實(shí)例分析無線基站中的FPGA和DSP最佳性能組合

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。對于無線基站，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硬件平臺的選擇。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)硬件平臺必須具有寬處理帶寬。另外，幾種先進(jìn)的信號處理技術(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多協(xié)議基站是關(guān)鍵性的。
　　降低成本的路徑
　　對于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，為生產(chǎn)制造提供無縫降低成本的路徑，這會節(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?；鶐HY功能可大致分為位級（bit-level）處理和符號級（Symbol-level）處理功能。
　　位級處理
　　位級處理單元包括發(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)的接收處理位級單元包括符號解變換、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）。