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大量出現(xiàn)的無線應用具有嚴格的功耗設計要求和低價格。除功耗和低價設計任務外，還有高數(shù)據(jù)率要求和符合行業(yè)標準。系統(tǒng)設計師也需要保證最后產品的高性能和靈活性。 高數(shù)據(jù)率正在推動無線蜂窩系統(tǒng)的發(fā)展，窄帶2G GSM IS-95系統(tǒng)和WCDM基3G和3.5G系統(tǒng)支持高達10Mbit/s峰值數(shù)據(jù)率。對于未來3GPP長期發(fā)展性能指標，復雜信號處理技術(如MIMO-多輸入多輸出)以及新的無線電技術(如OFDMA-正交頻分多址)是實現(xiàn)吞吐量目標超過100Mbit/s的關鍵。 其他的OFDM基寬帶無線系統(tǒng)，如WiMAX也得到發(fā)展，實現(xiàn)超過70Mbit/s傳輸速度。內建覆蓋也是未來無線增長的關鍵，力圖采用微微和毫微微基站技術解決此問題。遠程無線電頭是另1個出現(xiàn)的技術，能改善覆蓋范圍和降低成本和運營費用。研究預測到2011年每年飛蜂窩使用將達1900萬個。 1 設計標準 涌現(xiàn)出來的無線技術給OEM(原設備制造商)設計產品造成巨大的挑戰(zhàn)，所設計的產品不僅僅是可縮放和經(jīng)濟的，而且跨越多個標準(WiMAX，WCDMA，CDMA2000)也是靈活的和再使用的。這些不同的標準最終促使選擇硬件平臺。 像微微基站這樣的系統(tǒng)明顯地需要較低的材料成本，通常為幾百歐元，而宏和微基站材料費用幾千歐元。分析預測WiMAX CPE設備不久的將來會低于200歐元。因此，基礎硅必須具有低成本，大量生產的特性。 像微微基站和遠程無線電關這樣的系統(tǒng)與宏和微基站相比具有相當小的占位面積，通常安裝在層脊或桿上。由于小形狀因數(shù)和重量要求，所以這些系統(tǒng)在基礎硬件中對熱功率有嚴格的限制，通常不包含強力空氣流或冷卻風扇。 2 靈活的性能 WiMAX是1個相當新的市場，現(xiàn)在處于初期開發(fā)和使用階段。同樣地，規(guī)定3GPPLTE。具有靈活性和可編程性的產品對于能使干擾固定并能提供標準不可知或多協(xié)議基站方案是必須的，而在末端產品設計中采用ASIC是不可能做到的。具有這種靈活性的系統(tǒng)顯著地降低無線基礎設施OEM和運營商的成本和運營費用。 WiMAX寬帶無線系統(tǒng)比W-CDMA和CDMA2000蜂窩系統(tǒng)有更高的吞吐量和數(shù)據(jù)率要求。為了支持高數(shù)據(jù)率，基礎硬件平臺必須具有寬處理帶寬。另外，幾種先進的信號處理技術和前端功能是計算密集的，需要每秒幾百萬MAC(聚和累加) 運算。軟件可編程DSP單元不具備針對這些性能要求的處理帶寬。 3 FPGA方案 FPGA提供大量存儲器、可編程邏輯密度和數(shù)字信號處理能力，能實現(xiàn)非常高級功能。FPGA所提供的性能提供給系統(tǒng)設計師所需的構建單元，以滿足當今低成本、功率敏感的應用。 Altera公司的CycloneⅢ FPGA具有大量乘法器陣列和并行處理能力，與現(xiàn)成DSP相比，它具有更高的性能和更低的成本。 可以用FPGA實現(xiàn)微微基站中各種功能(圖1)。基站PHY功能可大致地歸納為位級和符號級處理功能。下面概述這些功能和如何用FPGA實現(xiàn)位級和符號級功能。 圖1 WiMAX微微基站 3.1 位級處理 位級單元包括在發(fā)射端的隨機選擇、FEC(前向糾錯)、交織、到QPSK(正交相移鍵控)變換和QAM(正交幅度調制)。相應的接收處理位級單元是符號反變換、反交織、FEC譯碼和反隨機選擇。除FEC譯碼外的所有位級功能都是相對直接的、不是計算密集的。 在軟件可編程DSP器件上執(zhí)行FEC譯碼功能是計算密集的并耗散大量帶寬。FPGA廣泛用于脫載這些功能和解脫DSP帶寬來執(zhí)行其他功能(見圖2)。FPGA也可以用到MAC層的接口并完成一些較低的MAC功能。低成本、存儲器豐富的FPGA非常適合于執(zhí)行這種DSP協(xié)處理。 圖2 用于WiMAX基站處理的FPGA 3.2 符號級處理 OFDMA系統(tǒng)中的符號級功能包括子信道選擇和解子信道選擇，信道判斷，均衡和循環(huán)前綴插入和分離功能，時間—頻率域和頻率—時間域變換分別用FET和IFFT實現(xiàn)。它們是通用的數(shù)據(jù)通路功能(涉及到非常高速的復乘法)，非常適合于用FPGA實現(xiàn)。CycloneⅢ FPGA中的豐富M9K存儲器單元和乘法器為DL和UL DFDMA引擎提供1個成本最佳實現(xiàn)方案。 OFDM-MIMO結合是現(xiàn)在和將來WiMAX系統(tǒng)具有較高數(shù)據(jù)率的關鍵因素。多天線方法提供各種好處，包括較高的數(shù)據(jù)率、陣列增益、分集增益和同信道干擾抑制。聚束和空間多路復用MIMO技術也是計算密集的，包括矩陣分解和乘法。 特別是，Cholesky分解、QR分解和奇數(shù)值分解函數(shù)在這些系統(tǒng)中解線性方程組是有用的。這些函數(shù)使DSP力不從心，但很適合于FPGA用著名的心縮式陣列結構，發(fā)揮FPGA平行性能，提供1個更經(jīng)濟的方案。 3.3 數(shù)字IF處理 數(shù)字IF擴展了DSP范圍，超出基帶到RF域。這增加系統(tǒng)的靈活性，并降低了制造成本。此外，數(shù)字頻率變換比傳統(tǒng)的借助衰減和選擇的模擬技術有更大的靈活性和更高的性能。 類似于數(shù)字上變頻(DUC)，在接收端需要數(shù)字下變頻(DDC)把IF頻率降到基帶。DUC和DDC都采用復雜的濾波器結構，包括FIR(有限脈沖響應)和CIC(級聯(lián)積分器—梳狀)濾波器。先進的帶幾百個18×18乘法器的FPGA為并行處理多信道提供1個理想平臺。典型的WiMAX DUC和DDC結構和規(guī)范是單信道IQ時分復用DUC和單信道IQ時分復用DDC(見圖3)。 圖3 WiMAX數(shù)字上變頻 4 應用 呈現(xiàn)的無線應用，如遠程無線電頭、微微/毫微微基站、WiMAX CPE和SDR有各種各樣的要求，包括嚴格的功耗和低成本。低成本、低功率FPGA使這些大量、成本敏感涌現(xiàn)的無線應用成為可能。例如，WiMAX微微基站中的DUC和DDC、DL和UL OFDMA引擎、CTC譯碼功能都可集成到中等規(guī)范的CycloneⅢ FPGA中，以低價格提供小于2W的功耗。隨著從未有過的功率、性能和成本結合，F(xiàn)PGA正在進一步促使涌現(xiàn)大量高性能、低功耗、低成本應用。 |
