LTE規(guī)范需要復(fù)雜的信號處理技術(shù)，如MIMO和諸如OFDMA和MC-CDMA之類的無線電技術(shù)。滿足它們的計算要求需要完全掌握所有的硬件信號處理技術(shù)。

無線蜂窩電話系統(tǒng)正從窄帶的2G全球移動通信系統(tǒng)(GSM)和IS-95系統(tǒng)向基于寬帶碼分多址(W-CDMA)的3G和3.5G系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。隨著這些標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步，無線基站OEM必須轉(zhuǎn)換到更新、更好、更為強(qiáng)大及更有成本效益的各種技術(shù)，以滿足這些系統(tǒng)對越來越高數(shù)據(jù)率的需求。

在不遠(yuǎn)的將來，第三代合作伙伴關(guān)系項目長期演進(jìn)(3GPP LTE)規(guī)范將需要復(fù)雜的信號處理技術(shù)，如多點多輸出(MIMO)及正交頻分復(fù)用(OFDMA)和多載波碼分多址(MC-CDMA)這樣的新型無線電技術(shù)。隨著這些技術(shù)應(yīng)用的日益臨近，移動和無線服務(wù)提供商及運營商希望無線基站OEM確保他們在現(xiàn)場安裝的基站能夠支持LTE規(guī)范。

運營商堅持避免出現(xiàn)“剝離更換”(rip and replace)的情況。這意味著OEM要用多協(xié)議設(shè)計在“將來試驗”它們的基站。

多協(xié)議基站被定義為能夠支持W-CDMA到LTE標(biāo)準(zhǔn)的基站。這種規(guī)格的基站家族實際上將需要從3GPP版本向更新的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移的能力，這種轉(zhuǎn)移利用的是同一家族的基站，絕大多數(shù)系統(tǒng)不需要成本高昂的重新設(shè)計。

基于混合FPGA/數(shù)字信號處理的平臺提供一種順應(yīng)這些不斷變化的無線標(biāo)準(zhǔn)的有效設(shè)計方法。在FPGA和數(shù)字信號處理器之間的智能分區(qū)要求必須基于系統(tǒng)的吞吐量要求和產(chǎn)品成功所需要的長期成本考慮。隨著標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定，最初針對基站設(shè)計靈活性的要求應(yīng)該逐漸居于次要地位，與此同時，成本成為一個主要的成功因素。

選擇FPGA，就具備了一條向低成本的結(jié)構(gòu)化ASIC技術(shù)轉(zhuǎn)移的無風(fēng)險的路徑，從而大幅度降低成本。例如，Altera公司的HardCopy II技術(shù)提供一種無縫無風(fēng)險的從Stratix III FPGA向成本大幅度降低的HardCopy II結(jié)構(gòu)化ASIC轉(zhuǎn)移的路徑，與此同時，也提高了系統(tǒng)的性能并降低了功耗。

不斷進(jìn)化的設(shè)計

全球的無線運營商目前正使用高速下行鏈路分組接入(HSDPA)，從而使通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)系統(tǒng)的成功部署成為可能。UMTS向HSDPA的升級類似于增強(qiáng)數(shù)據(jù)率GSM演進(jìn)(EDGE)，它被證明是向GSM網(wǎng)絡(luò)的一個有效升級。

HSDPA鎖定的是移動多媒體應(yīng)用，并能夠?qū)崿F(xiàn)縮短的延遲，在從基站到移動終端的下行鏈路上，峰值數(shù)據(jù)率高達(dá)14Mbps。通過增加一個新的高速下行鏈路，并與依賴于傳輸參數(shù)快速自適應(yīng)的三個基本技術(shù)共享，就有可能做到這一點。那三個基本技術(shù)分別是：自適應(yīng)調(diào)制和編碼(AMC)、快速混合自動重復(fù)請求(ARQ)和快速調(diào)度技術(shù)。

高速上行分組接入(HSUPA)不久將追隨HSDPA而步入實用，這兩種技術(shù)的組合被稱為高速分組接入(HSPA)。HSPA有望在21世紀(jì)頭十年剩余的時間內(nèi)成為占優(yōu)勢的移動數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。為了利用運營商在HSPA中的投資，標(biāo)準(zhǔn)組織正調(diào)查一系列增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，以創(chuàng)造被稱為HSPA+的“HSPA演變”標(biāo)準(zhǔn)。

