無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域FPGA的應用分析

無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展過(guò)程及趨勢可以概括如下：

工作頻段從短波、超短波、微波發(fā)展到毫米波、紅外和超長(cháng)波

頻道間隔由100KHz、50KHz、25KHz發(fā)展到12.5kHz甚至更窄

調制方式由振幅壓擴單邊帶模擬調制發(fā)展到數字調制

多址方式由FDMA、TDMA、CDMA發(fā)展到混合多址，以及固定多址和隨機多址的結合

業(yè)務(wù)類(lèi)型由話(huà)音發(fā)展到數據、傳真，直到多媒體綜合業(yè)務(wù)。

1.2FPGA在無(wú)線(xiàn)通信中的應用

現場(chǎng)可編程門(mén)陳列（FPGA）芯片在許多領(lǐng)域均有廣泛的應用，特別是在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域里，由于具有極強的實(shí)時(shí)性和并行處理能力，使其對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理成為可能。本節不僅對FPGA技術(shù)在現有無(wú)線(xiàn)通信中的應用領(lǐng)域作了詳細的分析，并對其在未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信中的應用發(fā)展作了展望。

FPGA指的是現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它的基本功能模塊是由N輸入的查找表，存儲數據的觸發(fā)器和復路器等組成。在正確的設置下，這三個(gè)部分各司其職。查找表能夠通過(guò)對數據的讀取實(shí)現輸入數據的任意布爾函數；觸發(fā)器則用來(lái)存儲數據，如有限狀態(tài)機的狀態(tài)信息；復路器可以選擇不同的輸入信號進(jìn)行組合，將查找表和觸發(fā)器用可編程的布線(xiàn)資源連接起來(lái)，可以實(shí)現不同的組合邏輯和時(shí)序邏輯。由于FPGA內部結構的特點(diǎn)，它可以很容易地實(shí)現分布式的算法結構，這一點(diǎn)對于實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信中的高速數字信號處理十分有利。因為在無(wú)線(xiàn)通信系統中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運算，而這些濾波函數往往需要大量的乘和累加操作。而通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現分布式的算術(shù)結構，就可以有效地實(shí)現這些乘和累加操作。

目前，無(wú)線(xiàn)通信一方面正向話(huà)音和數據綜合的方向發(fā)展，另一方面迫切需要將移動(dòng)技術(shù)綜合到手持PDA產(chǎn)品中去。因此，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統的發(fā)展，以及對更為完善的便攜式系統的期望，構架系統模塊的處理器就必須更加地強有力。這一要求對無(wú)線(xiàn)通信的FPGA芯片市場(chǎng)提出了重要的挑戰，其中最重要的三個(gè)方面是FPGA的功耗、性能和成本。目前已有許多研究來(lái)平衡這三方面的要求，如利用系統芯片（SOC）可以將盡可能多的功能集成在一片FPGA芯片上或FPGA芯片集上，使其性能上具有速率高、功耗低；在成本上價(jià)格低廉；而且還可以降低復雜性，便于使用。

特別是在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域里，SOC由于具有極強的實(shí)時(shí)性，使其對話(huà)音進(jìn)行實(shí)時(shí)處理成為可能；由于它是通過(guò)面向芯片結構的軟件編程來(lái)實(shí)現其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進(jìn)系統原有設計方案或原有功能，因而具有極大的靈活性；又由于這種情況下的FPGA芯片并非專(zhuān)門(mén)為某種功能設計的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價(jià)格可以降到很低。所以FPGA將會(huì )越來(lái)越多地應用于無(wú)線(xiàn)通信系統中，它的優(yōu)良性能將會(huì )促進(jìn)無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展；而帶來(lái)的無(wú)線(xiàn)通信蓬勃發(fā)展又將會(huì )進(jìn)一步促進(jìn)FPGA技術(shù)的不斷進(jìn)步。

對于現有移動(dòng)通信中的許多關(guān)鍵技術(shù)，如：CDMA技術(shù)，軟件無(wú)線(xiàn)電，多用戶(hù)檢測等技術(shù)都需要依靠高速、高性能的并行處理器來(lái)實(shí)現。隨著(zhù)這些應用的日益多樣化，FPGA已經(jīng)不再是一塊獨立的芯片，而演變成了構件內核。這使得設計師能選擇合適的內核，與專(zhuān)用邏輯“膠結”在一起形成專(zhuān)用的FPGA方案，以滿(mǎn)足信號處理的需要。目前還出現把DSP核和FPGA集成在一起的芯片。FPGA芯片的一些具體應用方面，如：用于實(shí)現語(yǔ)音合成，糾錯編碼，基帶調制解調，以及系統控制等功能；基于DSP核矢量編碼器用于將語(yǔ)音信號壓縮到有限帶寬的信道中；用來(lái)實(shí)現基帶調制解調功能；另外還有定時(shí)的恢復、自動(dòng)增益和頻率控制、符號檢測、脈沖整形、以及匹配濾波器等。

特別是對于其中的調制解調器，由于需要大量的復雜數學(xué)運算，并且對調制解調器的大小、重量、功耗特別關(guān)注，這就對FPGA的要求就更高，調制解調器的速度隨FPGA的速度的提高而不斷提高。FPGA在通信領(lǐng)域的應用，大大改善了現代通信系統的性能，也極大地推動(dòng)了SOC的發(fā)展。但對于當今的移動(dòng)通信設備，一片FPGA難以達到系統級處理的能力。比如現在的第三代移動(dòng)通信，一片FPGA只能進(jìn)行信源和信道方面的物理層處理，不能處理控制和高層信令。只有與另外的DSP或者CPU相結合才能完成整個(gè)任務(wù)。因此，基于DSP/CPU加FPGA的網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品將成為未來(lái)的應用熱點(diǎn)。隨著(zhù)移動(dòng)通信的寬帶GSM，CDMA標準的轉移和高速數據傳送網(wǎng)絡(luò )對XDSL的要求，基于內嵌DSP/CPU的FPGA SOC將更有前途。

專(zhuān)家指出，今后高速DSP/CPU加FPGA技術(shù)的發(fā)展趨勢，將是以系統芯片為核心，信息處理速度將達到每秒幾十億次乘加運算，因此，只有多系統芯片才能肩負此重任。嵌入式系統已經(jīng)與SOC技術(shù)融合在一起，成為新一代信息技術(shù)的基礎?；贒SP/CPU加FPGA的嵌入式系統不僅具有其他微處理器和單片機嵌入式系統的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)特性，而且還可能利用并行算法操作，具有更高速的數字信號處理能力，為實(shí)現系統的實(shí)時(shí)性提供了更為有利的支持。DSP/CPU加FPGA系統必將成為現在以及未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的重要支柱。