原標題：基于DSP和FPGA芯片實現基帶處理單元的設計方案

基于DSP和FPGA芯片實現基帶處理單元的設計方案

引言

隨著通信技術的迅猛發展，基帶處理單元在無線通信系統中扮演著至關重要的角色。傳統的基帶處理平臺通常由單一的處理器（如FPGA或DSP）構成，但由于各自具有一定的優缺點，難以滿足現代通信系統的需求。因此，基于DSP和FPGA芯片的組合架構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。

系統概述

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

主控芯片選型及其作用

DSP芯片選型及作用

DSP（數字信號處理器）是一種專門用于數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，非常適合用于實現復雜的信號處理算法。

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

2. 作用分析：

• 高層處理算法實現：DSP芯片負責實現高層處理算法，如傳輸塊級聯/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據量較少，但控制結構復雜，需要高速運算和靈活尋址。

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

• 系統調度與控制：DSP還負責整個系統的調度和控制，確保各個處理單元之間的協同工作。

FPGA芯片選型及作用

FPGA（現場可編程門陣列）是一種半定制的集成電路，用戶可以根據需求對其進行編程，實現特定的功能。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：FPGA芯片負責實現低層信號處理算法，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據量大，但對運算結構的要求相對簡單，適合用FPGA進行硬件實現。

• 高速數據交換接口：FPGA還負責實現與DSP之間的高速數據交換接口，如SRIO接口，確保數據能夠高效、快速地傳輸。

• 擴展功能實現：FPGA還可以根據需求實現其他擴展功能，如Viterbi譯碼、聯合檢測等。

系統實現方案

系統架構

基于DSP和FPGA的基帶處理單元系統架構如圖1所示。系統主要由DSP處理器、FPGA處理器、高速數據交換接口（SRIO）、AD/DA模塊等組成。

圖1：基于DSP和FPGA的基帶處理單元系統架構

• DSP處理器：負責高層處理算法的實現、數據提取與消息解析、系統調度與控制。

• FPGA處理器：負責低層信號處理算法的實現、高速數據交換接口的實現、擴展功能的實現。

• SRIO接口：實現DSP與FPGA之間的高速數據交換。

• AD/DA模塊：實現前端數據采集和后端模擬恢復。

數據處理流程

基帶處理單元的數據處理流程如圖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：基帶處理單元的數據處理流程

1. 傳輸信道編碼復用：

• CRC校驗：對傳輸數據進行循環冗余校驗，確保數據的完整性。

• 傳輸塊級聯/分割：將多個傳輸塊級聯或分割成適合處理的單元。

• 信道編碼：對傳輸數據進行信道編碼，增加冗余信息，提高傳輸的可靠性。

• 無線幀均衡：對無線幀進行均衡處理，確保信號的質量。

• 交織：對傳輸數據進行交織處理，分散錯誤，提高系統的抗干擾能力。

• 速率匹配：根據傳輸信道的速率對數據進行速率匹配。

• 傳輸信道復用：將多個傳輸信道的數據進行復用，提高頻譜利用率。

• 比特擾碼：對傳輸數據進行比特擾碼處理，增加信號的隨機性。

2. 物理信道映射：

• 物理信道分割：將傳輸信道的數據分割成適合物理信道傳輸的單元。

• 子幀分割：將物理信道的數據分割成子幀。

• 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。

高速數據交換接口設計

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

1. SRIO協議介紹：

• LINK層：負責建立和維護物理連接。

• 傳輸層：負責數據的打包和拆包。

• 邏輯層：負責數據的路由和傳輸控制。

2. 高速轉接板設計：

• 設計了FPGA與DSP之間的高速轉接板，實現了SRIO接口的物理連接。

• 實現了FPGA與DSP通過SRIO進行高速數據交換的LINK、NWRITE、NREAD、Doorbell等相關操作的測試。

AD/DA模塊設計

為實現從前端數據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。

• 實現前端數據采集，將模擬信號轉換為數字信號。

2. DA模塊：

• 選用TI公司的DAC3152作為DA模塊。

• 實現后端模擬恢復，將數字信號轉換為模擬信號。

系統測試與性能評估

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。測試結果表明，該結構不僅在高速率業務的處理時延上符合規范要求，而且對不同類型的業務處理有較強的適應能力，滿足TD-SCDMA系統對多媒體業務傳輸的支持。

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。評估結果如下：

1. 處理能力：

• 在384kbps業務信道加隨路信令的處理中，384kbps業務數據由DSP通過同步高速接口，以DMA方式遞交給FPGA進行處理。隨路信令因其數據量小，在FPGA處理384kbps業務數據時，隨路信令數據在DSP中同時處理。此方法減少了數據處理時間，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能夠根據不同的業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能夠高效地實現復雜的信號處理算法。

3. 擴展性：

• SRIO接口的高數據傳輸速度和靈活擴展能力使得系統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能夠實現從前端數據采集到后端模擬恢復的完整處理流程。

結論

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。該方案結合了DSP的強大數據處理能力和FPGA的靈活邏輯控制能力，實現了高效、靈活的基帶處理。通過實際測試，該方案不僅在高速率業務的處理時延上符合規范要求，而且對不同類型的業務處理有較強的適應能力，滿足了現代無線通信系統的需求。

未來，隨著通信技術的不斷發展，基帶處理單元將面臨更多的挑戰和機遇。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。