HSPA演變標(biāo)準(zhǔn)是W-CDMA標(biāo)準(zhǔn)的合乎邏輯的發(fā)展，為向全新的3GPP LTE無線電平臺的發(fā)展提供了一種有效的轉(zhuǎn)換。LTE在下行鏈路上采用OFDM，目標(biāo)是在2009年左右開始部署。

LTE利用最佳種類的無線電技術(shù)，以實現(xiàn)超越實際CDMA方法的性能水平。LTE系統(tǒng)將與2G和3G系統(tǒng)共存，類似于3G與2G系統(tǒng)在一體化網(wǎng)絡(luò)中的共存。同時，OFDM通信系統(tǒng)的設(shè)計持續(xù)取得更大的進(jìn)展。OFDM是一種多載波調(diào)制方案，它把數(shù)據(jù)編碼到一個無線電頻率(RF)信號上。

與傳統(tǒng)的單載波調(diào)制方案不同，像幅度或頻率調(diào)制(AM/FM)利用一個無線電頻率一次僅僅發(fā)送一個信號。OFDM取而代之的是在專門計算的正交載波頻率上并發(fā)發(fā)送多個高速信號，結(jié)果，在噪聲和其它干擾期間，帶寬的使用效率更高，通信更為魯棒。

在下行鏈路上用于LTE的OFDMA非常適合于在高頻譜帶寬內(nèi)實現(xiàn)高峰值數(shù)據(jù)率。W-CDMA無線電技術(shù)的效率與在5MHz的帶寬內(nèi)傳輸具有大約10Mbps的峰值數(shù)據(jù)率的OFDM系統(tǒng)的效率大致相同。

然而，以較寬的無線電信道實現(xiàn)100Mbps范圍的峰值數(shù)據(jù)率會導(dǎo)致終端高度復(fù)雜并且以現(xiàn)有的技術(shù)是不切實際的。正是在這里OFDM提供了一種實際的實現(xiàn)優(yōu)勢。

在上行鏈路，純OFDMA方法導(dǎo)致高信號峰值對平均比(PAR)，從而折衷電源效率和最終的電池壽命。因此，LTE利用一種稱為單載波頻分多址(SC-FDMA)的方法，它與OFDMA有一定的相似性，但是，比其它技術(shù)如IEEE 802.16e所使用的OFDMA方法有2到6dB PAR的優(yōu)勢。

LTE的目標(biāo)包括：

在20MHz的帶寬內(nèi)具有最高100 Mbps的下行峰值數(shù)據(jù)率；

在20MHz的帶寬內(nèi)具有最高50 Mbps的上行峰值數(shù)據(jù)率；

工作于TDD和FDD模式；

可調(diào)節(jié)帶寬最高為20 MHz，在學(xué)習(xí)階段，覆蓋1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz和20 MHz。1.6 MHz寬的信道被用于不成對的頻段，在那里TDD方法將被使用；

把HSPA第6版的頻譜效率提高兩到四個因子；

把延遲縮短為10ms；把用戶設(shè)備和基站之間的往返時間縮短到小于100ms；縮短從待機(jī)到激活的轉(zhuǎn)換時間；

LTE有望滿足未來十年的市場需求。在那段時間之后，運營商可能以LTE技術(shù)為基礎(chǔ)部署第四代(4G)網(wǎng)絡(luò)。目前，尚無針對4G的官方標(biāo)準(zhǔn)或正式定義，但是，初步研究的重點是能夠傳輸峰值速率為1Gbps的各種技術(shù)，這些技術(shù)完全基于IP協(xié)議，并支持不同類型的網(wǎng)絡(luò)—即4G到3G到WLAN等—之間的完全靈活的網(wǎng)絡(luò)移交。

期望下一個設(shè)計

從寬的視角來看，基站設(shè)計工程師必須提前進(jìn)行一些關(guān)鍵的設(shè)計考慮。隨著他們進(jìn)入LTE領(lǐng)域，他們應(yīng)該意識到在無線電方面存在巨大的變化。作為向LTE轉(zhuǎn)移的一部分，W-CDMA信號調(diào)制將轉(zhuǎn)向OFDM調(diào)制，其特征是不同的。OFDM對于傳輸高吞吐量的數(shù)據(jù)更為魯棒，但是，與此同時，加強(qiáng)了基站的吞吐能力。

