FPGA在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用

FPGA在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)場可編程門陳列(FPGA)芯片在許多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，特別是在無線通信領(lǐng)域里，由于具有極強的實時性和并行處理能力，使其對信號進行實時處理成為可能。本節(jié)不僅對FPGA技術(shù)在現(xiàn)有無線通信中的應(yīng)用領(lǐng)域作了詳細的分析，并對其在未來無線通信中的應(yīng)用發(fā)展作了展望。FPGA指的是現(xiàn)場可編程門陣列，它的基本功能模塊是由N輸入的查找表，存儲數(shù)據(jù)的觸發(fā)器和復路器等組成。在正確的設(shè)置下，這三個部分各司其職。查找表能夠通過對數(shù)據(jù)的讀取實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的任意布爾函數(shù);觸發(fā)器則用來存儲數(shù)據(jù)，如有限狀態(tài)機的狀態(tài)信息;復路器可以選擇不同的輸入信號進行組合，將查找表和觸發(fā)器用可編程的布線資源連接起來，可以實現(xiàn)不同的組合邏輯和時序邏輯。由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，它可以很容易地實現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點對于實現(xiàn)無線通信中的高速數(shù)字信號處理十分有利。因為在無線通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運算，而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作。而通過FPGA來實現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，就可以有效地實現(xiàn)這些乘和累加操作。目前，無線通信一方面正向話音和數(shù)據(jù)綜合的方向發(fā)展，另一方面迫切需要將移動技術(shù)綜合到手持PDA產(chǎn)品中去。因此，隨著無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，以及對更為完善的便攜式系統(tǒng)的期望，構(gòu)架系統(tǒng)模塊的處理器就必須更加地強有力。這一要求對無線通信的FPGA芯片市場提出了重要的挑戰(zhàn)，其中最重要的三個方面是FPGA的功耗、性能和成本。目前已有許多研究來平衡這三方面的要求，如利用系統(tǒng)芯片(SOC)可以將盡可能多的功能集成在一片F(xiàn)PGA芯片上或FPGA芯片集上，使其性能上具有速率高、功耗低;在成本上價格低廉;而且還可以降低復雜性，便于使用。特別是在無線通信領(lǐng)域里，SOC由于具有極強的實時性，使其對話音進行實時處理成為可能;由于它是通過面向芯片結(jié)構(gòu)的軟件編程來實現(xiàn)其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進系統(tǒng)原有設(shè)計方案或原有功能，因而具有極大的靈活性;又由于這種情況下的FPGA芯片并非專門為某種功能設(shè)計的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價格可以降到很低。所以FPGA將會越來越多地應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中，它的優(yōu)良性能將會促進無線通信的發(fā)展;而帶來的無線通信蓬勃發(fā)展又將會進一步促進FPGA技術(shù)的不斷進步。對于現(xiàn)有移動通信中的許多關(guān)鍵技術(shù)，如：CDMA技術(shù)，軟件無線電，多用戶檢測等技術(shù)都需要依靠高速、高性能的并行處理器來實現(xiàn)。隨著這些應(yīng)用的日益多樣化，F(xiàn)PGA已經(jīng)不再是一塊獨立的芯片，而演變成了構(gòu)件內(nèi)核。這使得設(shè)計師能選擇合適的內(nèi)核，與專用邏輯“膠結(jié)”在一起形成專用的FPGA方案，以滿足信號處理的需要。目前還出現(xiàn)把DSP核和FPGA集成在一起的芯片。FPGA芯片的一些具體應(yīng)用方面，如：用于實現(xiàn)語音合成，糾錯編碼，基帶調(diào)制解調(diào)，以及系統(tǒng)控制等功能;基于DSP核矢量編碼器用于將語音信號壓縮到有限帶寬的信道中;用來實現(xiàn)基帶調(diào)制解調(diào)功能;另外還有定時的恢復、自動增益和頻率控制、符號檢測、脈沖整形、以及匹配濾波器等。特別是對于其中的調(diào)制解調(diào)器，由于需要大量的復雜數(shù)學運算，并且對調(diào)制解調(diào)器的大小、重量、功耗特別關(guān)注，這就對FPGA的要求就更高，調(diào)制解調(diào)器的速度隨FPGA的速度的提高而不斷提高。