混合FPGA/DSP基平台 是为无线基站提供一种有效设计的方法
fpga和dsp之间的“智能配分”可使无线系统设计师获得最佳性能组合和成本——效能。应用dsp和fpga组合可使成本降低。对于无线基站，组合有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（支持高达10mbps峰值数据率）变革。将来，3gpp远期变革规范面向复杂的信号处理技术，如多输入多输出（mimo）以及新的无线电技术（如正交频分多址ofdma，多载波码分多址mc-cdma）。这些技术对于实现超过吞吐量100mbps的目标起关键作用。
另外的ofdm基宽带无线系统，如wimax现在传输速度超过70mbps。靠较高级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（包括聚束和mimo无线技术）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。
1 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。
2 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、波峰因数缩减（cfr）、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。
3 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。
现在，末端产品灵活性和可编程性对多协议基站是关键性的。
4 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，最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。
5 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。实现这些功能的最通用方法是采用微控制器（mcu）、fpga和可编程dsp的组合。mcu控制系统、而fpga和dsp控制数据流处理。dsp软件实现系统的轻载处理要求和定向控制任务。重载最好的实现方法是用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（如wimax或lte）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。
6 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。
除fec译码外的所有位级功能都是相当简单的，而且计算不是密集的。例如，随机性包含数据位的模2加法（借助简单伪随机二进制时序产生器输出）。尽管fpga比固定总线宽度的dsp能为位级处理提供更大的灵活性。但是，低计算复杂性允许dsp处理这些功能。相比，fec译码包括viterbi译码、turbo卷积译码、turbo乘积译码和ldpc译码是计算密集的，而且dsp处理时会消耗有效带宽。
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）。
7 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、均衡和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，分别用于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，适合用dsp实现。相反，fft和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，适合于用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（如空时编码stc，聚束和mimo方法），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。
图1示出应用在基站中的多发送和接收天线。在这种配置中，对于每个天线流的符号处理是单独实现，在mimo译码执行前产生单个位级数据流。在串行状态用dsp实现操作时，符号级复杂性随天线数线性增加。例如，用两个发送和两个接收天线时，fft和ifft功能消耗1ghz dsp近60%（假设变换大小是2048点）。相反，用fpg实现多天线基计算是非常有效的。fpga提供并行处理和时间多路转换来自多路天线间数据。
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。
8 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。这增加了系统灵活性，并降低了制造成本。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（在衰减和选择性方面）。
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。cfr和dpd包含复杂的乘法，取样率可高达100msps以上。类似于duc，在接收端需要数字下变频（ddc）把if频率变为基频。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。
9 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。这将保证产品最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。
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另外的ofdm基宽带无线系统，如wimax现在传输速度超过70mbps。靠较高级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（包括聚束和mimo无线技术）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。
1 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。
2 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、波峰因数缩减（cfr）、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。
3 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。
现在，末端产品灵活性和可编程性对多协议基站是关键性的。
4 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，最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。
5 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。实现这些功能的最通用方法是采用微控制器（mcu）、fpga和可编程dsp的组合。mcu控制系统、而fpga和dsp控制数据流处理。dsp软件实现系统的轻载处理要求和定向控制任务。重载最好的实现方法是用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（如wimax或lte）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。
6 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。
除fec译码外的所有位级功能都是相当简单的，而且计算不是密集的。例如，随机性包含数据位的模2加法（借助简单伪随机二进制时序产生器输出）。尽管fpga比固定总线宽度的dsp能为位级处理提供更大的灵活性。但是，低计算复杂性允许dsp处理这些功能。相比，fec译码包括viterbi译码、turbo卷积译码、turbo乘积译码和ldpc译码是计算密集的，而且dsp处理时会消耗有效带宽。
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