高效FPGA乘法器在無線基站中的使用

　　上變頻/下變頻概述

　　如圖2中上半部分描述的那樣，DDC由以下器件組成：一個(gè)基于數(shù)控振蕩器(NCO)的I/Q分離器，它通過兩個(gè)混頻器將來自射頻部分的輸入信號(hào)用正弦和余弦波進(jìn)行調(diào)制；一個(gè)抽取部分，可以由3級(jí)FIR抽取濾波器或后接級(jí)聯(lián)積分梳狀(CIC)濾波器的FIR抽取濾波器進(jìn)行配置。

圖2：DDC/DUC結(jié)構(gòu)。

　　圖2中的DUC由以下器件組成：3級(jí)FIR內(nèi)插濾波器或后面接FIR內(nèi)插濾波器的CIC濾波器；一個(gè)基于NCO和兩個(gè)混頻器的I/Q混頻器，其在I、Q輸出信號(hào)到達(dá)射頻部分前對(duì)它們進(jìn)行解調(diào)。請(qǐng)記住，抽取用于采樣刪除以達(dá)到較低的采樣率，而內(nèi)插用于增加外推樣本以提高采樣率。

　　變頻器的通用實(shí)現(xiàn)指南

　　DDC/DUC系統(tǒng)是一個(gè)需要大量乘法器的系統(tǒng)。抽取和內(nèi)插濾波器通常由乘法器和加法器陣列實(shí)現(xiàn)，而混頻功能就是一個(gè)乘法器。利用面積優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)NCO要基于使用復(fù)數(shù)乘法器的相移。

　　克服需要大量乘法器的系統(tǒng)所帶來的挑戰(zhàn)首先是要分解和級(jí)聯(lián)濾波器：

　　1. 一個(gè)抽取/內(nèi)插系數(shù)為N的大型FIR抽取濾波器或FIR內(nèi)插濾波器可以分解成兩個(gè)或三個(gè)抽取/內(nèi)插系數(shù)分別為N1、N2和N3的較小、較簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)濾波器。抽取/內(nèi)插系數(shù)滿足以下等式：

　　E8: N＝N1*N2*N3

　　2. 將FIR抽取濾波器或FIR內(nèi)插濾波器分解成兩個(gè)或三個(gè)獨(dú)立濾波器可以減少實(shí)現(xiàn)整個(gè)濾波器所需的抽頭總數(shù)。抽取或內(nèi)插系數(shù)為N的單個(gè)濾波器需要大量的抽頭(乘法器)才能滿足基本的濾波器衰減和噪聲特性要求。將濾波器分解成兩個(gè)或三個(gè)更小和更簡(jiǎn)單的濾波器可以減少整個(gè)濾波系統(tǒng)的抽頭數(shù)量。另外，第二和第三級(jí)聯(lián)濾波器的較低采樣率可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間復(fù)用，從而進(jìn)一步縮小實(shí)現(xiàn)的尺寸。

　　當(dāng)濾波器階數(shù)確定好后，還可以采取多種措施減少實(shí)際濾波器中的乘法器數(shù)量。下面將對(duì)此進(jìn)行介紹。

表1：可減少WiMax系統(tǒng)設(shè)計(jì)中乘法器數(shù)量的四種技術(shù)。

　　三種專用于變頻器的乘法器節(jié)省技術(shù)

　　1. 對(duì)稱抽取和內(nèi)插濾波器

　　系數(shù)對(duì)稱的DDC抽取濾波器和DUC內(nèi)插濾波器可以用來獲得最多50%的乘法器節(jié)省效果。在對(duì)稱條件下，n個(gè)抽頭的FIR濾波器系數(shù)h(0)、h(1)、…、h(n)滿足h(k)＝h(n－k){0≤k≤n}.

　　由于h(k)＝h(n－k)、h(k)與兩個(gè)相關(guān)樣本之和的乘積可以一次完成，因此所需乘法器的數(shù)量可以最多減少2倍(對(duì)于偶數(shù)個(gè)系數(shù))。在FPGA中，可以利用低成本的逐位進(jìn)位邏輯實(shí)現(xiàn)使用相同系數(shù)的兩個(gè)數(shù)據(jù)樣本的加法。

