使用Virtex-5 FPGA實(shí)現(xiàn)LTE仿真器

功能強(qiáng)大的可編程邏輯平臺使得Prisma Engineering公司能夠針對所有蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供可重配置無線測試設(shè)備。長期演進(jìn)(LTE)是移動寬帶的最3GPP標(biāo)準(zhǔn)，它打破了現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的固有模式。LTE與前代UMTS和GSM標(biāo)準(zhǔn)相比，除采用高頻譜效率的射頻技術(shù)外，其架構(gòu)還得到了大幅簡化。LTE系統(tǒng)的無線接入部分Node-B，是連接無線電和整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議核心網(wǎng)絡(luò)之間的邊緣設(shè)備。這種架構(gòu)無法監(jiān)測和測試等效于UMTS中間鏈路上的元件。必須通過無線電接口，才能有效地測試LTE網(wǎng)絡(luò)元件。

這正是Prisma Engineering公司線路服務(wù)器單元(LSU)UeSIM LTE項(xiàng)目的設(shè)計(jì)組要解決的問題。該仿真器是針對所有LTE測試需求的全面解決方案，可幫助網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)人員對空中接口和核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試和監(jiān)控。單個(gè)這種硬件平臺即可在每個(gè)扇區(qū)模擬出多達(dá)1 024個(gè)用戶設(shè)備。無線電接口的載荷-應(yīng)力測試和功能測試覆蓋了完整LTE協(xié)議棧及其應(yīng)用。射頻前端采用本地多輸入多輸出(MIMO)設(shè)計(jì)，可支持5MHz、10MHz、15MHz和20MHz多種不同帶寬。

這個(gè)仿真器中心采用三個(gè)賽靈思Virtex®-5 FPGA(XC5VSX50T)，可支持高級軟件無線電重配置?？偛吭O(shè)位于意大利米蘭的Prisma Engineering公司的設(shè)計(jì)組很快認(rèn)識到，我們需要功能強(qiáng)大、可重編程的架構(gòu)，以便能夠用同一開發(fā)板靈活應(yīng)對多種無線接入標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有兩種用戶測試工具：LTE Test Manager（主要針對LTE設(shè)備廠商提供）和Quick GUI（主要針對LTE網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商提供）。Quick GUI提供通過/未通過測試方案，而Test Manager則可進(jìn)行更為復(fù)雜的分析。

LSU UeSIM LTE架構(gòu)

LSU UeSIM LTE仿真器采用由協(xié)議處理單元(PPU)模板、軟件無線電(SDR)模板和支持MIMO操作的兩個(gè)無線電模塊共同構(gòu)成的CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。

采用Intel技術(shù)的PPU模板是一種主處理器卡，能夠?qū)Χ鄠€(gè)SDR模板進(jìn)行管理，改善載荷-應(yīng)力性能。軟件無線電模板專為擴(kuò)展我們先前的LSU系統(tǒng)在無線電接口的運(yùn)行性能而設(shè)計(jì)。CompactPCI無線電夾層卡負(fù)責(zé)提供各個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)射頻帶寬的射頻發(fā)送/接收功能：GSM（850 MHz和900MHz；1.8和1.9GHz）、LTE（700MHz，2.1 GHz、2.3 GHz、2.5 GHz和2.6GHz）和WiMAX（2.4GHz、3.5GHz和5GHz）。

SDR卡架構(gòu)

SDR卡是一種集成在LSU軟/硬件環(huán)境中的高性能平臺，用于提高系統(tǒng)與基帶(CPRI/OBSAI)、無線電接口或者兩者之間的連接功能。該卡使用工作在特定頻帶內(nèi)的不同外部無線電模塊，可支持各種無線標(biāo)準(zhǔn)，比如GSM/EDGE、UMTS、HSPA、WiMAX和LTE等。圖1為在LTE測試場景中，仿真器或取代無線電扇區(qū)，或?yàn)楹诵木W(wǎng)絡(luò)提供測試接口。


