基于FPGA和DSP組合的無線基站

　　
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實現。
　　
信道判斷和均衡可以離線執行，這涉及更多有關控制算法，適合用DSP實現。相反，FFT和IFFT功能是規則的數據通路功能，這包括非常高速下的復雜乘法，適合于用FPGA實現。
　　
圖2示出包含在高端FPGA(Altera公司StratixⅡ器件)內的嵌入式DSP單元。DSP處理器通常有多達8個專用乘法器，而StratixⅡ器件有多達384專用乘法器，提供的吞吐量高達346GMAC，這比現有的DSP高出一個量級。

圖2 FPGA中的嵌入式DSP單元　
　　
當基站采用先進的多天線技術(如空時編碼STC，聚束和MIMO方法)，FPGA和DSP間信號處理能力的巨大差別更加明顯。OFDM-MIMO組合被廣泛認為是現在和將來WiMAX和LTE無線系統較高數據率的關鍵促進因素。
　　
圖1示出應用在基站中的多發送和接收天線。在這種配置中，對于每個天線流的符號處理是單獨實現，在MIMO譯碼執行前產生單個位級數據流。在串行狀態用DSP實現操作時，符號級復雜性隨天線數線性增加。例如，用兩個發送和兩個接收天線時，FFT和IFFT功能消耗1GHz DSP近60%(假設變換大小是2048點)。相反，用FPG實現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換來自多路天線間數據。
　　
多天線方法提供較高的數據率、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。當這些功能很快用盡DSP能力時，而FPGA很適合實現這些功能。利用FPGA的并行性，采用更加成效的心縮式陣列結構方案。
　　
數字IF處理
　　
圖3示出來自基帶信道極的數據，送到RF板進行數字中頻處理，包括數字上變頻(DUC)、CFR和DPD。數字IF擴展了基帶域到天線范圍之外的數字信號處理。這增加了系統靈活性，并降低了制造成本。此外，數字頻率變換比傳流的模擬技術，能提供更大的靈活性和更高的性能(在衰減和選擇性方面)。

圖3 數字RF處理功能
　　
需要CFR和DPD功能來改善用在基站中放大器效率。這些功能也有助于大大降低RF板的總成本。CFR和DPD包含復雜的乘法，取樣率可高達100MSPS以上。類似于DUC，在接收端需要數字下變頻(DDC)把IF頻率變為基頻。DUC和DDC都采用復雜的濾波器結構，包括有限脈沖響應(FIR)和級聯積分梳狀(CIC)濾波器。先進的FPGA提供運行速度高達350MHz的數百個18×18乘法器。這不僅提供并行處理多信道的平臺，而且也是一個經濟集成單芯片方案。
　　
有效的設計方法
　　
隨著標準的穩定，對基站靈活性的要求將降低，而成本變為一個主要的成功因素。選擇FPGA將會大大地節省成本。
　　
混合FPGA/DSP基平臺，為無線基站提供一種有效的設計方法。產品成功的關鍵是根據系統吞吐量要求和成本考慮在FPGA和DSP之間進行合理分配。這將保證產品最終不僅僅只是可縮放的和經濟的，而且靈活、可配置適合多個標準。