摘要：
利用系統(tǒng)芯片(SoC)將盡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；在成本上價格低廉；而且還可以降低復(fù)雜性，便于使用。
關(guān)鍵字：DSP；FPGA
目前，無線通信正向話音和數(shù)據(jù)綜合在一起的方向發(fā)展，以及將移動技術(shù)綜合到手持PDA產(chǎn)品中去，因此，隨著對無線移動通信系統(tǒng)和對便式系統(tǒng)的盼望繼續(xù)增長，驅(qū)動這些裝置的處理器必須更強有力。特別是無線通信DSP&FPGA芯片市場，其中最重要的三個限制是DSP&FPGA的功耗、性能和成本。但利用系統(tǒng)芯片(SoC)將盡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；在成本上價格低廉；而且還可以降低復(fù)雜性，便于使用。
DSP&FPGA技術(shù)在許多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，特別是在無線通信領(lǐng)域里，由于具有極強的實時性，使其對話音進行實時處理成為可能；由于它是通過面向芯片結(jié)構(gòu)指令的軟件編程來實現(xiàn)其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進系統(tǒng)原有設(shè)計方案或原有功能，因而具有極大的靈活性；又由于DSP&FPGA芯片并非專門為某種功能設(shè)計的，因而使用范圍廣、產(chǎn)量大、價格可以降到很低。所以DSP&FPGA在無線通信系統(tǒng)中大量應(yīng)用，促進了無線通信的發(fā)展；而無線通信的蓬勃發(fā)展又促進了DSP&FPGA技術(shù)的不斷進步。
表1 無線通信中的幾種技術(shù)解決方案比較
DSP和FPGA的比較
DSP作為可編程超大規(guī)模集成電路(VLSI)器件，是通過可下載的軟件或固件來實現(xiàn)擴展算法和數(shù)字信號處理功能的，其最典型的用途是實現(xiàn)FIR濾波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的構(gòu)造單元是被稱為MAC的乘加器。它通常被集成在數(shù)據(jù)通道中，這使得指令周期時間可以跟硬件的算術(shù)周期時間相同。此外，DSP芯片還有若干個獨立的片內(nèi)存儲器、ROM、RAM、并行功能單元、鎖相環(huán)(PLL)、振蕩器、幾條8位或16位的總線、時鐘中斷電路等。為滿足無線便攜式器件無電保存數(shù)據(jù)的要求，DSP芯片還采用了諸如閃速存儲器、鐵電存儲器等技術(shù)。當(dāng)前，大多數(shù)的DSP芯片采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)總線和地址總線相互分離，使得處理指令和數(shù)據(jù)可以同時進行，提高了處理效率。另外還采用了流水線技術(shù)，將取指、取操作數(shù)、執(zhí)指等步驟的指令時間可以重疊起來，大大提運算速度。
FPGA 指的是現(xiàn)場可編程門陣列，它的基本功能模塊是由n輸入的查找表，存儲數(shù)據(jù)的觸發(fā)器和復(fù)路器等組成。這樣，只要正確地設(shè)置了中的數(shù)據(jù)，查找表就能夠通過對中的數(shù)據(jù)的讀取而實現(xiàn)輸入的任意布爾函數(shù)。觸發(fā)發(fā)器則用來存儲數(shù)據(jù)，如有限狀態(tài)機的狀態(tài)信息。復(fù)路器可以選擇不同的輸入信號的組合，將查找表和觸發(fā)器用可編程的布線資源連接起來，就可以實現(xiàn)不同的組合邏輯和時序邏輯。由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，它可以很容易的實現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點對實現(xiàn)無線通信中的高速數(shù)字信號處理十分有利。因為無線通信中通常都需要大量的濾波運算，而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作，而通過分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA可以有效地實現(xiàn)乘和累加操作。
隨著技術(shù)的進步，DSP芯片的速度不斷提高，其硅片面積逐漸縮小，并且功耗也在減小。盡管如此，手持機系統(tǒng)中的高速信號處理對DSP的要求仍然難以達到。若中頻處理部分也由DSP來完成的話，手持機系統(tǒng)對DSP處理器的要求將達到數(shù)千MOPS，即時鐘要在GHz范圍，而GHz頻帶的時鐘對功耗和熱輻射的要求在手持機系統(tǒng)中可能要許多年后才能解決。基站系統(tǒng)對功耗要求不高，但由于要同時對多個用戶信號進行處理，所以對處理器的要求更高(大約數(shù)萬MOPS)。由于DSP程序是串行執(zhí)行的，所以即使采用多處理器結(jié)構(gòu)進行負荷分擔(dān)，其速度也不會有很大程度的提高。
