DSP&FPGA在未来无线通信中的应用

2008-05-26 09:42:03来源: 互联网
     摘  要:DSP&FPGA技术在许多领域均有广泛的应用,特别是在无线通信领域里,由于具有极强的实时性,使其对信号进行实时处理成为可能。本文首先对DSP与FPGA作了比较,对DSP&FPGA在无线通信中的应用领域作了详细的分析,并对DSP&FPGA的发展方向及其在未来无线通信中的应用发展作了展望。
关键词:数字信号处理器;移动通信;无线通信;DSP;FPGA

引言
      目前,无线通信正向话音和数据综合在一起的方向发展,以及将移动技术综合到手持PDA产品中去,因此,随着对无线移动通信系统和对便式系统的盼望继续增长,驱动这些装置的处理器必须更强有力。特别是无线通信DSP&FPGA芯片市场,其中最重要的三个限制是DSP&FPGA的功耗、性能和成本。但利用系统芯片(SoC)将尽可能多的功能集成在一片DSP&FPGA芯片上或DSP&FPGA芯片集上,使其性能上速率高、功耗低;在成本上价格低廉;而且还可以降低复杂性,便于使用。
DSP&FPGA技术在许多领域均有广泛的应用,特别是在无线通信领域里,由于具有极强的实时性,使其对话音进行实时处理成为可能;由于它是通过面向芯片结构指令的软件编程来实现其功能的,因而仅修改软件而不需改硬件平台就可以改进系统原有设计方案或原有功能,因而具有极大的灵活性;又由于DSP&FPGA芯片并非专门为某种功能设计的,因而使用范围广、产量大、价格可以降到很低。所以DSP&FPGA在无线通信系统中大量应用,促进了无线通信的发展;而无线通信的蓬勃发展又促进了DSP&FPGA技术的不断进步。


DSP和FPGA的比较
      DSP作为可编程超大规模集成电路(VLSI)器件,是通过可下载的软件或固件来实现扩展算法和数字信号处理功能的,其最典型的用途是实现FIR滤波器和FFT算法。在硬件上,DSP最基本的构造单元是被称为MAC的乘加器。它通常被集成在数据通道中,这使得指令周期时间可以跟硬件的算术周期时间相同。此外,DSP芯片还有若干个独立的片内存储器、ROM、RAM、并行功能单元、锁相环(PLL)、振荡器、几条8位或16位的总线、时钟中断电路等。为满足无线便携式器件无电保存数据的要求,DSP芯片还采用了诸如闪速存储器、铁电存储器等技术。当前,大多数的DSP芯片采用改进的哈佛结构,即数据总线和地址总线相互分离,使得处理指令和数据可以同时进行,提高了处理效率。另外还采用了流水线技术,将取指、取操作数、执指等步骤的指令时间可以重叠起来,大大提运算速度。
FPGA 指的是现场可编程门阵列,它的基本功能模块是由n输入的查找表,存储数据的触发器和复路器等组成。这样,只要正确地设置了中的数据,查找表就能够通过对中的数据的读取而实现输入的任意布尔函数。触发发器则用来存储数据,如有限状态机的状态信息。复路器可以选择不同的输入信号的组合,将查找表和触发器用可编程的布线资源连接起来,就可以实现不同的组合逻辑和时序逻辑。由于FPGA内部结构的特点,它可以很容易的实现分布式的算法结构,这一点对实现无线通信中的高速数字信号处理十分有利。因为无线通信中通常都需要大量的滤波运算,而这些滤波函数往往需要大量的乘和累加操作,而通过分布式的算术结构,FPGA可以有效地实现乘和累加操作。
随着技术的进步,DSP芯片的速度不断提高,其硅片面积逐渐缩小,并且功耗也在减小。尽管如此,手持机系统中的高速信号处理对DSP的要求仍然难以达到。若中频处理部分也由DSP来完成的话,手持机系统对DSP处理器的要求将达到数千MOPS,即时钟要在GHz范围,而GHz频带的时钟对功耗和热辐射的要求在手持机系统中可能要许多年后才能解决。基站系统对功耗要求不高,但由于要同时对多个用户信号进行处理,所以对处理器的要求更高(大约数万MOPS)。由于DSP程序是串行执行的,所以即使采用多处理器结构进行负荷分担,其速度也不会有很大程度的提高。
由于FPGA器件实现的各功能块可以同时工作,从而实现指令级、比特级、流水线级甚至是任务级的并行执行,从而大大地加快了计算速度。由FPGA实现的计算系统可以达到现有通用处理器的数百甚至上千倍。并且,由于FPGA可动态地配置,系统的硅片面积不再是所支持无线接口数的线形函数,因此有可能在很少的几片甚至一片FPGA中集成一个支持所有标准的系统。不过,由于现有的FPGA的开发系统几乎都是为ASIC的原型验证而设计的,导致这些开发系统在节省工程开发时间上效率非常高, 而在FPGA资源的利用效率方面却比较差。HDL语言可大大提高设计能力,但在最大限度地发挥器件性能方面HDL的设计方法还有一定的局限性,还不能提供FPGA布局布线的优化和约束。

