适合无线应用的FPGA
发布时间：2010-10-11 22:01
发布者：conniede
|
大量出现的无线应用具有严格的功耗设计要求和低价格。除功耗和低价设计任务外，还有高数据率要求和符合行业标准。系统设计师也需要保证最后产品的高性能和灵活性。 高数据率正在推动无线蜂窝系统的发展，窄带2G GSM IS-95系统和WCDM基3G和3.5G系统支持高达10Mbit/s峰值数据率。对于未来3GPP长期发展性能指标，复杂信号处理技术(如MIMO-多输入多输出)以及新的无线电技术(如OFDMA-正交频分多址)是实现吞吐量目标超过100Mbit/s的关键。 其他的OFDM基宽带无线系统，如WiMAX也得到发展，实现超过70Mbit/s传输速度。内建覆盖也是未来无线增长的关键，力图采用微微和毫微微基站技术解决此问题。远程无线电头是另1个出现的技术，能改善覆盖范围和降低成本和运营费用。研究预测到2011年每年飞蜂窝使用将达1900万个。 1 设计标准 涌现出来的无线技术给OEM(原设备制造商)设计产品造成巨大的挑战，所设计的产品不仅仅是可缩放和经济的，而且跨越多个标准(WiMAX，WCDMA，CDMA2000)也是灵活的和再使用的。这些不同的标准最终促使选择硬件平台。 像微微基站这样的系统明显地需要较低的材料成本，通常为几百欧元，而宏和微基站材料费用几千欧元。分析预测WiMAX CPE设备不久的将来会低于200欧元。因此，基础硅必须具有低成本，大量生产的特性。 像微微基站和远程无线电关这样的系统与宏和微基站相比具有相当小的占位面积，通常安装在层脊或杆上。由于小形状因数和重量要求，所以这些系统在基础硬件中对热功率有严格的限制，通常不包含强力空气流或冷却风扇。 2 灵活的性能 WiMAX是1个相当新的市场，现在处于初期开发和使用阶段。同样地，规定3GPPLTE。具有灵活性和可编程性的产品对于能使干扰固定并能提供标准不可知或多协议基站方案是必须的，而在末端产品设计中采用ASIC是不可能做到的。具有这种灵活性的系统显著地降低无线基础设施OEM和运营商的成本和运营费用。 WiMAX宽带无线系统比W-CDMA和CDMA2000蜂窝系统有更高的吞吐量和数据率要求。为了支持高数据率，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和前端功能是计算密集的，需要每秒几百万MAC(聚和累加) 运算。软件可编程DSP单元不具备针对这些性能要求的处理带宽。 3 FPGA方案 FPGA提供大量存储器、可编程逻辑密度和数字信号处理能力，能实现非常高级功能。FPGA所提供的性能提供给系统设计师所需的构建单元，以满足当今低成本、功率敏感的应用。 Altera公司的CycloneⅢ FPGA具有大量乘法器阵列和并行处理能力，与现成DSP相比，它具有更高的性能和更低的成本。 可以用FPGA实现微微基站中各种功能(图1)。基站PHY功能可大致地归纳为位级和符号级处理功能。下面概述这些功能和如何用FPGA实现位级和符号级功能。  图1 WiMAX微微基站 3.1 位级处理 位级单元包括在发射端的随机选择、FEC(前向纠错)、交织、到QPSK(正交相移键控)变换和QAM(正交幅度调制)。相应的接收处理位级单元是符号反变换、反交织、FEC译码和反随机选择。除FEC译码外的所有位级功能都是相对直接的、不是计算密集的。 在软件可编程DSP器件上执行FEC译码功能是计算密集的并耗散大量带宽。FPGA广泛用于脱载这些功能和解脱DSP带宽来执行其他功能(见图2)。FPGA也可以用到MAC层的接口并完成一些较低的MAC功能。低成本、存储器丰富的FPGA非常适合于执行这种DSP协处理。  图2 用于WiMAX基站处理的FPGA 3.2 符号级处理 OFDMA系统中的符号级功能包括子信道选择和解子信道选择，信道判断，均衡和循环前缀插入和分离功能，时间—频率域和频率—时间域变换分别用FET和IFFT实现。它们是通用的数据通路功能(涉及到非常高速的复乘法)，非常适合于用FPGA实现。CycloneⅢ FPGA中的丰富M9K存储器单元和乘法器为DL和UL DFDMA引擎提供1个成本最佳实现方案。 OFDM-MIMO结合是现在和将来WiMAX系统具有较高数据率的关键因素。多天线方法提供各种好处，包括较高的数据率、阵列增益、分集增益和同信道干扰抑制。聚束和空间多路复用MIMO技术也是计算密集的，包括矩阵分解和乘法。 特别是，Cholesky分解、QR分解和奇数值分解函数在这些系统中解线性方程组是有用的。这些函数使DSP力不从心，但很适合于FPGA用著名的心缩式阵列结构，发挥FPGA平行性能，提供1个更经济的方案。 3.3 数字IF处理 数字IF扩展了DSP范围，超出基带到RF域。这增加系统的灵活性，并降低了制造成本。此外，数字频率变换比传统的借助衰减和选择的模拟技术有更大的灵活性和更高的性能。 类似于数字上变频(DUC)，在接收端需要数字下变频(DDC)把IF频率降到基带。DUC和DDC都采用复杂的滤波器结构，包括FIR(有限脉冲响应)和CIC(级联积分器—梳状)滤波器。先进的带几百个18×18乘法器的FPGA为并行处理多信道提供1个理想平台。典型的WiMAX DUC和DDC结构和规范是单信道IQ时分复用DUC和单信道IQ时分复用DDC(见图3)。  图3 WiMAX数字上变频 4 应用 呈现的无线应用，如远程无线电头、微微/毫微微基站、WiMAX CPE和SDR有各种各样的要求，包括严格的功耗和低成本。低成本、低功率FPGA使这些大量、成本敏感涌现的无线应用成为可能。例如，WiMAX微微基站中的DUC和DDC、DL和UL OFDMA引擎、CTC译码功能都可集成到中等规范的CycloneⅢ FPGA中，以低价格提供小于2W的功耗。随着从未有过的功率、性能和成本结合，FPGA正在进一步促使涌现大量高性能、低功耗、低成本应用。 |
网友评论