FPGA在3G系统设备中的应用前景 http://www.cnele.com 更新时间：2005年11月01日 来源：电子工程专辑 【收藏此页】【大 中 小】【E-mail给朋友】【打印此文】【关闭窗口】 -------------------------------------------------------------------------------- 随着FPGA的规模越来越大，性能越来越强，OEM越来越倾向于用FPGA作为开发3G基础设施的器件。这是由于FPGA具有其它器件如ASIC，ASSP，GPP，DSP等无法比拟的优势，比如开发的灵活性、快速性、高性能以及比较好的性能价格比。本文就是针对3G的特点，分析了Altera公司的FPGA在开发3G基础设施中具有的优势，还给出了Altera公司所能提供的产品及成功案例等等。 3G基础设施的特殊需求 第三代移动通信设备的复杂度越来越高，尤其在开发空中接口部分时，将有大量的复杂的DSP应用(语音编解码，复杂的前向纠错编码，及调制与解调)，另外在开发移动通信网络设备也比开发前几代移动通信网络设备复杂，现在的网络设备是基于IP的网络设备。此外，为了适应不断增长的业务需求，第三代移动通信标准发展很快，比如WCDMA已经经历了R99，HSDPA(release5)，HSUPA(release6)，并且3G标准还在发展变化，这就决定了我们在开发3G基础设施时，要注意如下五点：3G基础设施要具有可升级性、可降价性、差异化、有助于加速产品的市场化以及具有好的性能价格比。 而现阶段OEM在开发3G基础设施时，可以选择的设计方法有：自己开发ASIC、选用ASSP器件、选用通用DSP处理器或其他通用处理器以及选用可编程逻辑器件(FPGA)。因此，OEM在开发3G基础设施时要充分考虑上面的5大特点，来决定选择何种实现方法。 FPGA在3G基础设施中的应用 3G硬件平台包括两部分，即空中接口部分和网络部分。空中接口部分主要包括基带信号处理和IF信号处理；网络部分主要是如何实现基站(或NodeB)，基站控制器(或RNC)及核心网的数据传输。FPGA在这两个部分都有很好的应用机会并且具有FPGA特有的竞争优势。 FPGA中具有丰富的资源，比如大量的LE资源，内置的存储器资源，还有针对DSP应用的DSP BLOCK资源，Altera 的FPGA还具有丰富的IO资源，比如有专用的LVDS接口集成了定制的SERDES/DPA、专用的外部存储器接口以及非常适合开发DDR/DDR2、RLDRAM和QDRII存储器的接口。此外还有丰富的时钟网络资源，GX器件增加了嵌入的收发器，非常有利于实现高速串行数据的收发。下面我们从3G结构的角度来分析FPGA在3G基础设施的各个部分时所能扮演的角色和机会。 基站发送部分。在该部分中，除了靠近发射天线的部分，其他部分都可以用FPGA实现。主要包括CRC、FEC、交织、正交可变扩频因子、扰码和QPSK调制。CRC的实现可以用移位寄存器及XOR运算实现。FEC(前向纠错)主要包括Viterbi和Turebo编码两种，它们编码的实现方法也是利用移位寄存器和XOR运算等方法实现。OVSF及扩频扰码也能很有效的用FPGA实现。交织可以用FPGA内嵌MEMORY实现。QPSK调制包括成形滤波，插值，NCO及乘法器及相加运算，这些非常适合用Stratix/StratixII器件实现，并且Altera还有现成的IP核和参考设计。 基站接收部分。大该部分中，同样除靠近接收天线的部分外，都可以用FPGA实现。主要包括解调、RAKE接收、路径搜索、多用户检测、合并及反交织、FEC解码和CRC校验。解调包括NCO、成型滤波、抽取及乘法运算，这些非常适合用FPGA实现，而且我们有相应的IP核及参考设计。RAKE接收、路径搜索、多用户检测及合并包含了大量的相关运算，它最基本的运算也是相乘相加运算，Stratix/StratixII内包含了大量的定制的乘法器及加减/累加器。反交织的实现和交织一样，可以用内嵌的存储器实现。FEC解码包括Viterbi和turbo解码，Altera也有相应的IP核。CRC校验和发送部分的CRC产生实现方法一样。 基站构成部分。基站一般由RF板、信道板、控制板、交换板、接口板及时钟板组成。