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Palma Ceia 的 NB-IoT 射頻收發(fā)器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

lhl545545 ? 來源:與非網(wǎng) ? 作者:與非網(wǎng) ? 2020-08-13 09:55 ? 次閱讀
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未來蜂窩技術(shù)(5G 新無線,或簡稱“NR”)的大部分關(guān)注點都是增加帶寬,將移動設(shè)備上的流視頻等應(yīng)用的帶寬從 100 kbps 擴展到 100 Mbps。許多應(yīng)用對于低成本廣域通信的需求不斷增長。對這一需求尤其突出的是預(yù)計會在未來十年內(nèi)激增到“數(shù)十億的 IoT 設(shè)備”(圖 1)。智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施、智慧農(nóng)業(yè)、智慧能源和工業(yè)自動化等應(yīng)用,不僅要求設(shè)備的功耗要低(可電池供電),還要求可以大規(guī)模部署,并且更加注重成本因素。

蜂窩 IoT 快速增長

Palma Ceia 的 NB-IoT 射頻收發(fā)器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

全球 NB-IoT 市場增長

低功耗的廣域網(wǎng)協(xié)議(例如 LoRaSigFox)在過去幾年中得到了應(yīng)用部署,但是被獲得采用和應(yīng)用的程度各不相同。 最近,3GPP 標準組織為寬帶 IoT 網(wǎng)絡(luò)定義了一種稱為窄帶 IoT (NB-IoT) 的蜂窩標準。該標準已針對機器到機器類型的通信進行了優(yōu)化。初始版本稱為 Cat -NB1,被納入 3GPP 第 13 版標準。名為 Cat-NB2 的增強版本被納入 3GPP 第 14 版標準,并增加了定位和多播等新功能。

由于許多移動網(wǎng)絡(luò)運營商 (MNO) 對其現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)進行改造以支持新版本的功能,因此將 NB-IoT 協(xié)議捆綁到標準移動 3GPP 推廣方案中,可以加速采用。這項加速部署還將會影響支持 NB-IoT 采用率所需的硅芯片組使用量迅速增多。在未來十年中,增長估值會有變動,推測估會有每年 40% 以上的復(fù)合年增長率估值。

全球部署主要由中國、美國和歐洲的移動網(wǎng)絡(luò)運營商領(lǐng)跑。中國和歐洲大多運營商都是單獨部署 NB-IoT(Cat-NB1、Cat-NB2),而美國運營商都在同時部署 NB-IoT 和 LTE-M(一種更高帶寬、支持語音和數(shù)據(jù)的協(xié)議)。

全球蜂窩 IoT 通信部署

低功耗、低成本實現(xiàn)了集成度更高的設(shè)計

與許多利用通信設(shè)備的片上系統(tǒng) (SoC) 和 MCU 相比,傳統(tǒng)的蜂窩實現(xiàn)通常消耗更多的功率并且都是針對不同的硅工藝技術(shù)節(jié)點提供的。這在很大程度上使通信 IC 與應(yīng)用設(shè)備分離,在涉及射頻收發(fā)器實現(xiàn)時尤其如此。

傳統(tǒng)的 LTE 調(diào)制解調(diào)器軟硬件架構(gòu)包含多個 DSP、多個硬件加速器、RISC 內(nèi)核、多個操作系統(tǒng)、堆棧等,旨在達到寬帶 LTE 調(diào)制解調(diào)器的計算密集型協(xié)議和高數(shù)據(jù)速率要求。單靠嘗試縮減這種類型的實現(xiàn)以支持 NB-IoT,并不會產(chǎn)生可以節(jié)約功耗和縮減面積的解決方案。功能組合的簡化和帶寬要求的顯著降低促進了新方法的出現(xiàn)。

可以基于小型低功耗 CPU/DSP 處理器,一些專用硬件加速器,專用電源管理硬件,以及基帶與射頻收發(fā)器之間的緊密集成,創(chuàng)建靈活的 NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器(圖 3)。

處理器必須提供理想的代碼密度和高效的軟件堆棧實現(xiàn),才能縮小存儲器尺寸。這樣就可以避免使用片外 DRAM,這可幫助降低系統(tǒng)成本。同時縮短代碼長度,對于實現(xiàn)低功耗也很重要,通過減少訪問指令內(nèi)存的方法尤其有效。

集成 IoT 通信解決方案(包括 iSIM

更優(yōu)化的 IoT 通信子系統(tǒng)解決方案

Synopsys 運用在其他基于 DesignWare? ARC? 處理器的子系統(tǒng)中使用的類似概念,開發(fā)了 IP 子系統(tǒng),致力于為低帶寬通信實現(xiàn)高效處理。ARC IoT 通信 IP 子系統(tǒng)(圖 4)經(jīng)過專門設(shè)計,旨在為嵌入式設(shè)計人員提供嵌入式軟硬件基帶解決方案,以輕松向其 SoC 追加提供 3GPP 第 14 版 (Cat-NB1 / NB2) 技術(shù)支持。

