一种双模双待USB接口数据卡的低功耗设计

随着3G网络的大规模部署和4G网络的逐步部署，支持数据终端的传输速率越来越高，4G网络下行数据速率已经高达150MB／s以上，因此要求终端芯片处理速率越来越高同时数据处理速率的提高也增大了终端功耗的压力，数据卡主要的产品形式的接口为USB接口，而USB2．0接口的最大功耗限制在5 V，500 mA时，已难以满足数据卡对功耗的要求。另外，由于功耗的增大导致发热的问题，严重影响了用户体验和产品的使用寿命。因此低功耗设计对于数据卡的产品设计是必要的。

1 主流双模数据卡的技术解决方案
    目前市场上销售的双模数据卡解决方案要用两个制式的终端解决方案平台，由于终端平台芯片厂商的产品有所侧重，而不会去支持所有的技术平台，因此像高通有很多款基于CDMA的数据卡终端芯片，但是没有WiMax的终端芯片产品。因此需要整合各厂家的平台去支持双模卡产品的设计。由于是整合不同厂家的平台，还要兼顾产品的开发周期，因此一些硬件和软件上的设计,可能被忽略而导致设计方案不是最优的。下面通过两种双模数据卡的设计方案，分析其优缺点。

1．1 主流双模数据卡方案1
    该方案的技术优点主要是整合两个平台的难度较低，开发周期较短，市面上的双模数据卡较多采用该方案，但是该方案有明显的缺点。
    (1)双模之间的切换较慢，因为切换策略要综合考量两个平台测量到的网络信息，两个平台之间没有办法通信，只能通过USB HUB送到主机，需由主机的高层软件来控制两个平台之间的切换。
    (2)增加了一个HUB，导致系统的功耗增加了约100 mA／5 V的功耗。对于USB2．0要求的功耗500 mA／5 V范围，很多单平台的数据卡类产品的功耗已经接近该功耗数据的上限，因此功耗的增加已经是一个很大的开销，同时又增加了成本。
1．2 主流双模数据卡方案2
    该方案的技术优点是省去了一个HUB，降低了成本，同时切换的速率也会提高，但是该方案也有一个缺点，就是功耗。

    (1)由于WiMax基带芯片和EVDO的基带芯片不是同一个终端芯片厂家的，在处理的性能上两个模块不会有整合，导致CPU资源浪费严重，当WiMax制式工作时，EVDO芯片的CPU由于要处理从SDIO芯片送过来的数据包，EVDO的基带处理器也会工作，两个基带处理器同时工作必然会导致功耗的增加。
    (2)由于要整合两个芯片的软硬件资源，必须要协调两个终端芯片厂家的合作，必然导致开发周期的延长。

2 提出一种低功耗双模数据卡的技术解决方案
    在总结上述两个方案的基础上，提出了一种折中的技术方案，该方案在增加系统硬件成本的同时，降低了系统的整体功耗，提高了切换时间，缩短了软件开发的周期。

    该方案新增了一个USB Switch，Switch的成本相对于USB HUB较低，同时它的功耗可以忽略不计。该方案有以下优点：
    (1)USB Switch的功耗可以忽略不计。
    (2)UART接口传输一些很小数据量的控制和状态信息，不涉及高层的软件修改。
    (3)快速切换和低功耗模式。
2．1 双模双待的技术实现流程
    (1)初始上电保持由GPIO控制USB Swithch确保EVDO基带芯片和主机的通信，WiMax基带芯片不和主机通信但是定时做射频信号的测量，并通过UART信号送到EVDO基带芯片。
    (2)EVDO的基带芯片根据一定的策略计算由哪张网络为用户提供服务。
    1)如果由EVDO提供服务，则WiMax进入待机模式，定时醒来进行网络信号测量，并通过UART把网络信号信息送到EVDO处理器，根据策略如果发现需要切换到WiMax网络，则EVDO通过GPIO控制USBSwitch关闭自己与主机的通信，改由WiMax基带芯片于主机通信。EVDO进入待机模式，并定时醒来进行信号测量并把网络信号传递给WiMax基带处理器。
    2)如果由WiMax提供服务，则EVDO通过GPIO控制USB Switch关闭与主机的通信，改由WiMax基带芯片于主机通信。EVDO进入待机模式，并定时进行信号测量并把网络信号传递给WiMax基带处理器，并由WiMax基带处理器根据切换的策略来决定为用户提供服务的网络。如果需要切换到EVDO，执行相同的操作。
2．2 软硬件技术可行性分析
    (1)硬件方面。
     硬件方面的主要障碍是USB通信通道由当前平台切换到另一个平台的时间。如果切换时间过长，就有可能影响用户的通信。当切换事件发生时，USB数据通路会与当前平台断开而与另一个平台建立通信，建立通信时需要通信平台向主机进行枚举设备和主机给相应的平台加载驱动程序。USB的枚举时间和加载驱动时间可以控制在ms级。因此带来切换时间的增加是可以接受的。在切换时间内用户的语音通信可能会有延时，但影响较小。由于WiMax网络的覆盖范围很广，在宽阔的区域可以达到30 km，因此对于用户网络之间的切换不常发生。
    (2)软件方面。
    相对于方案1，软件方面要增加的主要工作量是通过UART(串行通信接口)进行少量的网络信息的传递交换，信息的交换可以通过简单的底层通信协议完成。在驱动程序层面可以完成该功能，不会涉及到高层协议软件的修改，因此在软件上实现该功能还是比较容易的，不会增加开发难度和周期。软件方面的主要工作就是协调两个平台厂商进行两个通信协议信息的定义和UART驱动程序修改。

3 结束语
    文中提出的双模双待数据卡新的解决方案，在降低系统成本的同时，又降低了功耗，增加了用户的体验，是一种理想的双模双待数据卡类产品解决方案。