無線通信領(lǐng)域FPGA的應(yīng)用分析

1.1無線通信綜述

進(jìn)入21世紀(jì)以來，無線通信技術(shù)正在以前所未有的速度向前發(fā)展。隨著用戶對(duì)各種實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)需求的增加和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可以預(yù)計(jì)，未來的無線通信技術(shù)將朝著數(shù)字化、綜合化、寬帶化、智能化和個(gè)人化的方向發(fā)展，這對(duì)社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有著舉足輕重的作用。

隨著無線通信范圍的擴(kuò)大，無線通信系統(tǒng)也有越來越多的類型，可以分為微波通信系統(tǒng)、無線電尋呼系統(tǒng)、蜂窩移動(dòng)通信、無繩電話系統(tǒng)、集群無線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、分組無線網(wǎng)等典型的通信系統(tǒng)。其中的移動(dòng)通信技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用，成為令人神往的高技術(shù)風(fēng)景線，但就正式商業(yè)運(yùn)營而言，至今也不過只有30年的歷史。從其發(fā)展歷程來看，大約每十年更新一代，目前處于第二代（2G）和第三代（3G）的交接期。

第一代（1G）以模擬式蜂窩網(wǎng)為主要特征。20世紀(jì)70年代末，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和微處理器的出現(xiàn)，使蜂窩系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大大降低，從而進(jìn)一步推動(dòng)了蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展。這期間，美國推出了AMPS（Advanced Mobile Phone System）系統(tǒng)，歐洲推出了TACS（Total Access Communication System）系統(tǒng)。1G主要采用頻分多址（FDMA）方式實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的動(dòng)態(tài)尋址功能。

第二代（2G）以數(shù)字式蜂窩為主要特征，于20世紀(jì)90年代初走向商用。其中，各國相應(yīng)推出了今天廣為人知的GSM和IS-95CDMA等系統(tǒng)。2G主要采用時(shí)分多址（TDMA，如GSM中）和碼分多址（CDMA，如IS-95CDMA中）實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的動(dòng)態(tài)尋址功能。此外還在對(duì)信道動(dòng)態(tài)特征匹配上采用了抗干擾性能優(yōu)良的數(shù)字式調(diào)制（GMSK、QPSK）、糾錯(cuò)編碼（卷積碼、級(jí)聯(lián)碼）、信道交織編碼、自適應(yīng)均衡和Rake接收等技術(shù)。同時(shí)，無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)得到了極大的發(fā)展，按照覆蓋范圍從大到小可以分為移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)、無線局域網(wǎng)（WLAN，以IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)為典型代表）和無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN，以藍(lán)牙（Bluetooch）技術(shù)為典型代表）。

第三代（3G）以多媒體業(yè)務(wù)為主要特征，于本世紀(jì)初剛剛投入商業(yè)化運(yùn)營，圖1-1給出了現(xiàn)有無線應(yīng)用解決方案的數(shù)據(jù)速率和靈活性。3G無線網(wǎng)絡(luò)可以分為3G蜂窩網(wǎng)和由各種WLAN、WAPN系統(tǒng)組成的寬帶接入系統(tǒng)。其中最具代表性的蜂窩網(wǎng)有北美的CDMA2000，歐洲與日本的WCDMA以及我國的TD-SCDMA系統(tǒng)，都以碼分多址（CDMA）實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的動(dòng)態(tài)尋址功能，以2G為基礎(chǔ)，以業(yè)務(wù)多媒體化為主要目標(biāo)。各種與蜂窩系統(tǒng)相補(bǔ)充的寬帶接入系統(tǒng)也得到了迅速發(fā)展，特別是以IEEE802.16系列標(biāo)準(zhǔn)（WiMAX）為代表的無線城域網(wǎng)技術(shù)，成為有線接入和3G蜂窩網(wǎng)強(qiáng)有力的競爭對(duì)手，并于2007年10月成為ITU的3G標(biāo)準(zhǔn)之一。WiMAX技術(shù)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，可提供高速的雙向語音、數(shù)據(jù)、視頻服務(wù)。同時(shí)無線廣域網(wǎng)的技術(shù)也在進(jìn)一步發(fā)展中，期望填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)(蜂窩網(wǎng)、WLAN、WPAN和WMAN)之間的空白，提供比現(xiàn)有寬帶接入技術(shù)更高的移動(dòng)性，比蜂窩網(wǎng)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖1-1不同無線應(yīng)用解決方案的數(shù)據(jù)速率和靈活性示意圖

目前，世界各國均已展開對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（B3G/4G）的研究和開發(fā)，以期達(dá)到理想的通信目標(biāo)，并取得了一定的階段性成果。日本NTT DOCOMO公司、韓國電子通信研究所（ETRI）都已進(jìn)行了野外測(cè)試，推出了一系列高速的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。我國面向B3G的FuTURE計(jì)劃于2001年啟動(dòng)，并于2006年12月在上海進(jìn)行了TDD-OFDM系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)收，驗(yàn)收結(jié)果表明該系統(tǒng)已達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。B3G/4G主要采用OFDM、多跳、中繼和多天線等新技術(shù)，將向用戶提供100Mbps甚至1Mbps的數(shù)據(jù)速率。這些先進(jìn)的技術(shù)大大提高了無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和通信的可靠性，增強(qiáng)了系統(tǒng)功能，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域和服務(wù)范圍?？梢灶A(yù)計(jì)，無線通信的未來更令人矚目和神往。

