軟件無線電設(shè)計(jì)中ASIC、FPGA和DSP的選擇策略探討

ASIC、FPGA和DSP的應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)相互覆蓋的趨勢(shì)，使設(shè)計(jì)人員必須在軟件無線電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重新考慮器件選擇策略問題。本文從可編程性、集成度、開發(fā)周期、性能和功率五個(gè)方面論述了選擇ASIC、FPGA和DSP的重要準(zhǔn)則。

軟件無線電(SDR)結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為是基站開發(fā)的靈丹妙藥，而隨著其適應(yīng)新協(xié)議的能力不斷增強(qiáng)，軟件無線電結(jié)構(gòu)已被一些設(shè)計(jì)人員視為在單個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)中支持多種無線協(xié)議的重要解決方案。直到最近，軟件無線電仍然只是大多數(shù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的規(guī)劃藍(lán)圖而已，但這一局面正迅速得到改觀。隨著3G無線業(yè)務(wù)的日趨臨近，設(shè)計(jì)人員又對(duì)在基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)軟件無線電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

實(shí)現(xiàn)軟件無線電

傳統(tǒng)的無線基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)可采用ASIC、DSP和FPGA器件的組合加以實(shí)現(xiàn)。在這些設(shè)計(jì)中，ASIC和FPGA通常負(fù)責(zé)處理高級(jí)編碼機(jī)制，如Reed Solomon編碼、Viterbi編碼及Rake接收機(jī)，而DSP則負(fù)責(zé)語音編碼及其他語音處理任務(wù)。

在由傳統(tǒng)的無線架構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向軟件無線電設(shè)計(jì)的過程中，DSP、FPGA和ASIC之間的功能劃分也在發(fā)生變化。ASIC逐漸提供更多的可編程功能，而DSP和FPGA則開始具備ASIC的傳統(tǒng)處理功能，三者之間的界限正變得日益模糊。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)軟件無線電時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)已很難劃分ASIC、DSP和FPGA三者之間的功能界限?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)人員必須耗費(fèi)相當(dāng)多的精力來權(quán)衡下面一些問題：傳統(tǒng)上由ASIC實(shí)現(xiàn)的功能能否由FPGA或DSP更好地加以實(shí)現(xiàn)？或者傳統(tǒng)上由DSP實(shí)現(xiàn)的功能是否由FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn)更為合適？因此問題的核心是如何制訂出正確的選擇準(zhǔn)則并對(duì)每種處理方案進(jìn)行有效的評(píng)估。

準(zhǔn)則選取

在選擇任何準(zhǔn)則之前，有必要給出軟件無線電的精確定義。在底板各處，開發(fā)人員可為軟件無線電結(jié)構(gòu)的構(gòu)成給出許多不同的定義，但本文將采用軟件無線電論壇(www.sdrforum.org)的方法，將軟件無線電定義為“在較大頻率范圍內(nèi)，能對(duì)目前已有的以及將來會(huì)出現(xiàn)的諸多調(diào)制技術(shù)、寬帶及窄帶操作、通信安全功能(如跳頻)和信號(hào)波形等的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行軟件控制的無線電”。

歷史上，采用單個(gè)空間接口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的噴氣式飛機(jī)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字無線系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)在考慮成本的基礎(chǔ)上(見圖１)，使用了任意可編程器件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。而在軟件無線電中，無線電的每個(gè)主要功能器件(包括射頻收發(fā)器)都具備在空中進(jìn)行重配置以支持多種空間接口標(biāo)準(zhǔn)的特性。

可重配置特性要求軟件無線電改變?cè)O(shè)計(jì)人員需要考慮的準(zhǔn)則。由于純處理能力在當(dāng)前的2G無線環(huán)境中占據(jù)主導(dǎo)地位，可編程功能也逐漸成為軟件無線電設(shè)計(jì)應(yīng)用的焦點(diǎn)。

總之，當(dāng)選擇ASIC、FPGA或DSP時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮以下5個(gè)重要的選擇準(zhǔn)則。1. 可編程性：對(duì)于所有的目標(biāo)空間接口標(biāo)準(zhǔn)，器件均能重新配置以執(zhí)行所期望的功能。2. 集成度：在單個(gè)器件上集成多項(xiàng)功能，由此減小數(shù)字無線子系統(tǒng)的規(guī)格并降低硬件復(fù)雜度的能力。3. 開發(fā)周期：開發(fā)、實(shí)現(xiàn)及測(cè)試指定器件的數(shù)字無線功能的時(shí)間。4. 性能：器件在要求的時(shí)間內(nèi)完成指定功能的能力。5. 功率：器件完成指定功能的功率利用率。

上述準(zhǔn)則中的任何一條都會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)人員選擇DSP、ASIC或FPGA產(chǎn)生直接影響。

可編程性

DSP和FPGA可輕易地進(jìn)行重配置，以實(shí)現(xiàn)軟件無線電設(shè)計(jì)的各種功能?，F(xiàn)有的通信ASIC雖然可以較低的成本提供更好的性能，但提供的可編程能力非常有限。

問題的關(guān)鍵是，在諸多的無線ASIC中是否有一種適合于特定要求的數(shù)字無線產(chǎn)品。在純軟件無線電結(jié)構(gòu)中，顯然沒有一種ASIC具有這樣的功能，但實(shí)際上也只有很少的數(shù)字無線設(shè)計(jì)需要這樣高的靈活性。因此軟件無線電產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵步驟就是確定系統(tǒng)每項(xiàng)功能所需的可編程特性，并確定現(xiàn)有的ASIC是否可以提供這項(xiàng)功能。

確定器件的處理功能可通過既支持W-CDMA也支持GSM的基站收發(fā)器結(jié)構(gòu)來說明。由于W-CDMA采用了擴(kuò)頻通信技術(shù)，因此許多用戶可共享一條射頻(RF)信道。在上行鏈路1,920至1,980MHz之間和下行鏈路2,110至2,170 MHz之間，W-CDMA信號(hào)在每條信道中占據(jù)5MHz的帶寬。

另一方面，在GSM系統(tǒng)的每條射頻信道中，窄帶TDMA技術(shù)一般只支持8個(gè)用戶。在上行鏈路890至915MHz之間和下行鏈路935至960MHz之間，窄帶TDMA的每條信道占據(jù)200kHz帶寬。

為了在軟件無線電結(jié)構(gòu)中有效地兼顧上述標(biāo)準(zhǔn)間的差異，中頻(IF)處理器的數(shù)字上行轉(zhuǎn)換器和下行轉(zhuǎn)換器都必須提供可編程的信道選擇、濾波器配置和采樣比調(diào)節(jié)。Intersil、Graychip和Analog Devices公司的新型多標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字收發(fā)器ASIC均可提供許多可編程特性。