1.1無線通信綜述

進入21世紀以來，無線通信技術正在以前所未有的速度向前發(fā)展。隨著用戶對各種實時多媒體業(yè)務需求的增加和互聯網技術的迅猛發(fā)展，可以預計，未來的無線通信技術將朝著數字化、綜合化、寬帶化、智能化和個人化的方向發(fā)展，這對社會的進步和經濟的發(fā)展都有著舉足輕重的作用。

隨著無線通信范圍的擴大，無線通信系統(tǒng)也有越來越多的類型，可以分為微波通信系統(tǒng)、無線電尋呼系統(tǒng)、蜂窩移動通信、無繩電話系統(tǒng)、集群無線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、分組無線網等典型的通信系統(tǒng)。其中的移動通信技術在世界范圍內獲得了廣泛的應用，成為令人神往的高技術風景線，但就正式商業(yè)運營而言，至今也不過只有30年的歷史。從其發(fā)展歷程來看，大約每十年更新一代，目前處于第二代（2G）和第三代（3G）的交接期。

第一代（1G）以模擬式蜂窩網為主要特征。20世紀70年代末，隨著半導體技術的發(fā)展和微處理器的出現，使蜂窩系統(tǒng)實現的復雜度大大降低，從而進一步推動了蜂窩移動通信技術的發(fā)展。這期間，美國推出了AMPS（Advanced Mobile Phone System）系統(tǒng)，歐洲推出了TACS（Total Access Communication System）系統(tǒng)。1G主要采用頻分多址（FDMA）方式實現對用戶的動態(tài)尋址功能。

第二代（2G）以數字式蜂窩為主要特征，于20世紀90年代初走向商用。其中，各國相應推出了今天廣為人知的GSM和IS-95CDMA等系統(tǒng)。2G主要采用時分多址（TDMA，如GSM中）和碼分多址（CDMA，如IS-95CDMA中）實現對用戶的動態(tài)尋址功能。此外還在對信道動態(tài)特征匹配上采用了抗干擾性能優(yōu)良的數字式調制（GMSK、QPSK）、糾錯編碼（卷積碼、級聯碼）、信道交織編碼、自適應均衡和Rake接收等技術。同時，無線數據網絡得到了極大的發(fā)展，按照覆蓋范圍從大到小可以分為移動數據網、無線局域網（WLAN，以IEEE802.11系列標準為典型代表）和無線個域網（WPAN，以藍牙（Bluetooch）技術為典型代表）。

第三代（3G）以多媒體業(yè)務為主要特征，于本世紀初剛剛投入商業(yè)化運營，圖1-1給出了現有無線應用解決方案的數據速率和靈活性。3G無線網絡可以分為3G蜂窩網和由各種WLAN、WAPN系統(tǒng)組成的寬帶接入系統(tǒng)。其中最具代表性的蜂窩網有北美的CDMA2000，歐洲與日本的WCDMA以及我國的TD-SCDMA系統(tǒng)，都以碼分多址（CDMA）實現對用戶的動態(tài)尋址功能，以2G為基礎，以業(yè)務多媒體化為主要目標。各種與蜂窩系統(tǒng)相補充的寬帶接入系統(tǒng)也得到了迅速發(fā)展，特別是以IEEE802.16系列標準（WiMAX）為代表的無線城域網技術，成為有線接入和3G蜂窩網強有力的競爭對手，并于2007年10月成為ITU的3G標準之一。WiMAX技術可實現點到多點的通信，可提供高速的雙向語音、數據、視頻服務。同時無線廣域網的技術也在進一步發(fā)展中，期望填補現有技術(蜂窩網、WLAN、WPAN和WMAN)之間的空白，提供比現有寬帶接入技術更高的移動性，比蜂窩網更高的數據傳輸速率。

圖1-1不同無線應用解決方案的數據速率和靈活性示意圖

目前，世界各國均已展開對下一代移動通信系統(tǒng)（B3G/4G）的研究和開發(fā)，以期達到理想的通信目標，并取得了一定的階段性成果。日本NTT DOCOMO公司、韓國電子通信研究所（ETRI）都已進行了野外測試，推出了一系列高速的實驗系統(tǒng)。我國面向B3G的FuTURE計劃于2001年啟動，并于2006年12月在上海進行了TDD-OFDM系統(tǒng)測試和驗收，驗收結果表明該系統(tǒng)已達到了國際領先水平。B3G/4G主要采用OFDM、多跳、中繼和多天線等新技術，將向用戶提供100Mbps甚至1Mbps的數據速率。這些先進的技術大大提高了無線通信系統(tǒng)的數據傳輸速率和通信的可靠性，增強了系統(tǒng)功能，擴大了應用領域和服務范圍?？梢灶A計，無線通信的未來更令人矚目和神往。

