使用可編程邏輯進行高效且有效的 DSP 設計

IP 語音 (VoIP) 已成為有線和無線電信設備制造商增長快的應用之一。VoIP 不僅為終用戶提供了經濟實惠的語音通話接入，而且還使媒體網關設計人員能夠設計出滿足多種不同目的的設備——這種情況通常會給雙方帶來成本效益。

IP 語音 (VoIP) 已成為有線和無線電信設備制造商增長快的應用之一。VoIP 不僅為終用戶提供了經濟實惠的語音通話接入，而且還使媒體網關設計人員能夠設計出滿足多種不同目的的設備——這種情況通常會給雙方帶來成本效益。
如果是網絡電話、 然而，事實恰恰相反。隨著 VoIP 獲得越來越多的認可，設備制造商的利潤率因應用程序的競爭性質以及設計 IPPBX 和網絡的高成本而被化。多服務訪問節(jié)點 (MSAN)在許多不同的通道密度下。工程成本不斷上升，產品價格不斷下降。
盡管許多公司已經設計了專有的硬件/軟件媒體網關解決方案，但他們必須做出妥協(xié)才能提供具有成本競爭力的產品。因此，大多數 VoIP 功能目前使用 DSP 技術來提供，但也面臨著一系列新的挑戰(zhàn)。
作為媒體網關或網絡電話交換機設計師們面臨著一項艱巨的任務，即在時間敏感、不斷變化的環(huán)境中將具有成本效益的產品推向市場，高科技的困境隨之而來：性能與功能。DSP技術的主要問題是找到性能和接口的完美平衡。
例如，設計人員經常發(fā)現，只有市場上非常高端的 DSP 才能支持他們復雜的應用/接口，包括SGMII 以太網或快速IO。
因此，當需要在大型系統(tǒng)中互連這些 DSP 時，通常會使用現場可編程門陣列 (FPGA) 將設備粘合在一起并執(zhí)行諸如數據包傳輸背壓或數據包分類等功能。這就是可編程邏輯進入硬件設計的地方。
應用程序可移植性是使用可編程邏輯的 DSP 的關鍵價值之一。相同的底層媒體處理技術可以在多種應用領域實現性能結果，例如：
– 大型媒體網關
– IP PBX
– HMP 媒體服務器卸載
– MSAN / 接入設備
盡管所有 VoIP 應用程序的基本功能集可能相同，需要相同的編解碼器和語音質量功能列表，但每個應用程序所需的接口可能完全不同。
例如，專為基于主機的媒體處理 (HMP) 卸載而設計的 PCI 卡需要一個PCI Express 接口，而 aMSAN 可能需要一個輕量級接口來連接以太網 PHY 和T1/E1 幀器，以及板上各種組件的大量粘合邏輯。
對于設計人員而言，DSP 的優(yōu)點之一是其固有的能力，可以使解決方案變得，而不是現成的、一招多用的小馬。這種技術靈活性使設計人員能夠探索更具成本效益的做事方式，但他們通?？梢园l(fā)現他們受到 DSP 支持的限制。
這就是可編程邏輯“FPGA”提供額外增強功能的地方。例如，在 IP PBX 中，USB（而不是以太網）是低成本系統(tǒng)的理想互連方式。
USB 集線器設備不僅在設計上可熱插拔，而且比以太網交換機更便宜、更簡單，這意味著系統(tǒng)的基本成本更低。此外，隨著系統(tǒng)的發(fā)展，“尤其是基于刀片的系統(tǒng)，增量成本會降低，因為對于添加到系統(tǒng)中的每個處理刀片，都可以使用帶有 USB 接口的非常簡單、低成本的 RISC 處理器。
遺憾的是，提供給 VoIP 網關市場的大多數 DSP 不提供 USB 支持，使設計人員只能采用高成本的產品模型。令人高興的是 FPGA 供應商為此類接口提供了 IP 內核，從而允許更新、成本更低的創(chuàng)新。
在完美的世界中，媒體網關設計人員將能夠準確獲得所需的接口，而無需購買功能齊全的 DSP 所需的成本和副作用。但如今，大多數高端 DSP 都具有多個高速接口（其中許多是不需要的），并且具有非常大的封裝和非常多的引腳數。
這些大型封裝是密集球柵陣列 (BGA)，價格昂貴，并且需要具有大量層的印刷電路板 (PCB)，這些都會導致設計延遲。
盡管一些制造商嘗試將 FPGA 與 DSP 結合起來以實現設計涅槃——特別是在 DSP 接口被認為不足或需要定制的情況下——但這種解決方案可能有點過頭了。它增加了不必要的成本和電路板空間，只是為了糾正 DSP 中的缺陷。
將可編程邏輯（FPGA）添加到全功能 DSP 的方法是讓每個設備發(fā)揮其擅長的作用。在該方法中，DSP僅充當DSP。
物理封裝包含高性能、多核器件，并使用單個存儲器接口與 FPGA 進行通信（下圖 1）。在這種情況下，DSP 內部的接口沒有任何承載成本，從而將面積和功耗保持在限度。
DSP 供應商為每個主要應用提供交鑰匙 FPGA 設計，然后可以根據需要由 OEM 進行定制。所使用的 FPGA 可以是高端器件，也可以是非常小的低成本器件，具體取決于目標應用。

