无线通信领域FPGA的应用分析

1.1无线通信综述

进入21世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。随着用户对各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以预计，未来的无线通信技术将朝着数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化的方向发展，这对社会的进步和经济的发展都有着举足轻重的作用。

随着无线通信范围的扩大，无线通信系统也有越来越多的类型，可以分为微波通信系统、无线电寻呼系统、蜂窝移动通信、无绳电话系统、集群无线通信系统、卫星通信系统、分组无线网等典型的通信系统。其中的移动通信技术在世界范围内获得了广泛的应用，成为令人神往的高技术风景线，但就正式商业运营而言，至今也不过只有30年的历史。从其发展历程来看，大约每十年更新一代，目前处于第二代（2G）和第三代（3G）的交接期。

第一代（1G）以模拟式蜂窝网为主要特征。20世纪70年代末，随着半导体技术的发展和微处理器的出现，使蜂窝系统实现的复杂度大大降低，从而进一步推动了蜂窝移动通信技术的发展。这期间，美国推出了AMPS（Advanced Mobile Phone System）系统，欧洲推出了TACS（Total Access Communication System）系统。1G主要采用频分多址（FDMA）方式实现对用户的动态寻址功能。

第二代（2G）以数字式蜂窝为主要特征，于20世纪90年代初走向商用。其中，各国相应推出了今天广为人知的GSM和IS-95CDMA等系统。2G主要采用时分多址（TDMA，如GSM中）和码分多址（CDMA，如IS-95CDMA中）实现对用户的动态寻址功能。此外还在对信道动态特征匹配上采用了抗干扰性能优良的数字式调制（GMSK、QPSK）、纠错编码（卷积码、级联码）、信道交织编码、自适应均衡和Rake接收等技术。同时，无线数据网络得到了极大的发展，按照覆盖范围从大到小可以分为移动数据网、无线局域网（WLAN，以IEEE802.11系列标准为典型代表）和无线个域网（WPAN，以蓝牙（Bluetooch）技术为典型代表）。

第三代（3G）以多媒体业务为主要特征，于本世纪初刚刚投入商业化运营，图1-1给出了现有无线应用解决方案的数据速率和灵活性。3G无线网络可以分为3G蜂窝网和由各种WLAN、WAPN系统组成的宽带接入系统。其中最具代表性的蜂窝网有北美的CDMA2000，欧洲与日本的WCDMA以及我国的TD-SCDMA系统，都以码分多址（CDMA）实现对用户的动态寻址功能，以2G为基础，以业务多媒体化为主要目标。各种与蜂窝系统相补充的宽带接入系统也得到了迅速发展，特别是以IEEE802.16系列标准（WiMAX）为代表的无线城域网技术，成为有线接入和3G蜂窝网强有力的竞争对手，并于2007年10月成为ITU的3G标准之一。WiMAX技术可实现点到多点的通信，可提供高速的双向语音、数据、视频服务。同时无线广域网的技术也在进一步发展中，期望填补现有技术(蜂窝网、WLAN、WPAN和WMAN)之间的空白，提供比现有宽带接入技术更高的移动性，比蜂窝网更高的数据传输速率。

图1-1不同无线应用解决方案的数据速率和灵活性示意图

目前，世界各国均已展开对下一代移动通信系统（B3G/4G）的研究和开发，以期达到理想的通信目标，并取得了一定的阶段性成果。日本NTT DOCOMO公司、韩国电子通信研究所（ETRI）都已进行了野外测试，推出了一系列高速的实验系统。我国面向B3G的FuTURE计划于2001年启动，并于2006年12月在上海进行了TDD-OFDM系统测试和验收，验收结果表明该系统已达到了国际领先水平。B3G/4G主要采用OFDM、多跳、中继和多天线等新技术，将向用户提供100Mbps甚至1Mbps的数据速率。这些先进的技术大大提高了无线通信系统的数据传输速率和通信的可靠性，增强了系统功能，扩大了应用领域和服务范围。可以预计，无线通信的未来更令人瞩目和神往。

