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。