基于FPGA和DSP組合的無(wú)線基站分析

　FPGA和DSP之間的“智能配分”可使無(wú)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(wú)線基站，組合有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(chǎng)成功率。
　　更高數(shù)據(jù)率的需求正在驅(qū)使無(wú)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(lái)，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(wú)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(guò)吞吐量100Mbps的目標(biāo)起關(guān)鍵作用。
　　另外的OFDM基寬帶無(wú)線系統(tǒng)，如WiMAX現(xiàn)在傳輸速度超過(guò)70Mbps?？枯^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(wú)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(wèn)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(wú)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(wàn)乘和累加運(yùn)算。
　　靈活性
　　WiMAX是一個(gè)相當(dāng)新的市場(chǎng)，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(lái)講，為了保持競(jìng)爭(zhēng)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(wú)縫降低成本的路徑，這會(huì)節(jié)省上百萬(wàn)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(wú)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?；鶐HY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(jiǎn)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(jiǎn)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)。