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無線通信的發(fā)展過程及趨勢可以概括如下：

工作頻段從短波、超短波、微波發(fā)展到毫米波、紅外和超長波

頻道間隔由100KHz、50KHz、25KHz發(fā)展到12.5kHz甚至更窄

調制方式由振幅壓擴單邊帶模擬調制發(fā)展到數字調制

多址方式由FDMA、TDMA、CDMA發(fā)展到混合多址，以及固定多址和隨機多址的結合

業(yè)務類型由話音發(fā)展到數據、傳真，直到多媒體綜合業(yè)務。

1.2FPGA在無線通信中的應用

現場可編程門陳列（FPGA）芯片在許多領域均有廣泛的應用，特別是在無線通信領域里，由于具有極強的實時性和并行處理能力，使其對信號進行實時處理成為可能。本節(jié)不僅對FPGA技術在現有無線通信中的應用領域作了詳細的分析，并對其在未來無線通信中的應用發(fā)展作了展望。

FPGA指的是現場可編程門陣列，它的基本功能模塊是由N輸入的查找表，存儲數據的觸發(fā)器和復路器等組成。在正確的設置下，這三個部分各司其職。查找表能夠通過對數據的讀取實現輸入數據的任意布爾函數；觸發(fā)器則用來存儲數據，如有限狀態(tài)機的狀態(tài)信息；復路器可以選擇不同的輸入信號進行組合，將查找表和觸發(fā)器用可編程的布線資源連接起來，可以實現不同的組合邏輯和時序邏輯。由于FPGA內部結構的特點，它可以很容易地實現分布式的算法結構，這一點對于實現無線通信中的高速數字信號處理十分有利。因為在無線通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運算，而這些濾波函數往往需要大量的乘和累加操作。而通過FPGA來實現分布式的算術結構，就可以有效地實現這些乘和累加操作。

目前，無線通信一方面正向話音和數據綜合的方向發(fā)展，另一方面迫切需要將移動技術綜合到手持PDA產品中去。因此，隨著無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，以及對更為完善的便攜式系統(tǒng)的期望，構架系統(tǒng)模塊的處理器就必須更加地強有力。這一要求對無線通信的FPGA芯片市場提出了重要的挑戰(zhàn)，其中最重要的三個方面是FPGA的功耗、性能和成本。目前已有許多研究來平衡這三方面的要求，如利用系統(tǒng)芯片（SOC）可以將盡可能多的功能集成在一片FPGA芯片上或FPGA芯片集上，使其性能上具有速率高、功耗低；在成本上價格低廉；而且還可以降低復雜性，便于使用。

特別是在無線通信領域里，SOC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構的軟件編程來實現其功能的，因而僅修改軟件而不需改硬件平臺就可以改進系統(tǒng)原有設計方案或原有功能，因而具有極大的靈活性；又由于這種情況下的FPGA芯片并非專門為某種功能設計的，因而使用范圍廣、產量大、價格可以降到很低。所以FPGA將會越來越多地應用于無線通信系統(tǒng)中，它的優(yōu)良性能將會促進無線通信的發(fā)展；而帶來的無線通信蓬勃發(fā)展又將會進一步促進FPGA技術的不斷進步。

對于現有移動通信中的許多關鍵技術，如：CDMA技術，軟件無線電，多用戶檢測等技術都需要依靠高速、高性能的并行處理器來實現。隨著這些應用的日益多樣化，FPGA已經不再是一塊獨立的芯片，而演變成了構件內核。這使得設計師能選擇合適的內核，與專用邏輯“膠結”在一起形成專用的FPGA方案，以滿足信號處理的需要。目前還出現把DSP核和FPGA集成在一起的芯片。FPGA芯片的一些具體應用方面，如：用于實現語音合成，糾錯編碼，基帶調制解調，以及系統(tǒng)控制等功能；基于DSP核矢量編碼器用于將語音信號壓縮到有限帶寬的信道中；用來實現基帶調制解調功能；另外還有定時的恢復、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。

