基于FPGA的并行处理实现数字中频的设计

数字中频

所谓中频，顾名思义，是指一种中间频率的信号形式。中频是相对于基带信号和射频信号来讲的，中频可以有一级或多级，它是基带和射频之间过渡的桥梁。

如图1所示，中频部分用数字方式来实现就称之为数字中频。数字中频技术通常包括上下变频（DUC/DDC）、波峰因子衰减（CFR）和数字预失真（DPD）。

DUC/DDC

DUC实现了从“复”基带（Baseband）信号到“实”带通（Passband）信号的转换。输入的复基带信号采样率相对较低，通常是数字调制的符号率。基带信号经过滤波，然后被转换成一个更高的采样率，从而调制到NCO的中频载波频率。

DUC通常需要完成频谱整型（Pulse shaping），然后调制到中频载波，以便于经由DAC驱动后面的模拟转换器。

在图2中，通道滤波器（Channel Filter）完成基带信号的频谱整型，通常由FIR实现。插值（Interpolation）部分完成信号采样率变换和滤波功能，可以采用CIC或者FIR实现。对于一个窄带信号，如果需要高倍采样率变换，那么CIC将是非常合适的，无论是在实现性能或是资源节省方面，CIC都将优于FIR。

NCO是一个数控振荡器，也叫DDS，可以用来产生一对相互正交的正弦和余弦载波信号，与插值（增加采样率）以后的基带信号混频，完成频谱上搬。

与DUC相反，DDC基本上完成了以下几个工作：

1. 频谱下搬：将ADC送来的数字信号有用频谱，从中频搬移到基带

2. 采样率降低：将频谱搬移后的数据从ADC的高速采样率降低到一个合适的采样速率水平，通过抽取（Decimation）实现。

3. 通道滤波：在将I/Q信号送入基带处理以前，需要再对其进行滤波

实际上，数字上下变频技术应用非常广泛，其在无线通信、有线电视网络（Cable Modem）、数字电视广播（DVB）、医学成像设备（超声），以及军事领域当中，都是不可或缺的功能。

CFR

目前许多无线通信系统，如WCDMA、WiMAX，其中频信号通常由多个独立的基带信号相加而成。合成的中频信号有较大的峰均比（Peak-to-Average Ratio），并符合高斯分布。而通常功放（PA）的线性区是有限的，较大PAR的中频信号对应的PA的工作范围将被缩小，从而引起PA效率的降低。因此在PA之前减小中频信号的PAR是非常重要的。波峰因子衰减（CFR）正是用来完成这一功能的，它将有利于保证PA输出的线性度，降低带外辐射，提高PA效率。

目前，中频采用的CFR算法有：波峰箝位（Clip），波峰修整（Peak Windowing）和波峰消减（Peak Cancellation）。其中波峰修整方式的性能和可实现性都较为适中。波峰消减相对于波峰修整有较好的带外特性，但需消耗更多的FPGA资源。

DPD

在无线通信系统中，往往需要PA的输出具有很高的线性度以满足空中接口标准的苛刻要求，而线性功放又非常昂贵。为了尽可能提升PA的输出效率和降低成本，必须校正PA的非线性特性，而对PA的输入信号进行预失真处理是一个不错的选择。

DPD实现方式分为查找表（LUT）和多项式（Polynomial）两类。两种算法的优缺点如表1所示。

FPGA实现优势

FPGA实现数字中频

随着WiMAX/LTE等宽带无线通信技术的逐渐成熟，对无线设备数字中频带宽的要求也越来越高。同时如MIMO等多天线技术日渐广泛应用，数字中频的通道数也在迅速增加。

对于如此大的运算带宽需求，许多DSP处理器难以满足实际应用，而专用芯片（ASSP）又缺乏相应的灵活性。采用FPGA实现数字中频，能够很好的协调处理能力和灵活性之间的矛盾。同时Altera公司针对3G/4G等应用开发了大量的数字中频参考设计和IP，简化了设计者的开发难度，缩短了设计周期。

