Tìm hiểu băng tầng cơ sở (Baseband Processors là gì?)
Baseband Processors là gì?
Bộ xử lý băng cơ sở (Baseband Processors) được sử dụng để tổng hợp tín hiệu băng cơ sở được truyền đi hoặc để giải mã tín hiệu băng cơ sở nhận được. Cụ thể, khi truyền tải, tín hiệu âm thanh được biên dịch thành mã băng tần cơ sở dùng để truyền tải. Khi nhận được tín hiệu, mã băng cơ sở nhận được sẽ được giải mã thành tín hiệu âm thanh. Nó cũng chịu trách nhiệm tổng hợp thông tin địa chỉ (số điện thoại di động, địa chỉ trang web), thông tin văn bản (văn bản SMS, văn bản trang web) và thông tin hình ảnh.
Ⅰ Tổng quan
Bộ xử lý băng cơ sở ( Baseband Processors) tổng hợp tín hiệu băng cơ sở sắp được truyền đi và giải mã tín hiệu băng cơ sở nhận được. Khi truyền tín hiệu băng cơ sở, nó sẽ biên dịch tín hiệu âm thanh thành mã băng cơ sở; khi nhận được tín hiệu, nó sẽ giải mã mã băng cơ sở thành tín hiệu âm thanh. Đồng thời, bộ xử lý băng cơ sở cũng chịu trách nhiệm biên dịch thông tin địa chỉ, thông tin văn bản, thông tin hình ảnh, v.v.
Bộ xử lý băng cơ sở là một loại SOC có tích hợp phức tạp. Bộ xử lý băng cơ sở (baseband processors) chính hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn mạng, nghĩa là tất cả các tiêu chuẩn mạng di động và không dây đều được hỗ trợ trên một bộ xử lý băng cơ sở, bao gồm 2G, 3G, 4G và WiFi, v.v. Thiết bị đầu cuối di động đa chế độ có thể thực hiện chuyển vùng liền mạch giữa nhiều điện thoại di động và mạng không dây vòng quanh thế giới. Cấu trúc cơ bản của hầu hết các bộ xử lý dải gốc hiện nay là một bộ vi xử lý và một bộ xử lý tín hiệu số. Bộ vi xử lý là trung tâm điều khiển của toàn bộ chip, chủ yếu sử dụng lõi ARM, trong khi hệ thống con DSP chịu trách nhiệm xử lý băng cơ sở .
Bộ xử lý băng tần cơ sở có trong điện thoại thông minh có thể được hiểu là một chip SoC phức tạp với nhiều chức năng khác nhau và hoạt động bình thường của từng chức năng được cấu hình và điều phối thông qua bộ vi xử lý. Con chip phức tạp này tập trung vào bộ vi xử lý ARM, điều khiển và định cấu hình từng mô-đun chức năng ngoại vi xung quanh bộ vi xử lý ARM thông qua bus chuyên dụng của bộ vi xử lý ARM (bus AHB), chủ yếu bao gồm GSM, WiFi, GPS, Bluetooth, DSP và bộ nhớ , v.v. … Mỗi mô-đun chức năng có bộ nhớ và không gian địa chỉ riêng. Chức năng của chúng độc lập với nhau. Bản thân bộ xử lý băng cơ sở có chip quản lý năng lượng.
Ⅱ Các thành phần bộ xử lý băng gốc (Baseband processor components)
Bộ xử lý băng cơ sở có thể được chia thành năm khối phụ: bộ xử lý CPU, bộ mã hóa kênh, bộ xử lý tín hiệu số, modem và mô-đun giao diện.
Bộ xử lý CPU: điều khiển và quản lý toàn bộ trạm di động, bao gồm điều khiển thời gian, điều khiển hệ thống kỹ thuật số, điều khiển RF, điều khiển tiết kiệm năng lượng và điều khiển giao diện người-máy. Nếu sử dụng nhảy tần, nó cũng phải bao gồm cả việc kiểm soát nhảy tần. Đồng thời, bộ xử lý CPU thực hiện tất cả các chức năng phần mềm của thiết bị đầu cuối GSM, tức là lớp 1 (lớp vật lý), lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu), lớp 3 (lớp mạng), MMI (giao diện người-máy) và lớp ứng dụng của phần mềm. giao thức truyền thông GSM.
Bộ mã hóa kênh (channel coder): chủ yếu hoàn thành mã hóa kênh và mã hóa thông tin dịch vụ và điều khiển, bao gồm mã xoắn, mã FIRE, mã kiểm tra chẵn lẻ, xen kẽ, định dạng xung liên tục.
Bộ xử lý tín hiệu số (Digital signal processor): chủ yếu hoàn thành việc cân bằng kênh bằng thuật toán Viterbi và mã hóa/giải mã giọng nói dựa trên kỹ thuật dự đoán dài hạn kích thích xung thông thường (RPE-LPC).