由于FPGA器件實現(xiàn)的各功能塊可以同時工作，從而實現(xiàn)指令級、比特級、流水線級甚至是任務(wù)級的并行執(zhí)行，從而大大地加快了計算速度。由FPGA實現(xiàn)的計算系統(tǒng)可以達到現(xiàn)有通用處理器的數(shù)百甚至上千倍。并且，由于FPGA可動態(tài)地配置，系統(tǒng)的硅片面積不再是所支持無線接口數(shù)的線形函數(shù)，因此有可能在很少的幾片甚至一片F(xiàn)PGA中集成一個支持所有標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。不過，由于現(xiàn)有的FPGA的開發(fā)系統(tǒng)幾乎都是為ASIC的原型驗證而設(shè)計的，導(dǎo)致這些開發(fā)系統(tǒng)在節(jié)省工程開發(fā)時間上效率非常高， 而在FPGA資源的利用效率方面卻比較差。HDL語言可大大提高設(shè)計能力，但在最大限度地發(fā)揮器件性能方面HDL的設(shè)計方法還有一定的局限性，還不能提供FPGA布局布線的優(yōu)化和約束。
DSP&FPGA在無線通信中應(yīng)用領(lǐng)域
現(xiàn)在方興未艾的移動通信許多關(guān)鍵技術(shù):CDMA技術(shù)，軟件無線電，多用戶檢測等技術(shù)都依靠高性能的DSP&FPGA來實現(xiàn)。上表是目前無線通信中幾種常用的技術(shù)解決方案的比較，下面我們看看DSP&FPGA在無線通信中的應(yīng)用領(lǐng)域：
數(shù)字蜂窩系統(tǒng)
第三代數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)和其它方興為艾的高性能通信系統(tǒng)如寬帶通信、MPEG-4和視頻點播等的快速發(fā)展對DSP&FPGA提出了許多新的要求。例如，對4096ＭＨz的Ｗ-CDMA工作模式的軟件無線電解決方案來說，所需的最高計算能力是每路約400MIPS，即1600MIPS。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，芯片做得越來越小，制造線寬越來越窄，集成的晶體管越來越多，時鐘頻率越來越高。
隨著應(yīng)用日益多樣化， DSP&FPGA演變成不再是一塊獨立的芯片，而變成了構(gòu)件內(nèi)核。這使得設(shè)計師能選擇合適的內(nèi)核和專用邏輯“膠結(jié)”在一起形成專用DSP&FPGA方案，以滿足信號處理的需要。目前還出現(xiàn)把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。數(shù)字蜂窩系統(tǒng)使用通用DSP&FPGA來實現(xiàn)語音合成，糾錯編碼，基帶調(diào)制解調(diào)，以及系統(tǒng)控制等功能。語音合成、語音壓縮與編碼是DSP最早和最廣泛的應(yīng)用，在移動通信中，矢量編碼器用于將語音信號壓縮到有限帶寬的信道中。DSP&FPGA能夠用來實現(xiàn)基帶調(diào)制解調(diào)功能。這功能包括定時的恢復(fù)、自動增益和頻率控制、符號檢測、脈沖整形、以及匹配濾波器等。
軟件無線電技術(shù)
軟件無線電技術(shù)爭論最多的還是無線傳輸體制問題。目前具有代表性傳輸體制的系統(tǒng)主要有三個:(1)以歐洲為代表的基于GSM系統(tǒng)的TDMA系統(tǒng)，(2)以北美為代表的基于窄帶IS-95的CDMA系統(tǒng)，(3)以日本為代表的寬帶CDMA系統(tǒng)。軟件無線電利用DSP&FPGA的強大處理能力和軟件的靈活性，實現(xiàn)多種通信協(xié)議的兼容，進行信道分離、解調(diào)和信道編譯碼等。例如在同一硬件上，可以用不同的軟件處理數(shù)字壓縮的話音(如GSM)或模擬調(diào)頻話音(如AMPSＡ)。軟件無線電技術(shù)的發(fā)展和實用取決于高速集成電路，如DSP&FPGA、模/數(shù)、數(shù)/模的技術(shù)發(fā)展情況。為了達到最大的靈活性，人們希望在天線輸入/輸出端和終端模擬輸入/輸出接口進行模/數(shù)變換(ADC)和數(shù)/模變換(DAC)，由DSP&FPGA完成其間所有的處理任務(wù)，只要更改下載軟件就可以滿足用戶需要其中最具挑戰(zhàn)性和最重要的部分就是以DSP&FPGA為核心的實時信號處理器。它對DSP&FPGA所提出的實時性要求很高，其中包括單片處理器的性能、多處理器協(xié)同工作的能力，以及DSP&FPGA實時操作系統(tǒng)等多方面。
高速實時信號處理
