软件无线电设计中ASIC、FPGA和DSP的选择

ASIC、FPGA和DSP的应用领域呈现相互覆盖的趋势，使设计人员必须在软件无线电结构设计中重新考虑器件选择策略问题。本文从可编程性、集成度、开发周期、性能和功率五个方面论述了选择ASIC、FPGA和DSP的重要准则。

软件无线电(SDR)结构一直被认为是基站开发的灵丹妙药，而随着其适应新协议的能力不断增强，软件无线电结构已被一些设计人员视为在单个基础架构设计中支持多种无线协议的重要解决方案。

直到最近，软件无线电仍然只是大多数通信系统设计人员的规划蓝图而已，但这一局面正迅速得到改观。随着3G无线业务的日趋临近，设计人员又对在基础架构设计中实现软件无线电结构产生了浓厚的兴趣。

实现软件无线电

传统的无线基础架构设计可采用ASIC、DSP和FPGA器件的组合加以实现。在这些设计中，ASIC和FPGA通常负责处理高级编码机制，如Reed Solomon编码、Viterbi编码及Rake接收机，而DSP则负责语音编码及其他语音处理任务。

在由传统的无线架构设计转向软件无线电设计的过程中，DSP、FPGA和ASIC之间的功能划分也在发生变化。ASIC逐渐提供更多的可编程功能，而 DSP和FPGA则开始具备ASIC的传统处理功能，三者之间的界限正变得日益模糊。因此，当设计人员设计软件无线电时，他们发现已很难划分ASIC、 DSP和FPGA三者之间的功能界限。

现在设计人员必须耗费相当多的精力来权衡下面一些问题：传统上由ASIC实现的功能能否由FPGA或 DSP更好地加以实现？或者传统上由DSP实现的功能是否由FPGA或ASIC实现更为合适？因此问题的核心是如何制订出正确的选择准则并对每种处理方案进行有效的评估。

准则选取

在选择任何准则之前，有必要给出软件无线电的精确定义。在底板各处，开发人员可为软件无线电结构的构成给出许多不同的定义，但本文将采用软件无线电论坛(www.sdRForum.org)的方法，将软件无线电定义为“在较大频率范围内，能对目前已有的以及将来会出现的诸多调制技术、宽带及窄带操作、通信安全功能(如跳频)和信号波形等的标准要求进行软件控制的无线电”。

历史上，采用单个空间接口标准设计的喷气式飞机中已经实现了数字无线系统，该设计在考虑成本的基础上(见图１)，使用了任意可编程器件对系统进行评估。而在软件无线电中，无线电的每个主要功能器件(包括射频收发器)都具备在空中进行重配置以支持多种空间接口标准的特性。



可重配置特性要求软件无线电改变设计人员需要考虑的准则。由于纯处理能力在当前的2G无线环境中占据主导地位，可编程功能也逐渐成为软件无线电设计应用的焦点。

总之，当选择ASIC、FPGA或DSP时，设计人员应当考虑以下5个重要的选择准则。1. 可编程性：对于所有的目标空间接口标准，器件均能重新配置以执行所期望的功能。2. 集成度：在单个器件上集成多项功能，由此减小数字无线子系统的规格并降低硬件复杂度的能力。3. 开发周期：开发、实现及测试指定器件的数字无线功能的时间。4. 性能：器件在要求的时间内完成指定功能的能力。5. 功率：器件完成指定功能的功率利用率。



上述准则中的任何一条都会对设计人员选择DSP、ASIC或FPGA产生直接影响。

可编程性

DSP和FPGA可轻易地进行重配置，以实现软件无线电设计的各种功能。现有的通信ASIC虽然可以较低的成本提供更好的性能，但提供的可编程能力非常有限。

问题的关键是，在诸多的无线ASIC中是否有一种适合于特定要求的数字无线产品。在纯软件无线电结构中，显然没有一种ASIC具有这样的功能，但实际上也只有很少的数字无线设计需要这样高的灵活性。因此软件无线电产品开发的关键步骤就是确定系统每项功能所需的可编程特性，并确定现有的ASIC是否可以提供这项功能。

确定器件的处理功能可通过既支持W-CDMA也支持GSM的基站收发器结构来说明。由于W-CDMA采用了扩频通信技术，因此许多用户可共享一条射频(RF)信道。在上行链路1,920至1,980MHz之间和下行链路2,110至2,170 MHz之间，W-CDMA信号在每条信道中占据5MHz的带宽。

另一方面，在GSM系统的每条射频信道中，窄带TDMA技术一般只支持8个用户。在上行链路890至915MHz之间和下行链路935至960MHz之间，窄带TDMA的每条信道占据200kHz带宽。

为了在软件无线电结构中有效地兼顾上述标准间的差异，中频(IF)处理器的数字上行转换器和下行转换器都必须提供可编程的信道选择、滤波器配置和采样比调节。Intersil、Graychip和Analog Devices公司的新型多标准数字收发器ASIC均可提供许多可编程特性。

例如，Graychip的GC4016数字下行转换器可重配置为最大可用基带带宽为每信道2.25 MHz的4信道窄带下行转换器，也可重配置为最大可用基带带宽为9 MHz的单信道宽带下行转换器。此外，GC4016还将在每个信道中支持用户可编程的基带滤波器和重采样器，这使得该器件适用于指定结构的中频处理。

但如果要求这些器件在将来支持升级到尚未定义的4G无线结构，ASIC在数字无线设计中的适用度也将随之发生变化。例如在无线领域中，关于是否应在4G系统结构中采用正交频分多路复用(OFDM)技术还存在诸多分歧，很多设计人员认为OFDM在多径环境下具有较强的鲁棒性，并可兼容多种宽带标准，如局域多点分布式业务(LMDS)和多信道多点分布式业务(MMDS)。

然而，由于4G标准尚未定义，而且在该结构中任何ASIC信号处理器件的使用都将给未来的升级带来无法预料的风险，因此中频处理也必须使用FPGA或DSP器件。

随着信号处理越来越多的来自数字中频输入，4G结构中的处理算法也变得越来越专业化，这限制了单个ASIC器件满足所需可编程要求的能力。

在3G/GSM无线应用中，W-CDMA采用了由透平编码和卷积编码组合而成的纠错机制，由此满足所需的误码率(BER)性能要求。另一方面，GSM采用卷积编码和Fire编码的组合作为其纠错机制，因此定位于特定纠错算法的商用ASIC器件将不再适用于GSM平台，而FPGA或DSP实现则是一种更好的选择。