赛灵思Virtex-5 FPGA的LTE仿真器的实现步骤

功能强大的可编程逻辑平台使得Prisma Engineering公司能够针对所有蜂窝网络提供可重配置无线测试设备。长期演进(LTE)是移动宽带的最3GPP标准，它打破了现有蜂窝网络的固有模式。LTE与前代UMTS和GSM标准相比，除采用高频谱效率的射频技术外，其架构还得到了大幅简化。

LTE系统的无线接入部分Node-B，是连接无线电和整个互联网协议核心网络之间的边缘设备。这种架构无法监测和测试等效于UMTS中间链路上的元件。必须通过无线电接口，才能有效地测试LTE网络元件。这正是Prisma Engineering公司线路服务器单元(LSU)UeSIM LTE项目的设计组要解决的问题。该仿真器是针对所有LTE测试需求的全面解决方案，可帮助网络设备设计人员对空中接口和核心网络进行测试和监控。单个这种硬件平台即可在每个扇区模拟出多达1 024个用户设备。

无线电接口的载荷-应力测试和功能测试覆盖了完整LTE协议栈及其应用。射频前端采用本地多输入多输出(MIMO)设计，可支持5MHz、10MHz、15MHz和20MHz多种不同带宽。

这个仿真器中心采用三个赛灵思Virtex®-5 FPGA(XC5VSX50T)，可支持高级软件无线电重配置。总部设位于意大利米兰的Prisma Engineering公司的设计组很快认识到，我们需要功能强大、可重编程的架构，以便能够用同一开发板灵活应对多种无线接入标准。

现有两种用户测试工具：LTE Test Manager(主要针对LTE设备厂商提供)和Quick GUI(主要针对LTE网络营运商提供)。Quick GUI提供通过/未通过测试方案，而Test Manager则可进行更为复杂的分析。

LSU UeSIM LTE架构

LSU UeSIM LTE仿真器采用由协议处理单元(PPU)模板、软件无线电(SDR)模板和支持MIMO操作的两个无线电模块共同构成的CompactPCI标准架构。

采用Intel技术的PPU模板是一种主处理器卡，能够对多个SDR模板进行管理，改善载荷-应力性能。软件无线电模板专为扩展我们先前的LSU系统在无线电接口的运行性能而设计。CompactPCI无线电夹层卡负责提供各个不同标准射频带宽的射频发送/接收功能：GSM(850 MHz和900MHz;1.8和1.9GHz)、LTE(700MHz，2.1 GHz、2.3 GHz、2.5 GHz和2.6GHz)和WiMAX(2.4GHz、3.5GHz和5GHz)。

SDR卡架构

SDR卡是一种集成在LSU软/硬件环境中的高性能平台，用于提高系统与基带(CPRI/OBSAI)、无线电接口或者两者之间的连接功能。该卡使用工作在特定频带内的不同外部无线电模块，可支持各种无线标准，比如GSM/EDGE、UMTS、HSPA、WiMAX和LTE等。图1为在LTE测试场景中，仿真器或取代无线电扇区，或为核心网络提供测试接口。

图1　LTE测试场景

我们采用三个德州仪器的1GHz DSP(我们选用了TMS320C6455)和Analog Devices公司的模数转换器(AD9640)与数模转换器(AD9779)，完成了基于赛灵思FPGA的SDR卡设计。时钟网络采用Analog Devices公司的AD9549，能够为转换和数字信号处理器件(FPGA、DSP)提供极高的灵活时基。

LTE加工数据通路

Prisma把LTE加工数据通路分为两大部分，一是在FPGA内实现的射频前端。二是在DSP内实现的物理资源分配以及数据通道与控制通道端接。

在上行链路方向，由一个DSP负责处理MAC层到物理层的交换以及物理层某些功能的操作。它负责为编码、交织、加扰、符号映射和子载波分配提供参考信号(导频)、源数据和控制通道。离散傅立叶转换(DFT)函数负责根据SC-FDMA标准完成来自不同终端的数据转换。该系统通过EMIF接口把每个OFDM符号都发送到上行链路FPGA。图2为LSU软件无线电卡上的赛灵思Virtex-5 FPGA和TI DSP。

图2　LSU软件无线电卡的Virtex-5 FPGA和TI DSP

该FPGA将数据速率从125MHz(DSP EMIF接口时钟)提升到245.76MHz(FPGA加工速率)。然后FPGA将执行一系列其他操作：2048点反向快速傅立叶转换、循环前缀插入、PRACH数据通道插入、7.5kHz频率下转换OFDM符号频谱的半移位函数、信道整形与内插滤波以及24MHz频率下的中频(IF)转换。

随后该器件以122.88MHz的时钟频率把中频数据发送到DAC。同时射频卡将模拟信号转换为射频信号，发送至发射器放大器。下行链路方向上，在LNA放大、可编程增益和转换阶段完成后，射频卡将把接收到的中频数据发送到SDR卡(140MHz)。ADC将以122.88MHz的频率对模拟数据进行二次采样，而FPGA则负责处理最终到基带的17.12MHz频率转换。该数据可以与两个单输入、单输出通道关联，也可以与一个MIMO通道关联。

中频数据随后进入下行链路FPGA，由该FPGA将其转换为基带并进行过滤。即便芯片速率保持在245.76MHz，多相抽取滤波器仍能以30.72MHz的符号率进行奈奎斯特FIR滤波、频谱镜像抑制和数据率降低等操作。FPGA输入