FPGA器件属于硬件，它的特点是比较适合速度较高、逻辑关系不复杂的数据通路实现。

通过我们对前面DDC和DUC功能的分析，我们发现实现DDC/DUC的模块和运算主要有CIC/FIR滤波、NCO、插值/抽取、混频。这些基本上属于算法简单、但计算速度较高的处理，非常适合于FPGA的实现。

从另一个角度讲，FPGA相比DSP处理器的优势是并行构架。一个DDC/DUC模块完成以后，只要做简单的复制，就可以扩展到多路DDC/DUC。同时，一个ADC/DAC器件可以连接多个通道的DDC/DUC，从而可以轻松支持多载波（Multi-carrier）系统。

而有时候FPGA内部的资源有限，多路DDC/DUC甚至可以做时分复用，公用一块DDC/DUC的电路，当然电路工作时钟也需要提高相应的倍数，只要在该FPGA性能允许范围以内就可以了。Altera拥有支持包括WCDM A，TD-SCDMA，和WiMAX的参考设计。

CFR电路的计算量较大，例如TD-SCDMA，采样率从61.44MHz～92.16MHz，基于FPGA的并行处理可以轻松完成。

多项式DPD分为前向和反向模块，前向模块为预失真器，由多个FIR滤波器组成，非常适合硬件FPGA实现，Altera的IP核可以提供完善的FIR支持。反向模块为特定的收敛算法，如LMS、RLS，Altera都可以提供相应的参考设计。其中，对于RLS，Altera的参考设计采用QR分解方式，缩短了收敛时间，提高了算法的稳定性。

Altera提供的资源

Altera公司除了在器件设计上考虑了数字中频应用的实际情况外，也在IP核、控制粘合逻辑、接口逻辑、设计工具和流程，以及参考设计方面做了大量的工作。

在FPGA器件资源上，Altera最新的Cyclone和Stratix系列在内嵌存储器和乘累加模块方面，无论是数量还是速度都有较大程度的提高。

在DSP的IP核组件方面，Altera能提供包括FIR，NCO，CIC，CORDIC等功能组件。为了方便用户的系统集成，同时还提供了用于这些模块之间互联的统一接口：Avalon Streaming（Avalon-ST）接口。另外，为了多通道的复用和解复用，Altera还设计了Avalon-ST接口的包格式转换器（Packet Format Converter），用于将输入的单个或多个Avalon-ST通道与输出的单个或多个Avalon-ST通道提供时间和空间接口，用于多通道的复用与解复用。

在一些需要灵活性的领域，比如DPD，Altera的Nios II嵌入式处理器正好可以发挥功用，例如，在DPD的反馈路径上，它可以帮助用户灵活增加自己的插值例程。Nios II嵌入式处理器还可帮助系统做一些数据统计、参数重配以及其它管理工作。

在设计验证工具和流程方面，Altera力推MATLAB/Simulink＋DSP Builder＋Quartus II的一体化设计流程。如图3所示。

同时Simulink还可以集成ModelSim和FPGA内嵌逻辑分析仪SignalTap-II来协助用户做功能仿真、调试。另外，硬件在环（Hardware In Loop）功能方面可以帮助用户在实际硬件上验证设计算法，同时也加速了验证的速度。

参考设计

WiMAX DUC/DDC

Altera的WiMAX DDC/DUC参考设计是基于1024点FFT的OFDM设计的，其工作带宽是10MHz。基带信号的采样率是11.424MSps，也就是符号率（Symbol Rate）。中频信号的采样率是91.392MSps。从基带到中频，总共需要8倍的采样率变化。

