原標題：基于DSP和FPGA芯片實現(xiàn)基帶處理單元的設計方案

基于DSP和FPGA芯片實現(xiàn)基帶處理單元的設計方案

引言

隨著通信技術的迅猛發(fā)展，基帶處理單元在無線通信系統(tǒng)中扮演著至關重要的角色。傳統(tǒng)的基帶處理平臺通常由單一的處理器（如FPGA或DSP）構(gòu)成，但由于各自具有一定的優(yōu)缺點，難以滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的需求。因此，基于DSP和FPGA芯片的組合架構(gòu)成為當前主流的設計方案。本文將詳細介紹基于DSP和FPGA芯片的基帶處理單元設計方案，并重點討論主控芯片的型號及其在設計中的作用。

系統(tǒng)概述

基帶處理單元主要負責信號的調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼等任務，是無線通信系統(tǒng)的核心部分。為了實現(xiàn)高效、靈活的基帶處理，本文提出了一種基于DSP和FPGA架構(gòu)的基帶數(shù)字信號處理平臺。該平臺結(jié)合了DSP的強大數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的靈活邏輯控制能力，從而實現(xiàn)了性能的大幅提升。

主控芯片選型及其作用

DSP芯片選型及作用

DSP（數(shù)字信號處理器）是一種專門用于數(shù)字信號處理的微處理器。它具有高速的運算能力、靈活的尋址方式和強大的通信機制，非常適合用于實現(xiàn)復雜的信號處理算法。

1. 型號選擇：本文選用TI公司Keystone架構(gòu)的8核處理器TMS320C6678作為DSP芯片。

2. 作用分析：

• 高層處理算法實現(xiàn)：DSP芯片負責實現(xiàn)高層處理算法，如傳輸塊級聯(lián)/分割、信道編碼、物理信道映射等。這些算法的特點是所處理的數(shù)據(jù)量較少，但控制結(jié)構(gòu)復雜，需要高速運算和靈活尋址。

• 數(shù)據(jù)提取與消息解析：DSP作為主控單元，負責數(shù)據(jù)的提取和消息的解析，以及部分基帶數(shù)據(jù)處理功能，如第二次交織和成幀等。

• 系統(tǒng)調(diào)度與控制：DSP還負責整個系統(tǒng)的調(diào)度和控制，確保各個處理單元之間的協(xié)同工作。

FPGA芯片選型及作用

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是一種半定制的集成電路，用戶可以根據(jù)需求對其進行編程，實現(xiàn)特定的功能。FPGA具有高度的靈活性和并行處理能力，非常適合用于實現(xiàn)低層信號處理算法。

1. 型號選擇：本文選用ALTERA公司的Stratix IV GX系列芯片EP4SGX70HF35C3作為FPGA芯片。

2. 作用分析：

• 低層信號處理算法實現(xiàn)：FPGA芯片負責實現(xiàn)低層信號處理算法，如CRC校驗、速率匹配、比特擾碼等。這些算法的特點是處理的數(shù)據(jù)量大，但對運算結(jié)構(gòu)的要求相對簡單，適合用FPGA進行硬件實現(xiàn)。

• 高速數(shù)據(jù)交換接口：FPGA還負責實現(xiàn)與DSP之間的高速數(shù)據(jù)交換接口，如SRIO接口，確保數(shù)據(jù)能夠高效、快速地傳輸。

• 擴展功能實現(xiàn)：FPGA還可以根據(jù)需求實現(xiàn)其他擴展功能，如Viterbi譯碼、聯(lián)合檢測等。

系統(tǒng)實現(xiàn)方案

系統(tǒng)架構(gòu)

基于DSP和FPGA的基帶處理單元系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由DSP處理器、FPGA處理器、高速數(shù)據(jù)交換接口（SRIO）、AD/DA模塊等組成。

圖1：基于DSP和FPGA的基帶處理單元系統(tǒng)架構(gòu)

• DSP處理器：負責高層處理算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)提取與消息解析、系統(tǒng)調(diào)度與控制。

• FPGA處理器：負責低層信號處理算法的實現(xiàn)、高速數(shù)據(jù)交換接口的實現(xiàn)、擴展功能的實現(xiàn)。

• SRIO接口：實現(xiàn)DSP與FPGA之間的高速數(shù)據(jù)交換。

• AD/DA模塊：實現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集和后端模擬恢復。

數(shù)據(jù)處理流程

基帶處理單元的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。流程主要包括傳輸信道編碼復用和物理信道映射等步驟。