FPGA在通信領(lǐng)域的應(yīng)用，大大改善了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的性能，也極大地推動了SOC的發(fā)展。但對于當今的移動通信設(shè)備，一片F(xiàn)PGA難以達到系統(tǒng)級處理的能力。比如現(xiàn)在的第三代移動通信，一片F(xiàn)PGA只能進行信源和信道方面的物理層處理，不能處理控制和高層信令。只有與另外的DSP或者CPU相結(jié)合才能完成整個任務(wù)。因此，基于DSP/CPU加FPGA的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品將成為未來的應(yīng)用熱點。隨著移動通信的寬帶GSM，CDMA標準的轉(zhuǎn)移和高速數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)對XDSL的要求，基于內(nèi)嵌DSP/CPU的FPGASOC將更有前途。專家指出，今后高速DSP/CPU加FPGA技術(shù)的發(fā)展趨勢，將是以系統(tǒng)芯片為核心，信息處理速度將達到每秒幾十億次乘加運算，因此，只有多系統(tǒng)芯片才能肩負此重任。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)與SOC技術(shù)融合在一起，成為新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)?；贒SP/CPU加FPGA的嵌入式系統(tǒng)不僅具有其他微處理器和單片機嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點和技術(shù)特性，而且還可能利用并行算法操作，具有更高速的數(shù)字信號處理能力，為實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性提供了更為有利的支持。DSP/CPU加FPGA系統(tǒng)必將成為現(xiàn)在以及未來無線通信技術(shù)的重要支柱。Xilinx公司的無線通信開發(fā)資源Xilinx公司為推動整個無線通信行業(yè)做出了積極貢獻，不僅是主要的通信器件供應(yīng)商，還積極地參與各類通信標準的制定，提供系統(tǒng)集成和完整的系統(tǒng)解決方案。Xilinx提供了針對RF數(shù)字前端(DFE)信號處理、基帶處理(包括前向糾錯(FEC)、傅立葉變換和自適應(yīng)調(diào)制)和先進接口等領(lǐng)域中無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的高性能、經(jīng)濟型解決方案，以及連接功能和橋接解決方案。Xilinx及其合作伙伴提供了以下全方位支持：參考設(shè)計和硬件平臺，來簡化高性能無線電和基帶處理功能的開發(fā)。靈活的、可升級解決方案，解決了不斷變化的標準的挑戰(zhàn)，如WCDMA、WiMAX、TD-SCDMA和LTE。IP和參考設(shè)計，支持最新的無線電、基帶和DSP連接功能標準，如CPRI、OBSAI和SRIO。業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的FEC解決方案，如高級Turbo編解碼器算法，提高了吞吐量，降低了延遲，并削減了單位通道的成本。全面的網(wǎng)絡(luò)解決方案，支持新的、低延遲、基站架構(gòu)和向全IP核與回程網(wǎng)絡(luò)過渡的開發(fā)。按功能和類型分，XilinxFPGA的應(yīng)用范圍和已有資源可以分為：基帶處理(通道卡)、接口和連接功能以及RF(射頻卡)三大類，涵蓋了3G四大標準(WCDMA、CDMA2000、TDS-CDMA以及WiMAX)的完整參考設(shè)計，并附加了OFDM調(diào)制、削峰、基帶預失真、MAC和分組處理等多種核心技術(shù)，形成先進的基站解決方案。(1)基帶處理資源基帶處理主要包括信道編解碼(LDPC、Turbo、卷積碼以及RS碼的編解碼算法)和同步算法的實現(xiàn)(WCDMA系統(tǒng)小區(qū)搜索等)。(2)接口和連接資源接口和連接功能主要包括無線基站對外的高速通信接口(PCIExpress、以太網(wǎng)MAC、高速AD/DA接口)以及內(nèi)部相應(yīng)的背板協(xié)議(OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort)的實現(xiàn)。(3)RF應(yīng)用資源RF應(yīng)用主要包括調(diào)制/解調(diào)、上/下變頻(WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA以及CDMA2000系統(tǒng)的單通道、多通道DDC/DUC)、削峰(PC-CFR)以及預失真(Predistortion)等