基于65nm FPGA的多模无线基站的高端应用

随着TD-SCDMA进入大规模商业实验，WiMAX加入ITU成为第4个3G标准，爱立信率先完成LTE全链路高速传输试验，IMT-Advanced 开始提案征集，移动通信越来越多地呈现了多标准共存的局面。在现实中则往往在一个站址上，同时有小灵通、CDMA、GSM、TD-SCDMA等多种标准的基站。如何降低研发生产成本，降低建设、运营、维护和升级成本，就成为设备厂商和运营商所面临的共同课题。对此，基站设备厂商提出面向全IP化多模无线基站，实现GSM、UMTS、CDMA、WiMAX多模块多模式基站，从而可以实现平滑演进，从现有TD-SCDMA、WCDMA等3G标准平滑升级到 HSDPA/HSUPA甚至LTE等后3G标准。

FPGA 类高性能可编程逻辑器件，正是多模无线基站的最佳构建平台之一。Xilinx率先发布和量产的65nm平台FPGA，则以大量先进技术和全新的设计有效增加了系统产品的生命周期并满足了3G、LTE、IMT-Advanced等移动通信标准和高性能处理设备对更多功能、性能、功耗和综合成本的苛刻要求。

更大容量、更高性能

尽管DSP的工作时钟频率已经提升到GHz量级，但还是无法满足高端应用系统对实时性的要求。换句话说，算法复杂度与传统DSP的性能之间一直存在着落差。而且，随着3G及LTE、IMT-Advanced等未来移动通信技术的出台，通信系统中的MIMO、OFDM、LDPC等无线算法和AVS等实时视频编译码算法的复杂度直线上升，使得这种落差呈进一步扩大态势。

传统上，这一落差是由专用信号处理芯片(ASIC或ASSP)来进行弥补。不过，FPGA凭借高度的灵活性和近些年来性能的提升以及功耗的改善，特别是近两年的时间内采用65nm工艺的高性能FPGA的推出，加快了自身向这块 DSP无法覆盖的信号细分市场渗透的速度。笔者以Xilinx的Virtex 5为例进行阐述。

Virtex-5系列所采用的6输入 LUT ExpressFabric技术在将性能提升了2个速度级别同时使动态功耗降低了35%，面积缩小 45%，总逻辑单元数多达 330,000个。同时，Virtex 5高达11.6 Mbit 的灵活嵌入式 Block RAM，可以以高达 550 MHz的工作速率运行。每个Block RAM模块最高可存储 36 Kbit 数据，可以配置成工作频率为 550 MHz的FIFO而无需消耗逻辑资源，或配置为双端口 RAM以增加带宽，还可以级联增加实现更大存储器。

为了满足设计师对多通道、高性能DSP算法加速的需要，所有 Virtex-5 系列都提供大量增强嵌入式型DSP48E slice块，在更大的动态范围内实现48位全精度结果而无需消耗逻辑结构资源；DSP48E Slice 支持专门的布线所实现的加法链结构突破了加法树的性能瓶颈。特别在面向信号处理的SXT 平台上的 Slice更多达 6?0 个，可以工作在550 MHz，实现 352 GMACS 的性能。同时每个 DSP48E Slice 在翻转率为 38% 的情况下，功耗仅为 1.38 mW/100 MHz，比90nm器件降低了40%。

更高的I/O速率，支持更多I/O标准

虽然现代电子系统互连越来越趋向于串行交换式互连网络，但对差分或单端并行I/O也有越来越高的性能要求。如LTE通信系统中采用的MIMO技术可能需要系统FPGA同TI公司串行LVDS输出的 4通道14bit 125 MSPs ADC芯片互连，单差分对最高数据率可能高达1.04Gbps，对FPGA提出了很高的要求；通信系统中大量采用DDR2、DDR3、QDR2等高时钟速率存储器实现对高速信号和分组数据的缓存处理，也需要FPGA提供有效的互连接口。

可靠的源同步数据采集是构建高性能并行接口时所面临的最为关键、困难的挑战，需要妥善处理时钟、数据线间的Skew以及信号间的噪声和串扰。如果一款器件能实现：1.25 Gbps的差分I/O 或 800 Mbps 单端 I/O 互连；能在宽电压、速度范围内支持40多种高性能I/O标准协议和定制电气标准协议；能够确保时钟和数据对齐时序要求，简化源同步接口设计，轻松做到高性能源同步并行或存储器接口，则将是非常理想的。Xilinx的Virtex 5是通过利用增强型SelectIO块、ChipSync 技术和Sparse chevron 封装技术、接地管脚的分配方法实现上述性能指标：在确保时钟位于数据有效窗口的中央，实现可靠的读数据采集的同时更好的控制同步开关输出（SSO）噪声。 Virtex 5 的推出为设计师实现系统互连最大带宽提供了足够的设计灵活性。例如使用DDR2 SDRAM实现高达384 Gbps的存储器带宽。

在传统无线基站和嵌入式信号处理系统中，多个FPGA及信号处理器件主要通过总线或用户专用互连结构。但总线结构存在性能限制，难以满足高性能系统的需要；而专用系统则难以满足互连互通的需要。因此，基于串行交换互连，以Serial RapidIO、PCI Express、GE为代表的嵌入式互连网络逐步进入无线基站和高性能处理系统。而处于多模基站和系