对无线系统设计人员而言，FPGA和DSP之间的“智能划分”是特性和成本效益的最佳组合。目前还没有适合所有应用的设计方案。DSP和FPGA混合工作是今后非常有希望的解决方案，具有低成本优势，并且没有风险。在无线基站中，系统划分结合了可编程逻辑和DSP，推动了设计实现，有助于产品在市场上获得成功。

对更高数据速率的需求推动了无线蜂窝系统的发展，包括从窄带2G GSM、IS-95系统到目前支持峰值速率10 Mbps的W-CDMA 3G和3.5G系统。未来3GPP长期发展规范采用了复杂信号处理技术，例如多输入多输出(MIMO)，以及新的射频技术，包括正交频分复用接入(OFDMA)和多载波码分复用接入(MC-CDMA)等。这些技术是成功实现100Mbps以上吞吐量的关键。在高阶调制技术以及可变速率信道编码等技术的推动下，WiMAX等其他OFDM宽带无线系统的传输速率已经超过了70Mbps。聚束和MIMO天线技术等复杂空间信号处理方案也是提高数据速率的途径，但是需要增加额外的硬件。但是，这些技术却给基站设计人员带来了挑战，他们需要更新能力、成本效益以及灵活性来应对不断变化的标准。

多个变化的目标

无线系统设计人员需要满足多种需求，包括处理速率、灵活性以及产品及时面市等。这些要求最终会决定硬件平台的选用，主要变化因素包括：

处理带宽：WiMAX等宽带无线系统对吞吐量和数据速率的要求远远高于WCDMA和CDMA2000等蜂窝系统。为了能够支持如此高的数据速率，基础硬件平台必须有足够的处理能力。而且，高级信号处理技术的计算量非常大，例如turbo编码/解码以及快速傅立叶变换和反变换(FFT/IFFT)、聚束、MIMO、峰值因子衰减(CFR)、数字预失真(DPD)等前端功能，每秒钟的乘法和累加运算(MAC)达到几十亿次。

灵活性：WiMAX是相对较新的市场领域，目前还处于最初的发展和实施阶段。同样，3GPP LTE还在制定当中，在最终完成之前将经历多次修订。目前还不清楚在多种"移动宽带技术"(例如，WiMAX、Wibrow、Super 3G、LTE、Ultra 3G等)中，最终会采用哪种技术。在目前这种情况下，对于不确定的标准和多协议基站而言，最终产品具有硬件灵活性以及重新编程能力便显得非常重要。具有这种灵活性的系统可以大大降低无线系统生产商和运营商的CAPEX和OPEX成本，避免了由于标准不断变化带来的风险。

降低成本的途径：设计和实施3G系统时得出的一个重要经验是在开始阶段便制定长期降低成本策略。随着时间的推移，WiMAX和LTE标准最终会稳定下来。对于OEM和服务提供商而言，为了保持竞争力，产品最终成本要比保持灵活性更重要。为原型开发选择合适的硬件平台，实现最终产品的无缝降低成本途径能够节省数百万的工程成本，并且不需要重新进行系统设计。

系统结构中的逻辑任务划分

控制、信号处理和数据通道是无线基站中的主要处理载荷。结合微控制器(MCU)、FPGA和可编程DSP的许多方法都能够完成这些任务。MCU对系统进行控制，而FPGA和DSP处理数据流。处理任务较轻，主要进行控制的系统可以在DSP中软件实现，而处理载荷较重的系统最好在FPGA中实现，这是因为FPGA的并行处理能力较强。DSP和FPGA相结合支持灵活的系统实现，提供创新编程能力，修复故障，甚至支持不同的标准。

在 FPGA和DSP之间进行划分取决于处理要求、系统带宽、系统配置以及发送和接收天线的数量。图1是OFDMA系统(例如，WiMAX和LTE)中基带物理层功能的典型DSP/FPGA划分。

图1 OFDMA系统的DSP/FPGA划分（略）

采用先进的多路天线技术，这类系统的吞吐量将达到75-100Mps，基带PHY功能可以大致分成比特级处理和符号级处理功能。下面介绍了这些功能，以及怎样使用FPGA，完善DSP，同时实现比特级和符号级功能。

