摘要　省電技術是移動終端設計的一項關鍵技術，目前的研究多數是針對待機模式下的省電技術。本文結合TD-SCDMA系統(tǒng)及終端的技術特點，深入研究并實現了TD-SCDMA多媒體終端在工作模式下的省電關鍵技術，這對于推動TD-SCDMA產業(yè)的發(fā)展有著重大的技術意義和現實意義。

1、前言

　　移動終端的通話時間和待機時間一直是業(yè)界關注的焦點問題之一。3G終端除支持類似2G終端的基本的語音、短信業(yè)務以外，還支持高速數據下載和視頻電話等豐富的多媒體應用，為此增添了復雜的物理層數字信號處理和高層協議棧軟件處理，大大增加了終端省電處理難度，也對3G終端的省電性能提出了更高的要求。

　　目前，業(yè)界對于TD-SCDMA終端省電的研究集中在待機模式下，即通過周期性的睡眠-喚醒來達到在待機模式下省電的目的，而對于在正常工作模式下的省電研究甚少。正是基于這種情況，本文結合TD-SCDMA系統(tǒng)及終端的技術特性，深入研究并實現了TD-SCDMA多媒體終端在工作模式下的省電關鍵技術，這對于推動TD-SCDMA產業(yè)的發(fā)展有著重大的技術意義和現實意義。

2、TD-SCDMA多媒體終端的總體結構

　　TD-SCDMA的重要特點之一是可以提供高達384 kbit/s的數據傳輸速率，遠高于GSM的數據傳輸速率，這種數據速率不僅可以支持普通語音，還可支持多媒體業(yè)務，這也被喻為3G的“殺手級”應用。可支持300萬像素攝像頭及視頻電話的TD-SCDMA多媒體終端的總體結構如圖1所示，其中clk26M與clk32k是系統(tǒng)所用的兩個外部時鐘。

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圖1　TD-SCDMA多媒體終端的總體結構

　　該終端基于Philips的Dragonfly移動終端設計平臺，其中基帶采用ARM9作為處理器，主要負責協議棧和各種應用程序的處理及整個終端的管理；Modem IC負責TD-SCDMA物理層的相關處理；ABB是模擬基帶和數字基帶的接口，完成信號的模數轉換和數模轉換功能；RF發(fā)射方案采用MAXIM的MAX2507（該芯片已集成了PA），接收方案采用MAXIM的MAX2392；多媒體協處理器作為視頻、圖像處理的專用硬件加速器，是視頻終端區(qū)別于普通終端的主要硬件設備；LCD為65 kHz真彩高像素雙屏以支持優(yōu)秀的視頻效果；攝像頭分辨率高達300萬像素。整個系統(tǒng)所用的外部時鐘為VCXO產生的26 MHz系統(tǒng)參考時鐘（clk26M）和由電源管理單元（PMU）產生的32 kHz低速時鐘（clk32k）。

　　TD-SCDMA終端的功耗受到無線環(huán)境、網絡配置[1]、協議棧控制以及終端軟硬件方案、電源管理、芯片本身的低功耗設計及其工藝特性等諸多因素的影響[2]，其中起決定性作用的是終端本身的省電技術。

3、TD-SCDMA多媒體終端的電源管理方案

　　基于不同系統(tǒng)具體耗電特性的合理電源分配、電源轉換芯片效率的提高以及對各個電源簡單而有效的控制是省電技術中具有立桿見影效果的重要手段。

　　3G終端中常用的LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）具有成本低、封裝小、外圍器件少和噪音小的優(yōu)點，缺點是低效率。而DC/DC轉換器可提供高達95%的效率，但占用PCB（電路板）面積大，輸出電壓的紋波也較大，且電磁干擾（EMI）問題比較突出。采用集成了移動終端所需要的幾乎所有電源的參數測量單元（PMU）是移動終端設計的必然要求。

