自2013年來，中國移動首先推出了五模十頻手機，即可同時支持TD-LTE、LTE FDD、TD-SCDMA、WCDMA、GSM五種通信模式，支持TD-LTE Band38/39/40，TD-SCDMA Band34/39，WCDMA Band1/2/5，LTE FDD Band7/3，GSM Band2/3/8等10個頻段，部分終端還可支持TD-LTE Band41，LTE FDD Band1/17，GSM Band5等頻段，實現(xiàn)終端全球漫游的手機。這些個“模”在基帶芯片上都是怎么玩的呢？本期小編將給大家科普一下下。
基帶芯片的基本架構(gòu)
基帶數(shù)字處理功能以及手機基本外圍功能都集中到單片片上系統(tǒng)(SOC)中，其基本構(gòu)架都采用了微處理器+數(shù)字信號處理器(DSP)的結(jié)構(gòu)，微處理器和DSP的處理能力一直增強。微處理器是整顆芯片的控制中心，會運行一個實時嵌入式操作系統(tǒng)（如Nucleus PLUS）。DSP子系統(tǒng)是基帶處理的重點，其中包含了許多硬件加速器和基帶專用處理模塊，完成所有物理層功能。現(xiàn)在，隨著實時數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，ARM微處理器（會采用不同的微系列，如3G芯片多采用ARM9）、DSP和FPGA體系結(jié)構(gòu)成為移動終端芯片實現(xiàn)的主要方式。下圖是典型的基于ARM架構(gòu)的基帶芯片的邏輯架構(gòu)，其中3G/4G Baseband Logic指的是DSP運算子系統(tǒng)。
圖1 典型ARM架構(gòu)上的基帶芯片框架
微處理器通過實時操作系統(tǒng)RTOS（如Nucleus PLUS）完成多任務(wù)的調(diào)度、任務(wù)間通信、外設(shè)驅(qū)動以及微處理器與DSP子系統(tǒng)及其他模塊的通信等等。功能還包括：
1，對整個移動臺進行控制和管理，包括定時控制、數(shù)字系統(tǒng)控制、射頻控制、省電控制等。
2，完成所有的軟件功能，即無線通信協(xié)議的物理層與協(xié)議棧的通信、高層協(xié)議棧（TCP/IP等），若用于功能機則還會包括MMI(人-機交互接口)和應(yīng)用軟件。
DSP子系統(tǒng)則用于物理層所有算法的處理，包括信息的信道編碼、加密、信道均衡、語音編碼/解碼、調(diào)制解調(diào)等。DSP子系統(tǒng)和微處理器子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信手段包括雙端口隨機讀取存儲器(RAM)、多總線共享資源（一些廠商采用了AMBA公司的多層總線協(xié)議）等。多模多頻基帶芯片中可能包含多顆DSP。
在存儲器組織方面，微處理器和DSP子系統(tǒng)可能都有各自獨立的高速緩沖存儲器(Cache)，有共享的片內(nèi)SRAM和共享的外擴存儲器。擴展存儲器普遍支持同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)和NAND型Flash RAM等。FLASH ROM可用于存儲Boot Rom、鏈接操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序的CP Rom。ROM接口主要用來連接存儲程序的存儲器FLASH ROM，RAM接口主要用來連接存貯暫存數(shù)據(jù)的靜態(tài)RAM(SRAM)。片內(nèi)嵌入大容量靜態(tài)隨機讀取存儲器(SRAM)已非常普遍，有利于降低功耗，減少系統(tǒng)成本。Intel公司還嵌入了大容量的閃速存儲器(Flash RAM)。
外設(shè)和接口方面，基帶芯片往往支持多種接口以方便和應(yīng)用處理器的通信以及增加其他模塊如Wifi、GPS。接口包括UART、多媒體接口(MMI)、通用串行總線(USB）、SPI等。MCU與外部接口的通信可通過DMA進行，若基帶芯片沒有集成RF，則還有RF專用接口。
傳統(tǒng)ARM基帶芯片基本框架
