基带芯片

芯片类型

基带芯片是指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的芯片。具体地说，就是发射时，把语音或其他数据信号编码成用来发射的基带码；接收时，把收到的基带码解码为语音或其他数据信号，它主要完成通信终端的信息处理功能。

技术简介

基带芯片可以合成即将发射的基带信号，并且解码接收到的基带信号。发射基带信号时，把音频信号编译成基带码；接收信号时，把基带码译码为音频信号。同时，基带芯片也负责地址信息、文字信息和图片信息等的编译。基带芯片是一种集成度非常复杂的SOC，主流的基带芯片支持多种网络制式，即在一颗基带芯片上支持所有的移动网络和无线网络制式，包括2G、3G、4G和WiFi等，多模移动终端可实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游。目前大部分基带芯片的基本结构是微处理器和数字信号处理器，微处理器是整颗芯片的控制中心，大部分使用的是ARM核，而DSP子系统负责基带处理。

存在于智能手机中的基带芯片可以理解为一个结构复杂的SoC芯片，这种芯片具有多种功能，各个功能的正常工作是通过微型处理器进行配置与协调的。这种复杂的芯片以ARM微型处理器为中心，它通过ARM微型处理器的专用总线（AHB总线）来控制和配置ARM微型处理器周围的各个外设功能模块，这些功能模块主要有GSM、WiFi、GPS、蓝牙、DSP和内存等等，并且每一个功能模块都有独立的内存和地址空间，他们的功能是相互独立的，互不影响的。并且基带芯片自身拥有一个电源管理芯片。

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、数字接口以及辅助接口三个子块；

(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）。

处理器结构

常用的基带芯片大多采用基于ARM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。以ARM7TDMI为例：

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。

ARM7外围设备是存储器的映射并能被灵活驱动。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。

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)。

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。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，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。

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（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。

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。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。

接口

无线接口

该接口与移动电话无线部分有效连接。在发射方向，输出信号为基带GMSK信号，频谱为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信号电平达到基带芯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；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，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。

低功耗设计

基带芯片的低功耗设计贯穿于芯片从规划、设计到生产的各个环节，每个环节都有相应的低功耗技术。下面介绍几种在前端设计基带芯片时所用到的低功耗方法，例如多电压域、门控时钟、门控电源和动态电压频率调节技术等。

多电压域技术

对于传统的单电压数字电路，电路里所有的单元共享电源。而对于多电压域的低功耗设计，在系统级设计阶段就要考虑电压的影响。在系统中，很多时候并不是所有的模块都同时工作，如果给处于空闲状态的模块也供电的话，就造成了不必要的耗电，使得系统整体功耗过高。所以为了节省系统功耗，通常需要把处于空闲状态的模块的电源关掉，使不同模块之间可以独立供电，互不影响。系统多电压域的设计方法恰好解决了这一问题。

门控时钟技术

芯片系统中功耗的一大部分来源是时钟网络所消耗的功耗，动态功耗中近似50%的功耗是时钟频率消耗的。为了降低系统功耗，当部分电路模块进入空闲状态的时候，将该电路的时钟关闭，这种方法就叫做门控时钟(Clock Gating)，门控时钟技术已经是目前应用非常普遍的低功耗技术了。当电路模块中的时钟关闭后，该模块内的数据的跳变就会被阻止，所以从模块第一级触发器到输出之间的所有逻辑都不再工作，信号不会发生跳变，因此有效地降低了系统功耗。

门控电源技术

漏电流功耗总是随着CMOS工艺的发展进步而与日俱增，而漏电流功耗的增加为电池供电的便携式电子产品带来了挑战，使电池的供电时间大大缩短，为消费者带来了不好的体验。为了降低芯片系统的漏电流功耗，增加一种机制来关闭处于空闲状态的模块的电源是非常必要的，这一技术就叫做门控电源技术。

门控电源技术可以选择性地关闭芯片系统的某些模块的电源，同时保持其他模块处于供电状态。门控电源技术的目的就是通过暂时性的将不需要工作的模块的电源关掉来减小漏电流功耗。门控电源技术提供了两种电源模式，一种是睡眠模式，另一种是活跃模式。

门控电源的目标就是要找到一个合适的时间和方式对这两种电源模式进行切换，最大限度地节省功耗，并且将对系统的影响降到最低。要关闭某些模块的电源可以通过软件和硬件两种方式,软件方面是通过在设备驱动或者操作系统上明确计划的，而硬件方面是通过设计计时器或者系统电源控制单元来控制的。不管通过哪种方式，在关闭某些模块的电源时，都要考虑到以下几个问题：

动态电压频率调节技术

动态电压频率调节技术(Dynamic Voltage Frequency Scaling)是目前使用最为广泛且有效的低功耗技术之一。该技术可以监测系统的负载，根据系统的性能需求对供电电压和频率进行动态控制。当电压和频率根据系统负载而被动态控制时，系统的平均功耗就可以显著降低。这样，便携设备的电池使用时长就可以大大增加。动态电压频率调节技术根据计算系统负载的方法的不同，可以分为基于软件的方法和基于硬件的方法。基于软件的方法主要是根据调用函数的频率来使用各种算法计算系统负载。基于硬件的方法主要通过采集-一些与系统负载相关的信号、中断等信息来判断系统的负载。动态电压频率调节技术会根据计算出的系统当前的负载，来预测下一阶段内系统所需的性能。

移动终端的硬件结构

假设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。以MTK平台为例，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? 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，A是ANALOG的缩写，D是DIGITAL的缩写。

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。

在手机行业中，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，要有复杂的总线，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。

数字通信基带传输技术

数字通信基带传输技术由消息源的消息直接经过转换器转成的由 “0” 和 “1” 组成的脉冲信号，未被高频振荡器调制，其频谱常含有直流分量或极低频率的成分，称之为基带信号（Baseband Signal）。

在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，由于传送信号信道的带宽与基带信号的频带宽度相当，数字基带信号可以通过双绞线或电缆直接传送，而无须由高频信号调制。这种不使用调制和解调装置而直接传送基带信号的系统称之为数字信号基带传输系统。数字通信基带传输过程不需要调制，但需要对基带信号进行码型变换和波形形成。不同的码型具有不同的频域特性，经发送滤波器变换成适合信道传输的波形，接收滤波器主要用于滤除带外噪声并对已接收的波形均衡，以便通过抽样判决器正确判断。再生判决器用来对判决器的输出信号进行再生，以获得与输入码型相应的原脉冲序列。基带传输主要应用于计算机局域网、电话线、石油测井的井下仪到地面设备的电缆传输线等。

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