FPGA将在4G系统中占重要地位

文章摘要：除了语音连接之外，数字蜂窝无线网络(如GSM和增强的GSM-EDGE)现在可以提供更高的数据传输速率，理论上可达到384kbps的限制。第三代移动网络(如CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA)目前正在全球范围内部署。这些系统提供视频流媒体，互联网浏览等业务服务，使用称为高速分组接入(HSPA)的技术，在理论上可以提供下行速率高达14.4Mbps。未来基础设施的发展(泛称为4G系统)专注于以很低的成本提供更高的速度和更强的功能。在这一发展的前沿有两种技术： 3GPP LTE用于蜂窝/移动技术(通常简写为LTE)，以及针对宽带无线接入的WiMAX。 WiMAX已经赢得了早期进入市场的支持

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　　除了语音连接之外，数字蜂窝无线网络(如GSM和增强的GSM-EDGE)现在可以提供更高的数据传输速率，理论上可达到384kbps的限制。第三代移动网络(如CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA)目前正在全球范围内部署。这些系统提供视频流媒体，互联网浏览等业务服务，使用称为高速分组接入(HSPA)的技术，在理论上可以提供下行速率高达14.4Mbps。

　　未来基础设施的发展(泛称为4G系统)专注于以很低的成本提供更高的速度和更强的功能。在这一发展的前沿有两种技术： 3GPP LTE用于蜂窝/移动技术(通常简写为LTE)，以及针对宽带无线接入的WiMAX。 WiMAX已经赢得了早期进入市场的支持，但一些漫游和基站之间的切换问题依然存在。主要的蜂窝网络运营商支持LTE，将其作为未来的选择技术。这两个4G标准使用基于OFDM(正交频分调制)的通用空中接口标准以及MIMO天线网络。这些先进的技术能够使信号从更高的噪声阈值中恢复出来。

　　这些复杂且有时相互竞争的技术的共存，要求设备能够支持多种空中接口标准，并需要进行更复杂的基带处理。同时，这些系统必须提供足够的灵活性，以适应发展规划，满足未来所需的增加带宽的要求。为满足人们对绿色环保要求，这些设备还要求有更低的功率预算。

　　在第二代基站系统中，宏基站通常位于天线的下面，RF功率放大器紧靠基带和前置放大器。该系统的一个发展趋势是用于分布式基站。在这些系统中，基带处理独立于射频功率部分。从架构上讲，从宏基站移动到分布式基站系统(图1)，可以大大降低系统成本。此外，宏基站与天线的距离必须在150米之内，因为在电缆中会有50％的RF功率损失。这些设备更新和维护的成本很高，更好的解决办法是采用分布式远程无线网络，基带部分相距很远，带有射频功率放大器的远程射频单元(RRU)可直接安装在天线杆上。通过光纤和标准接口如通用公共无线接口(CPRI)或开放式基站架构计划(OBSAI)，RRU单元可以链接到基带。

　　无线基础设施中的FPGA

　　可编程技术的特点是能够跟随基站设计的演进，因为通常设计在规范被完全批准之前就开始了。基站需要大量的ASIC器件，FPGA通常被用作接口和粘合逻辑：能够快速修正设计错误，或支持专门的DSP器件的功能。随着无线标准的演变，基站的复杂性也相应大大增加。FPGA也在不断发生变化，其性能和逻辑密度大大增加。工程师开始将FPGA用于更复杂的功能，例如数字下变频(DDC)和数字上变频(DUC)。针对在基站设计中的这些功能，FPGA提供的灵活性意味着现在FPGA成为设计过程中的重要元件。

　　LatticeECP3 FPGA拥有许多特性，如多个嵌入式DSP块、嵌入式存储器和SERDES功能。这些功能与无线系统的不断发展的需求紧密相关，因此它们得到了设计工程师的选用。FPGA的灵活性使工程师能快速修改设计，而不必等待使用另一个ASIC重新设计电路板，从而加快产品的上市时间。

　　远程无线单元/头

　　RRU功能包括一个具有数字信号处理功能的收发器卡、射频转换、功率放大器、双工器和低噪声放大器(LNA)的射频前端。收发器卡的设计往往是宽带的，在无线标准和工作频带之间有80~90％之间的元器件通用性。一个典型的单元如图2所示。

　　FPGA的可重构特性允许软件无线电(SDR)技术支持多种无线标准，如WCDMA、WiMAX以及通用基带的LTE。对于MIMO天线系统，该单元必须为每根天线提供一个发射器和接收器对。

　　下一代网络将比目前部署的网络运行的频率高得多，通常会超过2GHz，此外还需提供更高的数据传输率。主要的RRU设计问题是功耗和射频功率放大器的成本。大信号峰值平均功率比(PAPR)要求功率放大器传送的更大功率。虽然这种情况很少发生，但设计必须实现这个功能，这将导致更高的成本。射频晶体管在大功率时呈现非线性，将造成信号失真和带外发射。大信号峰值平均功率比和4G系统非线性的共同影响，可能导致功率放大器将只运行在其总输出功率的20~30％，整个效率只有10~15％。而GSM功率放大器的运行可达到100％利用率和高达70％效率。对于这个问题的解决办法，是在最后的功率放大器前预先处理这个信号。这种方式最终使得放大的射频信号具有最佳的性能。在这一过程中可以使用两种方法：振幅因子缩小(CFR)和数字预失真(DPD)。

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