FPGA在TD-SCDMA通用开发平台中的应用

摘要：随着FPGA容量、功能以及可靠性的不断提高，采用FPGA设计数字电路已经成为数字电路系统领域的主要设计方式。在以DSP为主处理器，FPGA为协处理器，基于“软件无线电”技术的TD-SCDMA通用开发平台中，成功地采用FPGA完成一系列数据量大、重复性强、速度要求高的数字信号处理运算和相关数据接口。在这种平台中采用不同的软件，便可以对TD-SCDMA协议栈软件、物理层软件、手机芯片和移动终端等相关产品进行测试验证，具有很好的市场前景。
关键词：FPGA；TD-SCDMA；软件无线电；开发平台

0 引言
    随着微电子技术的飞速发展，现场可编程器件正以空前规模和速度渗透到各行各业，为各行业的电子系统设计工程师自行开发本行业专用的ASIC提供了技术和物质条件。FPGA器件作为当今电子设计领域应用最广泛的可编程器件之一，它的高集成度、可现场修改、开发周期短等优点满足了从军用到民用、从高端到低端的大多数电子设计领域的需求。而TD-SCDMA作为我国提出的具有自主知识产权的3G标准，已经走过了十几个春秋，协议栈软件、物理层软件、手机芯片和移动终端等相关产品都日益成熟；随着3G牌照发放日期的临近，TD-SCDMA产业链上的各种产品的研发都进入了最后的冲刺阶段。由于TD-SCDMA标准中对各种产品的性能都有着严格的规定，因而产品的测试和验证就显得尤为重要。本文介绍一种TD-SCDMA通用开发平台，能够对开发中的产品进行测试验证；FPGA由于其各方面优异的性能成为平台的重要组成部分。

1 FPGA简介
    FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)是在PAL，GAL，sEPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
    目前FPGA的品种很多，有Xilinx公司的Spantan，Vertex系列；A1tera公司的FIEX系列；Actel公司的ProASIC系列以及TI公司的TPC系列等。本文以Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列器件为例介绍FPGA的内部结构，由图1中可以看出，此系列的FPGA总体上由5大模块组成。

    可编程逻辑模块(CLB)：由4个相同的Slice和附加逻辑电路构成，用于实现组合逻辑和复杂时序逻辑。
    块存储器(BlockRAM)：单位容量是18 Kb；每一个BlockRAM均可配置为单端口或双端口RAM；利用Core Generator，还可将BlockRAM资源配置为双端口FIFO。
    可编程输入／输出模块(IOB)：提供FPGA内部逻辑与器件封装管脚之间的接口，输入／输出速率可达840 MHz。
    数字时钟管理器(DCM)：可以消除时钟的延迟、频率的合成、时钟相位的调整，输入频率范围为24～420 MHz。
    乘法器：有符号乘法运算速率可达到140 MHz的18位×18位的二进制乘法器，利用这些乘法器进行读取／相乘／累加的多次迭代操作，可实现高速和高效的DSP滤波器结构。
    由于FPGA性能的不断提高，它在数字信号处理领域的应用越来越广泛，尤其在移动通信领域积累了很多的成功经验，因而，在一种基于“软件无线电”技术TD-SCDMA通用开发平台中，选择使用FPGA来拓展平台的使用范围，并为平台以后的性能提升留下空间。

2 基于“软件无线电”技术的TD-SCDMA通用开发平台
    软件无线电技术的基本原理就是将宽带A／D和D／A转换器尽可能地靠近天线，从而以软件方式来代替硬件实施信号处理。采用软件无线电的优越性在于基于同样的硬件环境，采用不同的软件就可以实现不同的功能。这一点和可编程逻辑器件有着异曲同工之处，因此，可编程逻辑器件在软件无线电中得到了越来越广泛的应用。
    TD-SCDMA标准要求软件无线电完成接收信号经A／D转换后的数据解调、滤波、基带信号处理等任务，其中包括了联合检测、Viterbi译码、Turbo译码等复杂的算法，这些任务无一不涉及到巨大的运算量。以目前的硬件处理速度来看，仅靠DSP来完成上述功能是不可能的。因而在应用中，一般由FPGA来完成需要快速和较为固定的运算，由DSP来完成灵活多变和运算量较大的任务。基于以上分析，设计了以DSP+FPGA为信号处理核心的基于“软件无线电”技术的TD-SCD-MA通用开发平台。该平台以RF器件、A／D器件、大容量FPGA、高速DSP、高性能ARM为基础，以软件为核心，既兼顾速度和灵活性，又具有较强的通用性，支持在同一种标准增强版本之间的移植，并能够支持完全不同的标准，有助于系统的升级和多模运行。
    开发平台中的OMAP1612(ARM926EJS+DSP5510)芯片是TI推出的适合第三代移动通信的双核多媒体应用平台，其DSP的CPU主时钟工作在160 MHz或200 MHz，具有高达400 MIPS的处理能力。FPGA芯片采用Xilinx公司的200万门Virtex-Ⅱ系列器件XC2V2000，它采用0．15 μm工艺设计，具有8层金属工艺；其内部时钟频率可达到420 MHz，输入／输出速率可达840 MHz。负责A／D，D／A处理的芯片采用Maxim公司的MAX197 00，该芯片工作时钟为5．12 MHz，提供了双10 b，7．5 MSPS的Rx(ADC)，Tx(DAC)通路。
    在该平台中，FPGA与DSP之间的数据传输效率是它们实现各自功能的基础。根据OMAP1612的数据手册，平台采用MeBSP2接口来完成它们之间的数据传输；对控制信息的传输、RF模块和A／D模块的配置都由SPI接口来完成；A／D模块到FPGA的数据接口根据MAX19700芯片的数据手册来编写。以上三个接口必须在FPGA端模拟出来，才能完成FPGA与其他器件之间的数据控制和传输。