DSP&FPGA在无线通信中应用领域
现在方兴未艾的移动通信许多关键技术:CDMA技术,软件无线电,多用户检测等技术都依靠高性能的DSP&FPGA来实现。上表是目前无线通信中几种常用的技术解决方案的比较,下面我们看看DSP&FPGA在无线通信中的应用领域:
数字蜂窝系统
第三代数字蜂窝通信系统和其它方兴为艾的高性能通信系统如宽带通信、MPEG-4和视频点播等的快速发展对DSP&FPGA提出了许多新的要求。例如,对4096MHz的W-CDMA工作模式的软件无线电解决方案来说,所需的最高计算能力是每路约400MIPS,即1600MIPS。随着超大规模集成电路技术的发展,芯片做得越来越小,制造线宽越来越窄,集成的晶体管越来越多,时钟频率越来越高。。
随着应用日益多样化, DSP&FPGA演变成不再是一块独立的芯片,而变成了构件内核。这使得设计师能选择合适的内核和专用逻辑“胶结”在一起形成专用DSP&FPGA方案,以满足信号处理的需要。目前还出现把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。数字蜂窝系统使用通用DSP&FPGA来实现语音合成,纠错编码,基带调制解调,以及系统控制等功能。语音合成、语音压缩与编码是DSP最早和最广泛的应用,在移动通信中,矢量编码器用于将语音信号压缩到有限带宽的信道中。DSP&FPGA能够用来实现基带调制解调功能。这功能包括定时的恢复、自动增益和频率控制、符号检测、脉冲整形、以及匹配滤波器等。
软件无线电技术
软件无线电技术争论最多的还是无线传输体制问题。目前具有代表性传输体制的系统主要有三个:(1)以欧洲为代表的基于GSM系统的TDMA系统,(2)以北美为代表的基于窄带IS-95的CDMA系统,(3)以日本为代表的宽带CDMA系统。软件无线电利用DSP&FPGA的强大处理能力和软件的灵活性,实现多种通信协议的兼容,进行信道分离、解调和信道编译码等。例如在同一硬件上,可以用不同的软件处理数字压缩的话音(如GSM)或模拟调频话音(如AMPSA)。软件无线电技术的发展和实用取决于高速集成电路,如DSP&FPGA、模/数、数/模的技术发展情况。为了达到最大的灵活性,人们希望在天线输入/输出端和终端模拟输入/输出接口进行模/数变换(ADC)和数/模变换(DAC),由DSP&FPGA完成其间所有的处理任务,只要更改下载软件就可以满足用户需要其中最具挑战性和最重要的部分就是以DSP&FPGA为核心的实时信号处理器。它对DSP&FPGA所提出的实时性要求很高,其中包括单片处理器的性能、多处理器协同工作的能力,以及DSP&FPGA实时操作系统等多方面。
高速实时信号处理
FPGA的时钟延迟可以达到纳秒级,结合DSP和FPGA的并行处理方式,因此DSP&FPGA非常适合超高速和实时信号处理领域。如前所述,由于FPGA内部结构的特点,它可以很容易的实现分布式的算法结构,这一点对实现无线通信中的高速数字信号处理十分有利。因为无线通信中通常都需要大量的滤波运算,而这些滤波函数往往需要大量的乘和累加操作,而通过分布式的算术结构,FPGA可以有效地实现乘和累加操作。另一方面,无线通信系统中需要的调制解调器中需要大量的复杂的数学运算,这可以依靠DSP或由DSP核组成的ASIC来完成的。在无线移动通信的产品中,对调制解调器的大小、重量、功耗特别关注,对DSP&FPGA的要求就更高,调制解调器的速度随DSP&FPGA的速度的提高而不断提高。在数据传输方面。在无线通信中由声音信号数字化所产生的大量数据,要依靠高性能的DSP&FPGA来减少存储空间和传输带宽的要求,需要由DSP&FPGA来完成的任务包括视频信号与音频信号的编码、解码、彩色空间转换、回音消除、滤波、误码校正、复用、bit流协议处理等。

