FPGA將在4G系統(tǒng)中占重要地位

除了語(yǔ)音連接之外，數(shù)字蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(如GSM和增強(qiáng)的GSM-EDGE)現(xiàn)在可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，理論上可達(dá)到384kbps的限制。第三代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(如CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA)目前正在全球范圍內(nèi)部署。這些系統(tǒng)提供視頻流媒體，互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等業(yè)務(wù)服務(wù)，使用稱(chēng)為高速分組接入(HSPA)的技術(shù)，在理論上可以提供下行速率高達(dá)14.4Mbps。

未來(lái)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展(泛稱(chēng)為4G系統(tǒng))專(zhuān)注于以很低的成本提供更高的速度和更強(qiáng)的功能。在這一發(fā)展的前沿有兩種技術(shù)： 3GPP LTE用于蜂窩/移動(dòng)技術(shù)(通常簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)TE)，以及針對(duì)寬帶無(wú)線接入的WiMAX。 WiMAX已經(jīng)贏得了早期進(jìn)入市場(chǎng)的支持，但一些漫游和基站之間的切換問(wèn)題依然存在。主要的蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商支持LTE，將其作為未來(lái)的選擇技術(shù)。這兩個(gè)4G標(biāo)準(zhǔn)使用基于OFDM(正交頻分調(diào)制)的通用空中接口標(biāo)準(zhǔn)以及MIMO天線網(wǎng)絡(luò)。這些先進(jìn)的技術(shù)能夠使信號(hào)從更高的噪聲閾值中恢復(fù)出來(lái)。

這些復(fù)雜且有時(shí)相互競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)的共存，要求設(shè)備能夠支持多種空中接口標(biāo)準(zhǔn)，并需要進(jìn)行更復(fù)雜的基帶處理。同時(shí)，這些系統(tǒng)必須提供足夠的靈活性，以適應(yīng)發(fā)展規(guī)劃，滿(mǎn)足未來(lái)所需的增加帶寬的要求。為滿(mǎn)足人們對(duì)綠色環(huán)保要求，這些設(shè)備還要求有更低的功率預(yù)算。

在第二代基站系統(tǒng)中，宏基站通常位于天線的下面，RF功率放大器緊靠基帶和前置放大器。該系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是用于分布式基站。在這些系統(tǒng)中，基帶處理獨(dú)立于射頻功率部分。從架構(gòu)上講，從宏基站移動(dòng)到分布式基站系統(tǒng)(圖1)，可以大大降低系統(tǒng)成本。此外，宏基站與天線的距離必須在150米之內(nèi)，因?yàn)樵陔娎|中會(huì)有50％的RF功率損失。這些設(shè)備更新和維護(hù)的成本很高，更好的解決辦法是采用分布式遠(yuǎn)程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，基帶部分相距很遠(yuǎn)，帶有射頻功率放大器的遠(yuǎn)程射頻單元(RRU)可直接安裝在天線桿上。通過(guò)光纖和標(biāo)準(zhǔn)接口如通用公共無(wú)線接口(CPRI)或開(kāi)放式基站架構(gòu)計(jì)劃(OBSAI)，RRU單元可以鏈接到基帶。

無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施中的FPGA

可編程技術(shù)的特點(diǎn)是能夠跟隨基站設(shè)計(jì)的演進(jìn)，因?yàn)橥ǔＴO(shè)計(jì)在規(guī)范被完全批準(zhǔn)之前就開(kāi)始了。基站需要大量的ASIC器件，F(xiàn)PGA通常被用作接口和粘合邏輯：能夠快速修正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，或支持專(zhuān)門(mén)的DSP器件的功能。隨著無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的演變，基站的復(fù)雜性也相應(yīng)大大增加。FPGA也在不斷發(fā)生變化，其性能和邏輯密度大大增加。工程師開(kāi)始將FPGA用于更復(fù)雜的功能，例如數(shù)字下變頻(DDC)和數(shù)字上變頻(DUC)。針對(duì)在基站設(shè)計(jì)中的這些功能，F(xiàn)PGA提供的靈活性意味著現(xiàn)在FPGA成為設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要元件。

LatticeECP3 FPGA擁有許多特性，如多個(gè)嵌入式DSP塊、嵌入式存儲(chǔ)器和SERDES功能。這些功能與無(wú)線系統(tǒng)的不斷發(fā)展的需求緊密相關(guān)，因此它們得到了設(shè)計(jì)工程師的選用。FPGA的靈活性使工程師能快速修改設(shè)計(jì)，而不必等待使用另一個(gè)ASIC重新設(shè)計(jì)電路板，從而加快產(chǎn)品的上市時(shí)間。

遠(yuǎn)程無(wú)線單元/頭

RRU功能包括一個(gè)具有數(shù)字信號(hào)處理功能的收發(fā)器卡、射頻轉(zhuǎn)換、功率放大器、雙工器和低噪聲放大器(LNA)的射頻前端。收發(fā)器卡的設(shè)計(jì)往往是寬帶的，在無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)和工作頻帶之間有80~90％之間的元器件通用性。一個(gè)典型的單元如圖2所示。

FPGA的可重構(gòu)特性允許軟件無(wú)線電(SDR)技術(shù)支持多種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，如WCDMA、WiMAX以及通用基帶的LTE。對(duì)于MIMO天線系統(tǒng)，該單元必須為每根天線提供一個(gè)發(fā)射器和接收器對(duì)。

下一代網(wǎng)絡(luò)將比目前部署的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的頻率高得多，通常會(huì)超過(guò)2GHz，此外還需提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率。主要的RRU設(shè)計(jì)問(wèn)題是功耗和射頻功率放大器的成本。大信號(hào)峰值平均功率比(PAPR)要求功率放大器傳送的更大功率。雖然這種情況很少發(fā)生，但設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，這將導(dǎo)致更高的成本。射頻晶體管在大功率時(shí)呈現(xiàn)非線性，將造成信號(hào)失真和帶外發(fā)射。大信號(hào)峰值平均功率比和4G系統(tǒng)非線性的共同影響，可能導(dǎo)致功率放大器將只運(yùn)行在其總輸出功率的20~30％，整個(gè)效率只有10~15％。而GSM功率放大器的運(yùn)行可達(dá)到100％利用率和高達(dá)70％效率。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解決辦法，是在最后的功率放大器前預(yù)先處理這個(gè)信號(hào)。這種方式最終使得放大的射頻信號(hào)具有最佳的性能。在這一過(guò)程中可以使用兩種方法：振幅因子縮小(CFR)和數(shù)字預(yù)失真(DPD)。

波峰因子縮小工作原理是智能地限制功率放大器輸入的最大波形振幅，因此產(chǎn)生峰值輸出功率。這有效地降低了這個(gè)信號(hào)的PAPR，同時(shí)保持所需信號(hào)的精確度和頻譜特性。在低功耗或微型基站中，如WiMAX或Picocell，可以采用它而無(wú)需DPD。

另一方面，通過(guò)應(yīng)用一種使輸入信號(hào)失真的方式，DPD能夠使功率放大器線性化。這種方式考慮了功率放大器的傳輸特性，因此使任何信號(hào)失真無(wú)效，這是功率放大器的特性導(dǎo)致的。在射頻輸出功率大于1~2瓦的大功率系統(tǒng)中，它通常與CFR相結(jié)合。這些技術(shù)的使用特性和效果如圖3所示。