無線基站中的FPGA和DSP組合

組合的DSP和FPGA確保整個系統(tǒng)的靈活性，并提供重新可編程性以確定系統(tǒng)缺陷，而且支持不同的標(biāo)準(zhǔn)。DSP和FPGA之間的分配策略依賴于處理要求、系統(tǒng)帶寬、系統(tǒng)配置、發(fā)射和接收天線數(shù)。圖1示出OFDMA基系統(tǒng)(如WiMAX或LTE)中基帶物理層(PHY)功能的典型DSP/FPGA分配。

包含先進(jìn)的多天線技術(shù)，這類系統(tǒng)所提供的吞吐量可達(dá)到75~100MPS。基帶PHY功能可大致分為位級(bit-level)處理和符號級(Symbol-level)處理功能。

位級處理

位級處理單元包括發(fā)射端的隨機(jī)化、前向糾錯(FEC)、到四相相移鍵控(QPSK)和正交調(diào)幅(QAM)功能的交織和變換。相應(yīng)的接收處理位級單元包括符號解變換、解交織、FEC解碼和解隨機(jī)性。

除FEC譯碼外的所有位級功能都是相當(dāng)簡單的，而且計算不是密集的。例如，隨機(jī)性包含數(shù)據(jù)位的模2加法(借助簡單偽隨機(jī)二進(jìn)制時序產(chǎn)生器輸出)。盡管FPGA比固定總線寬度的DSP能為位級處理提供更大的靈活性。但是，低計算復(fù)雜性允許DSP處理這些功能。相比，F(xiàn)EC譯碼包括Viterbi譯碼、Turbo卷積譯碼、Turbo乘積譯碼和LDPC譯碼是計算密集的，而且DSP處理時會消耗有效帶寬。

FPGA廣泛用于卸載這些功能。同樣FPGA也可用到MAC層的接口，以實(shí)現(xiàn)一定的較低MAC功能(如加密/解密和鑒別)。

符號級處理

OFDMA中的符號級功能包括子信道化和解子信道化、信道判斷、均衡和循環(huán)前綴插入以及消除功能。時間―頻率變換和頻率―時間變換，分別用于FFT和IFFT實(shí)現(xiàn)。

信道判斷和均衡可以離線執(zhí)行，這涉及更多有關(guān)控制算法，適合用DSP實(shí)現(xiàn)。相反，F(xiàn)FT和IFFT功能是規(guī)則的數(shù)據(jù)通路功能，這包括非常高速下的復(fù)雜乘法，適合于用FPGA實(shí)現(xiàn)。

圖2示出包含在高端FPGA(Altera公司StratixⅡ器件)內(nèi)的嵌入式DSP單元。DSP處理器通常有多達(dá)8個專用乘法器，而StratixⅡ器件有多達(dá)384專用乘法器，提供的吞吐量高達(dá)346GMAC，這比現(xiàn)有的DSP高出一個量級。

當(dāng)基站采用先進(jìn)的多天線技術(shù)(如空時編碼STC，聚束和MIMO方法)，F(xiàn)PGA和DSP間信號處理能力的巨大差別更加明顯。OFDM-MIMO組合被廣泛認(rèn)為是現(xiàn)在和將來WiMAX和LTE無線系統(tǒng)較高數(shù)據(jù)率的關(guān)鍵促進(jìn)因素。

圖1示出應(yīng)用在基站中的多發(fā)送和接收天線。在這種配置中，對于每個天線流的符號處理是單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，在MIMO譯碼執(zhí)行前產(chǎn)生單個位級數(shù)據(jù)流。在串行狀態(tài)用DSP實(shí)現(xiàn)操作時，符號級復(fù)雜性隨天線數(shù)線性增加。例如，用兩個發(fā)送和兩個接收天線時，F(xiàn)FT和IFFT功能消耗1GHz DSP近60%(假設(shè)變換大小是2048點(diǎn))。相反，用FPG實(shí)現(xiàn)多天線基計算是非常有效的。FPGA提供并行處理和時間多路轉(zhuǎn)換來自多路天線間數(shù)據(jù)。

多天線方法提供較高的數(shù)據(jù)率、陣列增益、分集增益和同信道干擾抑制。聚束和空間多路傳輸MIMO技術(shù)也是計算密集的，涉及矩陣分解和相乘。特別的Cholesky分解，QR分解和奇異值分解功能通常是解線性方程組。當(dāng)這些功能很快用盡DSP能力時，而FPGA很適合實(shí)現(xiàn)這些功能。利用FPGA的并行性，采用更加成效的心縮式陣列結(jié)構(gòu)方案。

數(shù)字IF處理

圖3示出來自基帶信道極的數(shù)據(jù)，送到RF板進(jìn)行數(shù)字中頻處理，包括數(shù)字上變頻(DUC)、CFR和DPD。數(shù)字IF擴(kuò)展了基帶域到天線范圍之外的數(shù)字信號處理。這增加了系統(tǒng)靈活性，并降低了制造成本。此外，數(shù)字頻率變換比傳流的模擬技術(shù)，能提供更大的靈活性和更高的性能(在衰減和選擇性方面)。