基于FPGA和DSP组合在无线基站中的应用

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在自动控制产品中，CPD+DSP+MCU的构架是目前最为流行的成熟方案，而在通讯产品中，大量使用FPGA设计，合理使用FPGA和DSP的组合，FPGA和DSP之间的“智能配分”可使无线系统设计师获得最佳性能组合和成本——效能。应用DSP和FPGA组合可使成本降低。对于无线基站，FPGA和DSP可编程逻辑的系统配分，可促使更大的产品设计和市场成功率。
　　
更高数据率的需求正在驱使无线蜂窝系统从窄带2G GSM，IS-95系统到W-CDMA基3G和3.5G系统(支持高达10Mbps峰值数据率)变革。将来，3Gpp远期变革规范面向复杂的信号处理技术，如多输入多输出(MIMO)以及新的无线电技术(如正交频分多址OFDMA，多载波码分多址MC-CDMA)。这些技术对于实现超过吞吐量100Mbps的目标起关键作用。
　　
另外的OFDM基宽带无线系统，如WiMAX现在传输速度超过70Mbps。靠较高级的调制技术和变速率信道编码可以实现数据率的改善。复杂的空间信号处理方法(包括聚束和MIMO无线技术)也是增加数据率的办法。然而，这种技术对基站设计师所产生的问题是：需要可缩放性、成本、效率和跨越多个标准的灵活性。
　　
多可变目标
　　
无线系统设计师需要满足大量关键技术要求，包括处理速度、灵活性、产品上市时间。所有这些要求决定对硬件平台的选择。主要的变量包括处理带宽、灵活性和降低成本的路径。
　　
处理带宽
　　
WiMAX与W-CDMA和CDM2000蜂窝系统相比，明显地具有较高的吞吐量和数据要求。为了支持这些较高的数据率，基础硬件平台必须具有宽处理带宽。另外，几种先进的信号处理技术，如快速傅里叶变换/快速傅里叶逆变换(FFT/IFFT)、聚束、MIMO、波峰因数缩减(CFR)、数字预失真(DPD)都是计算密集的，需要每秒几百万乘和累加运算。
　　
灵活性
　　
WiMAX是一个相当新的市场，现正处于开发和采用阶段。现在仍然不清楚在这很多移动宽带技术(WiMAX，Wibrow，Super3G，LTE，Ultra3G等)中，哪一种将被大量采用。
　　
现在，末端产品灵活性和可编程性对多协议基站是关键性的。
　　
降低成本的路径
　　
对于OEM和服务供应商来讲，为了保持竞争力，最终产品的成本比灵活性更重要。在样机设计阶段选择正确的硬件平台，为生产制造提供无缝降低成本的路径，这会节省上百万工程成本。否则，需要重新设计系统。
　　
系统结构的逻辑任务分配
　　
控制、信号处理和数据通路运行构成无线基站中处理负载的主体。实现这些功能的最通用方法是采用微控制器(MCU)、FPGA和可编程DSP的组合。MCU控制系统、而FPGA和DSP控制数据流处理。DSP软件实现系统的轻载处理要求和定向控制任务。重载最好的实现方法是用FPGA，因为FPGA具有很强的并行处理能力。
　　
组合的DSP和FPGA确保整个系统的灵活性，并提供重新可编程性以确定系统缺陷，而且支持不同的标准。DSP和FPGA之间的分配策略依赖于处理要求、系统带宽、系统配置、发射和接收天线数。图1示出OFDMA基系统(如WiMAX或LTE)中基带物理层(PHY)功能的典型DSP/FPGA分配。

