FPGA在软件无线电中的应用

软件无线电(SDR)是带有可重配置硬件平台的无线设备。这些可重配置硬件平台能够被用于多种通信标准,并将在最终实现认知无线电(CR)的过程中发挥关键作用。与此同时,由于SDR具有更低的成本、更大的灵活性和更高的性能,它正迅速成为军事、公共安全和商业无线领域的事实标准。

SDR在商业领域日益流行的一个关键原因是它既能对多种波形执行基带处理,又能进行数字中频(IF)处理。中频处理将DSP的应用范围扩展到基带之外,超越天线进入RF领域。这种同时支持基带和中频处理的能力增加了系统灵活性,同时也减少了制造成本。

通过引入高级基带处理技术,如自适应调制和编码、空时编码(STC)、波束成形和多入多出(MIMO)天线技术等,无线标准正在不断发展以支持更高的数据率。基带信号处理器件需要具有极大的处理带宽来支持这些技术使用的计算密集型算法。例如,美国军方的联合作战无线电系统(JTRS)定义了军事无线电支持的20 多种不同波形。其中一些复杂波形所要求的计算能力是几百个MIPS(在标准处理器上),如果采用FPGA来实现就需要几千个逻辑单元(LE)。

SDR基带处理常常同时需要处理器和FPGA。在这类应用中,处理器负责系统控制及配置功能,而FPGA实现计算密集型的信号处理数据路径和控制功能,以实现最小的系统延时。当必须从一种标准切换到另一种标准时,处理器能够在主要的软件部件之间动态切换,而FPGA可以根据需要完全重新配置,以实现特定标准的数据路径。

FPGA能够被用作与DSP和通用处理器接口的协处理器,从而提供更高的系统性能和更低的系统成本。拥有自由选择在哪里实现基带处理算法的权利为实现SDR算法增加了灵活性。

基带组件还必须具有足够的灵活性,以便使SDR能够支持相同标准的增强版本以及完全不同的标准。可编程逻辑单元与一个软核处理器和IP模块组合在一起,可以提供远程现场升级功能。例如,通过Turbo编码器、Reed-Solomon编码器、符号交织器、符号映射器和逆FFT变换等IP功能,我们可以很容易重新配置FPGA,使其支持WCDMA/HSDPA(高速下行分组接入)或802.16a标准的基带发射功能。

与传统的模拟无线电方法相比,数字频率转换提供了更高的性能。FPGA提供了一个高度灵活的集成平台,基于此平台能够以合理的功耗实现计算密集型数字中频功能,而功耗是便携系统的一个关键要素。能够在FPGA上实现的中频功能包括数字上变频器(DUC)和下变频器(DDC),以及有助于降低功率放大器(PA)成本和功耗的数字预失真(DPD)与波峰因数降低(CFR)功能。

在基带处理单元与上变频器之间经常需要进行数据格式转化,如果采用FPGA,该功能可以被无缝地添加到上变频器的前端。这种技术为上变频器提供了一种完全可定制的前端,并支持高带宽输入数据的通道化。定制逻辑或软核嵌入式处理器能够被用于控制在FPGA中实现的上变频器与基带处理单元之间的接口。

在数字上变频过程中,输入数据在被采用可调载波频率进行正交调制之前,先由基带进行插值滤波。为了实现插值有限脉冲响应(FIR)滤波器,设计师必须正确权衡速度与面积,以便发现针对特定标准的最佳固定或自适应滤波器架构。数字控制的振荡器内核也能被用于产生一系列架构,这些架构具有超过115dB的无杂散动态范围(SFDR)和非常高的性能。根据要支持的频率分配的数量,多个数字上变频器能够很容易地在一个FPGA中实现。

第三代基于CDMA的系统和多载波系统(如OFDM)采用具有较高峰值/均值比(波峰因数)的信号。这些信号显著降低了基站中功率放大器的效率。作为一种经济有效的方法,在FPGA中实现的波峰因数降低技术可以降低用于多种波型标准的功率放大器的成本和复杂度。

高速移动数据传输采用非恒定的包络调制技术,如四相移相键控(QPSK)和正交调幅(QAM)技术。这对功率放大器提出了严格的线性要求。数字预失真线性化技术,包括查找表和多项式方法,能够有效地在包含DSP模块的FPGA中实现。这些DSP模块中的乘法器能够运行在很高的时钟频率下,并能够有效地分时以实现复杂的乘法。

在接收端,数字中频技术能够被用于采样中频信号,并在数字域执行通道化和采样速率的转化。利用欠采样技术,高频中频信号(通常是100 MHz以上)能够被量化。因为不同的标准具有不同的码片率或比特率,所以SDR应用需要进行非整数采样率的转化,将采样数目转换为任何标准的基础码片率/比特率的整数倍。

作者:Joel Seely

汽车、工业和军用业务部技术行销经理

Altera 公司