摘要：
利用系統芯片(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；而且還可以降低復雜性，便于使用。
關鍵字：DSP；FPGA
目前，無線通信正向話音和數據綜合在一起的方向發展，以及將移動技術綜合到手持PDA產品中去，因此，隨著對無線移動通信系統和對便式系統的盼望繼續增長，驅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；而且還可以降低復雜性，便于使用。
DSP&FPGA技術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，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指令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原有設計方案或原有功能，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計的，因而使用范圍廣、產量大、價格可以降到很低。所以DSP&FPGA在無線通信系統中大量應用，促進了無線通信的發展；而無線通信的蓬勃發展又促進了DSP&FPGA技術的不斷進步。
表1 無線通信中的幾種技術解決方案比較
DSP和FPGA的比較
DSP作為可編程超大規模集成電路(VLSI)器件，是通過可下載的軟件或固件來實現擴展算法和數字信號處理功能的，其最典型的用途是實現FIR濾波器和FFT算法。在硬件上，DSP最基本的構造單元是被稱為MAC的乘加器。它通常被集成在數據通道中，這使得指令周期時間可以跟硬件的算術周期時間相同。此外，DSP芯片還有若干個獨立的片內存儲器、ROM、RAM、并行功能單元、鎖相環(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據的要求，DSP芯片還采用了諸如閃速存儲器、鐵電存儲器等技術。當前，大多數的DSP芯片采用改進的哈佛結構，即數據總線和地址總線相互分離，使得處理指令和數據可以同時進行，提高了處理效率。另外還采用了流水線技術，將取指、取操作數、執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，存儲數據的觸發器和復路器等組成。這樣，只要正確地設置了中的數據，查找表就能夠通過對中的數據的讀取而實現輸入的任意布爾函數。觸發發器則用來存儲數據，如有限狀態機的狀態信息。復路器可以選擇不同的輸入信號的組合，將查找表和觸發器用可編程的布線資源連接起來，就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，它可以很容易的實現分布式的算法結構，這一點對實現無線通信中的高速數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，而這些濾波函數往往需要大量的乘和累加操作，而通過分布式的算術結構，FPGA可以有效地實現乘和累加操作。
隨著技術的進步，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，手持機系統對DSP處理器的要求將達到數千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中可能要許多年后才能解決。基站系統對功耗要求不高，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(大約數萬MOPS)。由于DSP程序是串行執行的，所以即使采用多處理器結構進行負荷分擔，其速度也不會有很大程度的提高。
由于FPGA器件實現的各功能塊可以同時工作，從而實現指令級、比特級、流水線級甚至是任務級的并行執行，從而大大地加快了計算速度。由FPGA實現的計算系統可以達到現有通用處理器的數百甚至上千倍。并且，由于FPGA可動態地配置，系統的硅片面積不再是所支持無線接口數的線形函數，因此有可能在很少的幾片甚至一片FPGA中集成一個支持所有標準的系統。不過，由于現有的FPGA的開發系統幾乎都是為ASIC的原型驗證而設計的，導致這些開發系統在節省工程開發時間上效率非常高， 而在FPGA資源的利用效率方面卻比較差。HDL語言可大大提高設計能力，但在最大限度地發揮器件性能方面HDL的設計方法還有一定的局限性，還不能提供FPGA布局布線的優化和約束。
DSP&FPGA在無線通信中應用領域
現在方興未艾的移動通信許多關鍵技術:CDMA技術，軟件無線電，多用戶檢測等技術都依靠高性能的DSP&FPGA來實現。上表是目前無線通信中幾種常用的技術解決方案的比較，下面我們看看DSP&FPGA在無線通信中的應用領域：
數字蜂窩系統
第三代數字蜂窩通信系統和其它方興為艾的高性能通信系統如寬帶通信、MPEG-4和視頻點播等的快速發展對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。隨著超大規模集成電路技術的發展，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，而變成了構件內核。這使得設計師能選擇合適的內核和專用邏輯“膠結”在一起形成專用DSP&FPGA方案，以滿足信號處理的需要。目前還出現把DSP核和ASIC微控制器集成在一起的芯片。數字蜂窩系統使用通用DSP&FPGA來實現語音合成，糾錯編碼，基帶調制解調，以及系統控制等功能。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能夠用來實現基帶調制解調功能。這功能包括定時的恢復、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。
軟件無線電技術
軟件無線電技術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主要有三個:(1)以歐洲為代表的基于GSM系統的TDMA系統，(2)以北美為代表的基于窄帶IS-95的CDMA系統，(3)以日本為代表的寬帶CDMA系統。軟件無線電利用DSP&FPGA的強大處理能力和軟件的靈活性，實現多種通信協議的兼容，進行信道分離、解調和信道編譯碼等。例如在同一硬件上，可以用不同的軟件處理數字壓縮的話音(如GSM)或模擬調頻話音(如AMPSＡ)。軟件無線電技術的發展和實用取決于高速集成電路，如DSP&FPGA、模/數、數/模的技術發展情況。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/數變換(ADC)和數/模變換(DAC)，由DSP&FPGA完成其間所有的處理任務，只要更改下載軟件就可以滿足用戶需要其中最具挑戰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、多處理器協同工作的能力，以及DSP&FPGA實時操作系統等多方面。
