FPGA在3G系统设备中的应用前景 ht/wwwcele.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越来越倾冋于用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QDRI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 Turbo编码两种,它们编
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P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/Stratixll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Ⅴ iterbl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EI/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rPGA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Aera的 FPGA中有大量的专用乘法器及加减/累加器。BD∏是一个专门对DSP性能进行评估的公司
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, StratixI, StratIxGX和低价的FPGA,如 Cyclone/Cyclone: 针对DSP的开发,我们有 DspBuilder,它可以使用户在 Matlab/Symlink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FR、 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 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S800M,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
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