　　2. 通過分布式運(yùn)算功能并利用EBR存儲(chǔ)器塊實(shí)現(xiàn)FIR濾波器

　　對(duì)乘法器密集應(yīng)用(如DDC或DUC)來說，FPGA資源的高效使用特別重要。將存儲(chǔ)器和LUT結(jié)構(gòu)資源用作乘法器可以顯著提升實(shí)現(xiàn)效率。EBR和這種結(jié)構(gòu)的分布式存儲(chǔ)器可以用作使用分布式存儲(chǔ)器技術(shù)的FIR濾波器乘法器。分布式存儲(chǔ)器技術(shù)也被稱為軟乘法技術(shù)，使用這種技術(shù)通?？梢允?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA器件中的乘法器數(shù)量增加2到5倍。

　　從圖3可以看出如何使用EBR實(shí)現(xiàn)使用分布式算術(shù)技術(shù)的FIR濾波器。樣本被串行移位進(jìn)EBR地址總線。在EBR內(nèi)部有一個(gè)預(yù)計(jì)算的結(jié)果乘法表以及帶合適系數(shù)的各個(gè)輸入樣本比特(地址比特)總和。累加器將累加n個(gè)(n是樣本比特分辨率)中間結(jié)果，并在n個(gè)時(shí)鐘周期后提供完整的FIR濾波結(jié)果。

圖3：將塊存儲(chǔ)器用作FIR乘法器。

　　3. CIC濾波器使用加法器而不是乘法器

　　用CIC乘法器代替某些內(nèi)插/抽取FIR濾波器鏈部分是另一種減少實(shí)現(xiàn)所需乘法器數(shù)量的方法。CIC乘法器沒??/下變頻通常要求數(shù)百階的大范圍速率變化。高速率變化內(nèi)插或抽取濾波器在硬件方面非常昂貴。CIC濾波器也被稱為Hogenauer濾波器，可以用作低成本的高因數(shù)抽取或內(nèi)插濾波器。它們可以用來在數(shù)字系統(tǒng)中取得任意的和很大的速率變化，并能夠僅使用加法器和減法器高效實(shí)現(xiàn)。因?yàn)镕PGA有很快的進(jìn)位鏈用于實(shí)現(xiàn)加法器，因此CIC濾波器非常適合FPGA實(shí)現(xiàn)。積分器和梳狀濾波器的結(jié)構(gòu)與特性請(qǐng)參見表2。

        表2：梳狀濾波器和積分器的結(jié)構(gòu)與特性。

　　利用IP核實(shí)現(xiàn)變頻器和OFDM

　　用Lattice的FPGA實(shí)現(xiàn)DDC或DUC變頻器相當(dāng)簡(jiǎn)單，因?yàn)镕PGA提供了作為IP內(nèi)核使用的重要組成器件。將CIC濾波器用作數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)換中內(nèi)插器的應(yīng)用如圖4所示，它給出了用作數(shù)字無線應(yīng)用中的變頻器的CIC內(nèi)插器的使用。

圖4：用于數(shù)字無線電應(yīng)用的數(shù)字上變頻器。

　　數(shù)字上變頻器使用以下一些IP內(nèi)核配置：

　　1. FIR濾波器(63個(gè)抽頭的內(nèi)插濾波器)；

　　2. FIR濾波器(31個(gè)抽頭的內(nèi)插濾波器)；

　　3. CIC濾波器(速率在8到2K之間可編程的內(nèi)插CIC濾波器)；

　　4. NCO(帶正弦和余弦輸出的NCO)。

　　LatticeECP2/M的優(yōu)勢(shì)

　　LatticeECP2/M系列低成本FPGA具有多種與WiMax系統(tǒng)設(shè)計(jì)高度相關(guān)的高性能特性。在其他低成本FPGA系列器件中很難找到這些特性，而只能在昂貴的高端FPGA產(chǎn)品中才能找到：

　　1. 帶硬連線的乘法器、加法器/累加器模塊和管線級(jí)的高性能DSP模塊；

　　2. 速率高達(dá)3.125Gbps的SERDES收發(fā)器通道，支持無線電頭部和基帶數(shù)字板之間的CPRI和OBSAI接口；

　　3. 在LatticeECP2/M存儲(chǔ)器增強(qiáng)系列產(chǎn)品中數(shù)量眾多的18kB EBR存儲(chǔ)器塊；

　　4. 支持ADC/DAC接口的高速LVDS I/O，輸入和輸出速率均可高達(dá)840Mbps；

　　5. 低成本的LatticeECP2/M系列器件均可提供這些豐富和高性能的資源，而價(jià)格遠(yuǎn)低于其他FPGA器件。WiMax系統(tǒng)設(shè)計(jì)師還能使用多種設(shè)計(jì)技術(shù)減少所需DSP乘法器的數(shù)量，從而讓用戶有可能使用更小、更便宜的FPGA器件。