OFDM還改變了已調(diào)制信號的峰值對平均特性，該信號需要采用新的技術(shù)以實現(xiàn)峰值因數(shù)衰減(Crest Factor Reduction, CFR)。此外，對誤差向量幅度(EVM)存在更為嚴(yán)格的要求，因此，需要設(shè)計工程師特別注意的不僅僅是所使用的算法類型、而且包括實現(xiàn)該算法所采用的器件的類型。

在基帶方面，設(shè)計工程師必須考慮從W-CDMA轉(zhuǎn)向OFDM之后數(shù)據(jù)率不同的問題，因為所需要的吞吐量相當(dāng)高。此外，雖然迄今為止WiMAX的用途一直是數(shù)據(jù)傳輸，尚未介入語音通信；但是，當(dāng)語音被引入時，設(shè)計工程師必須做好準(zhǔn)備；這類似于有線系統(tǒng)的情況，針對語音的服務(wù)質(zhì)量(QoS)跟針對數(shù)據(jù)的服務(wù)質(zhì)量是不同的。

因為精明能干的基站設(shè)計工程師承認(rèn)LTE設(shè)計中所面臨的挑戰(zhàn)，他們將持續(xù)依賴于早期設(shè)計中已經(jīng)體驗過的FPGA的靈活性，并將利用FPGA的更新進(jìn)展來克服這些令人畏懼的任務(wù)。

FPGA和DSP之間的任務(wù)劃分策略取決于處理要求、系統(tǒng)帶寬以及系統(tǒng)配置和發(fā)射及接收天線的數(shù)量。圖1所示為在基于OFDMA的系統(tǒng)—如WiMAX或LTE—中一個針對基帶物理層(PHY)功能的典型DSP/FPGA任務(wù)劃分圖。

圖1：針對OFDMA系統(tǒng)的DSP/FPGA任務(wù)劃分圖。

通過合并先進(jìn)的多天線技術(shù)，這樣一個系統(tǒng)所提供的吞吐量有望在75-100Mps之間。基帶PHY功能可以被清楚地分類為比特級處理和符號級處理功能。

本文下面部分將給出對這些功能的總的看法，并介紹如何利用FPGA補(bǔ)助DSP以實現(xiàn)比特級和符號級功能。

比特級處理

比特級模塊包括隨機(jī)化、前向糾錯(FEC)、交錯以及在發(fā)射方面映射到四相移鍵控(QPSK)和四幅度調(diào)制(QAM)的功能。

相應(yīng)地，接收處理的比特級模塊是符號去映射、去交錯、FEC解碼和去隨機(jī)化。處理FEC解碼之外，所有的比特級功能都是比較簡單明了的并且計算強(qiáng)度不高。

例如，隨機(jī)化涉及把數(shù)據(jù)比特與簡單的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列發(fā)生器的輸出進(jìn)行模-2加運算。雖然FPGA以固定的總線寬度提供比DSP更為靈活的比特處理能力，但是，低計算復(fù)雜性容許DSP管理這些功能。

相反，F(xiàn)EC解碼包括維特比解碼、透平卷積解碼、透平乘積解碼和LDPC解碼，它們的計算強(qiáng)度大，如果采用DSP來完成，就要消耗大量的帶寬。

FPGA被廣泛地用于卸載這些功能并把DSP解放出來以完成其它的功能。同一FPGA還可以被用于跟MAC層的接口，并實現(xiàn)某些低級MAC功能，如加密/解密和鑒權(quán)。例如，Altera的低成本Cyclone III FPGA就適合于這樣的DSP協(xié)處理功能。

符號級處理

在OFDMA系統(tǒng)中的符號級功能包括：子通道化和去子通道化、通道估值、均衡和循環(huán)前綴插入及移動功能。時域到頻域的轉(zhuǎn)換和反向轉(zhuǎn)換分別利用FFT和IFFT來實現(xiàn)。

通道估值和均衡可以離線執(zhí)行，并且涉及更適合于DSP的更多控制導(dǎo)向的算法。相反，F(xiàn)FT和IFFT函數(shù)是常規(guī)的數(shù)據(jù)路徑函數(shù)，涉及以非常高速度進(jìn)行的復(fù)雜乘法，并且更適合于在FPGA上實現(xiàn)。

