试析手机基带芯片的低功耗研究及设计

南京六九零二科技有限公司 曹荣祥

试析手机基带芯片的低功耗研究及设计

南京六九零二科技有限公司 曹荣祥

随着科技的发展时代的进步，智能手机技术日新月异，手机显示屏更加高清、处理速度越来越快速内存容量不断扩大，而这些技术的发展电池的考验非常大，所以在智能手机的发展过程中，如何节省功耗就成为了急需解决的问题。基带芯片是一种通信处理器，任何手机都不可缺少，它的集成度已经非常的高了，一般的3G基带芯片的规模可达到23000000门，智能手机低功耗问题中需要着重关注的方面之一，就是基带芯片的低功耗设计。本文首先阐述了低功消耗策略的提出与实现、功耗测试与仿真结果，试着分析收集基带芯片的低功耗的研究及设计。

收集基带芯片；低功耗；设计及研究

1 低功耗策略的提出

1.1 基于日常生活

手机主要功能有：接打电话、收发短信以及上网等。自从其问世以来人们已经越来越离不开这种同学设备。据相关统计，截止2010年底，全球使用手机的人数达到50亿人，随着使用手机人数的增加，手机通话时间也越来越长。其中美国人最甚，每月达到了835分钟，其次是中国的香港和大陆，分别是430和420分钟，每天平均打电话的时间约为14分钟。由此我们也可以知道，手机在一天只有一小部分时间被使用，其他的时间都是处于待机的状态，而基带芯片除了在手机使用的过程中会运行以外，在手机待机的过程中没有必要与通信基站进行数据交换，如果这时ARM，DSPs等硬件电路还处于运行的状态，那么手机电池中的部分电量就会被无意义的损失掉，所以为了避免这种无意义的消耗，在手机出于待机状态时这些功能模块的电源和时钟都应该处于关闭状态。

1.2 基于通信协议

FDMA系统中的一个频道可以称为帧，并且在TDMA中被定义成每个载频中所包含的8个连续的时隙。发送所有突发脉冲的地方，是TDMA帧的一个时隙上，突发脉冲序列也是由一个消息格式存在于TDMA信道上的一个时隙中的。所有TDMA帧中时隙的个数为8个，时隙中马元的个数有156.25个，其长度为0.577ms，帧的时长大概是4.615ms。由此可知，移动终端在向基站传输数据时，为了可以可以按整数倍的帧时长来关断芯片的供电，应该严格使用结果和时长的帧进行消息的传送，而不是连续的传输数据，也不是按照需要传送长短不一样的数据块。

2 低功耗策略的实现

当2G系统在待机时，系统状态机控制着每个模块的时钟和电源的开关，并且还控制着整个2G系统休眠与运行状态之间的安全切换，在物理实现方面,使用门控时钟技术管理时钟供给，使用电源管理状态机控制电源相关信号。系统休眠的起止时刻和休眠时长等问题可疑通过休眠定时器来解决，确保系统的一次休眠为整数倍的TDMA帧，可以利用硬件校准来对休眠定时器的误差分析和引入误差的原因进行分析，同时对不同环境中的计时精度也要进行改进，在仿真结果方面达到了设计的要求。

为了实现系统在休眠状态与运行状态之间安全的进行切换，应该联合起来使用休眠定时器与系统状态机。具体措施有，休眠定时器在系统还为进入休眠状态时，要确保可以正常的运行。另外，休眠定时器一直都要处于运行状态，与唤醒的方式无关，特别是提前唤醒方式。

表1 功耗测试结果

3 功耗测试与仿真结果

3.1 功耗测试结果

测试芯片功耗的过程比较复杂且工作量很大，想要完成这项工作，必须在在严格特定的使用案例下完成，测试的结果会随着测试使用案例的不同而不同。在本文中使用的是手机待机时的功耗测试案例，想要测试功耗就应该分两种情况。

