基于FPGA和DSP組合在無線基站中的應(yīng)用

在自動(dòng)控制產(chǎn)品中，CPD+DSP+MCU的構(gòu)架是目前最為流行的成熟方案，而在通訊產(chǎn)品中，大量使用FPGA設(shè)計(jì)，合理使用FPGA和DSP的組合，FPGA和DSP之間的“智能配分”可使無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)師獲得最佳性能組合和成本——效能。應(yīng)用DSP和FPGA組合可使成本降低。對(duì)于無線基站，F(xiàn)PGA和DSP可編程邏輯的系統(tǒng)配分，可促使更大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和市場成功率。
　　
更高數(shù)據(jù)率的需求正在驅(qū)使無線蜂窩系統(tǒng)從窄帶2G GSM，IS-95系統(tǒng)到W-CDMA基3G和3.5G系統(tǒng)(支持高達(dá)10Mbps峰值數(shù)據(jù)率)變革。將來，3Gpp遠(yuǎn)期變革規(guī)范面向復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)，如多輸入多輸出(MIMO)以及新的無線電技術(shù)(如正交頻分多址OFDMA，多載波碼分多址MC-CDMA)。這些技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)超過吞吐量100Mbps的目標(biāo)起關(guān)鍵作用。
　　
另外的OFDM基寬帶無線系統(tǒng)，如WiMAX現(xiàn)在傳輸速度超過70Mbps。靠較高級(jí)的調(diào)制技術(shù)和變速率信道編碼可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)率的改善。復(fù)雜的空間信號(hào)處理方法(包括聚束和MIMO無線技術(shù))也是增加數(shù)據(jù)率的辦法。然而，這種技術(shù)對(duì)基站設(shè)計(jì)師所產(chǎn)生的問題是：需要可縮放性、成本、效率和跨越多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的靈活性。
　　
多可變目標(biāo)
　　
無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要滿足大量關(guān)鍵技術(shù)要求，包括處理速度、靈活性、產(chǎn)品上市時(shí)間。所有這些要求決定對(duì)硬件平臺(tái)的選擇。主要的變量包括處理帶寬、靈活性和降低成本的路徑。
　　
處理帶寬
　　
WiMAX與W-CDMA和CDM2000蜂窩系統(tǒng)相比，明顯地具有較高的吞吐量和數(shù)據(jù)要求。為了支持這些較高的數(shù)據(jù)率，基礎(chǔ)硬件平臺(tái)必須具有寬處理帶寬。另外，幾種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，如快速傅里葉變換/快速傅里葉逆變換(FFT/IFFT)、聚束、MIMO、波峰因數(shù)縮減(CFR)、數(shù)字預(yù)失真(DPD)都是計(jì)算密集的，需要每秒幾百萬乘和累加運(yùn)算。
　　
靈活性
　　
WiMAX是一個(gè)相當(dāng)新的市場，現(xiàn)正處于開發(fā)和采用階段?，F(xiàn)在仍然不清楚在這很多移動(dòng)寬帶技術(shù)(WiMAX，Wibrow，Super3G，LTE，Ultra3G等)中，哪一種將被大量采用。
　　
現(xiàn)在，末端產(chǎn)品靈活性和可編程性對(duì)多協(xié)議基站是關(guān)鍵性的。
　　
降低成本的路徑
　　
對(duì)于OEM和服務(wù)供應(yīng)商來講，為了保持競爭力，最終產(chǎn)品的成本比靈活性更重要。在樣機(jī)設(shè)計(jì)階段選擇正確的硬件平臺(tái)，為生產(chǎn)制造提供無縫降低成本的路徑，這會(huì)節(jié)省上百萬工程成本。否則，需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
　　
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯任務(wù)分配
　　
控制、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)通路運(yùn)行構(gòu)成無線基站中處理負(fù)載的主體。實(shí)現(xiàn)這些功能的最通用方法是采用微控制器(MCU)、FPGA和可編程DSP的組合。MCU控制系統(tǒng)、而FPGA和DSP控制數(shù)據(jù)流處理。DSP軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕載處理要求和定向控制任務(wù)。重載最好的實(shí)現(xiàn)方法是用FPGA，因?yàn)镕PGA具有很強(qiáng)的并行處理能力。
　　
組合的DSP和FPGA確保整個(gè)系統(tǒng)的靈活性，并提供重新可編程性以確定系統(tǒng)缺陷，而且支持不同的標(biāo)準(zhǔn)。DSP和FPGA之間的分配策略依賴于處理要求、系統(tǒng)帶寬、系統(tǒng)配置、發(fā)射和接收天線數(shù)。圖1示出OFDMA基系統(tǒng)(如WiMAX或LTE)中基帶物理層(PHY)功能的典型DSP/FPGA分配。

