可重配置软件无线电系统的设计要点

软件无线电(SDR)设计必须满足当今的可重配置性要求和适应新出现的各种标准,以及满足成本、功耗和性能要求。目前三种可提供不同系统灵活度的技术可用来实现可重配置的SDR系统:参数化无线电与协议模块、单个模块内的部件交换、以及多个无线电模块或协议层的完全交换。

在第一种技术中,模块设计必须适应所有为满足系统性能而做出的改变,因此它仅适合于那些工作范围很窄的系统,但不适合那些要求在多种复杂标准之间转换的可重配置系统。第二种技术最适合这样的系统,即特定的各种算法具有类似功能但采用不同实现方法。第三种技术适合于大多数系统操作不同并要求分别实现的系统。

结合处理器和FPGA的系统设计灵活性高,足以适应所有这三种可重配置技术,这使得它成为SDR应用的最佳架构。在进行标准之间的切换时,处理器能够动态地在软件的各主要部分之间切换,而FPGA则允许进行完全重配置,以实现一种为特定标准而定制的架构。

至关重要的一点是,优化处理器/FPGA之间的功能划分,并确定各个子系统是用参数化模块实现还是用完全替代型模块实现。基于FPGA/处理器组合的实现方案使得很容易在软件和可编程硬件之间做出最佳划分。

系统架构设计的第一步是确定可重配置系统功能和固定的系统功能。固定部件包括具体的互连和背板技术、电源以及各种物理接口支持。所有其它电子部件均要求可重配置性。独立内存和存储器件之外的所有数字逻辑元件均可有效地在处理器或FPGA中实现。

第二步,设计师必须确定所需的操作类型及各种操作的最佳处理方法。它们在逻辑上可分成系统控制、配置、信号处理和数据路径控制。

系统控制和配置维持并控制系统的状态。这些密集控制流任务需要复杂的软件实现,但其计算负荷很小,一般由控制处理器负责执行。与此相反,信号处理和数据路径控制操作通常构成处理负荷的主体。处理需求量不大的系统可用软件来实现,而那些有较重处理负荷的系统最好用一种基于DSP和FPGA组合架构的软件加硬件的系统来实现。

典型的SDR架构将采用MCU、FPGA和可编程DSP的组合来实现系统控制、配置、信号处理和数据路径控制。MCU负责控制系统,FPGA和DSP负责高速率数据流处理。

FPGA和DSP之间的划分取决于系统带宽。例如,DSP可担负FM和语音TDMA等低带宽系统的所有处理任务,而FPGA则承担宽带系统的大部分处理工作。

一个典型的可编程窄带系统用FPGA来完成DSP力所不及的高计算负荷滤波和数字下载转换。在大多数窄带系统中,滤波操作占用了大部分处理能力。这些操作可在专用硬件协处理器上更高效地完成,而轻负荷的基带处理一般由DSP完成。

另一方面,在典型的宽带系统中,FPGA执行大部分物理层处理任务,仅将符号处理任务留给DSP。用FPGA来完成这类系统的信号处理要求,效率至少比用DSP要高10倍。换言之,一个FPGA可以完成10个DSP的处理负荷,从而可在相当程度上降低功耗、系统成本和系统面积。

尽管许多商用无线电应用采用ASIC来实现上述宽带系统,但随着宽带标准的不断演变和基于ASIC系统的设计和维护成本不断呈指数级上升,未来的趋势必然是重新采用FPGA来实现。

目前建议的SDR系统架构包括一个微处理器、一个DSP和一个FPGA。从本质上来说,SDR系统必须支持许多不同的无线电标准。开发并支持这些标准是对SDR架构的一个关键要求,而它们可由以上建议的架构轻松实现。

在SDR无线电操作中,标准之间的切换要求MCU上的控制程序重新装载一种新映象(image)到FPGA上,并初始化处理器和DSP内的代码分支以支持该新标准。确切地说,对每种标准进行编程变成一项独立的、只关注这一特定标准的开发活动。FPGA与DSP和MCU一起可轻松组成一种支持SDR应用中窄带到宽带无线标准的最优平台。

作者:Paul Ekas

资深DSP市场拓展经理

Altera公司