頻，還應包括對跳頻的控制。同時，CPU處理器完成GSM終端所有的軟件功能，即GSM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。 ^[2] 

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，其中信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。 ^[2] 

數字信號處理器主要完成採用Viterbi算法的信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。 ^[2] 

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。 ^[2] 

接口部分包括模擬接口、數字接口以及輔助接口三個子塊； ^[2] 

(1)模擬接口包括；語音輸入/輸出接口；射頻控制接口。 ^[2] 

(2)輔助接口；電池電量、電池温度等模擬量的採集。 ^[2] 

(3)數字接口包括；系統接口；SIM卡接口；測試接口；EEPROM接口；存儲器接口；ROM接口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接口主要用來連接存貯暫存數據的靜態RAM（SRAM）。 ^[2] 

常用的基帶芯片大多采用基於ARM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能高效的運行移動電話軟件。以ARM7TDMI為例： ^[2] 

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。 ^[2] 

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軟件實現，睡眠到喚醒由中斷或復位實現；MMU分配被要求的外部系統總線給DSP。 ^[2] 

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箇中斷源；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字節)，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。 ^[2] 

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] 

ARM7外圍設備是存儲器的映射並能被靈活驅動。IM I/F驅動SIM卡，並且執行部分ETSI Rec11。11接口協議；復位序列，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)複用，故要計算實際可用的GPIO數量。脈衝產生器產生軟件可調的PWM輸出頻率及佔空比。特殊EEPROM串口總線確保當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。 ^[2] 

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；不同的基帶芯片該項功能有差異，有的芯片的RTC只是一個32位計數器，需要通過軟件計算年月日時分秒)。 ^[2] 

DSP子系統能使移動電話機信號處理軟件有效執行及具靈活性。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。 ^[3] 

當處理器停在程序斷點時，智能調試接口(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。 ^[3] 

MMU管理DSP狀態變化；工作到睡眠由DSP軟件實現，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。 ^[3] 

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。 ^[3] 

根據GSM-1C，部分DSP資源(至少1K程序RAM，5K數據RAM，約10MIPS的運算能力)可用於用户特殊程序。 ^[3] 

DSP嵌入代碼運行要實現語音編解碼、信道編解碼、加密、解密、脈衝(Burst)產生與調整、電源檢測等。

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（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。 ^[3] 

DSP外設被映射為存儲器或被用作DSP用户可定義寄存器接口。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端口傳送音頻取樣信號；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端口。 ^[3] 

DSP射頻端口為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算法處理和Viterbi解碼。 ^[3] 

該接口與移動電話無線部分有效連接。在發射方向，輸出信號為基帶GMSK信號，頻譜為GSM 05.05REC。在0~1800KHZ帶寬內。TX POWER ramp的上升與下降是可編程控制，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轉換中鄰近信道預計濾除至少9DB RX增益控制可以調節器節RF信號電平達到基帶芯片輸入信號的動態範圍之內。提供模擬或者數字接口。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接口承載接收、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。 ^[4] 

語音前置端口是滿足G712要求的編解碼器，它允許語音有效連接。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，語言前置端口控制語音信號放大量及調整數字濾波器率響應。 ^[4] 

電源/復位管理與定時產生，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閒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閒模式時；在收到子系統復位要求或者看門狗計算器滿時，復位信號發生器產生內部復位信號，時鐘發生器產生基帶子系統的操作時鐘，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芯片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芯片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。 ^[4] 

該接口允許測試或debug設備連接在同一端口，它為最終目的提供debug工具。根據端口或核選擇器數值，該接口將外部信號與內部端口連接；DAI端口，DSP JTAG串聯端口或者ARM7 JTAG串聯端口。 ^[4] 

開發工具通過VSD模塊（VLSI串行器模塊）驅動DSP（OAK SDI）與ARM ICEbreaker VSD 模塊將Host信號轉化為JTAG格式，而且容許通過測試端口連接內部資源。在開發芯片，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。 ^[4] 

基帶芯片的低功耗設計貫穿於芯片從規劃、設計到生產的各個環節，每個環節都有相應的低功耗技術。下面介紹幾種在前端設計基帶芯片時所用到的低功耗方法，例如多電壓域、門控時鐘、門控電源和動態電壓頻率調節技術等。 ^[1] 

對於傳統的單電壓數字電路，電路里所有的單元共享電源。而對於多電壓域的低功耗設計，在系統級設計階段就要考慮電壓的影響。在系統中，很多時候並不是所有的模塊都同時工作，如果給處於空閒狀態的模塊也供電的話，就造成了不必要的耗電，使得系統整體功耗過高。所以為了節省系統功耗，通常需要把處於空閒狀態的模塊的電源關掉，使不同模塊之間可以獨立供電，互不影響。系統多電壓域的設計方法恰好解決了這一問題。 ^[1] 

芯片系統中功耗的一大部分來源是時鐘網絡所消耗的功耗，動態功耗中近似50%的功耗是時鐘頻率消耗的。為了降低系統功耗，當部分電路模塊進入空閒狀態的時候，將該電路的時鐘關閉，這種方法就叫做門控時鐘(Clock Gating)， 門控時鐘技術已經是目前應用非常普遍的低功耗技術了。當電路模塊中的時鐘關閉後，該模塊內的數據的跳變就會被阻止，所以從模塊第一級觸發器到輸出之間的所有邏輯都不再工作，信號不會發生跳變，因此有效地降低了系統功耗。 ^[1] 

