無線通信領(lǐng)域FPGA的應(yīng)用分析

無線通信的發(fā)展過程及趨勢可以概括如下：

工作頻段從短波、超短波、微波發(fā)展到毫米波、紅外和超長波

頻道間隔由100KHz、50KHz、25KHz發(fā)展到12.5kHz甚至更窄

調(diào)制方式由振幅壓擴(kuò)單邊帶模擬調(diào)制發(fā)展到數(shù)字調(diào)制

多址方式由FDMA、TDMA、CDMA發(fā)展到混合多址，以及固定多址和隨機(jī)多址的結(jié)合

業(yè)務(wù)類型由話音發(fā)展到數(shù)據(jù)、傳真，直到多媒體綜合業(yè)務(wù)。

1.2FPGA在無線通信中的應(yīng)用

現(xiàn)場可編程門陳列（FPGA）芯片在許多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，特別是在無線通信領(lǐng)域里，由于具有極強(qiáng)的實(shí)時性和并行處理能力，使其對信號進(jìn)行實(shí)時處理成為可能。本節(jié)不僅對FPGA技術(shù)在現(xiàn)有無線通信中的應(yīng)用領(lǐng)域作了詳細(xì)的分析，并對其在未來無線通信中的應(yīng)用發(fā)展作了展望。

FPGA指的是現(xiàn)場可編程門陣列，它的基本功能模塊是由N輸入的查找表，存儲數(shù)據(jù)的觸發(fā)器和復(fù)路器等組成。在正確的設(shè)置下，這三個部分各司其職。查找表能夠通過對數(shù)據(jù)的讀取實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的任意布爾函數(shù)；觸發(fā)器則用來存儲數(shù)據(jù)，如有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息；復(fù)路器可以選擇不同的輸入信號進(jìn)行組合，將查找表和觸發(fā)器用可編程的布線資源連接起來，可以實(shí)現(xiàn)不同的組合邏輯和時序邏輯。由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易地實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對于實(shí)現(xiàn)無線通信中的高速數(shù)字信號處理十分有利。因?yàn)樵跓o線通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運(yùn)算，而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作。而通過FPGA來實(shí)現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，就可以有效地實(shí)現(xiàn)這些乘和累加操作。

目前，無線通信一方面正向話音和數(shù)據(jù)綜合的方向發(fā)展，另一方面迫切需要將移動技術(shù)綜合到手持PDA產(chǎn)品中去。因此，隨著無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，以及對更為完善的便攜式系統(tǒng)的期望，構(gòu)架系統(tǒng)模塊的處理器就必須更加地強(qiáng)有力。這一要求對無線通信的FPGA芯片市場提出了重要的挑戰(zhàn)，其中最重要的三個方面是FPGA的功耗、性能和成本。目前已有許多研究來平衡這三方面的要求，如利用系統(tǒng)芯片（SOC）可以將盡可能多的功能集成在一片F(xiàn)PGA芯片上或FPGA芯片集上，使其性能上具有速率高、功耗低；在成本上價格低廉；而且還可以降低復(fù)雜性，便于使用。

特別是在無線通信領(lǐng)域里，SOC由于具有極強(qiáng)的實(shí)時性，使其對話音進(jìn)行實(shí)時處理成為可能；由于它是通過面向芯片結(jié)構(gòu)的軟件編程來實(shí)現(xiàn)其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進(jìn)系統(tǒng)原有設(shè)計方案或原有功能，因而具有極大的靈活性；又由于這種情況下的FPGA芯片并非專門為某種功能設(shè)計的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價格可以降到很低。所以FPGA將會越來越多地應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中，它的優(yōu)良性能將會促進(jìn)無線通信的發(fā)展；而帶來的無線通信蓬勃發(fā)展又將會進(jìn)一步促進(jìn)FPGA技術(shù)的不斷進(jìn)步。

對于現(xiàn)有移動通信中的許多關(guān)鍵技術(shù)，如：CDMA技術(shù)，軟件無線電，多用戶檢測等技術(shù)都需要依靠高速、高性能的并行處理器來實(shí)現(xiàn)。隨著這些應(yīng)用的日益多樣化，F(xiàn)PGA已經(jīng)不再是一塊獨(dú)立的芯片，而演變成了構(gòu)件內(nèi)核。這使得設(shè)計師能選擇合適的內(nèi)核，與專用邏輯“膠結(jié)”在一起形成專用的FPGA方案，以滿足信號處理的需要。目前還出現(xiàn)把DSP核和FPGA集成在一起的芯片。FPGA芯片的一些具體應(yīng)用方面，如：用于實(shí)現(xiàn)語音合成，糾錯編碼，基帶調(diào)制解調(diào)，以及系統(tǒng)控制等功能；基于DSP核矢量編碼器用于將語音信號壓縮到有限帶寬的信道中；用來實(shí)現(xiàn)基帶調(diào)制解調(diào)功能；另外還有定時的恢復(fù)、自動增益和頻率控制、符號檢測、脈沖整形、以及匹配濾波器等。

特別是對于其中的調(diào)制解調(diào)器，由于需要大量的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算，并且對調(diào)制解調(diào)器的大小、重量、功耗特別關(guān)注，這就對FPGA的要求就更高，調(diào)制解調(diào)器的速度隨FPGA的速度的提高而不斷提高。FPGA在通信領(lǐng)域的應(yīng)用，大大改善了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的性能，也極大地推動了SOC的發(fā)展。但對于當(dāng)今的移動通信設(shè)備，一片F(xiàn)PGA難以達(dá)到系統(tǒng)級處理的能力。比如現(xiàn)在的第三代移動通信，一片F(xiàn)PGA只能進(jìn)行信源和信道方面的物理層處理，不能處理控制和高層信令。只有與另外的DSP或者CPU相結(jié)合才能完成整個任務(wù)。因此，基于DSP/CPU加FPGA的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品將成為未來的應(yīng)用熱點(diǎn)。隨著移動通信的寬帶GSM，CDMA標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)移和高速數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)對XDSL的要求，基于內(nèi)嵌DSP/CPU的FPGA SOC將更有前途。

專家指出，今后高速DSP/CPU加FPGA技術(shù)的發(fā)展趨勢，將是以系統(tǒng)芯片為核心，信息處理速度將達(dá)到每秒幾十億次乘加運(yùn)算，因此，只有多系統(tǒng)芯片才能肩負(fù)此重任。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)與SOC技術(shù)融合在一起，成為新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。基于DSP/CPU加FPGA的嵌入式系統(tǒng)不僅具有其他微處理器和單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)特性，而且還可能利用并行算法操作，具有更高速的數(shù)字信號處理能力，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時性提供了更為有利的支持。DSP/CPU加FPGA系統(tǒng)必將成為現(xiàn)在以及未來無線通信技術(shù)的重要支柱。