无线基站中的FPGA和DSP组合(07-100)

　　降低成本的路径

　　对于OEM和服务供应商来讲，为了保持竞争力，最终产品的成本比灵活性更重要。在样机设计阶段选择正确的硬件平台，为生产制造提供无缝降低成本的路径，这会节省上百万工程成本。否则，需要重新设计系统。

　　系统结构的逻辑任务分配

　　控制、信号处理和数据通路运行构成无线基站中处理负载的主体。实现这些功能的最通用方法是采用微控制器(MCU)、FPGA和可编程DSP的组合。MCU控制系统、而FPGA和DSP控制数据流处理。DSP软件实现系统的轻载处理要求和定向控制任务。重载最好的实现方法是用FPGA，因为FPGA具有很强的并行处理能力。

　　组合的DSP和FPGA确保整个系统的灵活性，并提供重新可编程性以确定系统缺陷，而且支持不同的标准。DSP和FPGA之间的分配策略依赖于处理要求、系统带宽、系统配置、发射和接收天线数。图1示出OFDMA基系统(如WiMAX或LTE)中基带物理层(PHY)功能的典型DSP/FPGA分配。

　　包含先进的多天线技术，这类系统所提供的吞吐量可达到75~100MPS。基带PHY功能可大致分为位级(bit-level)处理和符号级(Symbol-level)处理功能。

　　位级处理

　　位级处理单元包括发射端的随机化、前向纠错(FEC)、到四相相移键控(QPSK)和正交调幅(QAM)功能的交织和变换。相应的接收处理位级单元包括符号解变换、解交织、FEC解码和解随机性。

　　除FEC译码外的所有位级功能都是相当简单的，而且计算不是密集的。例如，随机性包含数据位的模2加法(借助简单伪随机二进制时序产生器输出)。尽管FPGA比固定总线宽度的DSP能为位级处理提供更大的灵活性。但是，低计算复杂性允许DSP处理这些功能。相比，FEC译码包括Viterbi译码、Turbo卷积译码、Turbo乘积译码和LDPC译码是计算密集的，而且DSP处理时会消耗有效带宽。

　　FPGA广泛用于卸载这些功能。同样FPGA也可用到MAC层的接口，以实现一定的较低MAC功能(如加密/解密和鉴别)。

　　符号级处理

　　OFDMA中的符号级功能包括子信道化和解子信道化、信道判断、均衡和循环前缀插入以及消除功能。时间—频率变换和频率—时间变换，分别用于FFT和IFFT实现。

　　信道判断和均衡可以离线执行，这涉及更多有关控制算法，适合用DSP实现。相反，FFT和IFFT功能是规则的数据通路功能，这包括非常高速下的复杂乘法，适合于用FPGA实现。

　　图2示出包含在高端FPGA(Altera公司StratixⅡ器件)内的嵌入式DSP单元。DSP处理器通常有多达8个专用乘法器，而StratixⅡ器件有多达384专用乘法器，提供的吞吐量高达346GMAC，这比现有的DSP高出一个量级。

　　当基站采用先进的多天线技术(如空时编码STC，聚束和MIMO方法)，FPGA和DSP间信号处理能力的巨大差别更加明显。OFDM-MIMO组合被广泛认为是现在和将来WiMAX和LTE无线系统较高数据率的关键促进因素。

　　图1示出应用在基站中的多发送和接收天线。在这种配置中，对于每个天线流的符号处理是单独实现，在MIMO译码执行前产生单个位级数据流。在串行状态用DSP实现操作时，符号级复杂性随天线数线性增加。例如，用两个发送和两个接收天线时，FFT和IFFT功能消耗1GHz DSP近60%(假设变换大小是2048点)。相反，用FPG实现多天线基计算是非常有效的。FPGA提供并行处理和时间多路转换来自多路天线间数据。

　　多天线方法提供较高的数据率、阵列增益、分集增益和同信道干扰抑制。聚束和空间多路传输MIMO技术也是计算密集的，涉及矩阵分解和相乘。特别的Cholesky分解，QR分解和奇异值分解功能通常是解线性方程组。当这些功能很快用尽DSP能力时，而FPGA很适合实现这些功能。利用FPGA的并行性，采用更加成效的心缩式阵列结构方案。

　　数字IF处理

　　图3示出来自基带信道极的数据，送到RF板进行数字中频处理，包括数字上变频(DUC)、CFR和DPD。数字IF扩展了基带域到天线范围之外的数字信号处理。这增加了系统灵活性，并降低了制造成本。此外，数字频率变换比传流的模拟技术，能提供更大的灵活性和更高的性能(在衰减和选择性方面)。

　　需要CFR和DPD功能来改善用在基站中放大器效率。这些功能也有助于大大降低RF板的总成本。CFR和DPD包含复杂的乘法，取样率可高达100MSPS以上。类似于DUC，在接收端需要数字下变频(DDC)把IF频率变为基频。DUC和DDC都采用复杂的滤波器结构，包括有限脉冲响应(FIR)和级联积分梳状(CIC)滤波器。先进的FPGA提供运行速度高达350MHz的数百个18×18乘法器。这不仅提供并行处理多信道的平台，而且也是一个经济集成单芯片方案。