无线通信的发展过程及趋势可以概括如下：

工作频段从短波、超短波、微波发展到毫米波、红外和超长波

频道间隔由100KHz、50KHz、25KHz发展到12.5kHz甚至更窄

调制方式由振幅压扩单边带模拟调制发展到数字调制

多址方式由FDMA、TDMA、CDMA发展到混合多址，以及固定多址和随机多址的结合

业务类型由话音发展到数据、传真，直到多媒体综合业务。

1.2FPGA在无线通信中的应用

现场可编程门陈列（FPGA）芯片在许多领域均有广泛的应用，特别是在无线通信领域里，由于具有极强的实时性和并行处理能力，使其对信号进行实时处理成为可能。本节不仅对FPGA技术在现有无线通信中的应用领域作了详细的分析，并对其在未来无线通信中的应用发展作了展望。

FPGA指的是现场可编程门阵列，它的基本功能模块是由N输入的查找表，存储数据的触发器和复路器等组成。在正确的设置下，这三个部分各司其职。查找表能够通过对数据的读取实现输入数据的任意布尔函数；触发器则用来存储数据，如有限状态机的状态信息；复路器可以选择不同的输入信号进行组合，将查找表和触发器用可编程的布线资源连接起来，可以实现不同的组合逻辑和时序逻辑。由于FPGA内部结构的特点，它可以很容易地实现分布式的算法结构，这一点对于实现无线通信中的高速数字信号处理十分有利。因为在无线通信系统中，许多功能模块通常都需要大量的滤波运算，而这些滤波函数往往需要大量的乘和累加操作。而通过FPGA来实现分布式的算术结构，就可以有效地实现这些乘和累加操作。

目前，无线通信一方面正向话音和数据综合的方向发展，另一方面迫切需要将移动技术综合到手持PDA产品中去。因此，随着无线移动通信系统的发展，以及对更为完善的便携式系统的期望，构架系统模块的处理器就必须更加地强有力。这一要求对无线通信的FPGA芯片市场提出了重要的挑战，其中最重要的三个方面是FPGA的功耗、性能和成本。目前已有许多研究来平衡这三方面的要求，如利用系统芯片（SOC）可以将尽可能多的功能集成在一片FPGA芯片上或FPGA芯片集上，使其性能上具有速率高、功耗低；在成本上价格低廉；而且还可以降低复杂性，便于使用。

特别是在无线通信领域里，SOC由于具有极强的实时性，使其对话音进行实时处理成为可能；由于它是通过面向芯片结构的软件编程来实现其功能的，因而仅修改软件而不需改硬件平台就可以改进系统原有设计方案或原有功能，因而具有极大的灵活性；又由于这种情况下的FPGA芯片并非专门为某种功能设计的，因而使用范围广、产量大、价格可以降到很低。所以FPGA将会越来越多地应用于无线通信系统中，它的优良性能将会促进无线通信的发展；而带来的无线通信蓬勃发展又将会进一步促进FPGA技术的不断进步。

对于现有移动通信中的许多关键技术，如：CDMA技术，软件无线电，多用户检测等技术都需要依靠高速、高性能的并行处理器来实现。随着这些应用的日益多样化，FPGA已经不再是一块独立的芯片，而演变成了构件内核。这使得设计师能选择合适的内核，与专用逻辑“胶结”在一起形成专用的FPGA方案，以满足信号处理的需要。目前还出现把DSP核和FPGA集成在一起的芯片。FPGA芯片的一些具体应用方面，如：用于实现语音合成，纠错编码，基带调制解调，以及系统控制等功能；基于DSP核矢量编码器用于将语音信号压缩到有限带宽的信道中；用来实现基带调制解调功能；另外还有定时的恢复、自动增益和频率控制、符号检测、脉冲整形、以及匹配滤波器等。