圖2：基帶處理單元的數(shù)據(jù)處理流程

1. 傳輸信道編碼復用：

• CRC校驗：對傳輸數(shù)據(jù)進行循環(huán)冗余校驗，確保數(shù)據(jù)的完整性。

• 傳輸塊級聯(lián)/分割：將多個傳輸塊級聯(lián)或分割成適合處理的單元。

• 信道編碼：對傳輸數(shù)據(jù)進行信道編碼，增加冗余信息，提高傳輸?shù)目煽啃浴?/span>

• 無線幀均衡：對無線幀進行均衡處理，確保信號的質(zhì)量。

• 交織：對傳輸數(shù)據(jù)進行交織處理，分散錯誤，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

• 速率匹配：根據(jù)傳輸信道的速率對數(shù)據(jù)進行速率匹配。

• 傳輸信道復用：將多個傳輸信道的數(shù)據(jù)進行復用，提高頻譜利用率。

• 比特擾碼：對傳輸數(shù)據(jù)進行比特擾碼處理，增加信號的隨機性。

2. 物理信道映射：

• 物理信道分割：將傳輸信道的數(shù)據(jù)分割成適合物理信道傳輸?shù)膯卧?/span>

• 子幀分割：將物理信道的數(shù)據(jù)分割成子幀。

• 物理信道映射：將子幀映射到具體的物理信道上，準備進行傳輸。

高速數(shù)據(jù)交換接口設計

為實現(xiàn)DSP與FPGA之間的高速數(shù)據(jù)交換，本文選擇了串行高速輸入輸出接口SRIO。SRIO具有數(shù)據(jù)打包效率高、延遲小、硬件糾錯能力、靈活易于擴展等顯著優(yōu)點，能夠滿足系統(tǒng)互連的需求。

1. SRIO協(xié)議介紹：

• LINK層：負責建立和維護物理連接。

• 傳輸層：負責數(shù)據(jù)的打包和拆包。

• 邏輯層：負責數(shù)據(jù)的路由和傳輸控制。

2. 高速轉(zhuǎn)接板設計：

• 設計了FPGA與DSP之間的高速轉(zhuǎn)接板，實現(xiàn)了SRIO接口的物理連接。

• 實現(xiàn)了FPGA與DSP通過SRIO進行高速數(shù)據(jù)交換的LINK、NWRITE、NREAD、Doorbell等相關操作的測試。

AD/DA模塊設計

為實現(xiàn)從前端數(shù)據(jù)采集到后端模擬恢復的完整處理流程，本文添加了AD和DA模塊。

1. AD模塊：

• 選用TI公司的ADS4229作為AD模塊。

• 實現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

2. DA模塊：

• 選用TI公司的DAC3152作為DA模塊。

• 實現(xiàn)后端模擬恢復，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。

系統(tǒng)測試與性能評估

硬件電路測試

對基于DSP和FPGA的基帶處理單元硬件電路進行了實際測試。測試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)不僅在高速率業(yè)務的處理時延上符合規(guī)范要求，而且對不同類型的業(yè)務處理有較強的適應能力，滿足TD-SCDMA系統(tǒng)對多媒體業(yè)務傳輸?shù)闹С帧?/span>

性能評估

通過測試，本文對所設計的基帶處理單元進行了性能評估。評估結(jié)果如下：

1. 處理能力：

• 在384kbps業(yè)務信道加隨路信令的處理中，384kbps業(yè)務數(shù)據(jù)由DSP通過同步高速接口，以DMA方式遞交給FPGA進行處理。隨路信令因其數(shù)據(jù)量小，在FPGA處理384kbps業(yè)務數(shù)據(jù)時，隨路信令數(shù)據(jù)在DSP中同時處理。此方法減少了數(shù)據(jù)處理時間，提高了處理速度。

2. 靈活性：

• FPGA的靈活邏輯控制能力使得系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的業(yè)務需求進行靈活配置。

• DSP的快速運算能力和靈活尋址方式使得系統(tǒng)能夠高效地實現(xiàn)復雜的信號處理算法。

3. 擴展性：

• SRIO接口的高數(shù)據(jù)傳輸速度和靈活擴展能力使得系統(tǒng)能夠方便地與其他處理單元進行互連和擴展。

• AD/DA模塊的添加使得系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從前端數(shù)據(jù)采集到后端模擬恢復的完整處理流程。

結(jié)論

本文介紹了一種基于DSP和FPGA芯片的基帶處理單元設計方案。該方案結(jié)合了DSP的強大數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的靈活邏輯控制能力，實現(xiàn)了高效、靈活的基帶處理。通過實際測試，該方案不僅在高速率業(yè)務的處理時延上符合規(guī)范要求，而且對不同類型的業(yè)務處理有較強的適應能力，滿足了現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的需求。

未來，隨著通信技術的不斷發(fā)展，基帶處理單元將面臨更多的挑戰(zhàn)和機遇。本文所提出的設計方案為未來的基帶處理單元設計提供了一種可行的參考和借鑒。