Modem: chủ yếu hoàn thành điều chế/giải điều chế Khóa dịch chuyển tối thiểu Gaussian (GMSK) theo yêu cầu của hệ thống GSM.
Phân hệ giao diện (Interface module) : bao gồm 3 khối con: giao diện tương tự, giao diện số và giao diện người-máy.
Tiêu chuẩn mạng mà thiết bị đầu cuối di động hỗ trợ được xác định bởi chế độ bộ xử lý băng cơ sở, trong khi băng tần mà nó hỗ trợ được xác định bởi ăng-ten và mô-đun RF. Bộ xử lý băng cơ sở hoàn thành chức năng truy cập của thiết bị đầu cuối di động. Bộ xử lý băng cơ sở hiện tại là một hệ thống trên chip (SoC) rất phức tạp, không chỉ hỗ trợ một số tiêu chuẩn truyền thông (bao gồm GSM, CDMA 1x, CDMA2000, WCDMA, HSPA, LTE, v.v.), mà còn cung cấp các chức năng và giao diện đa phương tiện liên quan đến màn hình đa phương tiện, cảm biến hình ảnh và thiết bị âm thanh. Để đơn giản hóa hơn nữa thiết kế, các mạch quản lý năng lượng cần thiết cho các mạch được biên dịch này ngày càng được tích hợp vào chúng.
Ⅲ Kiến trúc SOC của bộ xử lý băng gốc
Các chức năng xử lý kỹ thuật số băng tần cơ sở và các chức năng ngoại vi cơ bản của điện thoại di động được tập trung trong một hệ thống duy nhất trên chip (SOC), có kiến trúc cơ bản sử dụng cấu trúc bộ vi xử lý + bộ xử lý tín hiệu số (DSP) và sức mạnh xử lý của bộ vi xử lý và DSP đã được nâng cao.
1. Bộ vi xử lý là trung tâm điều khiển của toàn bộ chip và sẽ chạy hệ điều hành nhúng thời gian thực (chẳng hạn như Nucleus PLUS).
2. Hệ thống con DSP là trọng tâm của quá trình xử lý băng cơ sở, chứa nhiều bàn đạp ga phần cứng và các mô-đun xử lý dành riêng cho băng cơ sở thực hiện tất cả các chức năng của lớp vật lý.
Với sự phát triển của công nghệ xử lý tín hiệu số thời gian thực, bộ vi xử lý ARM (các dòng vi mô khác nhau sẽ được sử dụng, chip 3G chủ yếu sử dụng kiến trúc ARM9), DSP và FPGA trở thành phương thức chính của bộ xử lý băng tần cơ sở đầu cuối di động.
Ⅳ Kiến trúc ARM của bộ xử lý dải cơ sở (Baseband processor SOC architecture)
Trong lĩnh vực kiến trúc chip, có thể nói X86 và ARM đã cạnh tranh trong nhiều thập kỷ và đã chiếm một vị trí không thể lay chuyển trong các lĩnh vực tương ứng. Trong số đó, X86 thống trị thị trường chip PC, trong khi ARM thống trị thị trường chip thiết bị đầu cuối di động. Do giá thành rẻ, ít tiêu thụ điện năng và hiệu quả cao nên kiến trúc ARM đã đáp ứng được xu hướng phát triển của nhiều thiết bị đầu cuối di động trong đó có điện thoại thông minh.
Hình dưới đây cho thấy kiến trúc logic của bộ xử lý băng cơ sở dựa trên ARM điển hình, trong đó Logic băng cơ sở 3G/4G đề cập đến hệ thống con tính toán DSP.
1 Bộ vi xử lý hoàn thành việc lập lịch trình đa nhiệm, giao tiếp giữa các tác vụ, trình điều khiển ngoại vi và giao tiếp giữa bộ vi xử lý với hệ thống con DSP và các mô-đun khác, v.v. thông qua hệ điều hành thời gian thực RTOS (ví dụ: Nucleus PLUS).
Các chức năng cũng bao gồm:
(1) điều khiển và quản lý toàn bộ trạm di động, bao gồm điều khiển thời gian, điều khiển hệ thống kỹ thuật số, điều khiển RF, điều khiển tiết kiệm năng lượng, v.v.;
(2) hoàn thành tất cả các chức năng của phần mềm, tức là giao tiếp giữa lớp vật lý và ngăn giao thức của giao thức truyền thông không dây, ngăn giao thức cấp cao (TCP/IP, v.v.), và nếu được sử dụng trong máy chức năng, nó cũng sẽ bao gồm cả MMI (giao diện tương tác giữa người và máy tính) và phần mềm ứng dụng.