圖1 LTE測試場景

我們采用三個(gè)德州儀器的1GHz DSP（我們選用了TMS320C6455）和Analog Devices公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD9640)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(AD9779)，完成了基于賽靈思FPGA的SDR卡設(shè)計(jì)。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)采用Analog Devices公司的AD9549，能夠?yàn)檗D(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器件(FPGA、DSP)提供極高的靈活時(shí)基。

LTE加工數(shù)據(jù)通路

Prisma把LTE加工數(shù)據(jù)通路分為兩大部分，一是在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)的射頻前端。二是在DSP內(nèi)實(shí)現(xiàn)的物理資源分配以及數(shù)據(jù)通道與控制通道端接。

在上行鏈路方向，由一個(gè)DSP負(fù)責(zé)處理MAC層到物理層的交換以及物理層某些功能的操作。它負(fù)責(zé)為編碼、交織、加擾、符號映射和子載波分配提供參考信號（導(dǎo)頻）、源數(shù)據(jù)和控制通道。離散傅立葉轉(zhuǎn)換(DFT)函數(shù)負(fù)責(zé)根據(jù)SC-FDMA標(biāo)準(zhǔn)完成來自不同終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)通過EMIF接口把每個(gè)OFDM符號都發(fā)送到上行鏈路FPGA。圖2為LSU軟件無線電卡上的賽靈思Virtex-5 FPGA和TI DSP。


圖2 LSU軟件無線電卡

該FPGA將數(shù)據(jù)速率從125MHz（DSP EMIF接口時(shí)鐘）提升到245.76MHz（FPGA加工速率）。然后FPGA將執(zhí)行一系列其他操作：2048點(diǎn)反向快速傅立葉轉(zhuǎn)換、循環(huán)前綴插入、PRACH數(shù)據(jù)通道插入、7.5kHz頻率下轉(zhuǎn)換OFDM符號頻譜的半移位函數(shù)、信道整形與內(nèi)插濾波以及24MHz頻率下的中頻(IF)轉(zhuǎn)換。隨后該器件以122.88MHz的時(shí)鐘頻率把中頻數(shù)據(jù)發(fā)送到DAC。同時(shí)射頻卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為射頻信號，發(fā)送至發(fā)射器放大器。下行鏈路方向上，在LNA放大、可編程增益和轉(zhuǎn)換階段完成后，射頻卡將把接收到的中頻數(shù)據(jù)發(fā)送到SDR卡(140MHz)。ADC將以122.88MHz的頻率對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行二次采樣，而FPGA則負(fù)責(zé)處理最終到基帶的17.12MHz頻率轉(zhuǎn)換。該數(shù)據(jù)可以與兩個(gè)單輸入、單輸出通道關(guān)聯(lián)，也可以與一個(gè)MIMO通道關(guān)聯(lián)。

中頻數(shù)據(jù)隨后進(jìn)入下行鏈路FPGA，由該FPGA將其轉(zhuǎn)換為基帶并進(jìn)行過濾。即便芯片速率保持在245.76MHz，多相抽取濾波器仍能以30.72MHz的符號率進(jìn)行奈奎斯特FIR濾波、頻譜鏡像抑制和數(shù)據(jù)率降低等操作。

FPGA輸入數(shù)據(jù)流看上去像數(shù)據(jù)流，而非一系列的OFDM符號。同步函數(shù)對數(shù)據(jù)流進(jìn)行適當(dāng)?shù)那蟹郑瑥亩枥L出OFDM符號。（要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，同步線路必須使用多個(gè)相關(guān)器在深度抽取的輸入數(shù)據(jù)中檢測出Zadoff-Chu主同步信號，隨即才能獲取OFDM符號。）最后，在刪除循環(huán)前綴后，以FFT轉(zhuǎn)換獲得的最終數(shù)據(jù)則通過EMIF接口傳遞到另一個(gè)DSP。下行鏈路包含兩個(gè)以串行RapidIO接口連接在一起的DSP。這兩個(gè)DSP的作用是進(jìn)行頻率校正、信道估計(jì)、均衡和MIMO解碼。然后由這兩個(gè)DSP在MAC層互連之前，進(jìn)行數(shù)據(jù)通道和控制通道抽取、Viterbi和Turbo解碼、去交織和解擾。