比特级处理

比特级模块包括发送侧的随机处理、前向纠错(FEC)、频谱交错、正交相移键控(QPSK)和正交振幅调制(QAM)功能映射等。相应的接收处理比特级模块是符号去映射、频谱去交错、FEC解码和去随机。除FEC解码以外，所有比特级功能相对较简单，计算量不大。例如，随机处理涉及到数据比特和简单伪随机二进制序列发生器输出的模2加运算。在比特级处理上，与固定总线宽度的DSP相比，虽然FPGA灵活性更大一些，但是DSP的计算较简单，适合于管理这些功能。相反，FEC解码，包括Viterbi解码、Turbo卷积解码、Turbo乘解码和LDPC解码，在DSP中实现时，其计算量比较大，占用较大的带宽。FPGA被大量用于卸载这些功能，释放DSP带宽以处理其他 功能。同一FPGA还可以用于与MAC层接口，实现加密/解密和认证等某些底层MAC功能。例如，Altera的低成本Cyclone II FPGA便适合实现这些DSP协处理功能。

符号级处理

OFDMA系统中的符号级功能包括副通道和去副通道、信道估算、均衡和周期前缀插入，以及消除功能等。分别采用FFT和IFFT来实现时域频域变换和反变换。可以离线进行信道估算和均衡处理，涉及到较多的控制算法，比较适合由DSP实现。相反，FFT和IFFT是普通数据通道功能，需要高速复杂乘法运算，适合在FPGA中实现。

图2是高端FPGA(例如，Altera Stratix II器件)中含有的嵌入式DSP模块。DSP处理器一般包括8个专用乘法器，而Stratix II能够提供384个18x18专用乘法器，吞吐量达到346 GMAC，比目前商用DSP高出一个数量级。

图2 FPGA中的嵌入式DSP模块（略）

在基站中采用高级多路天线技术时，例如空时编码(STC)、聚束和MIMO方案等，FPGA和DSP的这种信号处理能力差异便显得更加突出。在目前以及今后的WiMAX和LTE无线系统中，普遍认为OFDM-MIMO相结合是实现更高数据速率的关键。图1所示的是基站中采用的多路发送和接收天线。在这种配置中，进行MIMO解码前，对每一天线流单独进行符号处理，产生单路比特级数据流。在串联的DSP中进行符号级处理时，随着天线数量的增加，其复杂度也会随之线性增加。例如，使用两路发送和接收天线时，假设FFT和IFFT变换长度为2048点，其运算将占用60％的1GHz DSP。作为对比，采用FPGA时，可以非常灵活的实现多路天线方案。FPGA对多路天线数据进行时分复用和并行处理，只占用少于5％的Altera Stratix II 2S180 FPGA资源便可以实现同一2x2天线FFT/IFFT配置。
多路天线方案提供了较高的数据速率、阵列增益、分集增益和信道干扰抑制等。聚束和空分复用MIMO技术对计算量的要求较大，涉及到矩阵分解和相乘。特别是在这些系统中解线性方程组时，需要采用Cholesky分解、QR分解和奇异值分解函数。这些函数会很快耗尽DSP资源，但是非常适合在采用脉动阵列结构的FPGA中实现，这种结构通过并行FPGA来提供最具成本效益的解决方案。

数字IF处理

图3显示了基带信道卡向RF卡发送数据，进行后续的数字中频(IF)处理，包括数字上变频(DUC)、峰值因子衰减(CFR)和数字预失真(DPD)。数字IF将数字信号处理的范围从基带扩展到了天线--RF域，在降低生产成本的同时提高了系统灵活性。而且，数字变频要比传统的模拟技术具有更大的灵活性和更高的性能(在衰减和选择性方面)。需要采用CFR和DPD功能来提高基站功率放大器的效率。这些功能还有助于降低RF卡的总成本。CFR和DPD都需要进行采样率高达100+Msps的复杂乘法运算。与DUC相似，在接收侧需要采用数字下变频(DDC)将IF频率变回到基带。DUC和DDC都使用复杂滤波器体系结构，包括有限冲击响应(FIR)和级联积分梳状(CIC)滤波器。高级FPGA能够提供数百个18x18乘法器，运行速率高达350MHz。这不但为多信道并行处理提供了平台，而且还是最具成本效益的集成单芯片解决方案。

图3 数字IF处理功能（略）


结论

随 着标准的稳定，应该逐渐降低最初对基站灵活性的要求，而成本将成为获得成功的关键因素。选择具有低成本结构化ASIC无风险移植途径的FPGA能够大大降低成本。例如，Altera HardCopy II技术提供了无缝、无风险移植途径，从Stratix II FPGA转换到成本很低的HardCopy II结构化ASIC，同时提高了系统性能，降低了功耗。

混合FPGA/DSP平台为无线基站提供了一种效率很高的设计方法。产品成功的关键是在考虑系统吞吐量要求和长期成本的基础上，对FPGA和DSP系统进行智能划分。这不但保证了最终产品具有更新能力和较高的性价比，而且非常灵活，经过重新配置，能够适应发展变化的不同标准。