2 Hệ thống con DSP được sử dụng để xử lý tất cả các thuật toán của lớp vật lý, bao gồm mã hóa kênh, mã hóa, cân bằng kênh, mã hóa/giải mã giọng nói, điều chế và giải điều chế, v.v. Phương tiện truyền thông dữ liệu giữa hệ thống con DSP và hệ thống con bộ vi xử lý bao gồm bộ nhớ đọc ngẫu nhiên cổng kép (RAM), tài nguyên chia sẻ nhiều bus (một số nhà cung cấp sử dụng giao thức bus nhiều lớp của AMBA), v.v. Bộ xử lý dải cơ sở đa tần số đa chế độ có thể chứa nhiều DSP.
3 Về mặt tổ chức bộ nhớ, cả bộ vi xử lý và hệ thống phụ DSP có thể có bộ đệm độc lập riêng với SRAM trên chip dùng chung và bộ nhớ mở rộng bên ngoài dùng chung. Bộ nhớ mở rộng thường hỗ trợ bộ nhớ ngẫu nhiên động đồng bộ (SDRAM) và RAM Flash loại NAND, v.v.
FLASH ROM có thể được sử dụng để lưu trữ Boot Rom và CP Rom để liên kết HĐH và ứng dụng của người dùng. Giao diện ROM chủ yếu được sử dụng để kết nối FLASH ROM để lưu trữ chương trình và giao diện RAM chủ yếu được sử dụng để kết nối RAM tĩnh (SRAM) để lưu trữ dữ liệu tạm thời. Bộ nhớ đọc ngẫu nhiên tĩnh dung lượng lớn (SRAM) nhúng trên chip đã trở nên rất phổ biến, điều này có lợi cho việc giảm mức tiêu thụ điện năng và giảm chi phí hệ thống.
4 Về thiết bị ngoại vi và giao diện, bộ xử lý dải gốc thường hỗ trợ nhiều loại giao diện để thuận tiện cho việc giao tiếp với bộ xử lý ứng dụng và bổ sung thêm các mô-đun khác như Wifi, GPS. Các giao diện bao gồm UART, giao diện đa phương tiện (MMI), bus nối tiếp vạn năng (USB), SPI, v.v.
Giao tiếp MCU với các giao diện bên ngoài có thể được thực hiện thông qua DMA và nếu bộ xử lý dải cơ sở không tích hợp RF, thì cũng có một giao diện RF chuyên dụng.
Ⅴ Bộ vi xử lý băng gốc được sử dụng trong điện thoại di động ngày nay
Các bộ xử lý băng cơ sở được sử dụng trong điện thoại di động phổ biến hiện nay như sau.
Nhà sản xuất chip : Qualcomm
Bộ xử lý băng tần cơ bản: Snapdragon 888, Snapdragon 865, Snapdragon 855, Snapdragon 660, Snapdragon 653, Snapdragon 626, Snapdragon 435, Snapdragon 430, Snapdragon 427, ETC
Sản phẩm điện thoại di động: Xiaomi 10, Samsung S20, One Plus 9, Nubia Z12, LeEco, Redmi Note, Huawei G series, v.v.
Nhà sản xuất chip: Huawei Hisilicon
Bộ xử lý băng tần cơ sở: Kirin 9000, Kirin 990, Kirin 985, Kirin 970, Kirin 965, Kirin 660
Sản phẩm điện thoại: Mate 40, P50 Pro, P40, mate 30, Nova 9,..
Nhà sản xuất chip: Samsung
Bộ xử lý băng tần cơ sở: Exynos 8895, Modem Exynos 5100
Sản phẩm điện thoại: Samsung S8, Samsung Note 8, Meizu PRO 7 series
Nhà sản xuất chip: Mediatek
Bộ xử lý băng tần cơ sở: Helio M70, Helio X30/X35, Helio X23/X27, Helio P30/P35, Helio P20/P25
Sản phẩm điện thoại: Meizu MX7, Meilan X2, Redmi Note4, Samsung C9 Pro, Vivo X9
Nhà sản xuất chip : Spreadtrum
Bộ xử lý băng tần cơ sở: Spreadtrum SC6815, Spreadtrum SC7701B, Spreadtrum SC7730S
Sản phẩm ĐTDĐ: Samsung Galaxy Star 2 (G130E), Samsung Galaxy Star 2 Plus (G350E)…
Ⅵ Kết luận
Chúng tôi thường nghĩ rằng hiệu suất của CPU điện thoại di động được phản ánh qua tốc độ xử lý và mức tiêu thụ điện năng của nó. Trên thực tế, trong thời đại của điện thoại thông minh, có một lớp nhu cầu cơ bản và quan trọng nhất – chất lượng tín hiệu điện thoại di động. Chức năng giao tiếp này được xác định bởi bộ xử lý băng tần cơ sở sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của các cuộc gọi điện thoại di động và tốc độ Internet.
Với sự ra đời của mạng 5G và điện thoại di động 5G, việc nhanh chóng chiếm được thị phần bộ xử lý băng tần cơ sở 5G sẽ giúp những gã khổng lồ chip cải thiện doanh thu tài chính để có được khởi đầu thuận lợi trong mạng 6G và tạo thành một vòng tròn đạo đức.