图1 OFDMA系统中DSP/FPGA分配
　　
包含先进的多天线技术，这类系统所提供的吞吐量可达到75~100MPS。基带PHY功能可大致分为位级(bit-level)处理和符号级(Symbol-level)处理功能。
　　
位级处理
　　
位级处理单元包括发射端的随机化、前向纠错(FEC)、到四相相移键控(QPSK)和正交调幅(QAM)功能的交织和变换。相应的接收处理位级单元包括符号解变换、解交织、FEC解码和解随机性。
　　
除FEC译码外的所有位级功能都是相当简单的，而且计算不是密集的。例如，随机性包含数据位的模2加法(借助简单伪随机二进制时序产生器输出)。尽管FPGA比固定总线宽度的DSP能为位级处理提供更大的灵活性。但是，低计算复杂性允许DSP处理这些功能。相比，FEC译码包括Viterbi译码、Turbo卷积译码、Turbo乘积译码和LDPC译码是计算密集的，而且DSP处理时会消耗有效带宽。
　　
FPGA广泛用于卸载这些功能。同样FPGA也可用到MAC层的接口，以实现一定的较低MAC功能(如加密/解密和鉴别)。
　　
符号级处理
　　
OFDMA中的符号级功能包括子信道化和解子信道化、信道判断、均衡和循环前缀插入以及消除功能。时间—频率变换和频率—时间变换，分别用于FFT和IFFT实现。
　　
信道判断和均衡可以离线执行，这涉及更多有关控制算法，适合用DSP实现。相反，FFT和IFFT功能是规则的数据通路功能，这包括非常高速下的复杂乘法，适合于用FPGA实现。
　　
图2示出包含在高端FPGA(Altera公司StratixⅡ器件)内的嵌入式DSP单元。DSP处理器通常有多达8个专用乘法器，而StratixⅡ器件有多达384专用乘法器，提供的吞吐量高达346GMAC，这比现有的DSP高出一个量级。

图2 FPGA中的嵌入式DSP单元　
　　
当基站采用先进的多天线技术(如空时编码STC，聚束和MIMO方法)，FPGA和DSP间信号处理能力的巨大差别更加明显。OFDM-MIMO组合被广泛认为是现在和将来WiMAX和LTE无线系统较高数据率的关键促进因素。
　　
图1示出应用在基站中的多发送和接收天线。在这种配置中，对于每个天线流的符号处理是单独实现，在MIMO译码执行前产生单个位级数据流。在串行状态用DSP实现操作时，符号级复杂性随天线数线性增加。例如，用两个发送和两个接收天线时，FFT和IFFT功能消耗1GHz DSP近60%(假设变换大小是2048点)。相反，用FPG实现多天线基计算是非常有效的。FPGA提供并行处理和时间多路转换来自多路天线间数据。
　　
多天线方法提供较高的数据率、阵列增益、分集增益和同信道干扰抑制。聚束和空间多路传输MIMO技术也是计算密集的，涉及矩阵分解和相乘。特别的Cholesky分解，QR分解和奇异值分解功能通常是解线性方程组。当这些功能很快用尽DSP能力时，而FPGA很适合实现这些功能。利用FPGA的并行性，采用更加成效的心缩式阵列结构方案。
　　
数字IF处理
　　
图3示出来自基带信道极的数据，送到RF板进行数字中频处理，包括数字上变频(DUC)、CFR和DPD。数字IF扩展了基带域到天线范围之外的数字信号处理。这增加了系统灵活性，并降低了制造成本。此外，数字频率变换比传流的模拟技术，能提供更大的灵活性和更高的性能(在衰减和选择性方面)。

图3 数字RF处理功能
　　
需要CFR和DPD功能来改善用在基站中放大器效率。这些功能也有助于大大降低RF板的总成本。CFR和DPD包含复杂的乘法，取样率可高达100MSPS以上。类似于DUC，在接收端需要数字下变频(DDC)把IF频率变为基频。DUC和DDC都采用复杂的滤波器结构，包括有限脉冲响应(FIR)和级联积分梳状(CIC)滤波器。先进的FPGA提供运行速度高达350MHz的数百个18×18乘法器。这不仅提供并行处理多信道的平台，而且也是一个经济集成单芯片方案。
　　
有效的设计方法
　　
随着标准的稳定，对基站灵活性的要求将降低，而成本变为一个主要的成功因素。选择FPGA将会大大地节省成本。
　　
混合FPGA/DSP基平台，为无线基站提供一种有效的设计方法。产品成功的关键是根据系统吞吐量要求和成本考虑在FPGA和DSP之间进行合理分配。这将保证产品最终不仅仅只是可缩放的和经济的，而且灵活、可配置适合多个标准。除成本因素外，使用FPGA可以更位快捷的的设计产品，方便了设计工程师的设计。