图2 校准过程全图

图3 校准过程细节

以下公式为记时方法的版本在本文讨论的休眠定时器中已经成功流片，具体测试结果如表1所示。

表1中主要描述了两种功耗测试案例的测试参数和结果，另外主要参数的具体设置再其中也有体现，而并没有给出其他参数配置。在两种案例进行时，手机没有需要处理的电话、短信息或上网业务，也就是处于一种待机的状态。而在基带芯片方面，测试使用的基带芯片规模达到48000000门，其中模拟基带部分采用65ns工艺制造，同时还能支持GSM/WCDMA/LTE的多模智能手机基带芯片，数字基带部分采用40mm工艺制造。

3.2 功耗仿真结果

硬件校准仿真结果：

图2和图3中主要使用的时钟周期上有-200ppm的32KHz时钟得到的结果，而并没有用标准的32768Hz的时钟得到仿真波形的校准结果，32KHz的时钟周期在仿真中设置的是30511475ps，26MNz时钟的时钟周期为38461538 fs，ModelSim的仿真精度设为飞秒（fs)。

首先应该设置一些校准参数，其中主要有slot，frame，frame16三个值，这三个值分别代表在一次校准过程中，cnt-32k的值为多少时去读cnt-15000的值。在本次设计中分别设置：slot=288，frame16=2419。

4 总结

如今，智能手机想要更进一步的发展，关键的一个环节就是缩短手机的待机时间，想要实现这个愿望，一种方法是加大电池的容量，另一种方法就是减少手机的各个组成模块的功耗，目前的所有手机中基带处理芯片是不可缺少的配件之一，以低功耗为前提研究和设计基带处理芯片，可以让手机有更多的待机时间。上述文章中主要讲述了想要设计和实现手机基带芯片的低功耗应该完成的工作，具体有以下几点：（1）首先分析了手机在人们日常生活中所占用的时间，在通信协议中的低功耗控制方面，制定出手机基带芯片的低功耗策略，低功耗策略的制定过程中，不仅结合了基带芯片本身的作用与架构，还总结了组成手机的各个部位和关于在设计芯片过程中使用的低功耗方法提出的。另外，系统准确休眠整数倍的TDMA帧也可以当做该策略，并在帧边界唤醒系统，让基带芯片消耗的功耗更加少。

（2）本文中设计了休眠定时器，其主要目的是为了准确记录整数倍的TDMA帧，在TDMA帧的真边界，系统是否处于休眠状态会有一定的变化，帧的边界在系统进入运行状态时自动唤醒系统，而当系统离开运行状态时会关断通信模块的时钟。另外，调节定时器的休眠时间不是固定的，可以自己进行调整。在硬件校准方面，定时器上也做了设计，目的为了适应不同的使用环境。

（3）分别对验证仿真波形与流片测试结果进行了分析，在功耗节省率方面，也进行了详细的计算，对设计中每一个重点给出了验证仿真波形并分析。

5 结束语

采取本文描述的降低功耗的方法有一定的效果，但是这种策略并不是最有效的。现阶段，高阶电值晶体管技术相较于以前有了长足的发展，在其尺寸方面不断在缩小，3D晶体管技术的不断发展，使这种从工艺角度对功耗的节省和改进处理性能等方面有着很好的促进作用，但是还有一个研究热点和难点，就是如何做到集成电路更低的功耗。笔者在本文中主要是从系统的角度作为出发点和落脚点，而并没有从其他更好方面进行阐述，希望对研究低功耗的技术能有新思路。

[1]杨峥嵘．手机基带芯片中系统功耗控制模块的设计与验证[D]．西安电子科技大学,2013．

[2]孙腾达．手机基带芯片的低功耗设计[D]．西安电子科技大学,2013．

[3]姚艳丽．低功耗手机基带芯片的时钟管理模块的设计与验证[D]．西安电子科技大学,2014．

[4]马林．手机基带芯片的低功耗研究与设计[D]．西安电子科技大学,2012．

[5]王璐璐．数字电路功耗分析及优化的研究[D]．吉林大学,2013．

[6]吴辉．高速率无线传输在WSN系统中的应用研究与设计[D]．北方工业大学,2013．