在上行鏈路側(cè)，由第三個(gè)FPGA負(fù)責(zé)上行鏈路和下行鏈路FPGA之間的回送測試，確保SDR模板符合CPRI/OBSAI標(biāo)準(zhǔn)。

我們的設(shè)計(jì)小組廣泛使用賽靈思Core GeneratorTM IP核來生成濾波器、DDS、FFT、Block RMA、FIFO 和MACC功能，把DSP48E和DCM用于設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘去歪斜部分。這種大規(guī)模例化方法在縮短開發(fā)時(shí)間的同時(shí)，還能夠提供緊湊設(shè)計(jì)方案。圖3為“上行鏈路FPGA”實(shí)現(xiàn)反向FFT、循環(huán)前綴插入、濾波、IF上變頻轉(zhuǎn)換以及其他時(shí)分雙工和PRACH處理所需的操作。該系統(tǒng)將同一信號發(fā)送至兩個(gè)DAC以備冗余。

因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目的市場投放時(shí)間要求非常緊迫，我們對其功能劃分進(jìn)行了精心分析。FPGA應(yīng)該容納甚至更多的LTE功能，不過我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于尋求系統(tǒng)中FPGA與DSP部分間的平衡。

FPGA設(shè)計(jì)策略

該項(xiàng)目的市場投放時(shí)間要求非常緊迫，因此我們對FPGA和DSP之間的功能劃分進(jìn)行了精心的分析。值得注意的是，F(xiàn)PGA應(yīng)能夠支持更多的LTE功能，不過我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是尋求系統(tǒng)中FPGA與DSP部分間的平衡。


圖3 “上行鏈路FPGA”

FPGA時(shí)鐘頻率是設(shè)計(jì)中較為困難的一環(huán)。在像調(diào)制系統(tǒng)這樣的大型設(shè)計(jì)中采用245.76MHz的時(shí)鐘速率是項(xiàng)艱巨的任務(wù)。我們設(shè)計(jì)小組需要考慮許多問題，比如功耗、設(shè)計(jì)約束、布局布線等。盡管如此，由于ISE®設(shè)計(jì)套件可提供各個(gè)設(shè)計(jì)迭代的穩(wěn)定高質(zhì)量結(jié)果，過采樣因子（FPGA時(shí)鐘頻率與OFDM符號頻率之比）為8，能夠讓諸如濾波器和FFT轉(zhuǎn)換這樣的設(shè)計(jì)項(xiàng)目在盡量少的條件下滿足所需的LTE功能。ISE軟件也幫助我們實(shí)現(xiàn)了合適的同步電路面積。我們設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于在上行鏈路中采用射頻卡架構(gòu)（而非存在I/Q不平衡缺點(diǎn)的直接轉(zhuǎn)換法）來接收來自中頻的FPGA數(shù)據(jù)。通過使用賽靈思直接數(shù)字頻率合成器(direct digital synthesizer)，18位正弦/余弦波可用作復(fù)雜調(diào)制工作的理想載波，并可用在傳輸無線電信號上測得的誤差矢量幅度予以確認(rèn)。由于采用了賽靈思Virtex-5 FPGA和TI的DSP技術(shù)，LSU UeSIM LTE仿真器已經(jīng)成為蜂窩網(wǎng)絡(luò)最先進(jìn)的載荷-應(yīng)力解決方案測試設(shè)備，能為SDR系統(tǒng)提供強(qiáng)大、靈活和可擴(kuò)展的解決方案。

圖4為前端“下行鏈路FPGA”進(jìn)行IF下變頻轉(zhuǎn)換、多相抽取濾波、同步、循環(huán)前綴刪除和直接FFT等操作。該系統(tǒng)使用了兩個(gè)鏈路來支持TDD和FDD模式的MIMO操作。



圖4 前端“下行鏈路FPGA”