FPGA的時鐘延遲可以達到納秒級，結(jié)合DSP和FPGA的并行處理方式，因此DSP&FPGA非常適合超高速和實時信號處理領(lǐng)域。如前所述，由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，它可以很容易的實現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點對實現(xiàn)無線通信中的高速數(shù)字信號處理十分有利。因為無線通信中通常都需要大量的濾波運算，而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作，而通過分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA可以有效地實現(xiàn)乘和累加操作。另一方面，無線通信系統(tǒng)中需要的調(diào)制解調(diào)器中需要大量的復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，這可以依靠DSP或由DSP核組成的ASIC來完成的。在無線移動通信的產(chǎn)品中，對調(diào)制解調(diào)器的大小、重量、功耗特別關(guān)注，對DSP&FPGA的要求就更高，調(diào)制解調(diào)器的速度隨DSP&FPGA的速度的提高而不斷提高。在數(shù)據(jù)傳輸方面。在無線通信中由聲音信號數(shù)字化所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，要依靠高性能的DSP&FPGA來減少存儲空間和傳輸帶寬的要求，需要由DSP&FPGA來完成的任務(wù)包括視頻信號與音頻信號的編碼、解碼、彩色空間轉(zhuǎn)換、回音消除、濾波、誤碼校正、復(fù)用、bit流協(xié)議處理等。
DSP&FPGA在未來無線通信中的應(yīng)用分析
目前，由于受利益驅(qū)使和應(yīng)用場合的限制，全世界的無線移動個人通信不能統(tǒng)一到一種體制上。在不同場合，不同體制有其固有的優(yōu)越性，其它體制無法代替，因此不同體制的互聯(lián)性已成為一個重要討論課題，多種體制并存是未來無線通信系統(tǒng)的必然趨勢。在標(biāo)準(zhǔn)的兼容性、技術(shù)接入和經(jīng)濟性之間，軟件無線電能夠很好地折衷，是實現(xiàn)不同多址接入方式兼容的最佳方案。通過軟件無線電技術(shù)對多種體制進行綜合，開發(fā)出新一代的多模移動通信手機，實現(xiàn)一機在手漫游天下的設(shè)想，已成為第三代移動通信的發(fā)展方向。未來的無線通信系統(tǒng)很有可能是一個具有驚人處理能力和標(biāo)準(zhǔn)射頻接口的通用硬件平臺，依靠不同的軟件來提供異常豐富的功能和服務(wù)，也就是說，通信領(lǐng)域?qū)⒔?jīng)歷類似個人電腦在上個世紀(jì)八九十年代所經(jīng)歷的變革，現(xiàn)在正是這一變革的關(guān)鍵時刻。未來的無線通信系統(tǒng)將是以DSP&FPGA為核心的軟件無線電系統(tǒng)，這種無線移動通信終端將具有以下主要特點：
● 方便的可測量性：無論是兩個信道的基站還是上百個信道的激戰(zhàn)都可以建立在相同基本設(shè)置的硬件上，這樣可以簡化設(shè)計過程，減少邏輯復(fù)雜度和領(lǐng)域維修的需要。
● 單個信道的低耗費：由于利用了新一代DSP&FPGA處理多信道的能力，這種結(jié)構(gòu)降低了單個信道的硬件耗費。
● 簡便的軟硬件升級性：當(dāng)協(xié)議變動或是加入一個新特征時，只要對新的軟件進行遠程下載。這樣同時也降低了維護和更新的費用。硬件的升級也比較簡單，只需要將額外的插件插入底板中，而不需要改變現(xiàn)存的設(shè)備，這樣很大程度上降低了升級費用。
● 可以用于任何無線協(xié)議的單一結(jié)構(gòu)：以DSP&FPGA為核心的無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)支持所有的主要的協(xié)議，它為所有的通信協(xié)議提供了統(tǒng)一的平臺，而不是針對一個特殊協(xié)議設(shè)計的專門平臺。
基于DSP&FPGA的無線通信系統(tǒng)，能夠滿足未來的通信發(fā)展的需要，并且，在多種體制并存的時代里，由以DSP&FPGA為核心所構(gòu)建的通用硬件平臺，可以通過不同的軟件加載的方式來實現(xiàn)這種兼容。伴隨著未來通信技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP&FPGA的速度將會不斷提高，在第三代移動通信中的廣泛應(yīng)用也證明了這一點。無線通信技術(shù)的發(fā)展也對DSP&FPGA的發(fā)展提出了更高的要求。就DSP而言，目前發(fā)展很快，主要的趨勢有：在單片DSP中實現(xiàn)多個MAC、更多的寄存器、更寬的程序總線和數(shù)據(jù)總線、更高的工作頻率；從結(jié)構(gòu)上，采用SIMD以及MIMD，采用超長指令等。就FPGA而言，由于亞微米工藝的采用，其速度更快，門數(shù)更多。目前Lucent和XILINX公司均有10萬門以上的產(chǎn)品，并且集成了一些新的功能，如System on Chip， Programming on System等，使其更加靈活。所以DSP&FPGA的發(fā)展，將推動無線通信的發(fā)展。
基于DSP的開放式多媒體應(yīng)用平臺