　　結合TD-SCDMA終端中各芯片的具體特性，以在不同狀態(tài)下對各路電源的方便控制為原則，相應的電源管理方案設計如下：采用PMU中集成的500 mA的DC/DC輸出1.8 V電壓給Modem IC和基帶處理器的內核供電以充分利用DC/DC的高效率，對存儲器采用PMU中的一路LDO輸出1.8 V電壓對其單獨供電；對射頻收發(fā)信機分別用PMU中的兩路具有極低噪聲和極高電源紋波抑制比（PSRR）的LDO輸出2.8 V電壓對其單獨供電；對LCD及鍵盤背光采用PMU中的升壓型DC/DC輸出5V電壓至發(fā)光二極管陽極，PMU的一路有高電流驅動能力的LDO輸出2.6 V電壓給音頻處理部分供電，再利用PMU中的另外兩路LDO輸出1.8 V和3.0 V電壓分別給各芯片的高、低電平端口供電，對于多媒體協處理所需要的1.5 V和2.8 V兩個特殊電壓，采用一個雙路DC/DC分別給其供電。所有電壓的使能引腳都接到基帶處理芯片（ARM）的睡眠指示信號上以簡化控制機制，各電源何時需要打開/關閉取決于各自的寄存器配置情況和該指示信號，因而可以根據實際使用情況通過編程來方便地動態(tài)控制不同時刻各路電源的開關。

4、TD-SCDMA多媒體終端的省電設計

　　4.1　TD-SCDMA終端射頻收發(fā)信機的動態(tài)功耗管理

　　射頻收發(fā)信機是TD-SCDMA終端中第一大耗電單元。對射頻收發(fā)信機進行有效的動態(tài)管理不僅可以提高雜散度、靈敏度、鄰道泄漏等射頻指標，而且從節(jié)省終端功耗的角度出發(fā)可以充分利用TD-SCDMA系統(tǒng)獨特的TDD模式達到省電的目的。

　　WCDMA工作在FDD模式下，在該系統(tǒng)中，時間-頻率平面被分割成M個離散的頻率段，在頻率軸上相鄰分布，用戶始終占用頻率通道中某一頻段并以100%的占空比傳遞信號能量。TD-SCDMA工作在TDD模式下，在該系統(tǒng)中，用戶僅用部分時隙以較小的占空比傳遞信號能量。由于CDMA系統(tǒng)是一個自干擾受限系統(tǒng)，其系統(tǒng)容量主要取決于來自同系統(tǒng)內其他用戶的多址干擾，因而以突發(fā)方式發(fā)射信號的TDD系統(tǒng)的平均發(fā)射功率必然明顯小于FDD系統(tǒng)。在理想情況下，若UE僅用TD-SCDMA幀結構中7個時隙中的一個時隙發(fā)射信號[2]，即在發(fā)射相同信號功率（比如24 dBm）時TDD系統(tǒng)的平均發(fā)射功率是FDD系統(tǒng)的1/7，比FDD模式下少8 dB。

　　在圖2中，TD-SCDMA的每一子幀（包含7個業(yè)務時隙3個特殊時隙）長度為5 ms，TX_ON為發(fā)射機打開的控制信號，RX_ON為接收機打開的控制信號。從圖中可以看到，TDD系統(tǒng)僅在射頻單元需要接收和發(fā)射有用信號的時隙打開相應的電路，在空閑時隙則關閉相應的射頻電路，從而大大減小了射頻單元的平均功耗。

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圖2　TD-SCDMA系統(tǒng)控制信號的時序

　　4.2　時鐘門控技術

　　TD-SCDMA終端必須完成信道估計、卷積、矩陣相乘、Cholesky分解、下行同步、Turbo編解碼、突發(fā)生成等信號處理流程，而這些流程多數是由相應的功能模塊來完成的。根據TD-SCDMA終端在工作狀態(tài)下的具體工作流程，合理地劃分相應的功能模塊和分配軟硬件的工作，使各模塊的功能相對獨立，減小軟硬件之間復制搬移數據的次數。然后利用時鐘門控技術關閉不需要工作和某段時間不需要工作的電路單元，可大大減小終端的平均功耗。同樣，在DSP完成相應的任務后終端立即進入睡眠模式，需要工作的時候重新喚醒，這樣也可達到進一步省電的目的。