特別是對于其中的調制解調器，由于需要大量的復雜數學運算，并且對調制解調器的大小、重量、功耗特別關注，這就對FPGA的要求就更高，調制解調器的速度隨FPGA的速度的提高而不斷提高。FPGA在通信領域的應用，大大改善了現代通信系統(tǒng)的性能，也極大地推動了SOC的發(fā)展。但對于當今的移動通信設備，一片FPGA難以達到系統(tǒng)級處理的能力。比如現在的第三代移動通信，一片FPGA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信令。只有與另外的DSP或者CPU相結合才能完成整個任務。因此，基于DSP/CPU加FPGA的網絡產品將成為未來的應用熱點。隨著移動通信的寬帶GSM，CDMA標準的轉移和高速數據傳送網絡對XDSL的要求，基于內嵌DSP/CPU的FPGA SOC將更有前途。

專家指出，今后高速DSP/CPU加FPGA技術的發(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)已經與SOC技術融合在一起，成為新一代信息技術的基礎?；贒SP/CPU加FPGA的嵌入式系統(tǒng)不僅具有其他微處理器和單片機嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點和技術特性，而且還可能利用并行算法操作，具有更高速的數字信號處理能力，為實現系統(tǒng)的實時性提供了更為有利的支持。DSP/CPU加FPGA系統(tǒng)必將成為現在以及未來無線通信技術的重要支柱。

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1.3Xilinx公司的無線通信開發(fā)資源

Xilinx公司為推動整個無線通信行業(yè)做出了積極貢獻，不僅是主要的通信器件供應商，還積極地參與各類通信標準的制定，提供系統(tǒng)集成和完整的系統(tǒng)解決方案。

Xilinx提供了針對RF數字前端（DFE）信號處理、基帶處理（包括前向糾錯（FEC）、傅立葉變換和自適應調制）和先進接口等領域中無線網絡設備的高性能、經濟型解決方案，以及連接功能和橋接解決方案。Xilinx及其合作伙伴提供了以下全方位支持：

參考設計和硬件平臺，來簡化高性能無線電和基帶處理功能的開發(fā)。

靈活的、可升級解決方案，解決了不斷變化的標準的挑戰(zhàn)，如WCDMA、WiMAX、TD-SCDMA和LTE。

IP和參考設計，支持最新的無線電、基帶和DSP連接功能標準，如CPRI、OBSAI和SRIO。

業(yè)內領先的FEC解決方案，如高級Turbo編解碼器算法，提高了吞吐量，降低了延遲，并削減了單位通道的成本。

全面的網絡解決方案，支持新的、低延遲、基站架構和向全IP核與回程網絡過渡的開發(fā)。

按功能和類型分，Xilinx FPGA的應用范圍和已有資源可以分為：基帶處理（通道卡）、接口和連接功能以及RF（射頻卡）三大類，涵蓋了3G四大標準（WCDMA、CDMA2000、TDS-CDMA以及WiMAX）的完整參考設計，并附加了OFDM調制、削峰、基帶預失真、MAC和分組處理等多種核心技術，形成先進的基站解決方案。

（1）基帶處理資源

基帶處理主要包括信道編解碼（LDPC、Turbo、卷積碼以及RS碼的編解碼算法）和同步算法的實現（WCDMA系統(tǒng)小區(qū)搜索等）。

（2）接口和連接資源

接口和連接功能主要包括無線基站對外的高速通信接口（PCI Express、以太網MAC、高速AD/DA接口）以及內部相應的背板協議（OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort）的實現。

（3）RF應用資源

RF應用主要包括調制/解調、上/下變頻（WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA以及CDMA2000系統(tǒng)的單通道、多通道DDC/DUC）、削峰（PC-CFR）以及預失真（Predistortion）等關鍵技術的實現。

本專題以Xilinx公司在無線通信領域中的資源為導向，分為整體解決方案、基帶處理、數字前端及RF處理和無線通信中的交換和接口處理4大類，在后三類中，主要針對WCDMA、CDMA200、TD-SCDMA以及WiMAX系統(tǒng)進行討論，并將LTE相關內容也依次并入上述四個已有系統(tǒng)中。