DSP&FPGA在未来无线通信中的应用分析
目前,由于受利益驱使和应用场合的限制,全世界的无线移动个人通信不能统一到一种体制上。在不同场合,不同体制有其固有的优越性,其它体制无法代替,因此不同体制的互联性已成为一个重要讨论课题,多种体制并存是未来无线通信系统的必然趋势。在标准的兼容性、技术接入和经济性之间,软件无线电能够很好地折衷,是实现不同多址接入方式兼容的最佳方案。通过软件无线电技术对多种体制进行综合,开发出新一代的多模移动通信手机,实现一机在手漫游天下的设想,已成为第三代移动通信的发展方向。未来的无线通信系统很有可能是一个具有惊人处理能力和标准射频接口的通用硬件平台,依靠不同的软件来提供异常丰富的功能和服务,也就是说,通信领域将经历类似个人电脑在上个世纪八九十年代所经历的变革,现在正是这一变革的关键时刻。未来的无线通信系统将是以DSP&FPGA为核心的软件无线电系统,这种无线移动通信终端将具有以下主要特点:
●  方便的可测量性:无论是两个信道的基站还是上百个信道的激战都可以建立在相同基本设置的硬件上,这样可以简化设计过程,减少逻辑复杂度和领域维修的需要。
●  单个信道的低耗费:由于利用了新一代DSP&FPGA处理多信道的能力,这种结构降低了单个信道的硬件耗费。
●  简便的软硬件升级性:当协议变动或是加入一个新特征时,只要对新的软件进行远程下载。这样同时也降低了维护和更新的费用。硬件的升级也比较简单,只需要将额外的插件插入底板中,而不需要改变现存的设备,这样很大程度上降低了升级费用。
●  可以用于任何无线协议的单一结构:以DSP&FPGA为核心的无线通信系统结构支持所有的主要的协议,它为所有的通信协议提供了统一的平台,而不是针对一个特殊协议设计的专门平台。
基于DSP&FPGA的无线通信系统,能够满足未来的通信发展的需要,并且,在多种体制并存的时代里,由以DSP&FPGA为核心所构建的通用硬件平台,可以通过不同的软件加载的方式来实现这种兼容。伴随着未来通信技术的不断发展,DSP&FPGA的速度将会不断提高,在第三代移动通信中的广泛应用也证明了这一点。无线通信技术的发展也对DSP&FPGA的发展提出了更高的要求。就DSP而言,目前发展很快,主要的趋势有:在单片DSP中实现多个MAC、更多的寄存器、更宽的程序总线和数据总线、更高的工作频率;从结构上,采用SIMD以及MIMD,采用超长指令等。就FPGA而言,由于亚微米工艺的采用,其速度更快,门数更多。目前Lucent和XILINX公司均有10万门以上的产品,并且集成了一些新的功能,如System on Chip, Programming on System等,使其更加灵活。所以DSP&FPGA的发展,将推动无线通信的发展。

