軟件無線電設(shè)計中ASIC、FPGA和DSP的選擇策略探討

ASIC、FPGA和DSP的應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)相互覆蓋的趨勢，使設(shè)計人員必須在軟件無線電結(jié)構(gòu)設(shè)計中重新考慮器件選擇策略問題。本文從可編程性、集成度、開發(fā)周期、性能和功率五個方面論述了選擇ASIC、FPGA和DSP的重要準則。

軟件無線電(SDR)結(jié)構(gòu)一直被認為是基站開發(fā)的靈丹妙藥，而隨著其適應(yīng)新協(xié)議的能力不斷增強，軟件無線電結(jié)構(gòu)已被一些設(shè)計人員視為在單個基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計中支持多種無線協(xié)議的重要解決方案。直到最近，軟件無線電仍然只是大多數(shù)通信系統(tǒng)設(shè)計人員的規(guī)劃藍圖而已，但這一局面正迅速得到改觀。隨著3G無線業(yè)務(wù)的日趨臨近，設(shè)計人員又對在基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計中實現(xiàn)軟件無線電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

實現(xiàn)軟件無線電

傳統(tǒng)的無線基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計可采用ASIC、DSP和FPGA器件的組合加以實現(xiàn)。在這些設(shè)計中，ASIC和FPGA通常負責處理高級編碼機制，如Reed Solomon編碼、Viterbi編碼及Rake接收機，而DSP則負責語音編碼及其他語音處理任務(wù)。

在由傳統(tǒng)的無線架構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)向軟件無線電設(shè)計的過程中，DSP、FPGA和ASIC之間的功能劃分也在發(fā)生變化。ASIC逐漸提供更多的可編程功能，而DSP和FPGA則開始具備ASIC的傳統(tǒng)處理功能，三者之間的界限正變得日益模糊。因此，當設(shè)計人員設(shè)計軟件無線電時，他們發(fā)現(xiàn)已很難劃分ASIC、DSP和FPGA三者之間的功能界限?，F(xiàn)在設(shè)計人員必須耗費相當多的精力來權(quán)衡下面一些問題：傳統(tǒng)上由ASIC實現(xiàn)的功能能否由FPGA或DSP更好地加以實現(xiàn)？或者傳統(tǒng)上由DSP實現(xiàn)的功能是否由FPGA或ASIC實現(xiàn)更為合適？因此問題的核心是如何制訂出正確的選擇準則并對每種處理方案進行有效的評估。

準則選取

在選擇任何準則之前，有必要給出軟件無線電的精確定義。在底板各處，開發(fā)人員可為軟件無線電結(jié)構(gòu)的構(gòu)成給出許多不同的定義，但本文將采用軟件無線電論壇(www.sdrforum.org)的方法，將軟件無線電定義為“在較大頻率范圍內(nèi)，能對目前已有的以及將來會出現(xiàn)的諸多調(diào)制技術(shù)、寬帶及窄帶操作、通信安全功能(如跳頻)和信號波形等的標準要求進行軟件控制的無線電”。

歷史上，采用單個空間接口標準設(shè)計的噴氣式飛機中已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字無線系統(tǒng)，該設(shè)計在考慮成本的基礎(chǔ)上(見圖１)，使用了任意可編程器件對系統(tǒng)進行評估。而在軟件無線電中，無線電的每個主要功能器件(包括射頻收發(fā)器)都具備在空中進行重配置以支持多種空間接口標準的特性。

可重配置特性要求軟件無線電改變設(shè)計人員需要考慮的準則。由于純處理能力在當前的2G無線環(huán)境中占據(jù)主導地位，可編程功能也逐漸成為軟件無線電設(shè)計應(yīng)用的焦點。

總之，當選擇ASIC、FPGA或DSP時，設(shè)計人員應(yīng)當考慮以下5個重要的選擇準則。1. 可編程性：對于所有的目標空間接口標準，器件均能重新配置以執(zhí)行所期望的功能。2. 集成度：在單個器件上集成多項功能，由此減小數(shù)字無線子系統(tǒng)的規(guī)格并降低硬件復(fù)雜度的能力。3. 開發(fā)周期：開發(fā)、實現(xiàn)及測試指定器件的數(shù)字無線功能的時間。4. 性能：器件在要求的時間內(nèi)完成指定功能的能力。5. 功率：器件完成指定功能的功率利用率。

上述準則中的任何一條都會對設(shè)計人員選擇DSP、ASIC或FPGA產(chǎn)生直接影響。

可編程性

DSP和FPGA可輕易地進行重配置，以實現(xiàn)軟件無線電設(shè)計的各種功能?，F(xiàn)有的通信ASIC雖然可以較低的成本提供更好的性能，但提供的可編程能力非常有限。

問題的關(guān)鍵是，在諸多的無線ASIC中是否有一種適合于特定要求的數(shù)字無線產(chǎn)品。在純軟件無線電結(jié)構(gòu)中，顯然沒有一種ASIC具有這樣的功能，但實際上也只有很少的數(shù)字無線設(shè)計需要這樣高的靈活性。因此軟件無線電產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵步驟就是確定系統(tǒng)每項功能所需的可編程特性，并確定現(xiàn)有的ASIC是否可以提供這項功能。

確定器件的處理功能可通過既支持W-CDMA也支持GSM的基站收發(fā)器結(jié)構(gòu)來說明。由于W-CDMA采用了擴頻通信技術(shù)，因此許多用戶可共享一條射頻(RF)信道。在上行鏈路1,920至1,980MHz之間和下行鏈路2,110至2,170 MHz之間，W-CDMA信號在每條信道中占據(jù)5MHz的帶寬。

另一方面，在GSM系統(tǒng)的每條射頻信道中，窄帶TDMA技術(shù)一般只支持8個用戶。在上行鏈路890至915MHz之間和下行鏈路935至960MHz之間，窄帶TDMA的每條信道占據(jù)200kHz帶寬。

為了在軟件無線電結(jié)構(gòu)中有效地兼顧上述標準間的差異，中頻(IF)處理器的數(shù)字上行轉(zhuǎn)換器和下行轉(zhuǎn)換器都必須提供可編程的信道選擇、濾波器配置和采樣比調(diào)節(jié)。Intersil、Graychip和Analog Devices公司的新型多標準數(shù)字收發(fā)器ASIC均可提供許多可編程特性。