第三代移動通信產(chǎn)品的寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對DSP&FPGA的處理有很高的要求，另一方面，多制式、低功耗和便攜式也對移動終端的電路設(shè)計提出了更高的要求。在這種情況下，盡量簡化電路芯片個數(shù)，將數(shù)字基帶電路功能前移，即盡可能將信號處理部分靠近前端射頻電路，將主控、DSP和專用接口芯片集成化便成了當(dāng)務(wù)之急。
對于當(dāng)今的移動通信設(shè)備，一片DSP&FPGA難以達到系統(tǒng)處理的能力。比如現(xiàn)在的第三帶移動通信，一片DSP只能進行信源和信道方面的物理層處理，不能處理控制和高層結(jié)合信令。只有與另外的CPU相結(jié)合才能完成整個任務(wù)。隨著移動通信要求寬帶化、智能化和多媒體化，這給信號處理提出了更高的要求。TI公司推出了適合第三代移動通信系統(tǒng)的開放式的多媒體應(yīng)用平臺(OMAP)，該平臺為開發(fā)者提供了最好的操作處理平臺，該平臺芯片為一種獨特的雙核結(jié)構(gòu)，將高性能的C55x DSP和與控制性能強的ARAM9微處理器結(jié)合起來，達到移動多媒體通信要求的處理能力。該芯片專為2.5G和3G手機移動多媒體業(yè)務(wù)設(shè)計的應(yīng)用平臺。
這個開放式的軟件應(yīng)用平臺，提供動態(tài)狀態(tài)下載應(yīng)用軟件和更新應(yīng)用軟件的能力，從而加速產(chǎn)品開發(fā)，下圖為它的軟件結(jié)構(gòu)框圖。它支持多種實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，對微處理器進行實時多任務(wù)調(diào)度管理，對DSP C55x進行通信和控制。它也支持多種實時多任務(wù)操作系統(tǒng)在DSPC55x上工作，實現(xiàn)復(fù)雜的多媒體信號處理。
開發(fā)者可以利用應(yīng)用編程接口，控制在DSP中實現(xiàn)實時任務(wù)的執(zhí)行，并同DSP交換任務(wù)運行結(jié)果和狀態(tài)消息。也可以調(diào)用局部DSP網(wǎng)關(guān)組件，完成諸如視頻，音頻和話音等功能。 該平臺的示意圖如圖1。
DSP&FPGA的發(fā)展展望
DSP&FPGA在通信領(lǐng)域的應(yīng)用，大大改善了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的性能， DSP&FPGA的應(yīng)用也極大的推動了SOC的發(fā)展，基于DSP&FPGA的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品將成為21世紀(jì)DSP&FPGA的應(yīng)用熱點。隨移動通信的寬帶GSM，CDMA標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移和高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送時對XDSL的要求，DSP更將有前途。
我國在DSP技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)成績斐然，我國DSP技術(shù)起步較早，基本上與國外同步發(fā)展，而在FPGA方面的起步較晚。全國有100來所高等院校從事DSP&FPGA的教學(xué)和科研，除了一部分DSP芯片需要從國外進口外，在信號處理理論和算法方面，與國外處于同等水平。而在FPGA信號處理和系統(tǒng)方面，有了喜人的進展，正在進行與世界先進國家同樣的研究。專家指出，今后高速DSP&FPGA技術(shù)的發(fā)展趨勢，將是以系統(tǒng)芯片為核心，信息處理速度將達到每秒幾十億次乘加運算，因此，只有多系統(tǒng)芯片才能肩負此重任。
嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)與SOC技術(shù)融合在一起，成為新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)，基于DSP&FPGA嵌入式系統(tǒng)不僅具有其他微處理器和單片機嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點和技術(shù)特性，而且還可能用并行算法操作，具有高速數(shù)字信號處理的能力，為實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性提供了有利的支持， DSP&FPGA單片機系統(tǒng)必將成為現(xiàn)代電子技術(shù)，計算機技術(shù)和移動通信技術(shù)的重要支柱。 雖然半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)倪M步，但我們?nèi)匀徊荒茉谒械膽?yīng)用中采用DSP&FPGA技術(shù)，比如，半導(dǎo)體技術(shù)還不能解決一部分高頻應(yīng)用。
