移動通信手持設(shè)備主要用于野外環(huán)境，通常情況下電力等基礎(chǔ)設(shè)施都比較缺乏，其連續(xù)工作時間在電池容量一定的情況下主要由其發(fā)射、接收和待機狀態(tài)下的功耗決定。

　　【摘要】省電設(shè)計是手持設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一，對用于野戰(zhàn)環(huán)境的移動通信手持電臺而言，連續(xù)工作時間更是其關(guān)鍵指標(biāo)。為提高連續(xù)工作時間，從協(xié)議優(yōu)化、硬件選型、軟件部署等幾個方面入手，采用VAD、間歇守候、閉環(huán)功率控制和顯示控制等關(guān)鍵技術(shù)對移動通信手持電臺進行省電設(shè)計，減少設(shè)備有效工作時間占空比，動態(tài)調(diào)整工作功率，有效降低了設(shè)備功耗，提升其連續(xù)工作時間。

　　【關(guān)鍵詞】協(xié)議優(yōu)化,軟件部署,連續(xù)工作時間,VAD間歇守候,功率控制

　　1引言

　　手持設(shè)備連續(xù)工作時間一般定義為Tx：Tr：Ts=1：1：8（Tx、Tr、Ts分別為發(fā)射、接收和待機時間）情況下單個電池供電的工作時間，除了降低接收發(fā)射工作狀態(tài)下的功耗，更重要的是降低時間占比為80%的待機狀態(tài)下的功耗。本文從系統(tǒng)設(shè)計的角度降低收發(fā)工作狀態(tài)下的功耗，從軟硬件優(yōu)化的方向降低設(shè)備的待機功耗。

　　2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　本文研究的手持設(shè)備工作在超短波頻段，采用有中心的入網(wǎng)方式工作，雙工方式為TDD，多址方式為TDMA。其協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　協(xié)議主要包含L1（物理層）、L2（鏈路層）和L3（網(wǎng)絡(luò)層），由于帶寬較窄，其主要業(yè)務(wù)為話音和電路數(shù)據(jù)，均為電路域業(yè)務(wù)。MAC之上分為用戶面和業(yè)務(wù)面[1]，便于將業(yè)務(wù)實體和控制實體分開實現(xiàn)、分別控制，更好地利用各種無線信道。同時針對不同的控制需求，可以采用不同的控制策略，更好地實現(xiàn)其系統(tǒng)功能。其中控制面采用了無線資源管理和邏輯鏈路控制兩個功能實體，提供對無線信道的實時管理和多種鏈路控制策略，適應(yīng)傳輸實時性要求的同時，保證控制信令的QoS；而用戶面則直接和MAC層連接，提供電路域業(yè)務(wù)，減少內(nèi)部控制流程，控制業(yè)務(wù)傳輸時延，降低處理功耗。

　　3手持電臺省電設(shè)計

　　3.1協(xié)議體系優(yōu)化

　　分別在發(fā)射、接收和待機三種狀態(tài)下對協(xié)議進行了優(yōu)化，如表1所示。

　　3.2主要硬件選型

　　設(shè)備的硬件框圖如圖2所示，主要包括CPU、DSP、FPGA等3個部分，負(fù)責(zé)處理算法、協(xié)議和應(yīng)用。PM為整機提供電源管理，HMI包括鍵盤和顯示等人機接口部件，EXT則預(yù)留給SIM卡等擴展接口。主要硬件均支持動態(tài)電源管理（DPM）技術(shù)[2]的應(yīng)用，為實現(xiàn)動態(tài)電源管理提供了保證。

　�。�1）CPU的選擇

　　PXA320是一款用于高性能、低功耗便攜手持設(shè)備的CPU微處理器。它將XSCALE架構(gòu)、工作電壓和主頻動態(tài)調(diào)整、復(fù)雜的功率管理等一體化設(shè)計[3]，可在寬工作頻率范圍內(nèi)提供領(lǐng)先的mW/MIPS性能，其待機功耗控制在5mA以下。

　�。�2）DSP的選擇

　　TI公司高性能、低功耗的定點DSP芯片TMS320C5510是TI低功耗典型產(chǎn)品，其芯片內(nèi)核的功耗只有0.05mW/MIPS[4]。

　�。�3）FPGA的選擇

　　選擇XILINX公司的高性能、低功耗的XC3SD1800A作為基帶處理單元的FPGA芯片[5]。

　�。�4）音頻功放的選擇

　　采用高效率D類音頻功放，效率可達(dá)80%～90%，比AB類音頻功放效率提高10%～20%。

　�。�5）存儲器的選擇

　　選擇功耗更低、速度更快的MCP存儲器。

　�。�6）電源管理

　　主控芯片的電源管理，選用具有高效率DC/DC，并支持動態(tài)電壓控制、具有多路高性能可控LDO輸出的高度集成、功能豐富的集成電路。

　　DA9034是針對PXA3XX系列高性能處理器開發(fā)配套電源管理芯片[6]，提供一路具有輸出電壓可編程和動態(tài)電壓控制（DVC）的核電壓DC/DC高效率電源轉(zhuǎn)換器（1MHz開關(guān)速率，最高效率可達(dá)95%），一路具有固定輸出電壓（1.8V或1.9V，700mA）和DVC功能用于存儲器的DC/DC高效率電源轉(zhuǎn)換器（2MHz開關(guān)速率，最高效率可達(dá)95%），多達(dá)15路采用SmartMirrorTM專利技術(shù)——具有極低靜態(tài)電流消耗低噪的高性能LDO可控可編程電壓輸出；提供預(yù)充、恒流、恒壓、充電電流電壓可編程設(shè)置等充電控制電路；具有過壓、低壓、過流、過熱保護等功能。