Synopsys DesignWare IoT 通信 IP 子系統(tǒng)

完全可配置的 IP 子系統(tǒng)圍繞 Synopsys 的 ARC EM11D 處理器構(gòu)建,非常適合同時運行必要的控制代碼和 DSP 代碼,以實現(xiàn) IoT 應(yīng)用和 NB-IoT 協(xié)議棧的同步運行。EM11D 內(nèi)核的許多架構(gòu)功能有助于高效執(zhí)行 NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器功能,這些架構(gòu)功能有零開銷循環(huán),16 + 16 復(fù)雜算術(shù)和蝶形支持,寬累加器,以及對定點算術(shù)(通過飽和和四舍五入得出)的支持。EM11D 處理器的 XY 存儲器帶有高級地址生成 (AGU) 功能,提供了處理器可以同步訪問的三個邏輯存儲器,從而使內(nèi)核能夠在每個周期執(zhí)行一次乘積累加 (MAC),這是通信堆棧的一項重要指標。

NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器中計算量最大的一個部分就是下行鏈路數(shù)據(jù)的解碼。這種解碼利用了 Viterbi 算法,通常也是調(diào)制解調(diào)器設(shè)計會遇到的瓶頸。在通用 CPU/DSP 處理器上利用 Viterbi 算法部署軟件實現(xiàn),獲得的性能改進是非常有限的。IoT 通信 IP 子系統(tǒng)使用 ARC 處理器擴展 (APEX) 指令實現(xiàn)硬件加速,可大幅降低 Viterbi 解碼的 MHz 要求,并能簡化 API,從而可以直接替換軟件實現(xiàn)。

該子系統(tǒng)還包括一個集成的數(shù)字射頻前端 (DFE),在協(xié)議棧和射頻收發(fā)器之間實現(xiàn) I/Q 數(shù)據(jù)連接。許多第三方都提供的射頻收發(fā)器本身相對簡單,可以和其他基帶處理實現(xiàn)片上集成。 圖 5 展示了 Synopsys 合作伙伴 Palma Ceia SemiDesign 提供的這種射頻收發(fā)器。PHY 協(xié)議層軟件和簡化的接口共同降低了復(fù)雜性,方便了射頻 / 子系統(tǒng)集成工作。

Palma Ceia 的 NB-IoT 射頻收發(fā)器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

Palma Ceia 的 NB-IoT 射頻收發(fā)器

集成電源管理和時鐘控制單元 (PMU) 為設(shè)備提供關(guān)鍵支持,使設(shè)備達到 3GPP 針對電池壽命提出的嚴格要求。這些電池供電的設(shè)備大多用于人機交互有限的“一次設(shè)定永久有效”的應(yīng)用。3GPP 標準根據(jù)通信頻率(每 2 小時 / 每天一次)和數(shù)據(jù)帶寬(50 字節(jié) /200 字節(jié))定義了幾種用例。對于所有用例組合,使用 5Wh 電池的預(yù)期電池壽命均為 10 年。為了幫助 SoC 設(shè)計團隊實現(xiàn)這一目標,子系統(tǒng)在 ARC EM11D 處理器以及 IoT 通信子系統(tǒng)邏輯的其余部分提供了多個可編程電源域。除了數(shù)據(jù)保持、時鐘和電源管理等功能所需的永遠在線邏輯 (AON) 之外,可以根據(jù)需要控制其余的域,以滿足電源需求。 顯示了子系統(tǒng)電源域。

Palma Ceia 的 NB-IoT 射頻收發(fā)器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

IoT 通信子系統(tǒng)電源域

在表 1 中可以看到電源管理的用例,表中突出強調(diào)了在活躍模式、休眠模式(存儲器保持、射頻閑置)和待機模式(射頻電源關(guān)閉,僅 AON 邏輯活躍)下,為了盡量降低功耗,推薦 ARC EM11D 處理器、射頻收發(fā)器和子系統(tǒng)邏輯所處的狀態(tài)。

IoT 通信子系統(tǒng)的電源模式和電源域

總結(jié)

各種新興智能應(yīng)用的嵌入式 IoT 設(shè)備必須能夠滿足并支持低成本、低功耗的廣域通信。與傳統(tǒng) LTE 協(xié)議相比,由 3GPP 定義的 NB-IoT 標準支持更加有限的數(shù)據(jù)速率和功能組合,并降低了實現(xiàn)起來的復(fù)雜性。這種標準可以利用簡化的軟硬件架構(gòu)來搭建和部署耗電很少的低成本電池供電設(shè)備。

DesignWare ARC IoT 通信 IP 子系統(tǒng)的集成軟硬件功能為傳感器融合,語音觸發(fā),面部和手勢識別,以及將 IoT 處理連接到云端的關(guān)鍵窄帶通信鏈路等一類“始終在線”的功能提供了完善的 IoT 解決方案。
責任編輯:pj

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