GSM/TD-SCDMA双模终端芯片设计方案浅析

介绍了目前TD-SCDMA/GSM双模终端的分类，以及几种芯片设计方案，包括多芯片方案、单芯片多DSP方案和单芯片单DSP方案的设计，分析了其技术要点，并进行了对比。

1 引言

作为中国自主知识产权的第三代移动通信标准，TD-SCDMA将大规模建网和商用。并将在较长时间内，TD-SCDMA和GSM网络共存。因此，需要采用TD-SCDMA/GSM（以下简称为TD/GSM）双模终端，为用户带来很大方便，同时也为运营商留住既有客户，保护了前期投资。

2 TD-SCDMA/GSM双模终端分类

TD/GSM双模终端主要分为两种：双模单待自动切换终端和双模双待终端。

（1）双模单待自动终端任何时刻只工作在TD-SCDMA或GSM中的一种模式，和对应模式的单模终端一样收发数据；在空闲状态下，和电路域和分组域业务进行过程中，支持自动进行两模式间转换。

（2）双模双待终端支持TD-SCDMA和GSM两种模式共存，同时驻留在不同模式的小区上，在两种模式下同时收发。

3 整体实现架构

TD/GSM双模单待自动终端和双模双待终端的典型实现架构如图1和图2所示。其中，图2所示架构既可实现单待又可实现双待终端。基带与CPU控制FLASH，USIM和外设，并与TD-SCDMA和GSM射频模块进行数据通信；外设包括键盘、显示屏、扬声器、麦克、USB等；电源管理单元（PMU）对基带与CPU、射频模块和外设等进行电源管理，以降低功耗，延长电池寿命。

图1 TD/GSM双模单待自动终端实现架构

图2 TD/GSM双模终端实现架构

双模单待终端可以使用单天线，而双待终端则使用双天线。目前，有的终端厂家使用双待机的架构实现单待终端，双天线、TD-SCDMA和GSM模式之间基本相互独立；这种设计实现的双模单待和双待终端基本只有软件上的区别。

4 双模单待终端芯片设计

GSM和TD-SCDMA都使用时分复用技术，GSM每帧长4.615ms，分为长度相等的8个时隙。TD-SCDMA每个子帧长为5ms，分为7个普通时隙和3个特殊时隙。

终端软件实现中，对帧边界的辨认是通过芯片提供的中断来定位的。因此，无论支持TD-SCDMA或GSM，芯片都须提供以相应帧长为周期的定时中断。

实现双模的关键在于，终端驻留在任一模式时，都需定期测量另一模式的邻小区相关参数，并视需要进行小区重选和切换。终端要在两模式间做交互、数据传输和同步，以及根据其中一模式的状态，对另一模式进行控制。

4.1 多芯片/多DSP设计方案

（1）多芯片设计方案是指在不同芯片上分别实现GSM和TD-SCDMA。基本上相当于两个相对独立的模式集成到一个终端中。

（2）单芯片多DSP设计方案使用单个芯片，但芯片中包含多个DSP，分别支持GSM和TD-SCDMA模式，两个模式的帧中断在不同DSP上提供，对应的软件也是两个相互独立的系统，在各自DSP上单独运行。

本质上，上述两种设计是一致的，均保持了两个模式实现中较强的相对独立性。

参考文献给出了一种多芯片实现方案。TD-SCDMA射频前端设计时选用MAXIM公司的MAX2392和MAX2507芯片解决方案，GSM射频前端设计时则选用Silicon公司的Si4212来进行设计。

从图3单芯片多DSP设计方案可以看出，芯片包括分别支持GSM和TD-SCDMA模式的DSP。微控制器（MCU/ARM，Micro Controller Unit/Advanced RISC Machines）是芯片的主控单元，通过总线控制和调度芯片内部的多数模块协调工作。I/O桥连接芯片与外部器件。DSP（Digital Signal Processor）是可编程的数字信号处理器。负责两个模式DSP分别通过各自的IQ通道ADC/DAC、辅助DAC和射频控制单元，与两个模式的射频分路连接。