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域。如前所述，由于FPGA內部結構的特點，它可以很容易的實現分布式的算法結構，這一點對實現無線通信中的高速數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，而這些濾波函數往往需要大量的乘和累加操作，而通過分布式的算術結構，FPGA可以有效地實現乘和累加操作。另一方面，無線通信系統中需要的調制解調器中需要大量的復雜的數學運算，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品中，對調制解調器的大小、重量、功耗特別關注，對DSP&FPGA的要求就更高，調制解調器的速度隨DSP&FPGA的速度的提高而不斷提高。在數據傳輸方面。在無線通信中由聲音信號數字化所產生的大量數據，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來完成的任務包括視頻信號與音頻信號的編碼、解碼、彩色空間轉換、回音消除、濾波、誤碼校正、復用、bit流協議處理等。
DSP&FPGA在未來無線通信中的應用分析
目前，由于受利益驅使和應用場合的限制，全世界的無線移動個人通信不能統一到一種體制上。在不同場合，不同體制有其固有的優越性，其它體制無法代替，因此不同體制的互聯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的必然趨勢。在標準的兼容性、技術接入和經濟性之間，軟件無線電能夠很好地折衷，是實現不同多址接入方式兼容的最佳方案。通過軟件無線電技術對多種體制進行綜合，開發出新一代的多模移動通信手機，實現一機在手漫游天下的設想，已成為第三代移動通信的發展方向。未來的無線通信系統很有可能是一個具有驚人處理能力和標準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，也就是說，通信領域將經歷類似個人電腦在上個世紀八九十年代所經歷的變革，現在正是這一變革的關鍵時刻。未來的無線通信系統將是以DSP&FPGA為核心的軟件無線電系統，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都可以建立在相同基本設置的硬件上，這樣可以簡化設計過程，減少邏輯復雜度和領域維修的需要。
● 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，這種結構降低了單個信道的硬件耗費。
● 簡便的軟硬件升級性：當協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，而不需要改變現存的設備，這樣很大程度上降低了升級費用。
● 可以用于任何無線協議的單一結構：以DSP&FPGA為核心的無線通信系統結構支持所有的主要的協議，它為所有的通信協議提供了統一的平臺，而不是針對一個特殊協議設計的專門平臺。
基于DSP&FPGA的無線通信系統，能夠滿足未來的通信發展的需要，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這種兼容。伴隨著未來通信技術的不斷發展，DSP&FPGA的速度將會不斷提高，在第三代移動通信中的廣泛應用也證明了這一點。無線通信技術的發展也對DSP&FPGA的發展提出了更高的要求。就DSP而言，目前發展很快，主要的趨勢有：在單片DSP中實現多個MAC、更多的寄存器、更寬的程序總線和數據總線、更高的工作頻率；從結構上，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，門數更多。目前Lucent和XILINX公司均有10萬門以上的產品，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的發展，將推動無線通信的發展。
基于DSP的開放式多媒體應用平臺
第三代移動通信產品的寬帶數據業務對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，將數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務之急。
對于當今的移動通信設備，一片DSP&FPGA難以達到系統處理的能力。比如現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合信令。只有與另外的CPU相結合才能完成整個任務。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的開放式的多媒體應用平臺(OMAP)，該平臺為開發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構，將高性能的C55x DSP和與控制性能強的ARAM9微處理器結合起來，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手機移動多媒體業務設計的應用平臺。
這個開放式的軟件應用平臺，提供動態狀態下載應用軟件和更新應用軟件的能力，從而加速產品開發，下圖為它的軟件結構框圖。它支持多種實時多任務操作系統，對微處理器進行實時多任務調度管理，對DSP C55x進行通信和控制。它也支持多種實時多任務操作系統在DSPC55x上工作，實現復雜的多媒體信號處理。
開發者可以利用應用編程接口，控制在DSP中實現實時任務的執行，并同DSP交換任務運行結果和狀態消息。也可以調用局部DSP網關組件，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的發展展望
DSP&FPGA在通信領域的應用，大大改善了現代通信系統的性能， DSP&FPGA的應用也極大的推動了SOC的發展，基于DSP&FPGA的網絡產品將成為21世紀DSP&FPGA的應用熱點。隨移動通信的寬帶GSM，CDMA標準轉移和高速網絡數據傳送時對XDSL的要求，DSP更將有前途。
我國在DSP技術和產品的研究開發成績斐然，我國DSP技術起步較早，基本上與國外同步發展，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技術的發展趨勢，將是以系統芯片為核心，信息處理速度將達到每秒幾十億次乘加運算，因此，只有多系統芯片才能肩負此重任。
嵌入式系統已經與SOC技術融合在一起，成為新一代信息技術的基礎，基于DSP&FPGA嵌入式系統不僅具有其他微處理器和單片機嵌入式系統的優點和技術特性，而且還可能用并行算法操作，具有高速數字信號處理的能力，為實現系統的實時性提供了有利的支持， DSP&FPGA單片機系統必將成為現代電子技術，計算機技術和移動通信技術的重要支柱。 雖然半導體技術已經取得了相當的進步，但我們仍然不能在所有的應用中采用DSP&FPGA技術，比如，半導體技術還不能解決一部分高頻應用。