　　3.3合理進行軟件部署

　　針對功能需求和協(xié)議體系，軟件部署采用的原則主要有：

　�。�1）運行越頻繁的功能部署在功耗越低的芯片；

　�。�2）芯片級的高內(nèi)聚、低耦合性，同一功能采用盡可能少的芯片參與工作；

　�。�3）待機狀態(tài)下啟動的芯片最少，功耗最低。

　　根據(jù)以上原則對手持電臺的軟件進行部署，如圖3所示：

　　按圖3所示的軟件部署，手持電臺發(fā)射、接收和待機狀態(tài)下各處理芯片的工作情況如表2所示：

　　3.4間歇守候技術(shù)

　　在TDMA體制下，采用有中心組網(wǎng)方式，作為終端設(shè)備的手持電臺時序上同步在基站上，接收通道無需常開。采用0.5ppm的TCXO作本地時鐘，對應(yīng)于42.667kbps的空中速率，產(chǎn)生一個1bit偏移所需時間為：Td（1）=（1/42667）/（0.5×10-6）=46.9s。

　　本文研究的手持電臺TDMA周期為50ms，遠(yuǎn)小于46.9s的1bit抖動時間，完全可以只在收時隙打開接收通道，其工作時間占空比降低為1/N（N為TDMA時隙數(shù)）。更進一步的改進可利用上層協(xié)議的優(yōu)化，調(diào)整空閑時下行消息的發(fā)送周期和方式，終端接收通道可以工作在更低的占空比下，盡可能降低接收通道及整機功耗。

　　以間歇守候為依據(jù)，在需要接收的前一突發(fā)位置打開DDS接收通道，接收完畢后關(guān)掉DDS接收通道。只有需要的DDS功能模塊打開，其他的處于休眠狀態(tài)，空閑時隙DDS所有模塊處于休眠狀態(tài)；需要接收時，打開接收解調(diào)模塊；接收完畢后，關(guān)閉接收解調(diào)模塊的主要耗電模塊，使其進入休眠狀態(tài)；在需要接收的前一跳位置打開DDS接收通道的同時打開射頻放大通道，接收完畢后關(guān)掉射頻放大通道。使得射頻放大通道只在接收時隙處于工作狀態(tài)，其他時間處于休眠狀態(tài)，達(dá)到間歇守候省電目的。3.5功率控制

　　傳統(tǒng)電臺功率分為大中小3檔，一般還需要手動調(diào)整，這不僅會影響系統(tǒng)容量，還造成了設(shè)備功耗的浪費，所以對發(fā)射功率進行動態(tài)調(diào)整是必要的。本文所涉移動通信系統(tǒng)中基站可計算當(dāng)前上行誤碼率，測量手持電臺到基站之間的距離和信號場強，并通過信令把上行誤碼率、距離和信號場強發(fā)送給終端手持電臺，使其根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整自身發(fā)射功率，控制過程如圖4所示：

　　3.6VAD技術(shù)

　　統(tǒng)計顯示，人在半雙工/單工講話時有用信號占空比約50%[7]，雙工通話時更低至35%，對于電路模式話音通信設(shè)備而言，這意味著終端發(fā)射功耗存在很大的浪費。利用話音激活檢測（VAD）技術(shù)，把需要發(fā)射的話音輸入提取出來，用于控制手持電臺發(fā)射通道的開啟和關(guān)閉，可有效節(jié)省發(fā)射狀態(tài)下的功耗。

　　3.7顯示控制

　　本文研究的手持電臺功能上集移動終端和終端設(shè)備為一體，具有2.8寸的顯示屏幕。由于采用了OLED屏幕，從顯示界面的設(shè)計上充分利用其主動發(fā)光特性，盡量采用暗色作為背景，減少發(fā)光量，從而降低其功耗。同時采用屏幕保護和喚醒控制，無界面操作時關(guān)閉屏幕，節(jié)約了空閑狀態(tài)下用于屏幕顯示的功耗。

　　4結(jié)束語

　　通過各種省電技術(shù)的結(jié)合，與未采用省電設(shè)計的同頻段類似手持設(shè)備相比，本文研究的移動通信手持電臺的功耗得到大幅降低，連續(xù)工作時間得到了有效提升，增強了其在野外環(huán)境中的實用性（見表3）。但由于其工作頻段所限，發(fā)射功率要求較大，部分功能器件集成度偏低，超短波頻段的移動通信手持電臺功耗要達(dá)到與民用手持設(shè)備可比的水平還有待多方面的深入研究和技術(shù)進步。

　　參考文獻(xiàn)：

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

　　[2]黃勇，顧娟，邵飛.軍用手持設(shè)備中的動態(tài)電源管理的應(yīng)用[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)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.

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