適合無線應(yīng)用的FPGA

大量出現(xiàn)的無線應(yīng)用具有嚴(yán)格的功耗設(shè)計(jì)要求和低價(jià)格。除功耗和低價(jià)設(shè)計(jì)任務(wù)外，還有高數(shù)據(jù)率要求和符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師也需要保證最后產(chǎn)品的高性能和靈活性。

高數(shù)據(jù)率正在推動(dòng)無線蜂窩系統(tǒng)的發(fā)展，窄帶2G GSM IS-95系統(tǒng)和WCDM基3G和3.5G系統(tǒng)支持高達(dá)10Mbit/s峰值數(shù)據(jù)率。對(duì)于未來3GPP長期發(fā)展性能指標(biāo)，復(fù)雜信號(hào)處理技術(shù)(如MIMO-多輸入多輸出)以及新的無線電技術(shù)(如OFDMA-正交頻分多址)是實(shí)現(xiàn)吞吐量目標(biāo)超過100Mbit/s的關(guān)鍵。

其他的OFDM基寬帶無線系統(tǒng)，如WiMAX也得到發(fā)展，實(shí)現(xiàn)超過70Mbit/s傳輸速度。內(nèi)建覆蓋也是未來無線增長的關(guān)鍵，力圖采用微微和毫微微基站技術(shù)解決此問題。遠(yuǎn)程無線電頭是另1個(gè)出現(xiàn)的技術(shù)，能改善覆蓋范圍和降低成本和運(yùn)營費(fèi)用。研究預(yù)測(cè)到2011年每年飛蜂窩使用將達(dá)1900萬個(gè)。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

涌現(xiàn)出來的無線技術(shù)給OEM(原設(shè)備制造商)設(shè)計(jì)產(chǎn)品造成巨大的挑戰(zhàn)，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不僅僅是可縮放和經(jīng)濟(jì)的，而且跨越多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(WiMAX，WCDMA，CDMA2000)也是靈活的和再使用的。這些不同的標(biāo)準(zhǔn)最終促使選擇硬件平臺(tái)。

像微微基站這樣的系統(tǒng)明顯地需要較低的材料成本，通常為幾百歐元，而宏和微基站材料費(fèi)用幾千歐元。分析預(yù)測(cè)WiMAX CPE設(shè)備不久的將來會(huì)低于200歐元。因此，基礎(chǔ)硅必須具有低成本，大量生產(chǎn)的特性。

像微微基站和遠(yuǎn)程無線電關(guān)這樣的系統(tǒng)與宏和微基站相比具有相當(dāng)小的占位面積，通常安裝在層脊或桿上。由于小形狀因數(shù)和重量要求，所以這些系統(tǒng)在基礎(chǔ)硬件中對(duì)熱功率有嚴(yán)格的限制，通常不包含強(qiáng)力空氣流或冷卻風(fēng)扇。

靈活的性能

WiMAX是1個(gè)相當(dāng)新的市場(chǎng)，現(xiàn)在處于初期開發(fā)和使用階段。同樣地，規(guī)定3GPPLTE。具有靈活性和可編程性的產(chǎn)品對(duì)于能使干擾固定并能提供標(biāo)準(zhǔn)不可知或多協(xié)議基站方案是必須的，而在末端產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用ASIC是不可能做到的。具有這種靈活性的系統(tǒng)顯著地降低無線基礎(chǔ)設(shè)施OEM和運(yùn)營商的成本和運(yùn)營費(fèi)用。

WiMAX寬帶無線系統(tǒng)比W-CDMA和CDMA2000蜂窩系統(tǒng)有更高的吞吐量和數(shù)據(jù)率要求。為了支持高數(shù)據(jù)率，基礎(chǔ)硬件平臺(tái)必須具有寬處理帶寬。另外，幾種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和前端功能是計(jì)算密集的，需要每秒幾百萬MAC(聚和累加) 運(yùn)算。軟件可編程DSP單元不具備針對(duì)這些性能要求的處理帶寬。

