FPGA和DSP之間的“智能配分”可使無線系統(tǒng)設計師獲得最佳性能組合和成本——效能。應用DSP和FPGA組合可使成本降低。對于無線基站，組合有DSP可編程邏輯的系統(tǒng)配分，可促使更大的產品設計和市場成功率。

更高數據率的需求正在驅使無線蜂窩系統(tǒng)從窄帶2G GSM，IS-95系統(tǒng)到W-CDMA基3G和3.5G系統(tǒng)（支持高達10Mbps峰值數據率）變革。將來，3Gpp遠期變革規(guī)范面向復雜的信號處理技術，如多輸入多輸出（MIMO）以及新的無線電技術（如正交頻分多址OFDMA，多載波碼分多址MC-CDMA）。這些技術對于實現(xiàn)超過吞吐量100Mbps的目標起關鍵作用。

另外的OFDM基寬帶無線系統(tǒng)，如WiMAX現(xiàn)在傳輸速度超過70Mbps?？枯^高級的調制技術和變速率信道編碼可以實現(xiàn)數據率的改善。復雜的空間信號處理方法（包括聚束和MIMO無線技術）也是增加數據率的辦法。然而，這種技術對基站設計師所產生的問題是：需要可縮放性、成本、效率和跨越多個標準的靈活性。

1 多可變目標

無線系統(tǒng)設計師需要滿足大量關鍵技術要求，包括處理速度、靈活性、產品上市時間。所有這些要求決定對硬件平臺的選擇。主要的變量包括處理帶寬、靈活性和降低成本的路徑。

2 處理帶寬

WiMAX與W-CDMA和CDM2000蜂窩系統(tǒng)相比，明顯地具有較高的吞吐量和數據要求。為了支持這些較高的數據率，基礎硬件平臺必須具有寬處理帶寬。另外，幾種先進的信號處理技術，如快速傅里葉變換/快速傅里葉逆變換（FFT/IFFT）、聚束、MIMO、波峰因數縮減（CFR）、數字預失真（DPD）都是計算密集的，需要每秒幾百萬乘和累加運算。

3 靈活性

WiMAX是一個相當新的市場，現(xiàn)正處于開發(fā)和采用階段?，F(xiàn)在仍然不清楚在這很多移動寬帶技術（WiMAX，Wibrow，Super3G，LTE，Ultra3G等）中，哪一種將被大量采用。

現(xiàn)在，末端產品靈活性和可編程性對多協(xié)議基站是關鍵性的。

4 降低成本的路徑

對于OEM和服務供應商來講，為了保持競爭力，最終產品的成本比靈活性更重要。在樣機設計階段選擇正確的硬件平臺，為生產制造提供無縫降低成本的路徑，這會節(jié)省上百萬工程成本。否則，需要重新設計系統(tǒng)。

5 系統(tǒng)結構的邏輯任務分配

控制、信號處理和數據通路運行構成無線基站中處理負載的主體。實現(xiàn)這些功能的最通用方法是采用微控制器（MCU）、FPGA和可編程DSP的組合。MCU控制系統(tǒng)、而FPGA和DSP控制數據流處理。DSP軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的輕載處理要求和定向控制任務。重載最好的實現(xiàn)方法是用FPGA，因為FPGA具有很強的并行處理能力。

組合的DSP和FPGA確保整個系統(tǒng)的靈活性，并提供重新可編程性以確定系統(tǒng)缺陷，而且支持不同的標準。DSP和FPGA之間的分配策略依賴于處理要求、系統(tǒng)帶寬、系統(tǒng)配置、發(fā)射和接收天線數。圖1示出OFDMA基系統(tǒng)（如WiMAX或LTE）中基帶物理層（PHY）功能的典型DSP/FPGA分配。

圖1 OFDMA系統(tǒng)中DSP/FPGA分配

包含先進的多天線技術，這類系統(tǒng)所提供的吞吐量可達到75~100MPS。基帶PHY功能可大致分為位級（bit-level）處理和符號級（Symbol-level）處理功能。

6 位級處理

位級處理單元包括發(fā)射端的隨機化、前向糾錯（FEC）、到四相相移鍵控（QPSK）和正交調幅（QAM）功能的交織和變換。相應的接收處理位級單元包括符號解變換、解交織、FEC解碼和解隨機性。