RF板上除了完成传统的射频信号处理外，还包括数字中频部分(数字上变频DUC，数字下变频DDC，数字预失真DPD，波峰因子消减CFR及其它逻辑)；信道板是基站的核心部分，大部分数字信号的处理都是在这块板上完成，如FEC，扩频调制解调等；交换板完成交换功能；接口板完成与基站控制器的接口，如E1/T1接口或STM-1光接口。 近来多个设备厂商为了进一步降低成本，越来越倾向于将射频部分主要是功放和射频模拟部分外包，因此，在射频板与信道板之间就需要定义一些标准接口，目前有OBSAI和CPRI，Altera的GX由于有内嵌的收发器，可以用来设计这些接口。 基站控制器部分。它主要由线路板、交叉板及语音信号处理板构成。基站控制器和基站之间可以采用光纤环路的方式连接，基站在该光纤环路上上下电路。线路板主要有成帧器、映射器和物理接口，这些功能都可以用FPGA实现，并且我们有SONET/SDH成帧器IP核及POS 物理IP核。交叉板上的控制逻辑可以由CPLD/FPGA实现。 FPGA与其它器件在3G系统应用中的比较 实现3G基础设施有FPGA，DSP，ASIC及ASSP几种方法，显然现阶段用ASIC实现最不经济，这是由于3G标准还在发展中，开发商很难决定最终以哪个版本的标准开发，并且3G政策还不明朗，这就决定了开发ASIC的风险比较高，而且开发ASIC的周期比较长。另外它也不象2G那样，有许多ASSP器件可供设备厂商选择，因此ASIC和ASSP不是我们开发3G时的优选器件。下面主要就FPGA和DSP实现方法进行比较。 3G有大量的信号处理算法，远远超过第2代移动通信，而DSP处理器的发展远远不能满足这些高复杂的信号处理算法对处理器的要求，因为最先进的DSP处理器中它最多也就只有几个专用乘法器，比我们最小的1s10器件所拥有的乘法器还要少。为了实现这些DSP功能，可以采用DSP处理器阵列的方法，即多个DSP处理器并行处理，但是它带来的设备的价格将会显著增加。另一个实现方法就是用一个低档的DSP处理器加FPGA协处理器的方法，即那些运算量大的部分用FPGA实现(即：硬件电路)，而将一些调度控制逻辑用低档DSP处理器实现(软件方法)，该方法能够以较低的价格实现同样性能的工作，这是因为Altera的FPGA中有大量的专用乘法器及加减/累加器。BDTI是一个专门对DSP性能进行评估的公司，它对128抽头的FIR滤波器的实现比较了用FPGA和DSP实现的性能比较，发现用DSP处理器需要64时钟周期计算一个采样，而用FPGA可以在1个时钟周期计算一个采样。这可以看出用FPGA实现DSP应用比用传统DSP将带来性能上革命性的提高。 另外用Altera FPGA实现基站基础设施还给我们的客户带来了未来可以降价的空间，这是因为客户可以很容易将FPGA转到Altera的Hardcopy器件。用FPGA开发，灵活性非常高，非常适合目前3G标准还没有完全定的情况。这些都是ASIC/ASSP/DSP无法可以和FPGA进行竞争的。 Altera有高性能的FPGA，如Stratix，StratixII，StratixGx和低价的FPGA，如Cyclone/CycloneII；针对DSP的开发，我们有DspBuilder，它可以使用户在Matlab/Symulink环境中调用DSP BUILDER库进行系统级算法开发并在系统级做仿真。 Altera还提供了大量针对DSP应用的IP核，如FIR、FFT、NCO、Viterbi、Turbo、RS等等，以及针对3G应用的参考设计，比如DPD、CFR、DDC、DUC、QPSK、CPRI、OBSAI等等。 总结 3G的发展经历了一波三折，尤其在中国市场，因为政策一直不明朗，迟迟不发3G牌照。但主要设备供应厂商一直没有停止3G的开发，事实上3G实验局早以开通，预计2006年将是3G的发展年，FPGA将在3G的开发中大显身手，我们的合作伙伴已经广泛的应用了我们的FPGA用于3G设备的开发。预计WCDMA基站设备中PLD将达到$800M，而CDMA2000基站设备中PLD达到$400M，之所以在WCDMA中PLD市场份额比CDMA2000大，这是因为WCDMA的市场份额将大于CDMA2000，以及高通的调制解调专用芯片仍然在CDMA2000的开发中占主导地位。 总之，FPGA在3G基础设施的开发中将会发挥越来越重要的作用，越来越多的工程师将在器件选型时选择FPGA。Altera不仅仅能够提供高性能的FPGA，还会越来越注重解决方案的提供，比如我们投入人力进行IP核的开发，并进行一些参考设计的开发，同时向客户提供便利的开发工具。