FPGA将在4G系统中占重要地位

　　除了语音连接之外，数字蜂窝无线网络(如GSM和增强的GSM-EDGE)现在可以提供更高的数据传输速率，理论上可达到384kbps的限制。第三代移动网络(如CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA)目前正在范围内部署。这些系统提供视频流媒体，互联网浏览等业务服务，使用称为高速分组接入(HSPA)的技术，在理论上可以提供下行速率高达14.4Mbps。

　　未来基础设施的发展(泛称为4G系统)专注于以很低的成本提供更高的速度和更强的功能。在这一发展的前沿有两种技术： 3GPP LTE用于蜂窝/移动技术(通常简写为LTE)，以及针对宽带无线接入的WiMAX。 WiMAX已经赢得了早期进入市场的支持，但一些漫游和基站之间的切换问题依然存在。主要的蜂窝网络运营商支持LTE，将其作为未来的选择技术。这两个4G标准使用基于OFDM(正交频分调制)的通用空中接口标准以及MIMO天线网络。这些先进的技术能够使信号从更高的噪声阈值中恢复出来。

　　这些复杂且有时相互竞争的技术的共存，要求设备能够支持多种空中接口标准，并需要进行更复杂的基带处理。同时，这些系统必须提供足够的灵活性，以适应发展规划，满足未来所需的增加带宽的要求。为满足人们对绿色环保要求，这些设备还要求有更低的功率预算。

　　在第二代基站系统中，宏基站通常位于天线的下面，RF功率放大器紧靠基带和前置放大器。该系统的一个发展趋势是用于分布式基站。在这些系统中，基带处理独立于射频功率部分。从架构上讲，从宏基站移动到分布式基站系统(图1)，可以大大降低系统成本。此外，宏基站与天线的距离必须在150米之内，因为在电缆中会有50％的RF功率损失。这些设备更新和维护的成本很高，更好的解决办法是采用分布式远程无线网络，基带部分相距很远，带有射频功率放大器的远程射频单元(RRU)可直接安装在天线杆上。通过光纤和标准接口如通用公共无线接口(CPRI)或开放式基站架构计划(OBSAI)，RRU单元可以链接到基带。

　　无线基础设施中的FPGA

　　可编程技术的特点是能够跟随基站设计的演进，因为通常设计在规范被完全批准之前就开始了。基站需要大量的ASIC器件，FPGA通常被用作接口和粘合逻辑：能够快速修正设计错误，或支持专门的DSP器件的功能。随着无线标准的演变，基站的复杂性也相应大大增加。FPGA也在不断发生变化，其性能和逻辑密度大大增加。工程师开始将FPGA用于更复杂的功能，例如数字下变频(DDC)和数字上变频(DUC)。针对在基站设计中的这些功能，FPGA提供的灵活性意味着现在FPGA成为设计过程中的重要元件。

　　LatticeECP3 FPGA拥有许多特性，如多个嵌入式DSP块、嵌入式存储器和SERDES功能。这些功能与无线系统的不断发展的需求紧密相关，因此它们得到了设计工程师的选用。FPGA的灵活性使工程师能快速修改设计，而不必等待使用另一个ASIC重新设计电路板，从而加快产品的上市时间。

　　远程无线单元/头

　　RRU功能包括一个具有数字信号处理功能的收发器卡、射频转换、功率放大器、双工器和低噪声放大器(LNA)的射频前端。收发器卡的设计往往是宽带的，在无线标准和工作频带之间有80~90％之间的元器件通用性。一个典型的单元如图2所示。

　　FPGA的可重构特性允许软件无线电(SDR)技术支持多种无线标准，如WCDMA、WiMAX以及通用基带的LTE。对于MIMO天线系统，该单元必须为每根天线提供一个发射器和接收器对。

　　下一代网络将比目前部署的网络运行的频率高得多，通常会超过2GHz，此外还需提供更高的数据传输率。主要的RRU设计问题是功耗和射频功率放大器的成本。大信号峰值平均功率比(PAPR)要求功率放大器传送的更大功率。虽然这种情况很少发生，但设计必须实现这个功能，这将导致更高的成本。射频晶体管在大功率时呈现非线性，将造成信号失真和带外发射。大信号峰值平均功率比和4G系统非线性的共同影响，可能导致功率放大器将只运行在其总输出功率的20~30％，整个效率只有10~15％。而GSM功率放大器的运行可达到100％利用率和高达70％效率。对于这个问题的解决办法，是在的功率放大器前预先处理这个信号。这种方式终使得放大的射频信号具有的性能。在这一过程中可以使用两种方法：振幅因子缩小(CFR)和数字预失真(DPD)。