3 程序设计
3．1 McBSP接口
    McBSP(Multiehannel Buffered Serial Port)，即多通道缓冲串口。TMS320VC5510芯片有3个高速、全双工MeBSP串口，McBSP串口是在标准同步串口的基础上扩展而来，它能提供强大的同步串口通信机制，速度可达100 Mb／s。基于MeBSP的优异性能，McBSP被用来在FPGA和DSP之间传输有效数据信息。
    McBSP包括一个数据流路径和一个通过6个引脚连接到外部器件的控制路径，这6个引脚分别是DX(数据发送)、DR(数据接收)、CLKX(发送时钟)、CLKR(接收时钟)、FSX(发送帧同步)、FSR(接受帧同步)。有效的数据经McBSP串口通过DR和DX引脚和外部设备通信，同步控制信号则由CLKX，CLKR，FSX，FSR等4只引脚来实现。图2中简要画出了McBSP发送／接收的基本时序图。

    McBSP的具体实现在参考文献中有极为详细的介绍，这里不再赘述。
3．2 SPI接口
    SPI接口是由Motorola公司推出的一种双向、四线串行外围设备接口，专门用来和可以提供四线串口的外部设备传输数据。四线串口信号包括时钟信号、设备使能信号、数据输入、数据输出，传输串行数据时高位优先。
    SPI可以使用MCU_DSP协议或者DMA协议在主／从模式下运行。在主模式下，它提供5个片选，支持多达5个串行设备，其中4个片选对外部设备，此模式下的最大数据传输速率是19．2 Mb／s或12 Mb／s；在从模式下，SPI有它自己的片选，数据输出的时钟由拥有较低速率的外部设备提供。SPI发送／接收基本时序图如图3所示。

    由于内部移位寄存器是基于一个环形(FIFO规则)，故读、写过程必须时刻同步；只要任一发送时钟产生，数据发送就会启动；在移位寄存器时钟SRCLK的上升或下降沿，发送或接收的数据被移入或移出。
3．3 与MAX19700的接口
    根据Maxim公司的MAX19700芯片的数据手册，该芯片的工作时钟为5．12 MHz，它提供了双10 b，7．5 MSPS的Rx(ADC)，Tx(DAC)通路。图4描述了A／D转换时的时序图。

    MAX19700芯片的接收或发送开关是由专用引脚T／R来控制的；芯片的SPI接口用来接收配置数据，不受专用引脚T／R的控制。
3．4 功能模块设计
    Turbo编码／译码、Viterbi译码、FIR滤波器以及快速傅里叶变换和反变换(FFT／IFFT)都可以利用Xilinx公司提供的ipcore来实现。因为这些模块都非常成熟，其可编程性能好、算法先进、延迟小、占用资源少，直接使用要节省很多时间，可以缩短产品的开发周期。当然，Turbo编码／译码器和Viterbi译码器要购买才能商用，但在前期测试时可以申请评估版本使用。
3．5 资源利用率
    以上接口程序和功能模块是在Xilinx的集成开发环境ISE 9．1中，使用Verilog HDL硬件描述语言完成代码编写的zxz b，综合结果如下：
   
    一般而言，Xilinx芯片的资源利用率看Slice和Slice Flip Flops两项数据就可以，这两项数据最好保持在50％～70％之间。这样，既可以最大限度地发挥芯片的性能，也为以后的平台拓展留下足够的空间。从上面的数据可以看出，Xilinx芯片的资源利用率是非常理想的。

4 结语
    随着FPGA各项性能的不断提高，已经越来越显示出它在数字信号处理中的优越性；本文在一种基于“软件无线电”技术的TD-SCDMA通用开发平台中，以FPGA作为DSP的协处理器，用来完成Turbo编码／译码，Viterbi译码以及快速傅里叶变换和反变换(FFT／IFFT)等数据量大、重复性强、速度要求高的数字信号处理运算，使平台具有很好的硬件灵活性、软件可编程能力和较低的系统成本。测试表明，平台的各项性能均能够达到3GPP的标准，具有很好的市场前景。