除FEC譯碼外的所有位級功能都是相當簡單的，而且計算不是密集的。例如，隨機性包含數據位的模2加法（借助簡單偽隨機二進制時序產生器輸出）。盡管FPGA比固定總線寬度的DSP能為位級處理提供更大的靈活性。但是，低計算復雜性允許DSP處理這些功能。相比，F(xiàn)EC譯碼包括Viterbi譯碼、Turbo卷積譯碼、Turbo乘積譯碼和LDPC譯碼是計算密集的，而且DSP處理時會消耗有效帶寬。

FPGA廣泛用于卸載這些功能。同樣FPGA也可用到MAC層的接口，以實現(xiàn)一定的較低MAC功能（如加密/解密和鑒別）。

7 符號級處理

OFDMA中的符號級功能包括子信道化和解子信道化、信道判斷、均衡和循環(huán)前綴插入以及消除功能。時間—頻率變換和頻率—時間變換，分別用于FFT和IFFT實現(xiàn)。

信道判斷和均衡可以離線執(zhí)行，這涉及更多有關控制算法，適合用DSP實現(xiàn)。相反，F(xiàn)FT和IFFT功能是規(guī)則的數據通路功能，這包括非常高速下的復雜乘法，適合于用FPGA實現(xiàn)。

圖2示出包含在高端FPGA（Altera公司StratixⅡ器件）內的嵌入式DSP單元。DSP處理器通常有多達8個專用乘法器，而StratixⅡ器件有多達384專用乘法器，提供的吞吐量高達346GMAC，這比現(xiàn)有的DSP高出一個量級。

圖2 FPGA中的嵌入式DSP單元

當基站采用先進的多天線技術（如空時編碼STC，聚束和MIMO方法），F(xiàn)PGA和DSP間信號處理能力的巨大差別更加明顯。OFDM-MIMO組合被廣泛認為是現(xiàn)在和將來WiMAX和LTE無線系統(tǒng)較高數據率的關鍵促進因素。

圖1示出應用在基站中的多發(fā)送和接收天線。在這種配置中，對于每個天線流的符號處理是單獨實現(xiàn)，在MIMO譯碼執(zhí)行前產生單個位級數據流。在串行狀態(tài)用DSP實現(xiàn)操作時，符號級復雜性隨天線數線性增加。例如，用兩個發(fā)送和兩個接收天線時，F(xiàn)FT和IFFT功能消耗1GHz DSP近60%（假設變換大小是2048點）。相反，用FPG實現(xiàn)多天線基計算是非常有效的。FPGA提供并行處理和時間多路轉換來自多路天線間數據。

多天線方法提供較高的數據率、陣列增益、分集增益和同信道干擾抑制。聚束和空間多路傳輸MIMO技術也是計算密集的，涉及矩陣分解和相乘。特別的Cholesky分解，QR分解和奇異值分解功能通常是解線性方程組。當這些功能很快用盡DSP能力時，而FPGA很適合實現(xiàn)這些功能。利用FPGA的并行性，采用更加成效的心縮式陣列結構方案。

8 數字IF處理

圖3示出來自基帶信道極的數據，送到RF板進行數字中頻處理，包括數字上變頻（DUC）、CFR和DPD。數字IF擴展了基帶域到天線范圍之外的數字信號處理。這增加了系統(tǒng)靈活性，并降低了制造成本。此外，數字頻率變換比傳流的模擬技術，能提供更大的靈活性和更高的性能（在衰減和選擇性方面）。

圖3 數字RF處理功能

需要CFR和DPD功能來改善用在基站中放大器效率。這些功能也有助于大大降低RF板的總成本。CFR和DPD包含復雜的乘法，取樣率可高達100MSPS以上。類似于DUC，在接收端需要數字下變頻（DDC）把IF頻率變?yōu)榛l。DUC和DDC都采用復雜的濾波器結構，包括有限脈沖響應（FIR）和級聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器。先進的FPGA提供運行速度高達350MHz的數百個18×18乘法器。這不僅提供并行處理多信道的平臺，而且也是一個經濟集成單芯片方案。

9 有效的設計方法

隨著標準的穩(wěn)定，對基站靈活性的要求將降低，而成本變?yōu)橐粋€主要的成功因素。選擇FPGA將會大大地節(jié)省成本。

混合FPGA/DSP基平臺，為無線基站提供一種有效的設計方法。產品成功的關鍵是根據系統(tǒng)吞吐量要求和成本考慮在FPGA和DSP之間進行合理分配。這將保證產品最終不僅僅只是可縮放的和經濟的，而且靈活、可配置適合多個標準。