　　4.3　基帶處理器和Modem IC的動態(tài)功耗管理

　　數字基帶處理器是TD-SCDMA終端中第二大耗電單元。要減小CMOS芯片的功耗，降低時鐘頻率或供電電壓是最直接有效的方法，但降頻和降壓在延時和功耗上需要取一個折中。單純的降低頻率并不會減小電路的能量消耗，因為此時處理器處理同樣的任務需要更長的時間。然而，仍然有辦法利用降頻降壓的方法在當前的處理器上節(jié)省功耗，那就是動態(tài)電壓頻率調整技術。目前的處理器在設計時大都考慮了系統(tǒng)最大的性能需求，而移動終端在大部分的工作時間里并不需要這樣高的性能，因此，在處理器負荷較輕的情況下，同時降低時鐘頻率和供電電壓就可以大幅降低平均功耗，同時又可以滿足系統(tǒng)的性能要求。

　　根據所采用處理器的硬件特性，并結合TD-SCDMA終端不同業(yè)務對系統(tǒng)性能的不同需求，把所有的業(yè)務劃分成幾類不同等級的典型業(yè)務。在滿足該等級業(yè)務性能需求的前提下，適當降低基帶處理器的運行頻率和工作電壓，從而大幅降低平均工作電流。TD-SCDMA終端基帶處理器和Modem IC在不同典型業(yè)務下的動態(tài)功耗管理結果如表1所示。

表1　TD-SCDMA終端基帶處理器和Modem IC在不同典型業(yè)務下的動態(tài)功耗管理結果

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　　從表1可以看出，當TD-SCDMA多媒體終端在提供視頻業(yè)務的時候，采用動態(tài)功耗管理將使數字基帶處理芯片的功耗節(jié)省20%以上，而在提供數據處理量較小的傳統(tǒng)語音業(yè)務時節(jié)省功耗30%以上，從而大幅延長了終端的連續(xù)工作時間。

　　4.4　TD-SCDMA終端功放的動態(tài)功耗管理

　　射頻收發(fā)信機中的功放是TD-SCDMA終端中最耗電單元之一。TD-SCDMA終端的線性功放有別于2G系統(tǒng)中普遍采用的非線性功放。線性功放非常適用于采用非恒定包絡調制方式（如QPSK）的系統(tǒng)，可減小失真和鄰道干擾[3，4]，但其最大的缺點是效率低，通常在30%左右。如何提高功放的實際平均效率以延長終端的連續(xù)工作時間呢?

　　根據統(tǒng)計分析可知，在絕大多數情況下，TD-SCDMA終端的發(fā)射功率都遠低于其最大發(fā)射功率24 dBm，90%左右的發(fā)射功率都低于16 dBm，這得益于TD-SCDMA系統(tǒng)精確快速的功率控制，不僅克服了“遠近效應”，而且提高了系統(tǒng)容量。因此，結合線性功放的結構特性，區(qū)別于傳統(tǒng)的電池直接供電方式，TD-SCDMA終端功放的一種改進控制方案如圖3所示，功放的供電電壓由基帶處理芯片通過數模轉換器（DAC）的輸出來控制。不同發(fā)射功率和其對應的供電電壓以滿足系統(tǒng)ACLR（鄰信道泄漏功率比）要求為原則來確定，對于TD-SCDMA系統(tǒng)，要求在距中心頻率±1.6 MHz處的ACLR為-33 dBc（ACLR1），在距中心頻率±3.2 MHz處的ACLR為-43 dBc（ACLR2）[5]。

　　以終端方案中采用的MAXIM 2507中的集成功放為例，其ACLR1=-38.3 dBc、ACLR2=-53.5 dBc，與標準規(guī)定的值相比，分別提供了5.3 dB和10.5 dB的余量。采用如圖3所示方案和傳統(tǒng)電池直接供應方案所得的測試結果如表2所示。

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圖3　TD-SCDMA功放的可調電壓供電方式

表2　電壓可調方式和電池直接供電方式的功耗對比?