基于DSP的开放式多媒体应用平台
第三代移动通信产品的宽带数据业务对DSP&FPGA的处理有很高的要求,另一方面,多制式、低功耗和便携式也对移动终端的电路设计提出了更高的要求。在这种情况下,尽量简化电路芯片个数,将数字基带电路功能前移,即尽可能将信号处理部分靠近前端射频电路,将主控、DSP和专用接口芯片集成化便成了当务之急。
对于当今的移动通信设备,一片DSP&FPGA难以达到系统处理的能力。比如现在的第三带移动通信,一片DSP只能进行信源和信道方面的物理层处理,不能处理控制和高层结合信令。只有与另外的CPU相结合才能完成整个任务。随着移动通信要求宽带化、智能化和多媒体化,这给信号处理提出了更高的要求。TI公司推出了适合第三代移动通信系统的开放式的多媒体应用平台(OMAP),该平台为开发者提供了最好的操作处理平台,该平台芯片为一种独特的双核结构,将高性能的C55x DSP和与控制性能强的ARAM9微处理器结合起来,达到移动多媒体通信要求的处理能力。该芯片专为2.5G和3G手机移动多媒体业务设计的应用平台。
这个开放式的软件应用平台,提供动态状态下载应用软件和更新应用软件的能力,从而加速产品开发,下图为它的软件结构框图。它支持多种实时多任务操作系统,对微处理器进行实时多任务调度管理,对DSP C55x进行通信和控制。它也支持多种实时多任务操作系统在DSPC55x上工作,实现复杂的多媒体信号处理。
开发者可以利用应用编程接口,控制在DSP中实现实时任务的执行,并同DSP交换任务运行结果和状态消息。也可以调用局部DSP网关组件,完成诸如视频,音频和话音等功能。 该平台的示意图如图1。

DSP&FPGA的发展展望
DSP&FPGA在通信领域的应用,大大改善了现代通信系统的性能, DSP&FPGA的应用也极大的推动了SOC的发展,基于DSP&FPGA的网络产品将成为21世纪DSP&FPGA的应用热点。随移动通信的宽带GSM,CDMA标准转移和高速网络数据传送时对XDSL的要求,DSP更将有前途。
我国在DSP技术和产品的研究开发成绩斐然,我国DSP技术起步较早,基本上与国外同步发展,而在FPGA方面的起步较晚。全国有100来所高等院校从事DSP&FPGA的教学和科研,除了一部分DSP芯片需要从国外进口外,在信号处理理论和算法方面,与国外处于同等水平。而在FPGA信号处理和系统方面,有了喜人的进展,正在进行与世界先进国家同样的研究。专家指出,今后高速DSP&FPGA技术的发展趋势,将是以系统芯片为核心,信息处理速度将达到每秒几十亿次乘加运算,因此,只有多系统芯片才能肩负此重任。
嵌入式系统已经与SOC技术融合在一起,成为新一代信息技术的基础,基于DSP&FPGA嵌入式系统不仅具有其他微处理器和单片机嵌入式系统的优点和技术特性,而且还可能用并行算法操作,具有高速数字信号处理的能力,为实现系统的实时性提供了有利的支持, DSP&FPGA单片机系统必将成为现代电子技术,计算机技术和移动通信技术的重要支柱。 虽然半导体技术已经取得了相当的进步,但我们仍然不能在所有的应用中采用DSP&FPGA技术,比如,半导体技术还不能解决一部分高频应用。 ■

参考文献:
1. Ling Cong, Wu Xiaofu, Design and Realization of an FPGA-Based Generator for Chaotic Frequency Hopping Sequences, IEEE TRANSACTIONS on CIR CUITS AND SYSTEMS-I: FUNDAMENTAL THEORY AND APPLICATIONS,VOL.48.NO.5, MAY 2001
2. 许爱装,DSP在第三代移动通信中的应用,电信快报,1999年第7期
3. 许建、沈桂明,FPGA和EPLD应用领域的研究,电子技术应用,1995年第3期
4. 刘伟、孟宪元,FPGA在软件无线电中的应用,电视技术,2001年第1期
5. DSP原理及其在移动通信中的应用,申敏、邓矣兵等,人民邮电出版社,2001年9月
6. DSP技术的发展与应用,彭启琮、李玉柏,管庆,高等教育出版社,2002年
编辑:吕海英 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/newproducts/others/200805/article_18018.html
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