特别是对于其中的调制解调器，由于需要大量的复杂数学运算，并且对调制解调器的大小、重量、功耗特别关注，这就对FPGA的要求就更高，调制解调器的速度随FPGA的速度的提高而不断提高。FPGA在通信领域的应用，大大改善了现代通信系统的性能，也极大地推动了SOC的发展。但对于当今的移动通信设备，一片FPGA难以达到系统级处理的能力。比如现在的第三代移动通信，一片FPGA只能进行信源和信道方面的物理层处理，不能处理控制和高层信令。只有与另外的DSP或者CPU相结合才能完成整个任务。因此，基于DSP/CPU加FPGA的网络产品将成为未来的应用热点。随着移动通信的宽带GSM，CDMA标准的转移和高速数据传送网络对XDSL的要求，基于内嵌DSP/CPU的FPGA SOC将更有前途。

专家指出，今后高速DSP/CPU加FPGA技术的发展趋势，将是以系统芯片为核心，信息处理速度将达到每秒几十亿次乘加运算，因此，只有多系统芯片才能肩负此重任。嵌入式系统已经与SOC技术融合在一起，成为新一代信息技术的基础。基于DSP/CPU加FPGA的嵌入式系统不仅具有其他微处理器和单片机嵌入式系统的优点和技术特性，而且还可能利用并行算法操作，具有更高速的数字信号处理能力，为实现系统的实时性提供了更为有利的支持。DSP/CPU加FPGA系统必将成为现在以及未来无线通信技术的重要支柱。

1.3Xilinx公司的无线通信开发资源

Xilinx公司为推动整个无线通信行业做出了积极贡献，不仅是主要的通信器件供应商，还积极地参与各类通信标准的制定，提供系统集成和完整的系统解决方案。

Xilinx提供了针对RF数字前端（DFE）信号处理、基带处理（包括前向纠错（FEC）、傅立叶变换和自适应调制）和先进接口等领域中无线网络设备的高性能、经济型解决方案，以及连接功能和桥接解决方案。Xilinx及其合作伙伴提供了以下全方位支持：

参考设计和硬件平台，来简化高性能无线电和基带处理功能的开发。

灵活的、可升级解决方案，解决了不断变化的标准的挑战，如WCDMA、WiMAX、TD-SCDMA和LTE。

IP和参考设计，支持最新的无线电、基带和DSP连接功能标准，如CPRI、OBSAI和SRIO。

业内领先的FEC解决方案，如高级Turbo编解码器算法，提高了吞吐量，降低了延迟，并削减了单位通道的成本。

全面的网络解决方案，支持新的、低延迟、基站架构和向全IP核与回程网络过渡的开发。

按功能和类型分，Xilinx FPGA的应用范围和已有资源可以分为：基带处理（通道卡）、接口和连接功能以及RF（射频卡）三大类，涵盖了3G四大标准（WCDMA、CDMA2000、TDS-CDMA以及WiMAX）的完整参考设计，并附加了OFDM调制、削峰、基带预失真、MAC和分组处理等多种核心技术，形成先进的基站解决方案。

（1）基带处理资源

基带处理主要包括信道编解码（LDPC、Turbo、卷积码以及RS码的编解码算法）和同步算法的实现（WCDMA系统小区搜索等）。

（2）接口和连接资源

接口和连接功能主要包括无线基站对外的高速通信接口（PCI Express、以太网MAC、高速AD/DA接口）以及内部相应的背板协议（OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort）的实现。

（3）RF应用资源

RF应用主要包括调制/解调、上/下变频（WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA以及CDMA2000系统的单通道、多通道DDC/DUC）、削峰（PC-CFR）以及预失真（Predistortion）等关键技术的实现。

本专题以Xilinx公司在无线通信领域中的资源为导向，分为整体解决方案、基带处理、数字前端及RF处理和无线通信中的交换和接口处理4大类，在后三类中，主要针对WCDMA、CDMA200、TD-SCDMA以及WiMAX系统进行讨论，并将LTE相关内容也依次并入上述四个已有系统中。