低成本FPGA的JESD204A应用

引言

　　随着人们订购无线服务数量的激增、各种服务类型的多样化，以及更低的便携式设备接入因特网的费用，使得对于增加基础设施容量的需求日益明显。3G智能手机、3G上网本和3G平板电脑是引发对于无线数据服务和基站容量的爆炸性需求的主要推动力。将性能叠加到现有的无线宽带设备，例如：HSPA+和EV-DO(即3G+)，已经解决了一部分数据吞吐量的需要，但因为服务速度慢，无线服务供应商仍饱受用户指责，尤其是在大城市中，用户不满的情况更加严重。

　　无线运营商有向更高带宽服务发展的计划，如：LTE和LTE-Advanced，以应对这一挑战;但是，部署这些4G技术还需要几年时间，然而与此同时数据吞吐量的要求却还在不断上升。当全球的“桌上型”无线宽带服务需求无所不在时(据业内分析师预测这一现象将在今后6年内出现)，无线服务供应商仍将面临提高基站密度的压力。大量增加基础设施的需求以及本地市场的激烈竞争将使得基站OEM厂商面临提价压力。

　　以更低功耗和价格来增加容量——是神话还是现实?

　　过去，在远程通信行业更高性能的基站收发台(BTS)通常需要消耗更多电能和更高的总拥有成本。然而，未来这一情况将有望改变。在亚洲和非洲，Green field 3G和增强型3G的部署将引发残酷的降价及能耗压力，这很可能会波及整个无线基础设施市场。对于无线基础设施OEM厂商来说，关键的是要通过降低基站元器件材料成本，维持和增强盈利能力。如图1所示，降低元器件材料成本的一种方法是从传统的、单一基站部署转变为分布式部署模型。

　　图1——基站网络的演变

　　这种拓扑结构解决了上文中提到的一些挑战，并且也促进了基于SERDES的逻辑器件的使用和这类器件应用的成熟化，用以支持从RRU(射频拉远单元)到BTS的光纤数据传输。然而，由于射频拉远单元所包含的射频和数据转换设备，其成本仍占了BTS的元器件材料总成本中的很大部分。一类更低成本、低功耗的新型FPGA，如LatticeECP3器件，可通过与集成了支持CPRI和OBSAI基带接口的SERDES相结合，提供灵活的数据处理能力，并且降低射频拉远单元的总成本。但是，增加数据吞吐量的需求已经使得对于传统并行数据转换器接口的各方面要求都逼近其极限，诸如：性能、印刷电路板布局的复杂性和制造成本以及维护数据完整性所需的努力。这些挑战导致了在实际RRU数据转换器和数据处理FPGA之间的SERDES功能需要从BTS接口迁移到数字数据/控制接口，如图2所示。JEDEC JC-16协会于2008年发布了这种新型接口的开放的行业标准，称之为JESD204A，并为进一步降低射频拉远单元的元器件材料成本带来了很大的希望。

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　Figure 2 – JESD204A Interface

　　图2——JESD204A接口

　　目前，NXP半导体提供的CGVTM数据转换器上的JESD204A接口是一种高速串行接口，使用兼容CML的差分信号和8B/10B编码。目前的最高数据速率为3.125 Gbps，通过数据转换器和FPGA之间的多路通道实现任意大小的系统带宽，实现每个通道带宽超过312.5兆字节/秒的数据速率。由于JESD204A支持精确的跨线同步，它本身还支持正交采样，这对于以OFDM调制机制为基础的3G和4G空中接口来说是非常必要的。基于SERDES的数据转换器和FPGA的优势

　　可编程逻辑和高速数据转换技术在基站设计的整个演变过程中发挥了非常重要的作用。数据转换器提供了射频功率放大器与无线通信单元中射频小信号部分的桥接，而FPGA为设计师们提供了足够的灵活性，使得在空中接口规范完全确定之前就可以开始设计。

　　日益增加的基站数据吞吐量的需求导致了无线通信单元的元件成本和功耗的增加，并使得相关印刷电路板和接口更加复杂，同时更加强调对信号完整性的要求。兼容了JESD204A的数据转换器，具有降低元器件材料成本及其他商业和技术方面的优点，使得BTS的OEM厂商无法忽略这个新型、具有突破性意义的接口选择。不断节约的元器件材料成本很快超过了采用该接口技术的花费，并且还提高了系统的可靠性，从而进一步节约了成本。

　　JEDEC JESD204A通过简化印刷电路板布局大大地降低了射频拉远单元的元器件材料成本，印刷电路板布局的简化在减少了电路板层数的同时缩小了电路板尺寸，这两者都是增加电路板成本的重要因素。此外，由于JESD204A大大降低了数据转换器和FPGA之间的接口信号数量，从而使得整个系统的可靠性得到增强。由于低电压摆幅的CML降低了功耗，电源的元器件材料成本也可能相应地减少。JESD204A除了有助于降低元器件材料成本，还对设计的系统架构级有很大的益处。强大的嵌入式协议(没有软件开销)，包括数据加扰、单比特错误检测和数据线路同步丢失检测，以及加强了射频印刷电路板上模拟和数字部分的隔离，提高了抗噪声能力。许多业内观察员认为数据转换接口向JESD204A的转换是不可避免的，就像在PC和DSP硬件领域中向USB、PCI Express和串行RapidIO高速串行的转换一样。

　　正如数据转换器那样，对于成本、功耗和性能的更高要求也迫使FPGA架构发生重大改变，从而显著地提高了其性能、特性和逻辑密度。与ASIC相比，FPGA因其本身的灵活性和更快的产品上市时间，长期以来一直广受赞誉，但是过去FPGA仅限用于“接口逻辑”和“修正错误”的应用。如今由于FPGA的价值已大大扩展，这一情况已经发生改观。例如，莱迪思低成本、低功耗的新型FPGA系列，具有增强型功能，如集成的SERDES、DSP的数据通路和嵌入式存储器，已经成为了众多射频拉远单元设计的重要组成部分。系统设计工程师们现在仅需花费一半的功耗和成本，利用这款极具竞争力的带有SERDES功能的FPGA，在复杂的信号路径应用中使用这个可编程平台，实现诸如数字下变频(Digital Down Conversion，DDC)、数字上变频(Digital Up Conversion，DUC)、波峰因数缩小(Crest Factor Reduction，CFR)和数字预失真(Digital Pre-Distortion，DPD)功能。

　　小结

　　BTS的OEM厂商需要认真考虑，使用新的JESD204A高速串行接口为射频拉远单元节省元器件材料成本和其他费用，以作为应对未来不断增加的无线基础设施ASP的降价压力的一种重要手段。

　　过去，FPGA和数据转换器在射频拉远单元设计中发挥了关键作用;如今，它们在降低系统构建成本上发挥着更大的作用。基于SERDES的、可扩展的JESD204A接口在多个ADC / DAC和多个FGPA之间提供了一个无缝、简化的、低功耗和低成本的数据高速公路。功能丰富、更低成本的FPGA实现了更快的产品上市时间和更短的成本收回周期，并提供能够更有效地应对不断变化的标准的灵活性。系统设计工程师现在还拥有一个令人兴奋的、改进的工具集来应对不断发展的无线宽带市场的挑战。