單模基帶芯片采用雙核架構(gòu)，一個ARM處理器和一個DSP，兩者之間的通信通過雙端口靜態(tài)存儲器（Dual port SRAM）進行。同時，ARM還會對DSP子系統(tǒng)做一些直接的控制，通過直接操作寄存器（地址/控制/數(shù)據(jù)寄存器）完成。 當(dāng)然，對于一些運算能力比較強的DSP，1個ARM+1個DSP+多個加速器子系統(tǒng)也可實現(xiàn)多模基帶。
如圖2是傳統(tǒng)雙核基帶芯片的架構(gòu)圖，其中藍色單線表示ARM對DSP子系統(tǒng)的直接控制。
圖2 傳統(tǒng)基帶芯片主架構(gòu)
采用雙口SRAM進行ARM和DSP子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互原因有：（1）兩個子系統(tǒng)的時鐘通常不一致，SRAM則可以做良好的橋接；（2）SRAM數(shù)據(jù)交互帶寬較大、功耗低。實施過程中要注意讀、寫的同步問題，預(yù)防兩個子系統(tǒng)對同一塊數(shù)據(jù)的同時讀寫。可通過設(shè)置一個信號量控制，一方讀（寫）時另一方不得寫（讀）。
多模基帶基本框架
多模移動終端基帶芯片成為必然，即最終在一顆基帶芯片上支持所有的移動網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)制式，包括2G、3G、4G和WiFi等，多模移動終端可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)多個移動網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)間的無縫漫游。多種通信模式匯集在一顆芯片內(nèi)會大大增加芯片的實現(xiàn)難度，不僅要設(shè)計通用的移動通信模式實現(xiàn)平臺，還要在有限的尺寸范圍內(nèi)為每種通信模式增設(shè)特有的加速單元、MCU上和不同模式子系統(tǒng)之間則還要考慮模式切換所必須的通信管理。MCU上的軟件復(fù)雜程度變高，不同模式子系統(tǒng)間因為要共享一些數(shù)據(jù)（如基站信號強度）也需要一些數(shù)據(jù)的直接交換。
本節(jié)以GSM/EDGE/TD-SCDMA三模基帶芯片的基本架構(gòu)為例描述了多模基帶芯片的邏輯架構(gòu)。 該三模芯片又一個ARM9、兩個DSP子系統(tǒng)實現(xiàn)，ARM和倆DSP子系統(tǒng)間的通信依然是雙口SRAM，如圖3所示。
由于GSM/EDGE物理層算法基本一致，兩者的調(diào)制方式雖不同（GSM采用GMSK、EDGE采用8PSK）但解調(diào)方式一致-都是Viterbi譯碼，因此兩者物理層處理共享一個DSP加上一些額外的硬件支持。TD-SCDMA的物理層算法則與GSM/EDGE有很大差距，有完全不同的實現(xiàn)體系，尤其是TD-SCDMA的聯(lián)合檢測算法需要大量的計算，因此需要獨立的DSP子系統(tǒng)實現(xiàn)。
多模終端的一大技術(shù)要點是通信模式的切換，這就需要基帶芯片的支持。若是手動切換模式就比較簡單，不同模式的DSP子系統(tǒng)彼此獨立、簡單的捆綁，MCU中不同模式的協(xié)議棧也獨立創(chuàng)建任務(wù)即可。實際商用中手動切換那是會被用戶無情的拋棄的，因此多模終端必須能夠智能探測不同模式的信號強度，自動完成模式切換，這一切最好都要在用戶感覺不到的情況下進行。多模基帶的模式自動切換就需要額外的設(shè)計難度了，需要將多種模式的協(xié)議棧緊密糅合、各自的物理層之間還有必要的數(shù)據(jù)通信。各種通信模式互切換的規(guī)范和算法使得MCU上多種模式協(xié)議棧的糅合稱為可能，物理層信息共享則可通過在不同DSP子系統(tǒng)間建立簡單直連（如寄存器或SPI等）進行。
若是所有的通信模式都封裝在一顆芯片上，由一個主控處理器控制時模式切換相對簡單。能做到單芯片支持全模的只有高通一家。大部分終端基帶方案都兩顆甚至多棵基帶芯片的組合，如CDMA/GSMg基帶+LTE基帶，兩顆基帶芯片間通過SPI，SDIO，USB等通信。