基于FPGA和DSP组合在无线基站中的应用

图2 FPGA中的嵌入式DSP单元　
　　
当基站采用先进的多天线技术(如空时编码STC，聚束和MIMO方法)，FPGA和DSP间信号处理能力的巨大差别更加明显。OFDM-MIMO组合被广泛认为是现在和将来WiMAX和LTE无线系统较高数据率的关键促进因素。
　　
图1示出应用在基站中的多发送和接收天线。在这种配置中，对于每个天线流的符号处理是单独实现，在MIMO译码执行前产生单个位级数据流。在串行状态用DSP实现操作时，符号级复杂性随天线数线性增加。例如，用两个发送和两个接收天线时，FFT和IFFT功能消耗1GHz DSP近60%(假设变换大小是2048点)。相反，用FPG实现多天线基计算是非常有效的。FPGA提供并行处理和时间多路转换来自多路天线间数据。
　　
多天线方法提供较高的数据率、阵列增益、分集增益和同信道干扰抑制。聚束和空间多路传输MIMO技术也是计算密集的，涉及矩阵分解和相乘。特别的Cholesky分解，QR分解和奇异值分解功能通常是解线性方程组。当这些功能很快用尽DSP能力时，而FPGA很适合实现这些功能。利用FPGA的并行性，采用更加成效的心缩式阵列结构方案。
　　
数字IF处理
　　
图3示出来自基带信道极的数据，送到RF板进行数字中频处理，包括数字上变频(DUC)、CFR和DPD。数字IF扩展了基带域到天线范围之外的数字信号处理。这增加了系统灵活性，并降低了制造成本。此外，数字频率变换比传流的模拟技术，能提供更大的灵活性和更高的性能(在衰减和选择性方面)。

图3 数字RF处理功能
　　
需要CFR和DPD功能来改善用在基站中放大器效率。这些功能也有助于大大降低RF板的总成本。CFR和DPD包含复杂的乘法，取样率可高达100MSPS以上。类似于DUC，在接收端需要数字下变频(DDC)把IF频率变为基频。DUC和DDC都采用复杂的滤波器结构，包括有限脉冲响应(FIR)和级联积分梳状(CIC)滤波器。先进的FPGA提供运行速度高达350MHz的数百个18×18乘法器。这不仅提供并行处理多信道的平台，而且也是一个经济集成单芯片方案。
　　
有效的设计方法
　　
随着标准的稳定，对基站灵活性的要求将降低，而成本变为一个主要的成功因素。选择FPGA将会大大地节省成本。
　　
混合FPGA/DSP基平台，为无线基站提供一种有效的设计方法。产品成功的关键是根据系统吞吐量要求和成本考虑在FPGA和DSP之间进行合理分配。这将保证产品最终不仅仅只是可缩放的和经济的，而且灵活、可配置适合多个标准。除成本因素外，使用FPGA可以更位快捷的的设计产品，方便了设计工程师的设计。