FPGA和DSP組合在無線基站中的應用

在自動控制產品中，CPD+DSP+MCU的構架是目前最為流行的成熟方案，而在通訊產品中，大量使用FPGA設計，合理使用FPGA和DSP的組合，FPGA和DSP之間的“智能配分”可使無線系統設計師獲得最佳性能組合和成本——效能。應用DSP和FPGA組合可使成本降低。對于無線基站，FPGA和DSP可編程邏輯的系統配分，可促使更大的產品設計和市場成功率。
　　
更高數據率的需求正在驅使無線蜂窩系統從窄帶2G GSM，IS-95系統到W-CDMA基3G和3.5G系統(支持高達10Mbps峰值數據率)變革。將來，3Gpp遠期變革規范面向復雜的信號處理技術，如多輸入多輸出(MIMO)以及新的無線電技術(如正交頻分多址OFDMA，多載波碼分多址MC-CDMA)。這些技術對于實現超過吞吐量100Mbps的目標起關鍵作用。
　　
另外的OFDM基寬帶無線系統，如WiMAX現在傳輸速度超過70Mbps。靠較高級的調制技術和變速率信道編碼可以實現數據率的改善。復雜的空間信號處理方法(包括聚束和MIMO無線技術)也是增加數據率的辦法。然而，這種技術對基站設計師所產生的問題是：需要可縮放性、成本、效率和跨越多個標準的靈活性。
　　
多可變目標
　　
無線系統設計師需要滿足大量關鍵技術要求，包括處理速度、靈活性、產品上市時間。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蜂窩系統相比，明顯地具有較高的吞吐量和數據要求。為了支持這些較高的數據率，基礎硬件平臺必須具有寬處理帶寬。另外，幾種先進的信號處理技術，如快速傅里葉變換/快速傅里葉逆變換(FFT/IFFT)、聚束、MIMO、波峰因數縮減(CFR)、數字預失真(DPD)都是計算密集的，需要每秒幾百萬乘和累加運算。
　　
靈活性
　　
WiMAX是一個相當新的市場，現正處于開發和采用階段。現在仍然不清楚在這很多移動寬帶技術(WiMAX，Wibrow，Super3G，LTE，Ultra3G等)中，哪一種將被大量采用。
　　
現在，末端產品靈活性和可編程性對多協議基站是關鍵性的。
　　
降低成本的路徑
　　
對于OEM和服務供應商來講，為了保持競爭力，最終產品的成本比靈活性更重要。在樣機設計階段選擇正確的硬件平臺，為生產制造提供無縫降低成本的路徑，這會節省上百萬工程成本。否則，需要重新設計系統。
　　
系統結構的邏輯任務分配
　　
控制、信號處理和數據通路運行構成無線基站中處理負載的主體。實現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、而FPGA和DSP控制數據流處理。DSP軟件實現系統的輕載處理要求和定向控制任務。重載最好的實現方法是用FPGA，因為FPGA具有很強的并行處理能力。
　　
組合的DSP和FPGA確保整個系統的靈活性，并提供重新可編程性以確定系統缺陷，而且支持不同的標準。DSP和FPGA之間的分配策略依賴于處理要求、系統帶寬、系統配置、發射和接收天線數。圖1示出OFDMA基系統(如WiMAX或LTE)中基帶物理層(PHY)功能的典型DSP/FPGA分配。



圖1 OFDMA系統中DSP/FPGA分配
　　
包含先進的多天線技術，這類系統所提供的吞吐量可達到75~100MPS。基帶PHY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射端的隨機化、前向糾錯(FEC)、到四相相移鍵控(QPSK)和正交調幅(QAM)功能的交織和變換。相應的接收處理位級單元包括符號解變換、解交織、FEC解碼和解隨機性。
　　
除FEC譯碼外的所有位級功能都是相當簡單的，而且計算不是密集的。例如，隨機性包含數據位的模2加法(借助簡單偽隨機二進制時序產生器輸出)。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，低計算復雜性允許DSP處理這些功能。相比，FEC譯碼包括Viterbi譯碼、Turbo卷積譯碼、Turbo乘積譯碼和LDPC譯碼是計算密集的，而且DSP處理時會消耗有效帶寬。
　　
FPGA廣泛用于卸載這些功能。同樣FPGA也可用到MAC層的接口，以實現一定的較低MAC功能(如加密/解密和鑒別)。
　　
符號級處理
　　
OFDMA中的符號級功能包括子信道化和解子信道化、信道判斷、均衡和循環前綴插入以及消除功能。時間—頻率變換和頻率—時間變換，分別用于FFT和IFFT實現。
　　
信道判斷和均衡可以離線執行，這涉及更多有關控制算法，適合用DSP實現。相反，FFT和IFFT功能是規則的數據通路功能，這包括非常高速下的復雜乘法，適合于用FPGA實現。
　　
圖2示出包含在高端FPGA(Altera公司StratixⅡ器件)內的嵌入式DSP單元。DSP處理器通常有多達8個專用乘法器，而StratixⅡ器件有多達384專用乘法器，提供的吞吐量高達346GMAC，這比現有的DSP高出一個量級。



圖2 FPGA中的嵌入式DSP單元　
　　
當基站采用先進的多天線技術(如空時編碼STC，聚束和MIMO方法)，FPGA和DSP間信號處理能力的巨大差別更加明顯。OFDM-MIMO組合被廣泛認為是現在和將來WiMAX和LTE無線系統較高數據率的關鍵促進因素。
　　
圖1示出應用在基站中的多發送和接收天線。在這種配置中，對于每個天線流的符號處理是單獨實現，在MIMO譯碼執行前產生單個位級數據流。在串行狀態用DSP實現操作時，符號級復雜性隨天線數線性增加。例如，用兩個發送和兩個接收天線時，FFT和IFFT功能消耗1GHz DSP近60%(假設變換大小是2048點)。相反，用FPG實現多天線基計算是非常有效的。FPGA提供并行處理和時間多路轉換來自多路天線間數據。
　　
多天線方法提供較高的數據率、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技術也是計算密集的，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。當這些功能很快用盡DSP能力時，而FPGA很適合實現這些功能。利用FPGA的并行性，采用更加成效的心縮式陣列結構方案。
　　
數字IF處理
　　
圖3示出來自基帶信道極的數據，送到RF板進行數字中頻處理，包括數字上變頻(DUC)、CFR和DPD。數字IF擴展了基帶域到天線范圍之外的數字信號處理。這增加了系統靈活性，并降低了制造成本。此外，數字頻率變換比傳流的模擬技術，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包含復雜的乘法，取樣率可高達100MSPS以上。類似于DUC，在接收端需要數字下變頻(DDC)把IF頻率變為基頻。DUC和DDC都采用復雜的濾波器結構，包括有限脈沖響應(FIR)和級聯積分梳狀(CIC)濾波器。先進的FPGA提供運行速度高達350MHz的數百個18×18乘法器。這不僅提供并行處理多信道的平臺，而且也是一個經濟集成單芯片方案。
　　
有效的設計方法
　　
隨著標準的穩定，對基站靈活性的要求將降低，而成本變為一個主要的成功因素。選擇FPGA將會大大地節省成本。
　　
混合FPGA/DSP基平臺，為無線基站提供一種有效的設計方法。產品成功的關鍵是根據系統吞吐量要求和成本考慮在FPGA和DSP之間進行合理分配。這將保證產品最終不僅僅只是可縮放的和經濟的，而且靈活、可配置適合多個標準。除成本因素外，使用FPGA可以更位快捷的的設計產品，方便了設計工程師的設計。