圖1 OFDMA系統(tǒng)中DSP/FPGA分配
　　
包含先進(jìn)的多天線技術(shù)，這類系統(tǒng)所提供的吞吐量可達(dá)到75~100MPS。基帶PHY功能可大致分為位級(jí)(bit-level)處理和符號(hào)級(jí)(Symbol-level)處理功能。
　　
位級(jí)處理
　　
位級(jí)處理單元包括發(fā)射端的隨機(jī)化、前向糾錯(cuò)(FEC)、到四相相移鍵控(QPSK)和正交調(diào)幅(QAM)功能的交織和變換。相應(yīng)的接收處理位級(jí)單元包括符號(hào)解變換、解交織、FEC解碼和解隨機(jī)性。
　　
除FEC譯碼外的所有位級(jí)功能都是相當(dāng)簡單的，而且計(jì)算不是密集的。例如，隨機(jī)性包含數(shù)據(jù)位的模2加法(借助簡單偽隨機(jī)二進(jìn)制時(shí)序產(chǎn)生器輸出)。盡管FPGA比固定總線寬度的DSP能為位級(jí)處理提供更大的靈活性。但是，低計(jì)算復(fù)雜性允許DSP處理這些功能。相比，F(xiàn)EC譯碼包括Viterbi譯碼、Turbo卷積譯碼、Turbo乘積譯碼和LDPC譯碼是計(jì)算密集的，而且DSP處理時(shí)會(huì)消耗有效帶寬。
　　
FPGA廣泛用于卸載這些功能。同樣FPGA也可用到MAC層的接口，以實(shí)現(xiàn)一定的較低MAC功能(如加密/解密和鑒別)。
　　
符號(hào)級(jí)處理
　　
OFDMA中的符號(hào)級(jí)功能包括子信道化和解子信道化、信道判斷、均衡和循環(huán)前綴插入以及消除功能。時(shí)間—頻率變換和頻率—時(shí)間變換，分別用于FFT和IFFT實(shí)現(xiàn)。
　　
信道判斷和均衡可以離線執(zhí)行，這涉及更多有關(guān)控制算法，適合用DSP實(shí)現(xiàn)。相反，F(xiàn)FT和IFFT功能是規(guī)則的數(shù)據(jù)通路功能，這包括非常高速下的復(fù)雜乘法，適合于用FPGA實(shí)現(xiàn)。
　　
圖2示出包含在高端FPGA(Altera公司StratixⅡ器件)內(nèi)的嵌入式DSP單元。DSP處理器通常有多達(dá)8個(gè)專用乘法器，而StratixⅡ器件有多達(dá)384專用乘法器，提供的吞吐量高達(dá)346GMAC，這比現(xiàn)有的DSP高出一個(gè)量級(jí)。

圖2 FPGA中的嵌入式DSP單元　
　　
當(dāng)基站采用先進(jìn)的多天線技術(shù)(如空時(shí)編碼STC，聚束和MIMO方法)，F(xiàn)PGA和DSP間信號(hào)處理能力的巨大差別更加明顯。OFDM-MIMO組合被廣泛認(rèn)為是現(xiàn)在和將來WiMAX和LTE無線系統(tǒng)較高數(shù)據(jù)率的關(guān)鍵促進(jìn)因素。
　　
圖1示出應(yīng)用在基站中的多發(fā)送和接收天線。在這種配置中，對(duì)于每個(gè)天線流的符號(hào)處理是單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，在MIMO譯碼執(zhí)行前產(chǎn)生單個(gè)位級(jí)數(shù)據(jù)流。在串行狀態(tài)用DSP實(shí)現(xiàn)操作時(shí)，符號(hào)級(jí)復(fù)雜性隨天線數(shù)線性增加。例如，用兩個(gè)發(fā)送和兩個(gè)接收天線時(shí)，F(xiàn)FT和IFFT功能消耗1GHz DSP近60%(假設(shè)變換大小是2048點(diǎn))。相反，用FPG實(shí)現(xiàn)多天線基計(jì)算是非常有效的。FPGA提供并行處理和時(shí)間多路轉(zhuǎn)換來自多路天線間數(shù)據(jù)。
　　
多天線方法提供較高的數(shù)據(jù)率、陣列增益、分集增益和同信道干擾抑制。聚束和空間多路傳輸MIMO技術(shù)也是計(jì)算密集的，涉及矩陣分解和相乘。特別的Cholesky分解，QR分解和奇異值分解功能通常是解線性方程組。當(dāng)這些功能很快用盡DSP能力時(shí)，而FPGA很適合實(shí)現(xiàn)這些功能。利用FPGA的并行性，采用更加成效的心縮式陣列結(jié)構(gòu)方案。
　　
數(shù)字IF處理
　　
圖3示出來自基帶信道極的數(shù)據(jù)，送到RF板進(jìn)行數(shù)字中頻處理，包括數(shù)字上變頻(DUC)、CFR和DPD。數(shù)字IF擴(kuò)展了基帶域到天線范圍之外的數(shù)字信號(hào)處理。這增加了系統(tǒng)靈活性，并降低了制造成本。此外，數(shù)字頻率變換比傳流的模擬技術(shù)，能提供更大的靈活性和更高的性能(在衰減和選擇性方面)。

圖3 數(shù)字RF處理功能
　　
需要CFR和DPD功能來改善用在基站中放大器效率。這些功能也有助于大大降低RF板的總成本。CFR和DPD包含復(fù)雜的乘法，取樣率可高達(dá)100MSPS以上。類似于DUC，在接收端需要數(shù)字下變頻(DDC)把IF頻率變?yōu)榛l。DUC和DDC都采用復(fù)雜的濾波器結(jié)構(gòu)，包括有限脈沖響應(yīng)(FIR)和級(jí)聯(lián)積分梳狀(CIC)濾波器。先進(jìn)的FPGA提供運(yùn)行速度高達(dá)350MHz的數(shù)百個(gè)18×18乘法器。這不僅提供并行處理多信道的平臺(tái)，而且也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)集成單芯片方案。
　　
有效的設(shè)計(jì)方法
　　
隨著標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定，對(duì)基站靈活性的要求將降低，而成本變?yōu)橐粋€(gè)主要的成功因素。選擇FPGA將會(huì)大大地節(jié)省成本。
　　
混合FPGA/DSP基平臺(tái)，為無線基站提供一種有效的設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品成功的關(guān)鍵是根據(jù)系統(tǒng)吞吐量要求和成本考慮在FPGA和DSP之間進(jìn)行合理分配。這將保證產(chǎn)品最終不僅僅只是可縮放的和經(jīng)濟(jì)的，而且靈活、可配置適合多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。除成本因素外，使用FPGA可以更位快捷的的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，方便了設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)。