[科普中國(guó)]-基帶芯片

基帶芯片是指用來合成即將發(fā)射的基帶信號(hào)，或?qū)邮盏降幕鶐盘?hào)進(jìn)行解碼的芯片。具體地說，就是發(fā)射時(shí)，把語音或其他數(shù)據(jù)信號(hào)編碼成用來發(fā)射的基帶碼；接收時(shí)，把收到的基帶碼解碼為語音或其他數(shù)據(jù)信號(hào)。

組成基帶芯片可分為五個(gè)子塊：CPU處理器、信道編碼器、數(shù)字信號(hào)處理器、調(diào)制解調(diào)器和接口模塊。

CPU處理器對(duì)整個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行控制和管理，包括定時(shí)控制、數(shù)字系統(tǒng)控制、射頻控制、省電控制和人機(jī)接口控制等。若采用跳頻，還應(yīng)包括對(duì)跳頻的控制。同時(shí)，CPU處理器完成GSM終端所有的軟件功能，即GSM通信協(xié)議的layer1(物理層)、layer2(數(shù)據(jù)鏈路層)、layer3(網(wǎng)絡(luò)層)、MMI(人-機(jī)接口)和應(yīng)用層軟件。

信道編碼器主要完成業(yè)務(wù)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(yàn)碼、交織、突發(fā)脈沖格式化。

數(shù)字信號(hào)處理器主要完成采用Viterbi算法的信道均衡和基于規(guī)則脈沖激勵(lì)-長(zhǎng)期預(yù)測(cè)技術(shù)(RPE-LPC)的語音編碼/解碼。

調(diào)制/解調(diào)器主要完成GSM系統(tǒng)所要求的高斯最小移頻鍵控(GMSK)調(diào)制/解調(diào)方式。

接口部分包括模擬接口、數(shù)字接口以及輔助接口三個(gè)子塊；

(1)模擬接口包括；語音輸入/輸出接口；射頻控制接口。

(2)輔助接口；電池電量、電池溫度等模擬量的采集。

(3)數(shù)字接口包括；系統(tǒng)接口；SIM卡接口；測(cè)試接口；EEPROM接口；存儲(chǔ)器接口；ROM接口主要用來連接存儲(chǔ)程序的存儲(chǔ)器FLASHROM，在FLASHROM中通常存儲(chǔ)layer1，2，3、MMI和應(yīng)用層的程序。RAM接口主要用來連接存貯暫存數(shù)據(jù)的靜態(tài)RAM（SRAM）。

存在于智能手機(jī)中的基帶芯片可以理解為一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的SoC芯片，這種芯片具有多種功能，各個(gè)功能的正常工作是通過微型處理器進(jìn)行配置與協(xié)調(diào)的。這種復(fù)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(gè)外設(shè)功能模塊，這些功能模塊主要有GSM、WIFI、GPS、藍(lán)牙、DSP和內(nèi)存等等，并且每一個(gè)功能模塊都有獨(dú)立的內(nèi)存和地址空間，他們的功能是相互獨(dú)立的，互不影響的。并且基帶芯片自身擁有一個(gè)電源管理芯片1。

處理器結(jié)構(gòu)常用的基帶芯片大多采用基于ARM的微處理器，ARM7TDMI是低端的ARM芯核，它所使用的電路技術(shù)能使它穩(wěn)定地在低于5V的電源下工作，可采用16/32位指令實(shí)現(xiàn)8/16/32位數(shù)據(jù)格式，具有高的指令吞吐量、良好的實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)、小的處理器宏單元ARM7能高效的運(yùn)行移動(dòng)電話軟件。以ARM7TDMI為例，

控制核ARM7TDMI，采用0.35um制造工藝。包括一個(gè)ARM7 32位RISC微處理核；1個(gè)Thumb能將16bit指令解壓為32bit指令；1個(gè)快速乘法器，一個(gè)輸入校驗(yàn)斷路器(ICEbreaker)模塊。ICEbreaker模塊給控制核提供單片內(nèi)集成調(diào)試(debug)支持，當(dāng)控制器停在程序斷點(diǎn)時(shí)，有權(quán)訪問控制器的全部?jī)?nèi)容及控制器可訪問的全部地址空間。通過JTAG同步串聯(lián)連接，信息隨后送給計(jì)算機(jī)主機(jī)用于顯示。