　　由此可見，電壓可調方案對于TD-SCDMA終端很少使用的最大發(fā)射功率情況下的功耗節(jié)省效果并不明顯，但對于其最常用的低發(fā)射功率情況，可使功放平均省電60%以上。

　　4.5　軟件和算法的省電措施

　　軟件和算法對于系統(tǒng)功耗同樣有很大的影響。通過對軟件代碼和算法的優(yōu)化，減小指令總線上的翻轉概率和對存儲器的訪問量，也可以達到減小功耗的目的。高的代碼密度不但可以降低功耗，而且可以提高性能，因為它使得完成同一功能所需的機器周期個數變得更少。

　　通過算法的優(yōu)化縮短TD-SCDMA物理層測量的時間和小區(qū)初搜等過程的持續(xù)時間，把工作狀態(tài)下最常調用的函數置入基帶處理器的高速緩沖存儲器中以提高MIPS（每秒指令數），把對外部存儲器的讀寫方式由正常方式改為突發(fā)方式以提高存取效率等，這些軟件優(yōu)化的途徑都可以達到省電的目的。在實踐的過程中得出，通過上述的軟件優(yōu)化方法可使TD-SCDMA多媒體終端的耗電直接減小40 mA。

5、省電方案的效果測評

　　按照第三代移動通信技術試驗專家組制定的《TD-SCDMA研究開發(fā)和產業(yè)化項目——終端耗電性能測試規(guī)范》[5]，通過測量終端連續(xù)工作時的耗電電流，然后根據終端電池的標稱容量可折算出連續(xù)工作時長。采用Agilent的移動終端快速響應直流電源對本文終端在視頻業(yè)務下的耗電情況進行測試，結果如圖4所示。其中接收信號電平為-92 dBm。

　　從圖4可以看出，TD-SCDMA多媒體終端在視頻業(yè)務下的平均電流為195 mA，所用鋰電池的標稱容量為1 000 mAh，即該終端在視頻業(yè)務下可連續(xù)工作5 h。

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圖4　TD-SCDMA多媒體終端在視頻業(yè)務下的耗電測試結果

　　從測試結果中也可看出，由于TDD的工作方式，TD-SCDMA終端在工作模式下僅需在發(fā)射時隙打開發(fā)射通路并關閉接收通路，在接收時隙打開接收通路并關閉發(fā)射通路，而其他幾個空閑時隙則完全關閉發(fā)射及接收通路，故同一子幀內最大電流和最小電流相差可達160 mA，從而大幅降低了平均功耗。

6、結語

　　工作模式下TD-SCDMA多媒體終端的省電技術是一個系統(tǒng)級的難題，必須從硬件特性和軟件決策管理上雙管齊下才能達到良好的效果。結合TD-SCDMA多媒體終端的具體特性和工作特點，采用本文所述的多種綜合省電技術后，該終端在視頻電話狀態(tài)下的耗電電流從最初的400 mA降低到了目前的195 mA，功耗節(jié)省約50%，且工作穩(wěn)定，較好地解決了困擾業(yè)界的TD-SCDMA終端功耗過大的難題，也為推動TD-SCDMA產業(yè)的發(fā)展盡了一份微薄之力。

　　參考文獻

　　[1]　3GPP TS25.331.Radio resource control protocol specification，V5.13.0，2005

　　[2]　李世鶴.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)標準.北京：人民郵電出版社，2003

　　[3]　Prokis J G.Digital communications，forth edition.北京：人民郵電出版社。2002

　　[4]　RITT.TD-SCDMA研究開發(fā)和產業(yè)化項目—終端耗電性能測試規(guī)范（V5.2），2005

　　[5]　3GPP TS25.945.RF requirements for 1.28Mcps UTRA TDD option，V5.1.0，2004