FPGA方案

FPGA提供大量存儲(chǔ)器、可編程邏輯密度和數(shù)字信號(hào)處理能力，能實(shí)現(xiàn)非常高級(jí)功能。FPGA所提供的性能提供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)師所需的構(gòu)建單元，以滿足當(dāng)今低成本、功率敏感的應(yīng)用。

Altera公司的CycloneⅢ FPGA具有大量乘法器陣列和并行處理能力，與現(xiàn)成DSP相比，它具有更高的性能和更低的成本。

可以用FPGA實(shí)現(xiàn)微微基站中各種功能(圖1)�；�站PHY功能可大致地歸納為位級(jí)和符號(hào)級(jí)處理功能。下面概述這些功能和如何用FPGA實(shí)現(xiàn)位級(jí)和符號(hào)級(jí)功能。

位級(jí)處理

位級(jí)單元包括在發(fā)射端的隨機(jī)選擇、FEC(前向糾錯(cuò))、交織、到QPSK(正交相移鍵控)變換和QAM(正交幅度調(diào)制)。相應(yīng)的接收處理位級(jí)單元是符號(hào)反變換、反交織、FEC譯碼和反隨機(jī)選擇。除FEC譯碼外的所有位級(jí)功能都是相對(duì)直接的、不是計(jì)算密集的。

在軟件可編程DSP器件上執(zhí)行FEC譯碼功能是計(jì)算密集的并耗散大量帶寬。FPGA廣泛用于脫載這些功能和解脫DSP帶寬來執(zhí)行其他功能(見圖2)。FPGA也可以用到MAC層的接口并完成一些較低的MAC功能。低成本、存儲(chǔ)器豐富的FPGA非常適合于執(zhí)行這種DSP協(xié)處理。

符號(hào)級(jí)處理

OFDMA系統(tǒng)中的符號(hào)級(jí)功能包括子信道選擇和解子信道選擇，信道判斷，均衡和循環(huán)前綴插入和分離功能，時(shí)間—頻率域和頻率—時(shí)間域變換分別用FET和IFFT實(shí)現(xiàn)。它們是通用的數(shù)據(jù)通路功能(涉及到非常高速的復(fù)乘法)，非常適合于用FPGA實(shí)現(xiàn)。CycloneⅢ FPGA中的豐富M9K存儲(chǔ)器單元和乘法器為DL和UL DFDMA引擎提供1個(gè)成本最佳實(shí)現(xiàn)方案。

OFDM-MIMO結(jié)合是現(xiàn)在和將來WiMAX系統(tǒng)具有較高數(shù)據(jù)率的關(guān)鍵因素。多天線方法提供各種好處，包括較高的數(shù)據(jù)率、陣列增益、分集增益和同信道干擾抑制。聚束和空間多路復(fù)用MIMO技術(shù)也是計(jì)算密集的，包括矩陣分解和乘法。

特別是，Cholesky分解、QR分解和奇數(shù)值分解函數(shù)在這些系統(tǒng)中解線性方程組是有用的。這些函數(shù)使DSP力不從心，但很適合于FPGA用著名的心縮式陣列結(jié)構(gòu)，發(fā)揮FPGA平行性能，提供1個(gè)更經(jīng)濟(jì)的方案。

數(shù)字IF處理

數(shù)字IF擴(kuò)展了DSP范圍，超出基帶到

RF域。這增加系統(tǒng)的靈活性，并降低了制造成本。此外，數(shù)字頻率變換比傳統(tǒng)的借助衰減和選擇的模擬技術(shù)有更大的靈活性和更高的性能。

類似于數(shù)字上變頻(DUC)，在接收端需要數(shù)字下變頻(DDC)把IF頻率降到基帶。DUC和DDC都采用復(fù)雜的濾波器結(jié)構(gòu)，包括FIR(有限脈沖響應(yīng))和CIC(級(jí)聯(lián)積分器—梳狀)濾波器。先進(jìn)的帶幾百個(gè)18×18乘法器的FPGA為并行處理多信道提供1個(gè)理想平臺(tái)。典型的WiMAX DUC和DDC結(jié)構(gòu)和規(guī)范是單信道IQ時(shí)分復(fù)用DUC和單信道IQ時(shí)分復(fù)用DDC(見圖3)。