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5、无线通信基站的FPGA实现架构

news 来源：原创 2025/6/28 1:19:07

基站（Base Station，BS），也称为公用移动通信基站，是无线电台站的一种形式，具体则指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间的信息传递的无线电收发信电台。

1、基站实现方案的相关因子

无线基站系统需要满足的关键需求包括处理速度、灵活性以及产品及时面市等，所有需求最终决定了对硬件平台的选用。

1）处理带宽

目前带宽较宽的WiMAX和LTE等带宽无线系统对吞吐量和数据速率要求苑花园高于GSM和CDMA等蜂窝系统。为了能够支持如此高的数据速率，底层硬件平台必须有足够的处理带宽。而且，Turbo、LDPC编译码等高级信号处理技术以及快速傅里叶变换/反变换（FFT/IFFT）、聚束、峰值因子抑制和数字预失真等前端功能都需要大量的计算，米每秒乘累加操作高达数十亿次。

2）灵活性

目前，WiMAX是相对较新的市场，还处于最初的发展和实施阶段。同样，3GPP LTE标准也还在制定过程中，在最终完成之前漫画需要经过多个版本的修订。此外，还有UWB等移动宽带技术，其共同特点都是OFDMA-MIMO技术。目前，需要有灵活的可编程产品来实现标准未确定的多协议基站。如果系统具有灵活性、无线基站的设施和运营商，则可以大大降低资金投入和运营开支，同时减小了标准不断变化带来的风险。

3）降低成本的途径

设计和开发系统时得到一个重要经验是从一开始就要制定长期降低成本的策略。和服务供应商要保持在市场的竞争地位，必须要重视最终产品的成本，这要比灵活性重要的多、合适的硬件平台也是降低批量生产成本的无缝措施，能够节省数百万美元由系统重新设计导致的工程成本投入。

2、基于FPGA的基站体系结构

下图给出了基站的结构划分与相应成本分布，可以看出信号数据通路与控制运算是花费最多的。通过其也是基站中最主要的处理负荷。大部分系统都可以采用FPGA来实现系统控制、配置和信号处理通路。FPGA中的硬核（或软核）CPU用来控制系统；丰富的DSP核和各类逻辑资源则进行数据流处理，具备明显的并行处理优势。

可以认为基站的全部数字信号处理都是物理层处理，可分为基带处理、中频处理和射频处理3大类，且这3类都可以在单片FPGA内部完成，从而形成完美的单芯片解决方案。

1)基带处理

<1>比特级处理。比特级处理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及模块是符号去映射、频谱去交错、解码和去随机。发送比特级功能相对简单，计算量不大。

随着吞吐量需求的增加，可以把Turbo编码功能加载到FPGA中，以提高系统的性能。在接收侧，FEC解码，包括Viterbi解码、Turbo卷积解码和LDPC解码等，FPGA的并行高带宽特征可满足以上需求。FPGA可被广泛的已应用于这些功能，并且在单芯片中实现去随机、去速率匹配和混合等其他比特级功能减少了芯片之间的数据交互，降低了延时和系统总功耗。除此之外，MAC层接口、加密解密以及认证等部分MAC功能也可以在FPGA中实现。

<2>符号级处理。目前2G和3G基站设备的符号处理主要包括同步和信道化处理，FPGA器件能给出完美的解决方案。

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和其他处理器的信号处理能力差异便更加突出。

2)中频处理

数字中频（IF）处理包括数字上变频（DUC）、数字下变频（DDC）、消峰（CFR）和数字预失真技术（DPD）。数字IF将数字信号处理的范围从基带扩展到天线——RF领域，在降低生产成本的同时提高了系统的灵活性。并且，数字变频相比传统的模拟技术更灵活，性能更好（在衰减和选择性方面）。此外可以通过CFR和DPD技术来提高基站功率放大器的效率，从而大大的节省设备运营成本。CFR和DPD都需要进行采样率超过100Mbit/s的复数乘法运算。与DUC相似，在接收侧需要采用数字下变频将IF下变频变回到基带。高级FPGA能够提供数百个乘法器，运行速率高达500MHZ。这不但为多信道并行处理提供了平台，而且还是最具有效益的继承单芯片解决方案。

3)映射处理

目前，数字器件是无法直接进行射频处理的，因此该部分需要通过模拟器件来实现。