我们前面讲过，CIC适合于窄带高倍变换领域，而这里只需要8倍变换，同时有用信号带宽是10MHz，因此采用FIR做抽取或插值滤波是更好的选择。

如图4所示，在功能划分时，我们考虑实现的资源和效率，将整形滤波和抽取插值滤波分为3个FIR来设计：G（z）负责频谱整形，通常是根升余弦（RRC）滤波器；Q（z）负责2倍抽取或插值滤波；P（z）负责4倍抽取或插值滤波。

为了节省FPGA资源，提高性能，我们将工作频率最低的G（z）设计成111阶FIR，其过渡带最窄；Q（z）其次，79阶；而P（z）只有39阶，其工作频率最高。三个滤波器的组合响应如图5所示，完全满足WiMAX所要求的模板（Mask）。

在具体FPGA实现上，我们考虑I/Q两路的滤波特性完全一致，为了节省器件资源，我们将I/Q两路的三级FIR作复用。请参考图6。

在DDC上，我们首先将91.392MSps的中频信号通过过采样（Oversample）变为182.784MSps的连续两个时钟周期的相同信号，分别和NCO混频，经过三级FIR，最终得到两路11.424MSps的I/Q信号。

在DUC上，FIR分别工作在 22.848MSps、45.696MSps和 182.784MSps。最后，将混频的两路IQ信号相加，得到一个带通的实数信号，采样率为91.392MSps。

在多通道的复用/解复用上，我们使用Altera的Avalon-ST包格式转换模块（PFC）来做模块互联。

WiMAX基站中典型的要求为2个发送天线和4个接收天线，而该参考设计也可以支持2个发送天线和4个接收天线的方式。

通过对参考设计的仿真验证，DUC的相对星座误差（Relative Constellation Error）大大好于规定值。比如，在64QAM 3/4码率时，测量的RCE为-55.29dB。DDC的接受灵敏度和邻道抑制（Adjacent Channel Rejection）指标都远好于所要求的值。

WiMAX CFR

WiMAX系统对CFR提出了更高的要求。由于采用了64QAM调制方式，误差矢量幅度（EVM）要求《3%，对峰均比（PAR）和邻频道泄漏比（ACLR）也有更严格的要求。Altera的WiMAX CFR方案采用美国乔治亚科技学院的约束钳位算法（Constrained Clipping），其EVM《3%，PAR削减》5dB，而且信号带外扩散极小。参考图7。

WiMAX DPD

WiMAX的中频带宽超过10MHz，同时需要引入LMS/RLS等自适应算法，对整个DPD模块的DSP处理能力和灵活度提出了很高的要求。采用Altera的“片内处理器NIOS II＋FPGA硬件协处理单元”方式可以很好的满足设计要求。

如图8所示，前向模块为预失真器，由多个FIR滤波器组成。在反向链路中，我们收集一套64个样本在“样本缓存”中，Nios嵌入式处理器可以帮助计算CORDIC的输入，CORDIC加速器完成QR分解工作。Nios然后进行倒转代换，更新前向链路中FIR滤波器的系数。采用软处理器NIOS+CORDIC加速器的方式来完成QRD_RLS的上三角矩阵运算，具有很好的灵活性，我们可以调节CORDIC加速器的数目以提高反向模块的数据吞吐率。

整个DPD参考设计的资源耗费大致为2万个逻辑单元。

TD-SCDMA

TD-SCDMA网络在国内开始大规模铺设，目前国内厂商基站的数字中频多采用大厂的专用芯片（ASSP）。对于6～8天线的应用，完成DUC/DDC/CFR/DPD等功能，可能会使用到超过10片ASSP。无论是在成本、功耗和灵活性上，都非常不理想。

Altera的TD-SCDMA数字中频方案可以在2片～3片FPGA上完成上述功能，从而在降低系统成本、功耗，提高集成度，以及可升级性上都有较大优势。

值得一提的是，目前Altera针对TD-SCDMA的CFR方案采用波峰修整算法，所需的FPGA资源较小（约3000逻辑单元＋7乘法器＋7块存储器），同时性能可以很好的满足3G的需求。

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