ARM可訪問的地址空間由存儲(chǔ)器管理單元(MMU)控制。MMU負(fù)責(zé)提供片選，控制等待狀態(tài)及ARM產(chǎn)生的全部訪問數(shù)據(jù)寬度(8bit/16bit/32bit)。MMU支持外部8bit或16bit長(zhǎng)度的程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，外部ROM字寬由程序存儲(chǔ)器尺寸pin指示，外部RAM則由寄存器指示。MMU管理ARMT狀態(tài)變化；工作到睡眠由ARM7軟件實(shí)現(xiàn)，睡眠到喚醒由中斷或復(fù)位實(shí)現(xiàn)；MMU分配被要求的外部系統(tǒng)總線給DSP。

中斷控制寄存器是存儲(chǔ)器的映射，它允許隱藏與清除中斷，配置由中斷源及由ARM產(chǎn)生的中斷信號(hào)FIQ，IRQ之間的映射。一共有10個(gè)中斷源；外部設(shè)備中斷、DSP產(chǎn)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(shù)據(jù)終端設(shè)備交換讀寫字節(jié))，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(hào)，RTC警報(bào)。

Boot ROM內(nèi)含ARM與USC(Universal system connector)系統(tǒng)串口的基本通信代碼，ROM代碼用于初始化MCU系統(tǒng)，而且能通過一個(gè)簡(jiǎn)單的通信方案實(shí)現(xiàn)往內(nèi)部SRAM下載更有效的通信協(xié)議。

ARM7外圍設(shè)備是存儲(chǔ)器的映射并能被靈活驅(qū)動(dòng)。IM I/F驅(qū)動(dòng)SIM卡，并且執(zhí)行部分ETSI Rec11。11接口協(xié)議；復(fù)位序列，Card on sequence，card off sequence， byte or multi-byte transfer。16個(gè)通用輸入輸出(GPIO)線可用，但它們的使用有所限制，因?yàn)樗鼈兂Ｅc其它信號(hào)(如地址線、串口線等)復(fù)用，故要計(jì)算實(shí)際可用的GPIO數(shù)量。脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生軟件可調(diào)的PWM輸出頻率及占空比。特殊EEPROM串口總線確保當(dāng)ARMT串接EEPROM時(shí)不會(huì)降低處理速度。GPSI(General purpose serial Interface)允許連接多種設(shè)備。輔助ADC I/F包含5個(gè)模擬輸入；溫度感應(yīng)，電池電壓……

鍵盤掃描識(shí)別25個(gè)鍵的狀態(tài)。RTC模塊能提供一個(gè)帶報(bào)警提示的全天完整的時(shí)間時(shí)鐘，并帶100年日歷(注；不同的基帶芯片該項(xiàng)功能有差異，有的芯片的RTC只是一個(gè)32位計(jì)數(shù)器，需要通過軟件計(jì)算年月日時(shí)分秒)。

DSP子系統(tǒng)DSP子系統(tǒng)能使移動(dòng)電話機(jī)信號(hào)處理軟件有效執(zhí)行及具靈活性。DSP核有許多種。例如；OAK,ADSP-218X等。以下以O(shè)AK為例做簡(jiǎn)單介紹。OAK核包括一個(gè)16-bit（數(shù)據(jù)和程序）帶4個(gè)36位累加器的定點(diǎn)DSP，還帶強(qiáng)大的字位處理單元和子程序與中斷嵌套的深堆棧。一個(gè)片上16位數(shù)據(jù)隨機(jī)存儲(chǔ)器，容量4K。

當(dāng)處理器停在程序斷點(diǎn)時(shí)，智能調(diào)試接口(SDI)有權(quán)訪問處理器的全部?jī)?nèi)容及控制器可訪問的全部地址空間。通過JTAG同步串聯(lián)連接，信息隨后送給計(jì)算機(jī)主機(jī)用于顯示。DSP可訪問的地址空間由OAK 存儲(chǔ)器管理單元(MMU)控制，對(duì)所有OAK芯核要求的數(shù)據(jù)訪問，MMU負(fù)責(zé)提供片選，控制等待狀態(tài)和數(shù)據(jù)寬度。

MMU管理DSP狀態(tài)變化；工作到睡眠由DSP軟件實(shí)現(xiàn)，睡眠到喚醒由中斷實(shí)現(xiàn)。中斷控制寄存器是存儲(chǔ)器的映射,它們隱藏和清除中斷，配置中斷源和DSP產(chǎn)生的中斷信號(hào)(NMI,INT0,INT1,INT2)間的映射。

對(duì)DSP有5個(gè)可能的中斷源；ARM芯核產(chǎn)生的中斷,RX處理請(qǐng)求(處理接收的射頻信號(hào)取樣)，PCM I/F請(qǐng)求(讀寫語音信號(hào)的取樣)，TDMA幀頭的標(biāo)示，語音幀編解碼請(qǐng)求。

根據(jù)GSM-1C，部分DSP資源(至少1K程序RAM，5K數(shù)據(jù)RAM，約10MIPS的運(yùn)算能力)可用于用戶特殊程序。

DSP嵌入代碼運(yùn)行要實(shí)現(xiàn)語音編解碼、信道編解碼、加密、解密、脈沖(Burst)產(chǎn)生與調(diào)整、電源檢測(cè)等。

DSP子系統(tǒng)是ARM7芯核內(nèi)外部可設(shè)定地址空間的映射。在ARM內(nèi)部的地址空間，保留靜態(tài)位置給DSP配置,用于以流控制的DSP的狀態(tài)和信息交換；ARM在外部的地址空間給出兩個(gè)基址，一個(gè)給ROM用于DSP把代碼從外部存儲(chǔ)空間傳輸?shù)絻?nèi)部程序存儲(chǔ)器，一個(gè)給RAM作為DSP工作狀態(tài)時(shí)的存儲(chǔ)空間。ARM的MMU單元可以使DSP通過DMA（儲(chǔ)器直接存取）機(jī)制與外部設(shè)備高速交換數(shù)據(jù)，同時(shí)減少數(shù)據(jù)交換時(shí)對(duì)CPU資源的占用。

DSP外設(shè)被映射為存儲(chǔ)器或被用作DSP用戶可定義寄存器接口。PCM I/F部分給DSP系統(tǒng)處理音頻數(shù)據(jù)流；在傳輸通路,它負(fù)責(zé)從音頻前置末端或DAI端口傳送音頻取樣信號(hào)；在接收通路，它傳輸解壓的音頻取樣信號(hào)到音頻前置末端或DAI端口。

DSP射頻端口為DSP子系統(tǒng)處理射頻數(shù)據(jù)流；在傳輸通路，它傳輸存儲(chǔ)符號(hào)到數(shù)字GMSK調(diào)制器；在接收通路，它存儲(chǔ)從RX ADC傳過來的IQ信號(hào)直到DSP處理完。Hardwired協(xié)處理器減輕了DSP處理負(fù)擔(dān)，它承擔(dān)通用DSP結(jié)構(gòu)不擅長(zhǎng)處理的部分GSM信號(hào)處理，并且還負(fù)責(zé)部分密碼算法處理和Viterbi解碼。

接口無線接口

該接口與移動(dòng)電話無線部分有效連接。在發(fā)射方向，輸出信號(hào)為基帶GMSK信號(hào)，頻譜為GSM 05.05REC。在0~1800KHZ帶寬內(nèi)。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(hào)預(yù)期為濾除干擾信號(hào)的基帶信號(hào)。在RF到BB轉(zhuǎn)換中鄰近信道預(yù)計(jì)濾除至少9DB RX增益控制可以調(diào)節(jié)器節(jié)RF信號(hào)電平達(dá)到基帶芯片輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)。提供模擬或者數(shù)字接口。RX增益可自動(dòng)調(diào)節(jié)在接收信號(hào)平僅針對(duì)BCCH載波或ARM7子系統(tǒng)預(yù)設(shè)值。頻率控制器可以按每步小于0.5HZ調(diào)節(jié)參考的振頻率。PCC接口承載接收、發(fā)射及burst監(jiān)控頻率值。內(nèi)部定是窗口可以被頻率合成器決定時(shí)間相匹配。

語音****接口

語音前置端口是滿足G712要求的編解碼器，它允許如圖所示的語音有效連接。在發(fā)射方向，發(fā)話器信號(hào)在轉(zhuǎn)化成PCM I/F前被數(shù)字代及濾波，一對(duì)差分發(fā)話器給電發(fā)話器提供差分電流源。在接收方向，信號(hào)被解壓與濾波傳給揚(yáng)聲器，DSP子系統(tǒng)產(chǎn)生蜂鳴信號(hào)給蜂鳴器，一對(duì)差分輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)被提供，語言前置端口控制語音信號(hào)放大量及調(diào)整數(shù)字濾波器率響應(yīng)。