图3 TD/GSM双模单待单芯片多DSP设计

GSM和TD-SCDMA定时模块分析GSM DSP和TD-SCDMA DSP提供的帧信息，分别跟踪两个模式信号帧在时间上的变化，分别将两个模式的定时信息发送给时钟发生器。通过时钟发生器生成GSM和TD-SCDMA定时中断信号，分别提供给GSM和TD-SCDMA的DSP。从图3可见，GSM和TD-SCDMA模式基本上相互独立。

睡眠模式是芯片及芯片内部各模块的工作模式或状态。进入睡眠模式的模块，其耗电和散热都大大降低。上述这两个方案，GSM和TD-SCDMA两个模式是独立进行睡眠控制的。另一方面，上述的设计思想都是两个模式作为独立模块分开处理，使用不同的硬件来实现。这就需占用更多芯片面积，且增加了功耗。

4.2 单芯片单DSP设计方案

从图4单芯片单DSP设计方案可以看出，芯片中只设一块DSP，同时处理GSM和TD-SCDMA数字信号，控制两种模式所使用的硬件加速器，令其可并行工作。从时钟发生器引入两个固定周期产生的中断，分别是周期为4.615ms的GSM帧定时和周期为5ms的TD-SCDMA帧定时中断，两中断产生的时间位置可独立调节，使用同一晶振分频产生，用统一的AFC（自动频偏调整）进行跟踪。

图4 TD/GSM双模单待单芯片单DSP设计

图5示出了该设计的控制方式。GSM和TD-SCDMA中断预处理单元分别对各自模式进行预先处理，判断是否已设置了需屏蔽某一模式，而实现另一模式单模终端的功能，若如此，则屏蔽该中断；否则将预处理结果传递给优先级控制单元，这一单元根据GSM和TD-SCDMA两模式当前状态以及各自对DSP处理能力、存储空间等芯片资源的需求，安排这两个模式的执行次序，以保证两模式都能获得足够的系统资源，并分别输出控制信息至GSM处理单元和TD-SCDMA处理单元。

图5 TD/GSM双模单待单芯片的控制方式

图6示出了该设计的睡眠模式双重确认方式。定时检查单元可位于DSP或者微控制器中，调度程序以定时启动检查。

图6 TD/GSM双模单待单芯片的睡眠控制

芯片执行睡眠模式之前，需经过TD-SCDMA和GSM模式睡眠状态判断、DSP睡眠状态判断和微控制器睡眠状态判断，也就是，当所有单元均进入了睡眠状态后，则整个芯片进入睡眠。

4.3 多芯片/多DSP与单DSP方案对比

三种芯片方案各有优缺点：

（1）多芯片/多DSP方案的基带芯片设计思想相对简单，用双模双待的设计思想实现双模单待和双待终端；设计上，保持了各模式较大的独立性，提高了两种模式间共享硬件资源、集约调控各单元睡眠状态的复杂度。因此，这类方案需要的硬件资源略高、芯片较大，使耗电和硬件成本有所提高。因此，更适用于实现双模双待终端。

（2）单DSP方案用双模单待的设计思想实现双模单待和双待终端；对两种模式处理更加集约化，能够在两种模式间更有效地调度硬件资源，更合理和高效地进行睡眠控制，实现更小的芯片面积、更低的耗电和硬件成本；有更广阔的市场潜力。

5 结束语

综上所述，可总结为：

（1）D-SCDMA/GSM双模终端包括双模单待自动终端和双模双待终端。

（2）双模单待自动终端，目前的芯片设计方案有多芯片方案，单芯片多DSP方案和单芯片单DSP方案等多种设计实现方式。

（3）各种设计方案各有优缺点，但单DSP芯片的设计，能够提供更低耗电和成本的终端，有更广阔的市场潜力。