賽靈思Virtex-5 FPGA的LTE仿真器的實(shí)現步驟

功能強大的可編程邏輯平臺使得Prisma Engineering公司能夠針對所有蜂窩網(wǎng)絡(luò )提供可重配置無(wú)線(xiàn)測試設備。長(cháng)期演進(jìn)(LTE)是移動(dòng)寬帶的最3GPP標準，它打破了現有蜂窩網(wǎng)絡(luò )的固有模式。LTE與前代UMTS和GSM標準相比，除采用高頻譜效率的射頻技術(shù)外，其架構還得到了大幅簡(jiǎn)化。

LTE系統的無(wú)線(xiàn)接入部分Node-B，是連接無(wú)線(xiàn)電和整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議核心網(wǎng)絡(luò )之間的邊緣設備。這種架構無(wú)法監測和測試等效于UMTS中間鏈路上的元件。必須通過(guò)無(wú)線(xiàn)電接口，才能有效地測試LTE網(wǎng)絡(luò )元件。這正是Prisma Engineering公司線(xiàn)路服務(wù)器單元(LSU)UeSIM LTE項目的設計組要解決的問(wèn)題。該仿真器是針對所有LTE測試需求的全面解決方案，可幫助網(wǎng)絡(luò )設備設計人員對空中接口和核心網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試和監控。單個(gè)這種硬件平臺即可在每個(gè)扇區模擬出多達1 024個(gè)用戶(hù)設備。

無(wú)線(xiàn)電接口的載荷-應力測試和功能測試覆蓋了完整LTE協(xié)議棧及其應用。射頻前端采用本地多輸入多輸出(MIMO)設計，可支持5MHz、10MHz、15MHz和20MHz多種不同帶寬。

這個(gè)仿真器中心采用三個(gè)賽靈思Virtex®-5 FPGA(XC5VSX50T)，可支持高級軟件無(wú)線(xiàn)電重配置?？偛吭O位于意大利米蘭的Prisma Engineering公司的設計組很快認識到，我們需要功能強大、可重編程的架構，以便能夠用同一開(kāi)發(fā)板靈活應對多種無(wú)線(xiàn)接入標準。

現有兩種用戶(hù)測試工具：LTE Test Manager(主要針對LTE設備廠(chǎng)商提供)和Quick GUI(主要針對LTE網(wǎng)絡(luò )營(yíng)運商提供)。Quick GUI提供通過(guò)/未通過(guò)測試方案，而Test Manager則可進(jìn)行更為復雜的分析。

LSU UeSIM LTE架構

LSU UeSIM LTE仿真器采用由協(xié)議處理單元(PPU)模板、軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)模板和支持MIMO操作的兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電模塊共同構成的CompactPCI標準架構。

采用Intel技術(shù)的PPU模板是一種主處理器卡，能夠對多個(gè)SDR模板進(jìn)行管理，改善載荷-應力性能。軟件無(wú)線(xiàn)電模板專(zhuān)為擴展我們先前的LSU系統在無(wú)線(xiàn)電接口的運行性能而設計。CompactPCI無(wú)線(xiàn)電夾層卡負責提供各個(gè)不同標準射頻帶寬的射頻發(fā)送/接收功能：GSM(850 MHz和900MHz;1.8和1.9GHz)、LTE(700MHz，2.1 GHz、2.3 GHz、2.5 GHz和2.6GHz)和WiMAX(2.4GHz、3.5GHz和5GHz)。

SDR卡架構

SDR卡是一種集成在LSU軟/硬件環(huán)境中的高性能平臺，用于提高系統與基帶(CPRI/OBSAI)、無(wú)線(xiàn)電接口或者兩者之間的連接功能。該卡使用工作在特定頻帶內的不同外部無(wú)線(xiàn)電模塊，可支持各種無(wú)線(xiàn)標準，比如GSM/EDGE、UMTS、HSPA、WiMAX和LTE等。圖1為在LTE測試場(chǎng)景中，仿真器或取代無(wú)線(xiàn)電扇區，或為核心網(wǎng)絡(luò )提供測試接口。

圖1　LTE測試場(chǎng)景

我們采用三個(gè)德州儀器的1GHz DSP(我們選用了TMS320C6455)和Analog Devices公司的模數轉換器(AD9640)與數模轉換器(AD9779)，完成了基于賽靈思FPGA的SDR卡設計。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )采用Analog Devices公司的AD9549，能夠為轉換和數字信號處理器件(FPGA、DSP)提供極高的靈活時(shí)基。

LTE加工數據通路

Prisma把LTE加工數據通路分為兩大部分，一是在FPGA內實(shí)現的射頻前端。二是在DSP內實(shí)現的物理資源分配以及數據通道與控制通道端接。

在上行鏈路方向，由一個(gè)DSP負責處理MAC層到物理層的交換以及物理層某些功能的操作。它負責為編碼、交織、加擾、符號映射和子載波分配提供參考信號(導頻)、源數據和控制通道。離散傅立葉轉換(DFT)函數負責根據SC-FDMA標準完成來(lái)自不同終端的數據轉換。該系統通過(guò)EMIF接口把每個(gè)OFDM符號都發(fā)送到上行鏈路FPGA。圖2為L(cháng)SU軟件無(wú)線(xiàn)電卡上的賽靈思Virtex-5 FPGA和TI DSP。

