軟件無線電設計中的FPGA應用要點

介紹

軟件無線電（SDR）是具有可重配置硬件平臺的無線設備，可以跨多種通信標準。因為具有更低的成本、更大的靈活性和更高的性能，軟件無線電已迅速成為軍事、公共安全和商用無線領域的事實標準。SDR成為商用流行的主要原因之一是它能夠?qū)Χ喾N波形進行基帶處理和數(shù)字中頻（IF）處理。IF處理將數(shù)字信號處理的領域從基帶擴展到RF。支持基帶和中頻處理的能力增加了系統(tǒng)靈活性，同時減小了制造成本。

基帶處理

無線標準不斷地發(fā)展，通過先進的基帶處理技術(shù)如自適應調(diào)制編碼、空時編碼（STC）、波束賦形和多入多出（MIMO）天線技術(shù)，支持更高的數(shù)據(jù)速率?；鶐盘柼幚砥骷枰薮蟮奶幚韼?，以支持這些技術(shù)中大計算量的算法。例如，美國軍事聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線系統(tǒng)（JTRS）定義了軍事無線中20多種

不同的無線波形。一些更復雜的波形所需的計算能力在標準處理器上是每秒數(shù)百萬條指令（MIPS），如果在FPGA上實現(xiàn)則是數(shù)千個邏輯單元。

協(xié)處理器特性

SDR基帶處理通常需要處理器和FPGA。在這類應用中，處理器處理系統(tǒng)控制和配置功能，而FPGA實現(xiàn)大計算量的信號處理數(shù)據(jù)通道和控制，讓系統(tǒng)延遲最小。當需要從一種標準切換至另一種標準時，處理器能夠動態(tài)地在軟件的主要部分間切換，而FPGA能夠根據(jù)需要完全重新配置，實現(xiàn)特定標準的數(shù)據(jù)通道。

FPGA可以作為協(xié)處理器同DSP和通用處理器相連，這樣具有更高的系統(tǒng)性能和更低的系統(tǒng)成本。自由地選擇在哪實現(xiàn)基帶處理算法為實現(xiàn)SDR算法提供了另一種方式的靈活性。

基帶部件也需要足夠靈活讓所需的SDR功能支持在同一種標準增強版本之間的移植，并能夠支持完全不同的標準?？删幊踢壿嫿Y(jié)合軟核處理器和IP，具有了提供在現(xiàn)場遠程升級的能力。圖1是一個框圖，其中FPGA能夠通過IP功能如Turbo編碼器、Reed-Solomon編碼器、符號交織器、符號映射器和IFFT，很容易地重配置支持WCDMA/HSPDA或802.16a標準的基帶發(fā)送功能。

數(shù)字IF處理

數(shù)字頻率變化具有比傳統(tǒng)模擬無線處理方式更高的性能。FPGA提供了一種高度靈活和集成的平臺，在這之上以合理的功率實現(xiàn)大計算量的數(shù)字IF功能，這在便攜系統(tǒng)中是一個關鍵的因素。能夠在FPGA上實現(xiàn)的IF功能包括數(shù)字上變頻器（DUC）和下變頻器（DDC），以及數(shù)字預畸變（DPD）和波峰系數(shù)削減（CFR），幫助降低功放的成本和功率（見圖2）注釋：DUC:數(shù)字上變頻器；CFR:波峰系數(shù)削減；DPD:數(shù)字預畸變；DDC:數(shù)字下變頻器；PA:功放；LNA:低噪放。

數(shù)字上變頻器

數(shù)字格式（在基帶處理單元和上變頻器之間一般需要）可以順利地加到上變頻器的前端。這項技術(shù)為上變頻器提供了全定制的前端，容許信道化的高帶寬輸入數(shù)據(jù)。定制邏輯或軟核嵌入式處理器可用來控制上變頻器和FPGA中實現(xiàn)的基帶處理單元之間的接口。在數(shù)字上變頻中，輸入數(shù)據(jù)在用可調(diào)的載波頻率進行正交調(diào)制之前經(jīng)過基帶濾波和插值。為了實現(xiàn)插值基帶有限沖激響應（FIR）濾波器，必須在速度面積之間進行權(quán)衡為特定的標準獲得優(yōu)化的固定或自適應架構(gòu)。數(shù)控振蕩器核也能夠產(chǎn)生多種架構(gòu)，它們具有超過115db無寄生動態(tài)范圍和非常高的性能。根據(jù)支持的頻率分配數(shù)量，在FPGA中可以很容易地例化多個上變頻器。

波峰系數(shù)削減

3G基于CDMA的系統(tǒng)和多載波系統(tǒng)如正交頻分復用（OFDM）的信號具有很高的峰平比（波峰系數(shù)）。這樣的信號會極大地降低基站中功放的效率。對多波形標準，在FPGA中實現(xiàn)的波峰系數(shù)削減技術(shù)是一種降低功放成本和復雜度的合算的方式。

數(shù)字預畸變

高速移動數(shù)據(jù)傳輸采用非恒包絡調(diào)制技術(shù)如QPSK和正交幅度調(diào)制（QAM）。這對PA的線性度有嚴格的要求。DPD線性化技術(shù)，包括查找表和多項式方式都可以有效地在包含DSP塊的FPGA中實現(xiàn)。這些DSP塊中的乘法器可以在很高的時鐘速率下運行，可以有效地分時實現(xiàn)復數(shù)乘法。當SDR基站中使用FPGA時，F(xiàn)PGA可以為特定的標準重配置來實現(xiàn)合適的DPD算法，有效地線性化PA。數(shù)字下變頻器

在接收器側(cè)，數(shù)字IF技術(shù)可以對IF信號進行采樣，在數(shù)字域執(zhí)行信道化和采樣率轉(zhuǎn)換。使用降采樣技術(shù)，高頻IF信號（同時100MHz以上）可以被量化。因為不同的標準有不同的碼片/比特速率，對SDR應用需要非整數(shù)采樣率，把采樣數(shù)轉(zhuǎn)換為任何標準基本碼片/比特速率的整數(shù)倍。

結(jié)論

FPGA提供了通用的計算結(jié)構(gòu)，非常適合于軟件無線電中基帶和IF數(shù)字處理的需要。另外，F(xiàn)PGA作為通用處理器或DSP軟件處理的硬件協(xié)處理器，能夠增強功能，改善吞吐量，減小系統(tǒng)成本和降低系統(tǒng)功率。