电子技术论文范文移动通信手持设备的省电设计

　　【摘要】省电设计是手持设备的关键技术之一，对用于野战环境的移动通信手持电台而言，连续工作时间更是其关键指标。为提高连续工作时间，从协议优化、硬件选型、软件部署等几个方面入手，采用VAD、间歇守候、闭环功率控制和显示控制等关键技术对移动通信手持电台进行省电设计，减少设备有效工作时间占空比，动态调整工作功率，有效降低了设备功耗，提升其连续工作时间。

　　【关键词】协议优化,软件部署,连续工作时间,VAD间歇守候,功率控制

　　1引言

　　手持设备连续工作时间一般定义为Tx：Tr：Ts=1：1：8（Tx、Tr、Ts分别为发射、接收和待机时间）情况下单个电池供电的工作时间，除了降低接收发射工作状态下的功耗，更重要的是降低时间占比为80%的待机状态下的功耗。本文从系统设计的角度降低收发工作状态下的功耗，从软硬件优化的方向降低设备的待机功耗。

　　2系统体系结构

　　本文研究的手持设备工作在超短波频段，采用有中心的入网方式工作，双工方式为TDD，多址方式为TDMA。其协议体系结构如图1所示。

　　协议主要包含L1（物理层）、L2（链路层）和L3（网络层），由于带宽较窄，其主要业务为话音和电路数据，均为电路域业务。MAC之上分为用户面和业务面[1]，便于将业务实体和控制实体分开实现、分别控制，更好地利用各种无线信道。同时针对不同的控制需求，可以采用不同的控制策略，更好地实现其系统功能。其中控制面采用了无线资源管理和逻辑链路控制两个功能实体，提供对无线信道的实时管理和多种链路控制策略，适应传输实时性要求的同时，保证控制信令的QoS；而用户面则直接和MAC层连接，提供电路域业务，减少内部控制流程，控制业务传输时延，降低处理功耗。

　　3手持电台省电设计

　　3.1协议体系优化

　　分别在发射、接收和待机三种状态下对协议进行了优化，如表1所示。

　　3.2主要硬件选型

　　设备的硬件框图如图2所示，主要包括CPU、DSP、FPGA等3个部分，负责处理算法、协议和应用。PM为整机提供电源管理，HMI包括键盘和显示等人机接口部件，EXT则预留给SIM卡等扩展接口。主要硬件均支持动态电源管理（DPM）技术[2]的应用，为实现动态电源管理提供了保证。

　　（1）CPU的选择

　　PXA320是一款用于高性能、低功耗便携手持设备的CPU微处理器。它将XSCALE架构、工作电压和主频动态调整、复杂的功率管理等一体化设计[3]，可在宽工作频率范围内提供领先的mW/MIPS性能，其待机功耗控制在5mA以下。

　　（2）DSP的选择

　　TI公司高性能、低功耗的定点DSP芯片TMS320C5510是TI低功耗典型产品，其芯片内核的功耗只有0.05mW/MIPS[4]。

　　（3）FPGA的选择

　　选择XILINX公司的高性能、低功耗的XC3SD1800A作为基带处理单元的FPGA芯片[5]。

　　（4）音频功放的选择

　　采用高效率D类音频功放，效率可达80%～90%，比AB类音频功放效率提高10%～20%。

　　（5）存储器的选择

　　选择功耗更低、速度更快的MCP存储器。

　　（6）电源管理

　　主控芯片的电源管理，选用具有高效率DC/DC，并支持动态电压控制、具有多路高性能可控LDO输出的高度集成、功能丰富的集成电路。

　　DA9034是针对PXA3XX系列高性能处理器开发配套电源管理芯片[6]，提供一路具有输出电压可编程和动态电压控制（DVC）的核电压DC/DC高效率电源转换器（1MHz开关速率，最高效率可达95%），一路具有固定输出电压（1.8V或1.9V，700mA）和DVC功能用于存储器的DC/DC高效率电源转换器（2MHz开关速率，最高效率可达95%），多达15路采用SmartMirrorTM专利技术——具有极低静态电流消耗低噪的高性能LDO可控可编程电压输出；提供预充、恒流、恒压、充电电流电压可编程设置等充电控制电路；具有过压、低压、过流、过热保护等功能。