對于設(shè)計工程師來說，重要的是掌握DSP在實現(xiàn)高速系統(tǒng)性能的應(yīng)用中不能通過簡單地嵌入專用乘法器來實現(xiàn)。更恰當(dāng)?shù)卣f，它是高性能乘法器、性能匹配邏輯結(jié)構(gòu)和在先進(jìn)FPGA中實現(xiàn)的路由架構(gòu)的總的結(jié)果。

圖2所示的Stratix III DSP模塊是一個高性能硅架構(gòu)，它所具有的重要的可編程能力將為許多應(yīng)用提供最優(yōu)化的處理。

每一個DSP模塊提供8個18 x 18乘法器，以及寄存器、加法器、減法器、累加器和在典型的DSP算法中頻繁需要的總和單元函數(shù)。該DSP模塊完全支持可變比特寬度和不同的舌入及飽和模式，從而有效地滿足先進(jìn)的無線電應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

圖2：在FPGA中的嵌入式DSP模塊。

DSP處理器通常有最多8個專用的乘法器，其中，Stratix III器件將提供多達(dá)768個18x18的專用乘法器，所提供的吞吐量高達(dá)500 GMAC，比現(xiàn)有的DSP要高一個數(shù)量級。

當(dāng)處理采用了先進(jìn)的多天線技術(shù)—如空時編碼(STC)、波束形成和MIMO方案—的基站時，F(xiàn)PGA和DSP之間在信號處理能力上如此重大的差異更加明顯。

在當(dāng)前和將來的WiMAX和LTE無線電系統(tǒng)中，OFDM與MIMO相結(jié)合被廣泛認(rèn)為是使更高數(shù)據(jù)率傳輸成為可能的關(guān)鍵技術(shù)。例如，圖1所示為一個基站中所采用的多個發(fā)射和接收天線。

在這個基站中，符號處理功能要在執(zhí)行MIMO解碼之前分別實現(xiàn)每一個天線流，從而產(chǎn)生單一的比特級數(shù)據(jù)流。當(dāng)在DSP上實現(xiàn)的天線以串行方式執(zhí)行操作時，符號級處理的復(fù)雜性會線性地增長。

例如，當(dāng)采用兩個發(fā)射和兩個接收天線時，如果變換大小假設(shè)為2,048點，F(xiàn)FT和IFFT功能消耗大約40%的1GHz DSP的運算能力。

相比之下，當(dāng)用FPGA實現(xiàn)時，基于多天線的實現(xiàn)可以非常有效地進(jìn)行擴(kuò)展。對于來自多個天線的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA提供并行處理和時分多路復(fù)用技術(shù)

同一2x2天線FFT/IFFT配置可以利用不到5%的Altera Stratix III EP3SE260 FPGA的資源來實現(xiàn)。

多天線方案提供更高的數(shù)據(jù)率、陣列增益、分集增益和共道干擾抑制能力。波束形成和空間多路復(fù)用MIMO技術(shù)還需要密集的計算能力，涉及逆矩陣運算和矩陣乘法運算。

在求解這些系統(tǒng)中常見的線性方程組的過程中，Cholesky分解、QR分解和單數(shù)值分解函數(shù)特別有用。

雖然這些函數(shù)快速耗盡DSP的運算能力，但是，它們非常適合于采用FPGA進(jìn)行處理，F(xiàn)PGA所具有的著名的Systolic陣列架構(gòu)，通過開發(fā)FPGA的并行處理能力，提供一種更為具有成本效益的解決方案。FPGA可以被用于執(zhí)行這些和其它的OFDM運算，從而把繁重的運算任務(wù)從數(shù)字信號處理器(DSP)卸載下來。

這樣做就極大地減少了OFDM基帶電路板上的元器件數(shù)量，把原來的多個DSP減少為兩或三顆并配合大約兩個FPGA。特別是像Stratix III這樣的高性能FPGA可以取代多個DSP。與此同時，它們將以較低的成本和更小的功耗提供更多的DSP性能，并進(jìn)一步縮小了所消耗的電路板空間，從而賦予設(shè)計工程師更大的平臺可擴(kuò)展性。