無線基站中的FPGA和DSP組合(07-100)

Mixing it with FPGAs and DSPs in wireless basestations

作者：時間：2009-03-02

關鍵詞：FPGADSP

　　FPGA和DSP之間的“智能配分”可使無線系統(tǒng)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，組合有DSP可編程邏輯的系統(tǒng)配分，可促使更大的產(chǎn)品設計和市場成功率。
　　更高數(shù)據(jù)率的需求正在驅(qū)使無線蜂窩系統(tǒng)從窄帶2G GSM，IS-95系統(tǒng)到W-CDMA基3G和3.5G系統(tǒng)(支持高達10Mbps峰值數(shù)據(jù)率)變革。將來，3Gpp遠期變革規(guī)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(xiàn)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(tǒng)，如WiMAX現(xiàn)在傳輸速度超過70Mbps。靠較高級的調(diào)制技術和變速率信道編碼可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)率的辦法。然而，這種技術對基站設計師所產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)相比，明顯地具有較高的吞吐量和數(shù)據(jù)要求。為了支持這些較高的數(shù)據(jù)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(shù)縮減(CFR)、數(shù)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(xiàn)正處于開發(fā)和采用階段。現(xiàn)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(xiàn)在，末端產(chǎn)品靈活性和可編程性對多協(xié)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(chǎn)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(chǎn)制造提供無縫降低成本的路徑，這會節(jié)省上百萬工程成本。否則，需要重新設計系統(tǒng)。
　　系統(tǒng)結構的邏輯任務分配
　　控制、信號處理和數(shù)據(jù)通路運行構成無線基站中處理負載的主體。實現(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軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的輕載處理要求和定向控制任務。重載最好的實現(xiàn)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(tǒng)的靈活性，并提供重新可編程性以確定系統(tǒng)缺陷，而且支持不同的標準。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。
　　包含先進的多天線技術，這類系統(tǒng)所提供的吞吐量可達到75~100MPS�；鶐�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(fā)射端的隨機化、前向糾錯(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(shù)據(jù)位的模2加法(借助簡單偽隨機二進制時序產(chǎn)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，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(xiàn)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(huán)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(xiàn)。
　　信道判斷和均衡可以離線執(zhí)行，這涉及更多有關控制算法，適合用DSP實現(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雜乘法，適合于用FPGA實現(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(xiàn)有的DSP高出一個量級。
　　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(xiàn)在和將來WiMAX和LTE無線系統(tǒng)較高數(shù)據(jù)率的關鍵促進因素。
　　圖1示出應用在基站中的多發(fā)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(xiàn)，在MIMO譯碼執(zhí)行前產(chǎn)生單個位級數(shù)據(jù)流。在串行狀態(tài)用DSP實現(xiàn)操作時，符號級復雜性隨天線數(shù)線性增加。例如，用兩個發(fā)送和兩個接收天線時，F(xiàn)FT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(xiàn)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(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(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構方案。
　　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擴展了基帶域到天線范圍之外的數(shù)字信號處理。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，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包含復雜的乘法，取樣率可高達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�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(lián)積分梳狀(CIC)濾波器。先進的FPGA提供運行速度高達350MHz的數(shù)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(jīng)濟集成單芯片方案。
有效的設計方法
　　隨著標準的穩(wěn)定，對基站靈活性的要求將降低，而成本變?yōu)橐粋�主要的成功因素。選擇FPGA將會大大地節(jié)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(chǎn)品成功的關鍵是根據(jù)系統(tǒng)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(chǎn)品最終不僅僅只是可縮放的和經(jīng)濟的，而且靈活、可配置適合多個標準。(彭京湘)

　　圖1 OFDMA系統(tǒng)中DSP/FPGA分配

　　圖2 FPGA中的嵌入式DSP單元

　

　圖3 數(shù)字RF處理功能