宽带通信系统与可配置平台

2006-05-07 15:49:32来源: 电子产品世界

宽带通信已进入重大变革时期。随着信道密度和每个信道处理性能的增加,使得大多数产品的结构显得过时。演变中的市场和多种标准,要求设备生产商增加系统软件的可编程性。网络处理和新的数字信号处理器(DSP)已开始瞄准已有通信链路中的局部解决方案,但主要的瓶颈依然存在。最新出现的解决方案是可配置平台,它能提供多处理、指令级并行性和适应特定范围要求的灵活性。

迅速变化的标准和市场条件,连同需要在整个通信架构中保持稳定的设备环境,促使人们对宽带通信领域采用宽范围可编程方案的兴趣日趋增加。软件可编程方案可使设备制造商能即时提供瞄准当今市场需求的产品,同时又能保证适应未来市场所需产品的灵活性。另外,可编程方案使得同样的软件装置使用在多种产品中,增加了产品的市场容量。

处理链路问题

通信系统必须处理大量的复杂任务和不断增加的信道数。软件可编程处理器可有效地处理3个关键处理领域:协议处理、信息包处理和媒体压缩。通信网络依赖于特定的协议来传输数据。信道上的传输的数据必须置入信息包并在信道的末端从信息包取出。另外,每一种协议在传输期间具有特定的机构用于生成和管理通信信道。协议处理可认为是状态机性能的有效处理。

在信息包中,传输的数据需要处理,这包括:认别有效数据载荷类型,确定数据路由,识别和纠正传输误差以及不同信息包方案之间的变换或分级转换。信息包处理主要依数据的按位运算进行。处理器必须能有效地求出信息包内的固定(或)可变长度字段。循环冗余检验(CRC)需要高级的按位运算。

随着各种信息量(包括声音,视频、音频、图像和数据)的增加,通信架构正趋于饱和。对于通过通信网络的各种信息量来说,用于增加传输带宽的关键技术是压缩。确定所采用压缩技术的因数包括:被压缩信息量的类型,对由压缩产生人为噪声的应用敏感度,应用的误差复原能力,信道的潜在误差和信道能保证的业务质量。

瓶颈问题

对通信架构的可编程需求导致大量新“型”芯片出现,这包括网络处理器和专用领域(domainfocused)DSP这些器件的关键可编程性能和信道密度。现在的方案集中在新微处理器配置中如何重新利用原有的处理器结构。多处理器可提供任务级的并行性,这增加了并行执行应用任务的能力。为处理不同数据采样值而生成冗余、并行通路可以增加信道的密度。

然而,使用这些器件存在两大瓶颈,首先,信道中处理器的结构限制了每个并行通路的可用处理带宽。大多数网络处理器和通信DSP都是基于精简指令集(RISC)结构基础上的。虽然RISC结构可降低应用中的指令要求,但它们受到单指令周期的固有限制。另外使问题更复杂的是,微处理器的指令集更适用于协议和包处理任务,而DSP更适应于媒体处理任务。

第二个瓶颈是协议处理和进出并行处理通路的数据输送。在网络处理器和多DSP方案中,传输的嵌入处理器一般用于协议处理,用传统数据总线结构输送数据到并行通路。在多DSP方案中,信息包处理也不用DSP,这是因为这种结构在处理位方式运算时的固有限制。

理想结构

把多个处理器、存储器和外设集成在一起,为特定应用可编程的重新设计的芯片结构是理想的平台。虽然如网终处理器这样的平台,对于给定的应用能提供高级软件编程,但这样的方案直到现在,也仍是固定的结构,因而不能修改硬件以适应特殊产品的需要。

靠硬件级配置和定制,其理想的可配置平台将有助于产品设计人员实现较高的密度、不同的性能和降低成本。对于当今的瓶颈,这样一种平台,对于协调多个处理元件以适应特定范围的单一系统提供灵活的结构。根据在整个架构中的位置,其通道密度和功能要求可以是不同的。

采用灵活的结构,半导体供应商和OEM可以把功能集成在少量器件中。设计人员可以针对他们应用的特定要求和限制定制和配置一个平台。此外,这些可配置平台将提供指令级平行性(ILP),这大大增加了可用的处理带宽。例如,甚长指令字(VLIW)处理器每条指令处理多种运算的处理能力比时钟控制RISC处理器增加3倍。设计人员利用可配置VLIW处理器在数据通路中包含定制运算单元,这将为应用中的特定功能增加处理带宽。

语音信息包实例

我们研究一下话音信息包(Voice-over-packet,VoP)并分析采用什么样的方案能满足这些标准。数据必须在特定的传输信道上发送和接收,语音数据必须压缩和解压缩。除了对取样话音打包外,网络必须能够接纳这些话音信息包并投入到网络通信量中,而不导致话音实时性方面的任何显延迟。

实现VoP需要众多的功能范围,每一种都具有截然不同的特性。其功能包括:

