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Combo FPGA/DSP轉進多協議設計
( 2007年7月1日)
Arun Iyengar/Deepak Boppana, Altera Corp.
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對較高資料傳輸速度的需要推動著行動通訊系統，從窄頻的2G全球行動通訊系統(GSM)、IS-95系統，到當代W-CDMA為基礎的3G、和支援峰值資料速度達10Mbps的3.5G系統發展。未來的第三代合作專案長期發展(3GPP LTE)規範指向了複雜的訊號處理技術，如多重輸入輸出(MIMO)與新的無線電技術，如正交分頻多工存取(OFDMA)技術與多載波碼域多工(MC-CDMA)技術等。
這些方法是實現超過100Mbps目標吞吐量的重要途徑，其他基於OFDM的寬頻無線技術，如WiMAX，現在可達到70Mbps以上的傳輸速度。較高階的轉換與可變速率通道編碼提高了資料傳輸速率。複雜空間訊號處理方案，包括波束形成技術和MIMO天線技術，也是以犧牲附屬硬體來提高資料速度的途徑。
這些技術需要兼顧可擴充性、低成本以及多種新興標準的彈性，對基地台設計人員形成前所未有的挑戰。在設計多協議無線基地台時，必須遵守這些關鍵的要求，如提高處理速度與設計彈性以及採用降低成本的途徑。
多協定之定義
最重要的還是要首先明確地定義什麼是多協定無線基地台，不是在相同基地台中包括GSM、CDMA、W-CDMA, WiMAX，等通訊協定，儘管這一術語也包含這種含義。多協議表示無線基地台有支援W-CDMA到LTE或更高LTE版本的能力；或WIMAX BTS能夠支援新生標準的轉變。
為實現此目標，設計人員必須規劃好設計，令其同時滿足當前和未來的需要。例如，W-CDMA turbo碼解碼需求為2Mbps，該需求可輕鬆地透過數位訊號處理器中的輔助運算器來實現。但隨著設計人員廣泛地採用LTE技術，相同的turbo碼解碼必須以50Mbps或更高速度執行，而數位訊號處理器中協處理硬體則不支援此需求。同樣，對於某些功能，如需要低時間延遲振幅因數縮小(CFR)的遞迴FFT和iFFT處理，設計人員必須避開週期數而採用平行方法實現。再強調一次，設計人員不能完全依賴數位訊號處理器(DSP)。
以上的兩個示例中用FPGA對DSP進行卸載。透過在FPGA和DSP間建置智慧分區，設計人員實現了功能與設計節約的最佳結合。結果，OFDM基頻板上元件數顯著地從大量的DSP減少到幾個DSP和一個FPGA。採用這種方法，設計人員實現了低成本的實施，同時提供了足夠的吞吐量來滿足多協議無線基地台設計所需的未來變化。
行動與無線服務提供商及運營商希望取得無線基地台OEM的保證，現場建置的W-CDMA基地台有支援LTE的能力。因此，OEM需要確保其基地台將來能符合多協議設計。這表示基地台系統將有能力從一個3GPP版本無縫地轉向更新的版本，而無需成本高昂的設計改動或替換已經建置的硬體。
有了LTE，無線基地台設計人員需要明白在無線電方面將會有重大的改變。W-CDMA訊號轉換將轉向OFDM，作為遷移到有不同的特點的LTE的一部分。OFDM具有較強的穩健性可實現較高吞吐量，但同時還強調基地台的吞吐量能力。
OFDM還改變了需要新技術實現CFR的轉換訊號的峰均功率比。此外，對誤差向量振幅(EVM)有嚴格的要求，需要設計人員不僅要特別注意演算法的類型，還要注意實施演算法的設備類型。
在基頻方面，由於所需的吞吐量非常大，設計人員必須考慮從W-CDMA對OFDM轉化的不同資料速度。同樣，WiMAX至今都是基於資料的技術，而並非鎖定語音的技術。但當涉及語音時，由於語音的設備服務品質(QoS)與資料的不同，設計人員必須開始提供類似有線系統的語音效果。
分區策略
FPGA與DSP之間的分區策略取決於處理需求、系統頻寬、配置及發送與接受天線的數量，圖1顯示了典型的對OFDMA系統中的基頻物理層(PHY)功能進行的DSP/FPGA分區，如WiMAX或LTE。採用先進的多天線技術，系統吞吐量有望超過70Mbps。
基頻物理層可分為位元級與symbol(符號)級處理。位元模組包括在發射端的隨機化、正向偵錯、交錯及映射到直接序列展頻(QPSK)系統以及正交幅度調製(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)功能。相應的接收處理位元模組為符號解映射、去交錯、FEC解碼及去隨機化等。
在位元級功能中，除了FEC解碼外，都較為簡單而非計算密集型。例如，隨機化需要modulo-2利用簡單偽隨機二進位定序器的輸出添加資料位元。而FPGA比有固定匯流排寬度的DSP提供了更大的位元級處理彈性，較低的計算複雜性允許DSP可處理這些功能。
另一方面，FEC解碼包括Viterbi解碼、turbo迴旋碼解碼、turbo產品解碼與低密度奇偶校驗(LDPC)解碼等。所有解碼都是計算密集型的任務，在利用DSP執行時，需要消耗大量的頻寬。.