圖 1：連接 DSP 和 FPGA 的單個存儲器接口

在成本敏感、時間緊迫的市場中，FPGA/DSP 方法的優(yōu)勢是其靈活性。如有必要，FPGA 可以在現場重新編程。此外，FPGA 始終是每個新工藝節(jié)點發(fā)布的器件之一。
因此，它們始終支持具有功耗性能的 I/O 技術。隨著互連標準的不斷發(fā)展，可以非?？焖俚貙⒃O計重新定位到的結構，無論是 PCI Express、RapidIO 還是專有接口。
當設計人員評估新產品時，重要的是要考慮解決方案的總成本，而不是真空地總結每個設備的成本。DSP 和 FPGA 相結合的方法可節(jié)省許多成本。例如，有多種可用的以太網標準：MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII等。
在決定如何將多個 VoIP DSP 互連在一起時，硬件設計人員可以從大量以太網交換機 IC 中進行選擇，或者考慮 FPGA 解決方案。如果某個以太網交換機提供了理想的價格點，但不支持DSP提供的接口，那么必須使用更昂貴的交換機。
成本節(jié)省可以進一步擴展到電氣接口之外。例如，許多大型 OEM 使用專有標頭或標志來幫助對數據包流量進行分類。
使用 FPGA 前端，這變得微不足道，并且可以通過從 DSP 卸載某些任務來大大提高性能。這種類型的標頭操作由 FPGA 在硬件中完成。這提供了確定性的性能，并將設計控制權掌握在 OEM 手中。
媒體網關 DSP 通常包含一個 TDM 接口，該接口連接到時隙交換器 (TSI) 或 T1/E1 成幀器。通常，DSP 和這些基于 TDM 的設備或 TDM 背板之間已經存在 FPGA。
目前使用 FPGA 是因為需要定制邏輯，或者是因為 FPGA 提供更可靠的 I/O，可以承受背板上常見的高壓尖峰。這些 FPGA 任務現在可以合并到前端 FPGA 中，從而節(jié)省更多資金和電路板面積。
媒體網關應用正在以前所未有的速度出現。目前正在開發(fā)的 VoIP 產品可能需要在幾個月內適應視頻應用。其他應用“例如無線”也即將出現。
因此，使用 FPGA 前端的另一個主要優(yōu)勢是讓每天都面臨著想象未來任務的設計人??員的生活變得更加輕松。
當今的 DSP 制造商發(fā)布的產品具有針對細分市場的特定應用的功能集和接口。因此，很容易找到可以充當通用 TDM 到 VoIP 網關的 DSP。
然而，如果設計人員面臨構建高性能網真視頻 IP 會議單元的挑戰(zhàn)，那么 DSP 的選擇就非常有限。
在 DSP 之間傳遞壓縮或未壓縮視頻流所需的帶寬量是巨大的。為這個市場或任何其他新興市場尋找具有正確接口的 DSP 相當困難且成本高昂。
借助允許訪問 I/O 技術以及符合標準的 IP 模塊的 FPGA 前端，設計人員可以靈活地選擇正確的接口，而無需更改 DSP 軟件。在擁有大型 FPGA 團隊的組織中，設計人員可能會選擇開發(fā)專用接口來滿足當今客戶的需求并提供競爭優(yōu)勢。
價格壓力增加和設計周期縮短等挑戰(zhàn)繼續(xù)困擾著媒體網關設計人員。然而，使用與 FPGA 緊密耦合的 DSP 的設計人員能夠準確獲得所需的接口，而無需增加成本或調試無用的 I/O 組。