FPGA和DSP组合在无线基站中的应用

　　在自动控制产品中，CPD+DSP+MCU的构架是目前为流行的成熟方案，而在通讯产品中，大量使用FPGA设计，合理使用FPGA和DSP的组合，FPGA和DSP之间的“智能配分”可使无线系统设计师获得性能组合和成本。对于无线基站，FPGA和DSP可编程逻辑的系统配分，可促使更大的产品设计和市场成功率。

　　更高数据率的需求正在驱使无线蜂窝系统从窄带2G GSM，IS-95系统到W-CDMA基3G和3.5G系统变革。另外的OFDM基宽带无线系统，如WiMAX现在传输速度超过70Mbps。靠较的调制技术和变速率信道编码可以实现数据率的改善。复杂的空间信号处理方法也是增加数据率的办法。然而，这种技术对基站设计师所产生的问题是：需要可缩放性、成本、效率和跨越多个标准的灵活性。

　　基站（BS）即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在有限的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。基站是移动通信中组成蜂窝小区的基本单元，完成移动通信网和移动通信用户之间的通信和管理功能。广义的基站，是基站子系统（BSS，Base Station Subsystem）的简称。以GSM网络为例，包括基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC）。一个基站控制器可以控制十几以至数十个基站收发信机。而在WCDMA等系统中，类似的概念称为NodeB和RNC。狭义的基站，即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。

　　多可变目标

　　无线系统设计师需要满足大量关键技术要求，包括处理速度、灵活性、产品上市时间。所有这些要求决定对硬件平台的选择。主要的变量包括处理带宽、灵活性和降低成本的路径。

　　处理带宽

　　WiMAX与W-CDMA和CDM2000蜂窝系统相比，明显地具有较高的吞吐量和数据要求。为了支持这些较高的数据率，基础硬件平台必须具有宽处理带宽。另外几种先进的信号处理技术，如快速傅里叶变换/快速傅里叶逆变换（FFT/IFFT）、聚束、MIMO、、数字预失真（DPD）都是计算密集的，需要每秒几百万乘和累加运算。

　　灵活性

　　WiMAX是一个相当新的市场，现正处于开发和采用阶段。现在仍然不清楚在这很多移动宽带技术（WiMAX，Wibrow，Super3G，LTE，Ultra3G等）中，哪一种将被大量采用。

　　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，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。实现这些功能的通用方法是采用微控制器（MCU）、FPGA和可编程DSP的组合。DSP软件实现系统的轻载处理要求和定向控制任务。重载的实现方法是用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基系统中基带物理层（PHY）功能的典型DSP/FPGA分配。

　　图1 OFDMA系统中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。

　　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、均衡及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，可以用DSP实现。相反，FFT与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，可用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。

　　图2 FPGA中的嵌入式DSP单元

　　当基站采用先进的多天线技术，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。

　　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。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。

　　图3 数字RF处理功能

　　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。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。

　　有效的设计方法

　　随着标准的稳定，对基站灵活性的要求将降低，而成本变为一个主要的成功因素。选择FPGA将会大大地节省成本。

　　混合FPGA/DSP基平台，为无线基站提供一种有效的设计方法。产品成功的关键是根据系统吞吐量要求和成本考虑在FPGA和DSP之间进行合理分配。这将保证产品终不仅仅只是可缩放的和经济的，而且灵活、可配置适合多个标准。