無線基站中的FPGA和DSP組合(07-100)

　　降低成本的路徑

　　對(duì)于OEM和服務(wù)供應(yīng)商來講，為了保持競爭力，最終產(chǎn)品的成本比靈活性更重要。在樣機(jī)設(shè)計(jì)階段選擇正確的硬件平臺(tái)，為生產(chǎn)制造提供無縫降低成本的路徑，這會(huì)節(jié)省上百萬工程成本。否則，需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯任務(wù)分配

　　控制、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)通路運(yùn)行構(gòu)成無線基站中處理負(fù)載的主體。實(shí)現(xiàn)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(tǒng)、而FPGA和DSP控制數(shù)據(jù)流處理。DSP軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕載處理要求和定向控制任務(wù)。重載最好的實(shí)現(xiàn)方法是用FPGA，因?yàn)镕PGA具有很強(qiáng)的并行處理能力。

　　組合的DSP和FPGA確保整個(gè)系統(tǒng)的靈活性，并提供重新可編程性以確定系統(tǒng)缺陷，而且支持不同的標(biāo)準(zhǔn)。DSP和FPGA之間的分配策略依賴于處理要求、系統(tǒng)帶寬、系統(tǒng)配置、發(fā)射和接收天線數(shù)。圖1示出OFDMA基系統(tǒng)(如WiMAX或LTE)中基帶物理層(PHY)功能的典型DSP/FPGA分配。

　　包含先進(jìn)的多天線技術(shù)，這類系統(tǒng)所提供的吞吐量可達(dá)到75~100MPS。基帶PHY功能可大致分為位級(jí)(bit-level)處理和符號(hào)級(jí)(Symbol-level)處理功能。

　　位級(jí)處理

　　位級(jí)處理單元包括發(fā)射端的隨機(jī)化、前向糾錯(cuò)(FEC)、到四相相移鍵控(QPSK)和正交調(diào)幅(QAM)功能的交織和變換。相應(yīng)的接收處理位級(jí)單元包括符號(hào)解變換、解交織、FEC解碼和解隨機(jī)性。

　　除FEC譯碼外的所有位級(jí)功能都是相當(dāng)簡單的，而且計(jì)算不是密集的。例如，隨機(jī)性包含數(shù)據(jù)位的模2加法(借助簡單偽隨機(jī)二進(jìn)制時(shí)序產(chǎn)生器輸出)。盡管FPGA比固定總線寬度的DSP能為位級(jí)處理提供更大的靈活性。但是，低計(jì)算復(fù)雜性允許DSP處理這些功能。相比，F(xiàn)EC譯碼包括Viterbi譯碼、Turbo卷積譯碼、Turbo乘積譯碼和LDPC譯碼是計(jì)算密集的，而且DSP處理時(shí)會(huì)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(shí)現(xiàn)一定的較低MAC功能(如加密/解密和鑒別)。

　　符號(hào)級(jí)處理

　　OFDMA中的符號(hào)級(jí)功能包括子信道化和解子信道化、信道判斷、均衡和循環(huán)前綴插入以及消除功能。時(shí)間—頻率變換和頻率—時(shí)間變換，分別用于FFT和IFFT實(shí)現(xiàn)。

　　信道判斷和均衡可以離線執(zhí)行，這涉及更多有關(guān)控制算法，適合用DSP實(shí)現(xiàn)。相反，F(xiàn)FT和IFFT功能是規(guī)則的數(shù)據(jù)通路功能，這包括非常高速下的復(fù)雜乘法，適合于用FPGA實(shí)現(xiàn)。

　　圖2示出包含在高端FPGA(Altera公司StratixⅡ器件)內(nèi)的嵌入式DSP單元。DSP處理器通常有多達(dá)8個(gè)專用乘法器，而StratixⅡ器件有多達(dá)384專用乘法器，提供的吞吐量高達(dá)346GMAC，這比現(xiàn)有的DSP高出一個(gè)量級(jí)。

　　當(dāng)基站采用先進(jìn)的多天線技術(shù)(如空時(shí)編碼STC，聚束和MIMO方法)，F(xiàn)PGA和DSP間信號(hào)處理能力的巨大差別更加明顯。OFDM-MIMO組合被廣泛認(rèn)為是現(xiàn)在和將來WiMAX和LTE無線系統(tǒng)較高數(shù)據(jù)率的關(guān)鍵促進(jìn)因素。

　　圖1示出應(yīng)用在基站中的多發(fā)送和接收天線。在這種配置中，對(duì)于每個(gè)天線流的符號(hào)處理是單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，在MIMO譯碼執(zhí)行前產(chǎn)生單個(gè)位級(jí)數(shù)據(jù)流。在串行狀態(tài)用DSP實(shí)現(xiàn)操作時(shí)，符號(hào)級(jí)復(fù)雜性隨天線數(shù)線性增加。例如，用兩個(gè)發(fā)送和兩個(gè)接收天線時(shí)，F(xiàn)FT和IFFT功能消耗1GHz DSP近60%(假設(shè)變換大小是2048點(diǎn))。相反，用FPG實(shí)現(xiàn)多天線基計(jì)算是非常有效的。FPGA提供并行處理和時(shí)間多路轉(zhuǎn)換來自多路天線間數(shù)據(jù)。

　　多天線方法提供較高的數(shù)據(jù)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(shù)也是計(jì)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(dāng)這些功能很快用盡DSP能力時(shí)，而FPGA很適合實(shí)現(xiàn)這些功能。利用FPGA的并行性，采用更加成效的心縮式陣列結(jié)構(gòu)方案。

　　數(shù)字IF處理

　　圖3示出來自基帶信道極的數(shù)據(jù)，送到RF板進(jìn)行數(shù)字中頻處理，包括數(shù)字上變頻(DUC)、CFR和DPD。數(shù)字IF擴(kuò)展了基帶域到天線范圍之外的數(shù)字信號(hào)處理。這增加了系統(tǒng)靈活性，并降低了制造成本。此外，數(shù)字頻率變換比傳流的模擬技術(shù)，能提供更大的靈活性和更高的性能(在衰減和選擇性方面)。

　　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(fù)雜的乘法，取樣率可高達(dá)100MSPS以上。類似于DUC，在接收端需要數(shù)字下變頻(DDC)把IF頻率變?yōu)榛l。DUC和DDC都采用復(fù)雜的濾波器結(jié)構(gòu)，包括有限脈沖響應(yīng)(FIR)和級(jí)聯(lián)積分梳狀(CIC)濾波器。先進(jìn)的FPGA提供運(yùn)行速度高達(dá)350MHz的數(shù)百個(gè)18×18乘法器。這不僅提供并行處理多信道的平臺(tái)，而且也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)集成單芯片方案。