　　波峰因子缩小工作原理是智能地限制功率放大器输入的波形振幅，因此产生峰值输出功率。这有效地降低了这个信号的PAPR，同时保持所需信号的度和频谱特性。在低功耗或微型基站中，如WiMAX或Picocell，可以采用它而无需DPD。

　　另一方面，通过应用一种使输入信号失真的方式，DPD能够使功率放大器线性化。这种方式考虑了功率放大器的传输特性，因此使任何信号失真无效，这是功率放大器的特性导致的。在射频输出功率大于1~2瓦的大功率系统中，它通常与CFR相结合。这些技术的使用特性和效果如图3所示。

　　在RRU中使用CFR 和 DPD技术，可以让系统工程师使用比采用其他技术更低成本的功率放大器。这两种方法都需要大量的DSP处理功能，以实现行必要的算法。重要的是，它们还要求一定的可适性，因为它们需要适应功率放大器传输特性的任何变化，这种变化可能发生在温度和时间变化的情况下。

　　RRU内远程无线处理器的合并是对这个问题的解决方案之一。传统上，ASIC被广泛用于蜂窝基站的设计，但是它们的设计周期长、固定成本高且不灵活，不适合仍在不断发展的市场。对于这个问题，分立的DSP处理器似乎是另一个解决方案，但分析表明，在多种标准的基站实现方面，它们也有局限性。另一方面，具有嵌入式DSP单元、SerDes功能和软处理器的FPGA在一个可重构的芯片中提供所有的功能。这个器件就是莱迪思半导体公司的ECP3。对任何带有SERDES功能的FPGA器件而言，这个FPGA具有业界的功耗和价格。该系列产品提供遵守XAUI抖动标准的多协议3.2G SERDES、DDR1/2/3存储器接口、功能强大的DSP功能和高密度的片上存储器。与带有SERDES功能的FPGA相比，所有这些功能只需竞争产品的一半功耗和一半价格。

　　不过，在选择FPGA时必须要认真考虑，以满足系统的物理和性能参数要求。获得实现RRU的关键功能的IP核，对整个系统的解决方案而言至关重要。作为IP合作伙伴计划的一部分，莱迪思公司与拥有丰富蜂窝无线系统经验的Affarii公司一起致力于该项工作。LatticeECP3 FPGA 与Affarii的IP结合在一起，提供了一个灵活的平台，可以在FPGA架构中组合构建RRU所需的所有IP模块。

　　针对发送和接收，RRU处理器的功能是多路复用和调制这个信号数据到射频载波。图4给出了莱迪思的IP和Affarii提供的IP。这些块用不同的颜色加以区别。

　　针对不同的具体应用，可以对CFR配置进行优化。载波配置的模拟可以决定的参数。在设计工具和文档提供了标准的系统配置，对于用户自己的应用，用户还可以创建自定义的配置，使用IP模型和有IP核的仿真环境。将CFR IP放置在LFE-70E FPGA中进行布局和布线，资源利用率如表1a所示。

　　通过针对功率放大器的特性来确定DPD工作的配置是的方法。DPD核本身支持诊断接口，以提供现场或测试源的数据分析。使用这个工具，可以实现放大器的非线性复杂特性，因此可以针对DPD决定的配置。因为它测量实时的放大器参数，这个过程还可突出显示在设计放大器时所需作出的改进。表1b给出了将DPD放置在Lattice LFE-70EP中进行布局和布线所需的资源。

　　该Affarii IP不仅包括了CFR和DPD功能，而且还有DUC、DDC和匹配引擎的功能，这是基站结构的重要组成部分。

　　由莱迪思提供的主要IP块是CPRI和OBSAI。这些是使用FPGA中带有的嵌入式SERDES功能的高速接口，连接远程基带至RRU。以太网MAC提供监测和控制系统的功能。设计师也可以选择使用LatticeMico32软微处理器用于RRH通用处理和控制，以减少元件的数量和节省成本。用先进的存储器接口和通用I / O(GPIO)接口可以完成该系统。

　　本文小结

　　FPGA现在已发展成为高度集成的器件，可以包括嵌入式ASIC类型的功能，提供增强的接口功能。软微处理器功能加上DSP处理器和嵌入式存储器，意味着在基站设计中使用的FPGA，将用一个可重构芯片提供功能核。可编程器件提供的优点将使产品能够更快地进入市场，灵活地适应新标准和不断发展的具有成本效益的标准。