圖2　LSU軟件無(wú)線(xiàn)電卡的Virtex-5 FPGA和TI DSP

該FPGA將數據速率從125MHz(DSP EMIF接口時(shí)鐘)提升到245.76MHz(FPGA加工速率)。然后FPGA將執行一系列其他操作：2048點(diǎn)反向快速傅立葉轉換、循環(huán)前綴插入、PRACH數據通道插入、7.5kHz頻率下轉換OFDM符號頻譜的半移位函數、信道整形與內插濾波以及24MHz頻率下的中頻(IF)轉換。

隨后該器件以122.88MHz的時(shí)鐘頻率把中頻數據發(fā)送到DAC。同時(shí)射頻卡將模擬信號轉換為射頻信號，發(fā)送至發(fā)射器放大器。下行鏈路方向上，在LNA放大、可編程增益和轉換階段完成后，射頻卡將把接收到的中頻數據發(fā)送到SDR卡(140MHz)。ADC將以122.88MHz的頻率對模擬數據進(jìn)行二次采樣，而FPGA則負責處理最終到基帶的17.12MHz頻率轉換。該數據可以與兩個(gè)單輸入、單輸出通道關(guān)聯(lián)，也可以與一個(gè)MIMO通道關(guān)聯(lián)。

中頻數據隨后進(jìn)入下行鏈路FPGA，由該FPGA將其轉換為基帶并進(jìn)行過(guò)濾。即便芯片速率保持在245.76MHz，多相抽取濾波器仍能以30.72MHz的符號率進(jìn)行奈奎斯特FIR濾波、頻譜鏡像抑制和數據率降低等操作。FPGA輸入數據流看上去像數據流，而非一系列的OFDM符號。同步函數對數據流進(jìn)行適當的切分，從而描繪出OFDM符號。(要實(shí)現這一點(diǎn)，同步線(xiàn)路必須使用多個(gè)相關(guān)器在深度抽取的輸入數據中檢測出Zadoff-Chu主同步信號，隨即才能獲取OFDM符號。)

最后，在刪除循環(huán)前綴后，以FFT轉換獲得的最終數據則通過(guò)EMIF接口傳遞到另一個(gè)DSP。下行鏈路包含兩個(gè)以串行RapidIO接口連接在一起的DSP。這兩個(gè)DSP的作用是進(jìn)行頻率校正、信道估計、均衡和MIMO解碼。然后由這兩個(gè)DSP在MAC層互連之前，進(jìn)行數據通道和控制通道抽取、Viterbi和Turbo解碼、去交織和解擾。

在上行鏈路側，由第三個(gè)FPGA負責上行鏈路和下行鏈路FPGA之間的回送測試，確保SDR模板符合CPRI/OBSAI標準。我們的設計小組廣泛使用賽靈思Core GeneratorTM IP核來(lái)生成濾波器、DDS、FFT、Block RMA、FIFO 和MACC功能，把DSP48E和DCM用于設計中的時(shí)鐘去歪斜部分。

這種大規模例化方法在縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間的同時(shí)，還能夠提供緊湊設計方案。圖3為“上行鏈路FPGA”實(shí)現反向FFT、循環(huán)前綴插入、濾波、IF上變頻轉換以及其他時(shí)分雙工和PRACH處理所需的操作。該系統將同一信號發(fā)送至兩個(gè)DAC以備冗余。

因為這個(gè)項目的市場(chǎng)投放時(shí)間要求非常緊迫，我們對其功能劃分進(jìn)行了精心分析。FPGA應該容納甚至更多的LTE功能，不過(guò)我們的設計目標在于尋求系統中FPGA與DSP部分間的平衡。

FPGA設計策略

該項目的市場(chǎng)投放時(shí)間要求非常緊迫，因此我們對FPGA和DSP之間的功能劃分進(jìn)行了精心的分析。值得注意的是，FPGA應能夠支持更多的LTE功能，不過(guò)我們的設計目標之一是尋求系統中FPGA與DSP部分間的平衡。

圖3 　“上行鏈路FPGA”

FPGA時(shí)鐘頻率是設計中較為困難的一環(huán)。在像調制系統這樣的大型設計中采用245.76MHz的時(shí)鐘速率是項艱巨的任務(wù)。我們設計小組需要考慮許多問(wèn)題，比如功耗、設計約束、布局布線(xiàn)等。盡管如此，由于ISE®設計套件可提供各個(gè)設計迭代的穩定高質(zhì)量結果，過(guò)采樣因子(FPGA時(shí)鐘頻率與OFDM符號頻率之比)為8，能夠讓諸如濾波器和FFT轉換這樣的設計項目在盡量少的條件下滿(mǎn)足所需的LTE功能。ISE軟件也幫助我們實(shí)現了合適的同步電路面積。我們設計的關(guān)鍵在于在上行鏈路中采用射頻卡架構(而非存在I/Q不平衡缺點(diǎn)的直接轉換法)來(lái)接收來(lái)自中頻的FPGA數據。通過(guò)使用賽靈思直接數字頻率合成器(direct digital synthesizer)，18位正弦/余弦波可用作復雜調制工作的理想載波，并可用在傳輸無(wú)線(xiàn)電信號上測得的誤差矢量幅度予以確認。由于采用了賽靈思Virtex-5 FPGA和TI的DSP技術(shù)，LSU UeSIM LTE仿真器已經(jīng)成為蜂窩網(wǎng)絡(luò )最先進(jìn)的載荷-應力解決方案測試設備，能為SDR系統提供強大、靈活和可擴展的解決方案。

圖4為前端“下行鏈路FPGA”進(jìn)行IF下變頻轉換、多相抽取濾波、同步、循環(huán)前綴刪除和直接FFT等操作。該系統使用了兩個(gè)鏈路來(lái)支持TDD和FDD模式的MIMO操作。

圖4 前端“下行鏈路FPGA”