漏電流功耗總是隨着CMOS工藝的發展進步而與日俱增，而漏電流功耗的增加為電池供電的便攜式電子產品帶來了挑戰，使電池的供電時間大大縮短，為消費者帶來了不好的體驗。為了降低芯片系統的漏電流功耗，增加一種機制來關閉處於空閒狀態的模塊的電源是非常必要的，這一技術就叫做門控電源技術。 ^[5] 

門控電源技術可以選擇性地關閉芯片系統的某些模塊的電源，同時保持其他模塊處於供電狀態。門控電源技術的目的就是通過暫時性的將不需要工作的模塊的電源關掉來減小漏電流功耗。門控電源技術提供了兩種電源模式，一種是睡眠模式，另一種是活躍模式。 ^[5] 

門控電源的目標就是要找到一個合適的時間和方式對這兩種電源模式進行切換，最大限度地節省功耗，並且將對系統的影響降到最低。要關閉某些模塊的電源可以通過軟件和硬件兩種方式,軟件方面是通過在設備驅動或者操作系統上明確計劃的，而硬件方面是通過設計計時器或者系統電源控制單元來控制的。不管通過哪種方式，在關閉某些模塊的電源時，都要考慮到以下幾個問題： ^[1] 

動態電壓頻率調節技術(Dynamic Voltage Frequency Scaling)是目前使用最為廣泛且有效的低功耗技術之一。該技術可以監測系統的負載，根據系統的性能需求對供電電壓和頻率進行動態控制。 ^[4]  當電壓和頻率根據系統負載而被動態控制時，系統的平均功耗就可以顯著降低。這樣，便攜設備的電池使用時長就可以大大增加。動態電壓頻率調節技術根據計算系統負載的方法的不同，可以分為基於軟件的方法和基於硬件的方法。基於軟件的方法主要是根據調用函數的頻率來使用各種算法計算系統負載。基於硬件的方法主要通過採集-一些與系統負載相關的信號、中斷等信息來判斷系統的負載。動態電壓頻率調節技術會根據計算出的系統當前的負載，來預測下一階段內系統所需的性能。 ^[3] 

假設手機只有最基本的功能---打電話發短信，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軟件。以MTK平台為例，MTK平台的6117，6119，6228，6305等一系列的芯片組代號紅遍手機行業，但它們之間是怎樣的聯繫呢? 61xx系列是射頻芯片組；62xx系列是基帶芯片組；63xx系列是電源管理芯片組，每一種MTK平台是這三種芯片組的組合，其中由於基帶芯片組的重要性更高，所以一般以基帶芯片組的代號來代指該MTK平台。 ^[2] 

①射頻部分；一般是信息發送和接收的部分； ^[2] 

②基帶部分；一般是信息處理的部分； ^[2] 

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。 ^[2] 

④外設；一般包括LCD，鍵盤，機殼等； ^[2] 

⑤軟件；一般包括系統，驅動，中間件，應用四大部分； ^[2] 

基帶芯片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。傳統的基帶芯片分為ABB和DBB兩個部分，BB是Baseband的縮寫，A是ANALOG的縮寫，D是DIGITAL的縮寫。 ^[2] 

因為基帶芯片不光處理數字信號，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。 ^[2] 

在手機行業中，定義雙芯片解決方案為smartphone，單芯片解決方案為feature phone，所謂的單雙芯片就是DBB的核心部分。一般情況這種核心芯片的價格不菲，低端手機為了節約成本，只內嵌一個MCU芯片，成本稍高的中高端手機額外內嵌一個DSP芯片。還有一些高端手機的DBB有三個芯片，一個ARM7的主管通信部分，一個ARM9的充當MCU負責應用，一個DSP專用芯片負責大計算編解碼的，隨着硬件成本在手機中的比重越來越低，三芯片的解決方案可能將會是主流。 ^[2] 

MCU和DSP充當DBB的CPU是整個手機主機的靈魂，但這不意味着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…基帶芯片上要支持這些東西，要有複雜的總線，石英鐘，附加安全芯片等等，也可能是基帶芯片上捆綁的附屬品。基帶芯片加上基本外設的成本通常也叫BOM成本。 ^[2] 

手機終端中最重要的核心就是射頻芯片和基帶芯片。射頻芯片負責射頻收發、頻率合成、功率放大；基帶芯片負責信號處理和協議處理。 ^[2] 

在TD-SCDMA終端發展中，處於產業鏈上游位置終端芯片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芯片相互配合，才能共同完成中國3G芯片產業鏈的完整佈局。 ^[2] 

數字通信基帶傳輸技術由消息源的消息直接經過轉換器轉成的由 “0” 和 “1” 組成的脈衝信號，未被高頻振盪器調製，其頻譜常含有直流分量或極低頻率的成分，稱之為基帶信號（Baseband Signal）。

在某些有線信道中，特別是傳輸距離不太遠的情況下，由於傳送信號信道的帶寬與基帶信號的頻帶寬度相當，數字基帶信號可以通過雙絞線或電纜直接傳送，而無須由高頻信號調製。這種不使用調製和解調裝置而直接傳送基帶信號的系統稱之為數字信號基帶傳輸系統。數字通信基帶傳輸過程不需要調製，但需要對基帶信號進行碼型變換和波形形成。不同的碼型具有不同的頻域特性，經發送濾波器變換成適合信道傳輸的波形，接收濾波器主要用於濾除帶外噪聲並對已接收的波形均衡，以便通過抽樣判決器正確判斷。再生判決器用來對判決器的輸出信號進行再生，以獲得與輸入碼型相應的原脈衝序列。基帶傳輸主要應用於計算機局域網、電話線、石油測井的井下儀到地面設備的電纜傳輸線等。 ^[6]