無線通信的發(fā)展過程及趨勢(shì)可以概括如下：

工作頻段從短波、超短波、微波發(fā)展到毫米波、紅外和超長波

頻道間隔由100KHz、50KHz、25KHz發(fā)展到12.5kHz甚至更窄

調(diào)制方式由振幅壓擴(kuò)單邊帶模擬調(diào)制發(fā)展到數(shù)字調(diào)制

多址方式由FDMA、TDMA、CDMA發(fā)展到混合多址，以及固定多址和隨機(jī)多址的結(jié)合

業(yè)務(wù)類型由話音發(fā)展到數(shù)據(jù)、傳真，直到多媒體綜合業(yè)務(wù)。

1.2FPGA在無線通信中的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)的實(shí)時(shí)性和并行處理能力，使其對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理成為可能。本節(jié)不僅對(duì)FPGA技術(shù)在現(xiàn)有無線通信中的應(yīng)用領(lǐng)域作了詳細(xì)的分析，并對(duì)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(chǎng)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(chǔ)數(shù)據(jù)的觸發(fā)器和復(fù)路器等組成。在正確的設(shè)置下，這三個(gè)部分各司其職。查找表能夠通過對(duì)數(shù)據(jù)的讀取實(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)，如有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息；復(fù)路器可以選擇不同的輸入信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)不同的組合邏輯和時(shí)序邏輯。由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易地實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)無線通信中的高速數(shù)字信號(hào)處理十分有利。因?yàn)樵跓o線通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運(yùn)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(shí)現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，就可以有效地實(shí)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(dòng)技術(shù)綜合到手持PDA產(chǎn)品中去。因此，隨著無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，以及對(duì)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(qiáng)有力。這一要求對(duì)無線通信的FPGA芯片市場(chǎng)提出了重要的挑戰(zhàn)，其中最重要的三個(gè)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(jià)格低廉；而且還可以降低復(fù)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(qiáng)的實(shí)時(shí)性，使其對(duì)話音進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺(tái)就可以改進(jìn)系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)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(jì)的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價(jià)格可以降到很低。所以FPGA將會(huì)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(huì)促進(jìn)無線通信的發(fā)展；而帶來的無線通信蓬勃發(fā)展又將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)FPGA技術(shù)的不斷進(jìn)步。

對(duì)于現(xiàn)有移動(dòng)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(cè)等技術(shù)都需要依靠高速、高性能的并行處理器來實(shí)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(dú)立的芯片，而演變成了構(gòu)件內(nèi)核。這使得設(shè)計(jì)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(hào)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(shí)現(xiàn)語音合成，糾錯(cuò)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(hào)壓縮到有限帶寬的信道中；用來實(shí)現(xiàn)基帶調(diào)制解調(diào)功能；另外還有定時(shí)的恢復(fù)、自動(dòng)增益和頻率控制、符號(hào)檢測(cè)、脈沖整形、以及匹配濾波器等。

特別是對(duì)于其中的調(diào)制解調(diào)器，由于需要大量的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算，并且對(duì)調(diào)制解調(diào)器的大小、重量、功耗特別關(guān)注，這就對(duì)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(dòng)了SOC的發(fā)展。但對(duì)于當(dāng)今的移動(dòng)通信設(shè)備，一片F(xiàn)PGA難以達(dá)到系統(tǒng)級(jí)處理的能力。比如現(xiàn)在的第三代移動(dòng)通信，一片F(xiàn)PGA只能進(jìn)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(gè)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(diǎn)。隨著移動(dòng)通信的寬帶GSM，CDMA標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)移和高速數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)對(duì)XDSL的要求，基于內(nèi)嵌DSP/CPU的FPGA SOC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(shì)，將是以系統(tǒng)芯片為核心，信息處理速度將達(dá)到每秒幾十億次乘加運(yùn)算，因此，只有多系統(tǒng)芯片才能肩負(fù)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(jī)嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(hào)處理能力，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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。

1.3Xilinx公司的無線通信開發(fā)資源

Xilinx公司為推動(dòng)整個(gè)無線通信行業(yè)做出了積極貢獻(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)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(duì)RF數(shù)字前端（DFE）信號(hào)處理、基帶處理（包括前向糾錯(cuò)（FEC）、傅立葉變換和自適應(yīng)調(diào)制）和先進(jìn)接口等領(lǐng)域中無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的高性能、經(jīng)濟(jì)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(jì)和硬件平臺(tái)，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(jí)解決方案，解決了不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)，如WCDMA、WiMAX、TD-SCDMA和LTE。

IP和參考設(shè)計(jì)，支持最新的無線電、基帶和DSP連接功能標(biāo)準(zhǔn)，如CPRI、OBSAI和SRIO。

業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的FEC解決方案，如高級(jí)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I(xiàn)P核與回程網(wǎng)絡(luò)過渡的開發(fā)。

按功能和類型分，Xilinx FPGA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(biāo)準(zhǔn)（WCDMA、CDMA2000、TDS-CDMA以及WiMAX）的完整參考設(shè)計(jì)，并附加了OFDM調(diào)制、削峰、基帶預(yù)失真、MAC和分組處理等多種核心技術(shù)，形成先進(jìn)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(shí)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(duì)外的高速通信接口（PCI Express、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(shí)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(yù)失真（Predistortion）等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

本專題以Xilinx公司在無線通信領(lǐng)域中的資源為導(dǎo)向，分為整體解決方案、基帶處理、數(shù)字前端及RF處理和無線通信中的交換和接口處理4大類，在后三類中，主要針對(duì)WCDMA、CDMA200、TD-SCDMA以及WiMAX系統(tǒng)進(jìn)行討論，并將LTE相關(guān)內(nèi)容也依次并入上述四個(gè)已有系統(tǒng)中。