●网络/呼叫管理和控制

●话音处理

●信息包处理/网络协议处理

除了信息包电话专门的功能外,还有在物理层支持的综合业务数字网(ISDN)、数字用户线(DSL)、异步传输模式(ATM)、无线和有线网络中集成处理信号,调制所必须的更广的网络功能,如DSP、信令和控制。

VoP现正在集成越来越多的功能,而同时采用嵌入式片上系统(SoC)技术使其变得更小。这样增加了信道密度,小的IC正在替代PC或路由器大小的盒和多处理器DSP插卡机架。

系统应用需求

在VoP系统中,网络管理和控制、呼叫建立和控制以及网络接口控制所要求的复杂业务由若干标准规定,最著名的一些标准是ITU-TH..323、H.248和Megaco(Media Gateway Control)协议。通常,在PC/工作站/路由器大小的盒上,在实时操作系统(RTOS)下执行C/C++软件实现这些复杂业务。希望在嵌入式微控制器芯核中执行这些管理协议软件。

VoP话音处理包括编解码器、回音消除器和外设业务处理(如音频检测/产生,和谐噪声产生,话音存在/静音检测)。这些处理都是DSP范围。可惜,对于不同部分话音处理所需的算法差别很大,这使得任何单个DSP适用所有部分是困难的。

为了长途电话优质话音,采用了若干话音编解码器。它们由ITU-TG.711,G.726,G.728和9.729E规定,并且总是与数字线路回音消除器相连(一般为G.168)。G.726,ADPCM话音编解码器的算法要求与G.168的需求有很大的不同,G.168主要是按最小二乘方的自适应滤波器。定点DSP芯核用于这两种算法不是最佳的。另外,很多定点DSP对关键性运算,如归一化和舍和入都不提供任何支持。

与网络/呼叫管理和话音处理相比,VoP的信息包处理和协议支持具有完全不同的要求。在传输层,如UDP(用户数据报协议)、RTP(实时传输协议)和ATM(适应层)是通用的。在发送端,需要生成首标和段数据以构成信息包;在接收端,首标必须抽出和检验,往往需要译码,而且数据在特定应用单元必须重组。另外,需要像CRC这样的运算。可以在MCU或DSP上执行信息包处理/协议支持,但这不是最佳选择、而会导致带宽或信道密度引起的成本问题。

希望在物理层上面集成更广泛的网络功能(如信息处理和信令/控制)支持ISDN/DSL、ATM无线和有线网络。这种集成可包括像信道编码(单向误差修正)、调制解调方法(正交幅度调制或分离多音)和脉冲整形技术。

VoP系统的设计

现在VoP是在连接多处理器DSP插卡的工作站/路由器大小盒中实现的,虽然业内正在积极地把这些设计移植到单个芯片或芯片组中。这种移植可达到降低成本、大小和功耗以及增加信道密度和带宽。在ASIC上建造VoP系统有两种主要途径。

第一种途径是可编程嵌入式MCU和DSP芯核。网络/呼叫管理和信息包/协议支持功能通常放置在MCU芯核上,而话音处理功能放置在DSP芯核上。这些可编程芯核能提供相当快的上市时间,并且很容易更新。

然而,编程MCU和DSP芯核需要投资,一般每种芯核的软件都需要单独开发。某些工作也需要在芯片上集成MCU和DSP芯核以及其他系统元件(总线、存储器和网络接口)。

另一种途径是制造一种ASIC。此途径在性能和硅效率方面能提供良好的结果。然而,这些ASIC趋向于集成MCU或DSP某种程度的功能,这是因为操作复杂性所致。增加定制硬件IP可增加一些功能(CRC,信息包管理,滤波运算等)使这些芯核的负载/大小降低。

ASIC方法的缺点是巨大的非重复的开发成本。而且必须考虑需要建立或引入IP、集成IP核、设计任何必需的软件和功能验证ASIC的开发时间窗口。

现在一种比较好的方案是利用可配置平台的技术,可配置平台解决定制SoCASIC的性能和硅效率,而没有上市时间和MCU/DSP芯核组合的更新问题。新的可配置平台技术必须提供3个关键要素:

●可标度的多处理器平吧,配有集成互联处理器通信、存储器和总线结构。

●板上处理器必须对于传统资源和定制模块是可配置的。换言之,必须提供增加或去除像ALU、MAC和移位器资源的能力,就像增加定制运算(如舍入和归一化)资源能力那样。用于新模块生成/插入的工具必须支持这些能力。

●这种技术必须提供一种直观的开发环境,对于任何给定的应用,应同时使软硬件最佳化,以便选择最佳的平台。

当平台包括可配置的处理器时,可大大增强特定应用的性能结构。例如,我们已经采用通用VLIW处理器和编译G.726话音编解码器在单处理器中实现15信道密度。靠增加一个运算单元,我们增加信道密度到30信道,对软件只做较小的修改来支持新单元。同样,在基本处理器中MAC从1个增加到2个,我们在单个处理器上能够实现G.168回音消除15个信道。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1399.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 安防电子 医疗电子 工业控制

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved