基带芯片架构及验证研究

重庆邮电大学通信与信息工程学院 潘应进



基带芯片架构及验证研究

重庆邮电大学通信与信息工程学院 潘应进

【摘要】结合2G、3G再到LTE和卫星通信，对基带芯片的发展进行了研究，介绍了基带芯片的主要功能，总结了基带芯片的基本架构。结合基带芯片的架构提出了其验证的基本需求和策略。

【关键词】基带芯片；卫星通信；架构；验证

1　基带芯片功能概述

基带芯片是整个手机的核心部分，用来合成即将发射的基带信号，或者对接收到的基带信号进行解码。基带芯片可分为五个部分：CPU处理器、信道编解码、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处理器完成终端所有的软件功能，即通信协议的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。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通信系统所要求的高斯最小频移键控调制/解调方式。

2　基带芯片架构

随着无线通信技术的飞速发展，基带芯片不仅发展迅速，而且各式各样。从2G、2.5G、3G到4G，再到5G，基带芯片在功能上经历了从单模到双模，再到多模的演变，在结构上也经历了从MCU+DSP的双核结构到ARM+多DSP或者多ARM+多DSP的多核结构的发展。但无论是单模还是多模，双核还是多核，基带芯片都要实现两个主要功能：通信和应用，其中通信部分又包括基带信号处理和协议栈。其中协议栈要求是实时的，应用部分则无需实时。因此，是否将协议栈和应用部分分到不同的处理器去运行，以及选择什么样的操作系统，都会影响基带芯片的基本架构。

传统的基带芯片的基本架构[1]采用的是ARM+DSP的双核结构。ARM完成协议栈的处理，DSP完成基带信号的处理，ARM与DSP之间由一个双口的静态随机存储器连接。

LTE基带芯片的基本架构[2]采用了多ARM+多DSP的结构，涉及到编解码、信道估计、信道均衡、同步与测量算法。由于LTE对不同带宽的支持，所以带宽的不同对以上参数均有动态的影响，进一步增加了实现的复杂度。

我国第一代卫星通信基带处理芯片的采用了双CPU+DSP+硬件加速器的结构，包含三个部分：协议层子系统、物理层子系统和IP子系统。协议层子系统完成协议的层二层三的协议处理，同时，完成与应用处理的交互，完成对物理层的控制和数据交互。协议层物理子系统除协议功能外，还负责控制整个芯片的工作，包括复位、启动、工作等。物理层子系统完成协议的层一的协议处理，主要是上行数据的编码、调制、加密等，下行数据的同步、解调、解密、译码等。IP子系统完成芯片的辅助控制功能和外设连接功能。

随着通信要求的不断提升，基带芯片的结构越来越复杂，但都有一个共同的特点，即所有的基带芯片都是基于某一总线架构的，总线架构实现不同IP的互连和通信。另外，虽然目前业界使用的总线架构五花八门，但从上述内容可以看出，对通信基带芯片而言，无论是最早的2G、3G，还是现在的4G和5G，甚至是卫星通信，最常用也是性能最好的总线架构仍然是ARM公司的AMBA总线。

3　基带芯片的验证

基带芯片的验证经历了从传统验证方法到验证方法学的演进过程，与传统验证方法相比，验证方法学[3]的问世大幅的提升了验证的质量值效率，但也由于性能的增强，使用也更加繁琐。但随着基带芯片复杂度的不断提升，验证的需求也越来越多，主要表现在一下几个方面：

（1）随机的激励产生方式。芯片复杂度的提升使得待测功能点的持续增加，传统的定向测试已经无法满足需求，需要随机的激励，增强对测试空间的覆盖程度。

（2）功能覆盖率的收集。使用了随机激励，就必须要有功能覆盖率的支持，否则无法准确的判断功能点的覆盖情况。

（3）验证平台的可重用性。面对激烈的竞争市场，要求芯片的设计周期大幅缩短，这样也就缩短了验证平台在单个芯片上的使用周期，因此，增强验证平台的可重用性，缩短新项目的设计周期。

（4）验证结果的自动化检查。要想大幅的缩短验证周期，传统的人工检查验证结果的方式显然不足取，需要设计自动化的结果检查机制，减少人为的干预，不仅能提高验证的效率，还能提高正确性。

从这些需求来看，简单的传统验证显然已无法满足，需要研究更为高效的验证方法，综合验证方法的发展，验证方法学使用随机的激励产生方式，具有收集功能覆盖率的功能，加入计分板实现自动的结果比对，完全满足现阶段基带芯片的验证需求。而UVM[4]是目前最新的验证方法学，吸收了纵多验证方法学的优点，将是未来芯片验证的发展方向。

4　结束语

在我国4G覆盖率不断上升的背景下，5G的研发，卫星通信的发展，核心技术之一还是基带芯片的设计与验证。在目前基带芯片架构趋于稳定的情况，验证成了提升芯片质量和市场竞争力的关键。在不断改进基带芯片架构的同时研发高效的验证方法，对我国基带芯片的发展具有重大的意义。

参考文献

[1]胡东伟,梁宏明,陈杰.移动终端基带芯片概论[J].移动通信,2009,33(8):29-32.

[2]李鑫,刘亚新.LTE基带芯片技术难点与现状分析[J].现代电信科技,2014(11):57-62.

[3]陈礼升.基于AMBA总线的SoC通用平台搭建和SystemVerilog验证研究[D].济南:济南大学,2011.

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

潘应进（1990－），男，重庆邮电大学硕士研究生，研究方向：基带芯片验证和嵌入式研究。

作者简介：