Problemlöser SDR #####

Pluspunkte softwarebasierter Konzepte

Aufgrund der hohen Komplexität dieser Algorithmen müssen die in Modem-Pipe-Applikationen eingesetzten Prozessoren über beeindruckende Leistungswerte von typischerweise über 10 GOPS (Giga Operations Per Second) verfügen. Im Gegensatz dazu dürfen die jeweiligen Geräte aber aufgrund des akkuversorgten, mobilen Einsatzes nur möglichst wenig Energie verbrauchen, typischerweise in der Größenordnung von maximal wenigen hundert mW. Mit einer modernen CMOS-Fertigungstechnologie für geringen Leistungsbedarf und niedrige Leckströme wird die für die Prozessoren verfügbare Taktgeschwindigkeit auf unter 300 MHz gedrückt. Um bei diesen Prozessorgeschwindigkeiten trotzdem die erforderlichen GOPSWerte erreichen zu können, müssen diese Prozessoren ein hohes Maß an Parallelität aufweisen. Beispiele für Algorithmen, die zur Ausführung auf Vektorprozessoren vektorisiert werden können, umfassen solche Funktionen zur Signalkonditionierung wie Equalizing, Störunterdrückung und Mehrwegekorrelation (Rake-Receiver) sowie Algorithmen für Funktionen zur Signalverarbeitung wie Synchronisierung, QAM-Mapping/-Demapping (Quadrature Amplitude Modulation) und für schnelle Fourier-Transformationen zur OFDM-Demodulation (Orthogonal Frequency Division Multiplex).

Die Programmierung der Modemfunktionen per Software umfasst noch weitere Vorteile. Zum einen bietet sie dem Gerätehersteller die Möglichkeit zur Abgrenzung vom Wettbewerb mit Hilfe einer einzelnen, frei verfügbaren Chip-Plattform, zum anderen ermöglicht sie problemlose zukünftige Wechsel auf neue und leistungsfähigere Algorithmen. DSP-basierte Modems bieten darüber hinaus ein wesentlich höheres Maß an Flexibilität zur Erweiterung der Modem-Eigenschaften und/oder Integration neuer Gerätefunktionen während des Design-in-Prozesses.

Welche Alternativen gibt es dabei? Bisher wurden dazu zwei verschiedene Ansätze verfolgt: separate, festverdrahtete Logikbausteine und wiederprogrammierbare, rekonfigurierbare Hardware (d.h. FPGAs).

Festverdrahtete Bausteine kommen aktuell nur in solchen Mobilgeräten zum Einsatz, bei denen nur eine relativ kleine Anzahl von (festen) Standards implementiert werden muss. Während solche Lösungen bei einer Realisierung von nur wenigen Standards noch Kostenvorteile aufweisen, steigt parallel zu weiteren zu implementierenden Standards die benötigte Fläche schnell. In einer unlängst durchgeführten Untersuchung zu den verfügbaren Lösungen wies ein System, das innerhalb eines Gerätes die Standards EDGE, R’99, HSDPA und HSUPA mit Hilfe der heute angewendeten Möglichkeiten mit dedizierten Blöcken unterstützte, eine um 50 bis 120 Prozent größere Fläche als eine entsprechend programmierbare Lösung auf (wie zum Beispiel die EVP-Lösung von ST-NXP Wireless, s. Kasten „Die EVP-Architektur von ST-NXP Wireless“. Der Hauptgrund dafür liegt in den zum Teil beträchtlichen Unterschieden zwischen den einzelnen Standards. Die benötigte Entwicklungszeit für eine effiziente Ressourcenteilung zwischen den implementierten Standards innerhalb einer Hardware-Realisierung ist dabei einfach zu hoch, um auf dieser Ebene ein optimiertes Ergebnis erreichen zu können. Darüber hinaus bietet eine programmierbare Lösung den Vorteil einer einfachen nachträglichen Implementierung von neuen, intelligenteren Algorithmen, ohne dafür ein neues „Tape out“ machen zu müssen – ganz zu schweigen von der größeren Flexibilität zur Anpassung an veränderte Standards und Feldtest-Ergebnisse.

Die zweite häufig gewählte Lösung beruht auf der Verwendung von wiederprogrammierbarer/ rekonfigurierbarer Hardware wie FPGAs – ein häufiges Verfahren für 3G-Basisstationen. Aber obwohl hier die Wiederverwendung von Ressourcen sogar noch höher als bei einer vergleichbaren programmierbaren Lösung sein kann, sind aktuelle FPGA-Bausteine hinsichtlich der belegten Chipfläche immer noch relativ teuer, da die effektive Gate-Fläche verglichen mit einer festverdrahteten Lösung (sei es mit dedizierten Hardware-Blöcken oder als programmierbare Architektur) beträchtlich kleiner ist. Ebenso können aufgrund der größeren Halbleiterfläche auch höhere Leckströme auftreten, was direkte Auswirkungen auf die verfügbare Stand-by-Zeit eines Telefons hat.

Aus rein flächen- und kostenspezifischer Sicht ist die programmierbare Architektur also optimal, wenngleich hier der Energiebedarf im Vergleich zu einem festverdrahteten System geringfügig höher ist. Auf Gesamtsystemebene ist dies jedoch akzeptabel. In diesem Zusammenhang konnte im Rahmen von Systemuntersuchungen eine Verringerung der Stand-by-Leistung allein durch eine Implementierung von intelligenteren Algorithmen nachgewiesen werden, mit denen die aktiven Zeiträume während einer Stand-by-Periode reduziert werden konnten.

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3. Konvergenz treibt Entwicklung neuer HF-Architekturen voran
4. Vorteile eines „Software Defined Radio“-Konzeptes
5. Pluspunkte softwarebasierter Konzepte