　　3.3合理进行软件部署

　　针对功能需求和协议体系，软件部署采用的原则主要有：

　　（1）运行越频繁的功能部署在功耗越低的芯片；

　　（2）芯片级的高内聚、低耦合性，同一功能采用尽可能少的芯片参与工作；

　　（3）待机状态下启动的芯片最少，功耗最低。

　　根据以上原则对手持电台的软件进行部署，如图3所示：

　　按图3所示的软件部署，手持电台发射、接收和待机状态下各处理芯片的工作情况如表2所示：

　　3.4间歇守候技术

　　在TDMA体制下，采用有中心组网方式，作为终端设备的手持电台时序上同步在基站上，接收通道无需常开。采用0.5ppm的TCXO作本地时钟，对应于42.667kbps的空中速率，产生一个1bit偏移所需时间为：Td（1）=（1/42667）/（0.5×10-6）=46.9s。

　　本文研究的手持电台TDMA周期为50ms，远小于46.9s的1bit抖动时间，完全可以只在收时隙打开接收通道，其工作时间占空比降低为1/N（N为TDMA时隙数）。更进一步的改进可利用上层协议的优化，调整空闲时下行消息的发送周期和方式，终端接收通道可以工作在更低的占空比下，尽可能降低接收通道及整机功耗。

　　以间歇守候为依据，在需要接收的前一突发位置打开DDS接收通道，接收完毕后关掉DDS接收通道。只有需要的DDS功能模块打开，其他的处于休眠状态，空闲时隙DDS所有模块处于休眠状态；需要接收时，打开接收解调模块；接收完毕后，关闭接收解调模块的主要耗电模块，使其进入休眠状态；在需要接收的前一跳位置打开DDS接收通道的同时打开射频放大通道，接收完毕后关掉射频放大通道。使得射频放大通道只在接收时隙处于工作状态，其他时间处于休眠状态，达到间歇守候省电目的。3.5功率控制

　　传统电台功率分为大中小3档，一般还需要手动调整，这不仅会影响系统容量，还造成了设备功耗的浪费，所以对发射功率进行动态调整是必要的。本文所涉移动通信系统中基站可计算当前上行误码率，测量手持电台到基站之间的距离和信号场强，并通过信令把上行误码率、距离和信号场强发送给终端手持电台，使其根据需要适当调整自身发射功率，控制过程如图4所示：

　　3.6VAD技术

　　统计显示，人在半双工/单工讲话时有用信号占空比约50%[7]，双工通话时更低至35%，对于电路模式话音通信设备而言，这意味着终端发射功耗存在很大的浪费。利用话音激活检测（VAD）技术，把需要发射的话音输入提取出来，用于控制手持电台发射通道的开启和关闭，可有效节省发射状态下的功耗。

　　3.7显示控制

　　本文研究的手持电台功能上集移动终端和终端设备为一体，具有2.8寸的显示屏幕。由于采用了OLED屏幕，从显示界面的设计上充分利用其主动发光特性，尽量采用暗色作为背景，减少发光量，从而降低其功耗。同时采用屏幕保护和唤醒控制，无界面操作时关闭屏幕，节约了空闲状态下用于屏幕显示的功耗。

　　4结束语

　　通过各种省电技术的结合，与未采用省电设计的同频段类似手持设备相比，本文研究的移动通信手持电台的功耗得到大幅降低，连续工作时间得到了有效提升，增强了其在野外环境中的实用性（见表3）。但由于其工作频段所限，发射功率要求较大，部分功能器件集成度偏低，超短波频段的移动通信手持电台功耗要达到与民用手持设备可比的水平还有待多方面的深入研究和技术进步。

　　参考文献：

　　[1]ETSI.EN300392-22005.TerrestrialTrunkedRadio（TETRA）；VoicePlusData（V+D）；Part2：AirInterface（AI）V2.1.1[S].France：ETSI，2005.

　　[2]黄勇，顾娟，邵飞.军用手持设备中的动态电源管理的应用[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2006，7（1）：16-21.

　　[3]Marvell.PXA3XX（88AP3XX）ProcessorFamilyVol.1：SystemandTimerConfigurationDeveloperManual（Doc.No.：MV-S301374-01，Rev.20.）[Z].2009.

　　[4]TexasInstruments.TMS320VC5510Fixed-PointDigitalSignalProcessorDataManual（Doc.No.：SPRS076F）[Z].2003.