但利用基於Stratix III或Cyclone III設備的FPGA輔助運算器，可透過與傳統的DSP處理器實施數量級來提高系統性能。由於其固有的平行特點，FPGA輔助運算器減輕了DSP的負荷，高效地執行DSP演算法的計算密集型運算。例如，WiMAX系統的FEC基頻處理運行可卸載到FPGA輔助運算器，如圖2所示。
OFDMA系統中的Symbol級功能術語包括子通道化、去子通道化、通道估計、通道均衡及週期首碼插入與刪除功能。使用快速傅裏葉變換(FFT)及快速反傅立葉變換(IFFT)可分別實現時域到頻域的轉換及相反的轉換。通道估計、通道均衡可脫機執行，但需要很多適合DSP的鎖定控制的演算法。反過來，FFT與IFFT為常規、需要高速運算複數乘法的資料路徑函數，非常適合FPGA的建置。
圖3顯示了在Altera的高階Stratix III FPGA中嵌入的DSP模組。DSP通常有八個專用的乘法器，而Stratix III設備可提供896個18x18專用乘法器。這些專用乘法器將轉化為492 GMAC的吞吐量，約為8 GMAC性能DSP的兩個數量級。
在FPGA和DSP之間這種較大的訊號處理差異，在處理使用高級多天線技術的基地台時更為突出。這些技術包括空時編碼(STC)、波束成形及多入多出方案。OFDM與MIMO的結合，被視為當前和未來WiMAX與LTE無線系統中實現高資料速率的關鍵因素。.
圖1顯示了基地台中使用的多個發送和接收天線。在MIMO解碼之前，對每個天線資料流程進行單獨的符號處理，產生單一的位元資料流程。在連續執行運算的DSP上實施時符號級處理時，其複雜程度隨天線數量增加而直線的擴大。
例如，如果兩個發送和兩個接收天線，當變換大小約為2048點時，FFT與IFFT消耗約60% 1 GHz的DSP。與此相反，多天線設計在用FPGA進行實施時可非常有效地擴展。在此例中，FPGA在資料到多個天線之間提供了平行處理和分時複用。相同的2x2天線FFP/IFFT結構也可採用不到5%的中型FPGA來實施。
數位IF處理
基頻通道卡資料被發送到RF卡中進行後續的數位中頻(IF)處理。此處理包括數位上變頻、CFR和DPD。數位IF將數位訊號處理從基頻和域擴展到天線，到RF域。這樣增加了系統彈性，並降低了製造成本。而且，數位變頻比傳統類比技術提供了彈性更大的高衰減與選擇性。
這裏需要CFR與DPD來提高基地台功率放大器的效率，這些功能也有助於降低RF卡的總成本。CFR和DPD都涉及100+ Mbps取樣率的複數乘法。與DUC類似，接收端需要數位下變頻(DDC)處理將IF頻率降到基頻頻率。DUC和DDC都使用複數濾波器架構，包括有限脈衝回應(Finite Impulse Response, FIR)和串聯積分梳狀(Cascaded Integrator-Comb, CIC)濾波器。
先進的FPGA提供數百個以550MHz運行的18x18乘法器。這種設計方法提供了可平行處理多通道的平台，並為設計人員提供了低成本的整合單晶片解決方案。
作者簡介
Arun Iyengar和Deepak Boppana分別為Altera公司通訊業務事業群的資深總監及技術行銷工程師。聯絡方式為：(408) 544-7000; www.altera.com。
Click here for Illustrations:
Figure 1
Figure 2
Figure 3 |
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