電源/復(fù)位管理與定時(shí)產(chǎn)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(shí)現(xiàn)如下功能；當(dāng)數(shù)字尋功能塊工作在空閑狀態(tài)時(shí)停止或減慢其數(shù)字時(shí)鐘；切斷模擬子功能塊的電源當(dāng)其工作在空閑模式時(shí)；在收到子系統(tǒng)復(fù)位要求或者看門狗計(jì)算器滿時(shí)，復(fù)位信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位信號(hào)，時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生基帶子系統(tǒng)的操作時(shí)鐘，內(nèi)PCC為ARMT子系統(tǒng)及DSP子系統(tǒng)產(chǎn)生高速時(shí)鐘，分別為26MHZ與52MHZ時(shí)鐘。功耗降低開關(guān)內(nèi)含讓基帶芯片子系統(tǒng)接通或斷開電源的寄存器。定時(shí)產(chǎn)生器產(chǎn)生定時(shí)窗口讓基帶芯片子系統(tǒng)與外接天線設(shè)備在TDMA幀內(nèi)動(dòng)態(tài)接通或關(guān)斷。為了將聽與呼叫功能塊的功耗最小化；采用慢的時(shí)間基準(zhǔn)代替快的時(shí)鐘基準(zhǔn)使功耗降低；TDMA幀巾斷可以被掩飾為了可編程同期。

公用debug/測(cè)試接口

該接口允許測(cè)試或debug設(shè)備連接在同一端口，它為最終目的提供debug工具。根據(jù)端口或核選擇器數(shù)值，該接口將外部信號(hào)與內(nèi)部端口連接；DAI端口，DSP JTAG串聯(lián)端口或者ARM7 JTAG串聯(lián)端口。

開發(fā)工具通過VSD模塊（VLSI串行器模塊）驅(qū)動(dòng)DSP（OAK SDI）與ARM ICEbreaker VSD 模塊將Host信號(hào)轉(zhuǎn)化為JTAG格式，而且容許通過測(cè)試端口連接內(nèi)部資源。在開發(fā)芯片，增加debug連接腳，容許通過外接邏輯分析器觀察與實(shí)時(shí)跟蹤記錄內(nèi)部信號(hào)

移動(dòng)終端的硬件結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的說，一個(gè)手機(jī)包括很多部分，學(xué)一件東西，首先我們從簡(jiǎn)單入手，假設(shè)我所要了解的手機(jī)只有最基本的功能--打電話發(fā)短信，那么這個(gè)手機(jī)應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分，①射頻部分，②基帶部分，③電源管理，④外設(shè)，⑤軟件。以MTK平臺(tái)為例，MTK平臺(tái)的6117，6119，6228，6305等一系列的芯片組代號(hào)紅遍手機(jī)行業(yè)，但它們之間是怎樣的聯(lián)系呢?有人誤解這些芯片組代號(hào)是MTK平臺(tái)的代號(hào)，按照我的理解，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平臺(tái)是這三種芯片組的組合，其中由于基帶芯片組的重要性更高，所以一般以基帶芯片組的代號(hào)來代指該MTK平臺(tái)。

①射頻部分；一般是信息發(fā)送和接收的部分；

②基帶部分；一般是信息處理的部分；

③電源管理；一般是節(jié)電的部分，由于手機(jī)是能源有限的設(shè)備，所以電源管理十分重要，MTK做得好一個(gè)很大的原因就是電源管理做的好。

④外設(shè)；一般包括LCD，鍵盤，機(jī)殼等；

⑤軟件；一般包括系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)，中間件，應(yīng)用四大部分；

基帶芯片是整個(gè)手機(jī)的核心部分，這個(gè)就好比電腦的主機(jī)，其它都是外設(shè)。傳統(tǒng)的基帶芯片分為ABB和DBB兩個(gè)部分，BB是Baseband的縮寫，A是ANALOG的縮寫，D是DIGITAL的縮寫。

因?yàn)榛鶐酒还馓幚頂?shù)字信號(hào)，也有可能處理模擬信號(hào)，最常見的就是聲音的捕捉和合成轉(zhuǎn)換，不要幻想手機(jī)中的聲音是數(shù)字編碼的，早期的大哥大根本沒有那個(gè)處理能力。

在手機(jī)行業(yè)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(jià)格不菲，低端手機(jī)為了節(jié)約成本，只內(nèi)嵌一個(gè)MCU芯片，成本稍高的中高端手機(jī)額外內(nèi)嵌一個(gè)DSP芯片。還有一些高端手機(jī)的DBB有三個(gè)芯片，一個(gè)ARM7的主管通信部分，一個(gè)ARM9的充當(dāng)MCU負(fù)責(zé)應(yīng)用，一個(gè)DSP專用芯片負(fù)責(zé)大計(jì)算編解碼的，隨著硬件成本在手機(jī)中的比重越來越低，三芯片的解決方案可能將會(huì)是主流。

MCU和DSP充當(dāng)DBB的CPU是整個(gè)手機(jī)主機(jī)的靈魂，但這不意味著其他的就可要可不要，手機(jī)有串口，有紅外，有藍(lán)牙，有sim卡，有鍵盤，有內(nèi)存，有LCD，有USB…基帶芯片上要支持這些東西，光說說是做不到的，有復(fù)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(shè)的成本通常也叫BOM成本。

手機(jī)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(fù)責(zé)射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大；基帶芯片負(fù)責(zé)信號(hào)處理和協(xié)議處理。

在TD-SCDMA終端發(fā)展中，處于產(chǎn)業(yè)鏈上游位置終端芯片方案的研發(fā)進(jìn)展是推動(dòng)TD產(chǎn)業(yè)商用化深入的關(guān)鍵。只有射頻收發(fā)和基帶芯片相互配合，才能共同完成中國(guó)3G芯片產(chǎn)業(yè)鏈的完整布局。

但射頻芯片跟基帶芯片相比，中國(guó)廠商的力量明顯薄弱。從廠商數(shù)量和融資規(guī)模來看就可見一斑。

射頻芯片簡(jiǎn)單的說就是接收信號(hào)和發(fā)送信號(hào)。我們的手機(jī)接打電話和接收短信時(shí)主管與基站通信的部分。

射頻原理，全天下的都差不多一樣，兩條通道，一條發(fā)射，一條接收，但只有一根天線，一般是由一個(gè)開關(guān)(switch)來切換接收和發(fā)送的狀態(tài)。有人要問，"何時(shí)切換?我打電話的時(shí)候既接收信號(hào)又發(fā)送信號(hào)，怎么沒有感覺到切換呀!"，這個(gè)開關(guān)切換速度非?？?，就好比我們平時(shí)在電腦上可以同時(shí)下載和上傳多個(gè)文件而感覺不出來是通過一根網(wǎng)線做到的一樣。

我們的手機(jī)是數(shù)字手機(jī)，所以要處理的都是數(shù)字信號(hào)，而射頻發(fā)射的都是模擬信號(hào)，所以這個(gè)有一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換的過程，數(shù)模轉(zhuǎn)換的部分可能被包含在基帶芯片中也可能被包含在射頻芯片中。MTK平臺(tái)的就包含在基帶芯片中。

數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后信號(hào)非常的弱，不足以發(fā)送給基站，所以一般射頻芯片中都有一個(gè)PA功放，功放顧名思義就是將功率放大，功率放大的代價(jià)就是電源消耗嚴(yán)重，所以我們打電話的時(shí)候特別的消耗電，那一般不打電話時(shí)也有信號(hào)發(fā)送給基站啊，要不手機(jī)上的信號(hào)怎么忽強(qiáng)忽弱的，對(duì)的，但是沒有電話時(shí)射頻信號(hào)一般發(fā)送的周期特長(zhǎng)，比通話時(shí)信號(hào)發(fā)送的頻率要低的多，所以這時(shí)不太耗電。

發(fā)送的通道要比接收的多一個(gè)振蕩器，為啥要多個(gè)振蕩器呢?我們都知道世界上有850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz四個(gè)GSM手機(jī)頻段，這個(gè)頻段是啥意思?以900MHz為例，就是一秒鐘傳輸9億個(gè)信號(hào)，換句話說每傳輸一個(gè)信號(hào)的時(shí)間間隔是9億分之一秒，那么這個(gè)時(shí)間間隔由誰來把關(guān)呢?就是由這個(gè)振蕩器，這個(gè)振蕩器的震蕩頻率就是采用的頻段標(biāo)準(zhǔn)。

于是我們理理思路；

發(fā)射端：數(shù)字信號(hào)-->DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)-->混頻器(與振蕩器混合)-->發(fā)射功放-->發(fā)射

接收端：數(shù)字信號(hào)