物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 包括了如此廣泛的應(yīng)用，但往往是一項(xiàng)設(shè)計(jì)就需要多個(gè)無線接口，增加了空間、功耗和成本。聰明的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)師需要一種靈活的替代方式來支持多種不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。這便是軟件定義無線電 (SDR) 技術(shù)。SDR 這一理念并不新鮮；SDR 的創(chuàng)新之處在于解決了物聯(lián)網(wǎng)的困境：在同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上融合多種射頻技術(shù)的同時(shí)簡化了設(shè)計(jì)、縮短了開發(fā)周期，并且降低了總體成本。本文介紹了基于定制 FPGA 主板的 SDR 設(shè)計(jì)已用于創(chuàng)建多協(xié)議無線數(shù)字基帶解決方案。

SDR 增加了網(wǎng)絡(luò)套接字的性能和效率

顧名思義，SDR 技術(shù)可以在同一硬件上支持多個(gè)無線協(xié)議。因?qū)嵤┣闆r而異，該技術(shù)可以同時(shí)支持這些協(xié)議，并且支持寬廣（或狹窄）的頻譜范圍。而且，使用 FPGA 在像基站這樣的無線設(shè)備中實(shí)施時(shí)，隨著無線連接協(xié)議的不斷發(fā)展，SDR 平臺(tái)甚至可以通過重新編程來滿足網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的未來需求。VotaryTech的 SDR 平臺(tái) Arria 10AX115U3F4512SG 便是展現(xiàn) SDR 潛能的范例（圖 1）。這款英特爾?Arria?10 FPGA SoC 型網(wǎng)卡支持廣泛的無線應(yīng)用，包括移動(dòng)通信全球系統(tǒng) (GSM)、通用分組無線業(yè)務(wù) (GPRS)、LTE 網(wǎng)絡(luò)寬帶信號(hào)處理、跟蹤和遙測。這款主板是一個(gè)前端射頻平臺(tái)，支持從 70 MHz 到 6 GHz 的無線應(yīng)用，但其可擴(kuò)展頻率可高達(dá) 15 GHz。

圖 1. 定制 FPGA 主板的視圖（適用于支持多種無線技術(shù)的基帶設(shè)計(jì)）。（資料來源：英特爾）

定制 10AX115U3F4512SG 支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的所有信號(hào)處理要求，包括各種調(diào)制和解調(diào)方案。主板的基帶處理功能包括數(shù)字上變頻、數(shù)字下變頻以及標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制器和解調(diào)器通信內(nèi)核。因此，該款 SDR 平臺(tái)支持無線信號(hào)收發(fā)。而且，10AX115U3F4512SG 可以在 Arria 10 FPGA 內(nèi)部執(zhí)行可編程和可微調(diào)基帶處理。Arria 10 FPGA 可執(zhí)行中頻濾波和下變頻等任務(wù)。

為什么在 SDR 中使用 FPGA

早期的 SDR 設(shè)計(jì)采用射頻前端模塊，深受工程師追捧，展現(xiàn)出了優(yōu)秀的潛能。但作為一項(xiàng)注重應(yīng)用的技術(shù)，SDR 的設(shè)計(jì)并未取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。這在某種程度上是此類系統(tǒng)中定制 ASIC 的要求（和成本）造成的。目前，低風(fēng)險(xiǎn)的 SoC 正在取代 SDR 平臺(tái)中使用的傳統(tǒng) ASIC。舉例來說，相比上一代高端 FPGA 而言，中檔 FPGA SoC（例如采用 20 納米工藝制造的英特爾 Arria 10）的性能提升高達(dá) 15%，功耗則下降了 60%（圖 2）。而且，設(shè)備產(chǎn)生的熱量大幅下降，這在無線設(shè)備基站、移動(dòng)回程和遠(yuǎn)程無線頭設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。更為重要的是，英特爾 Arria FPGA SoC 提供了大量可變精度 DSP 模塊和雙核 Arm Cortex-A9 處理器選項(xiàng)。Arria 10 FPGA SoC 中的 DSP 模塊采用三種模式：標(biāo)準(zhǔn)精度定點(diǎn)、高精度定點(diǎn)和單精度浮點(diǎn)（圖 2）。這使得無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠?qū)?shù)字上變頻和下變頻及多速率濾波實(shí)施各種算法。

圖 2. 英特爾?Arria?10 FPGA 中的 DSP 模塊采用標(biāo)準(zhǔn)精度定點(diǎn)、高精度定點(diǎn)和單精度浮點(diǎn)模式。此處介紹的是單精度 DSP 模塊。（資料來源：英特爾）

將這些計(jì)算功能與超過 100 萬個(gè) FPGA 邏輯元素 (LE) 和 2,400 Mbps DDR4 SDRAM 內(nèi)存接口相結(jié)合，便成就了一款可編程度高的自適應(yīng)平臺(tái)，可以適應(yīng)目前和不斷涌現(xiàn)的無線技術(shù)（圖 3）。

圖 3. 該無線回程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖基于英特爾?Arria?10 FPGA SoC。（資料來源：英特爾）

可合成的 IP 內(nèi)核也可以集成到 FPGA 結(jié)構(gòu)中，允許無線設(shè)備設(shè)計(jì)人員將模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 輸出和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 輸入提供到 FGPA 內(nèi)的基帶中。這就與 I/O 和協(xié)議控制一起，在協(xié)助基于 SDR 的射頻處理和基帶接口方面起到了重要作用。輕松訪問電路原理圖以及可以使用 10AX115U3F4512SG 的 Gerber 和電路板文件簡化了 SDR 功能集成。Arria 10 對(duì)于通用公共無線電接口 (CPRI) 規(guī)格的支持也提升了平臺(tái)對(duì)于無線基站設(shè)計(jì)的適用性。

可編程性達(dá)到了物聯(lián)網(wǎng)的基本要求

VotaryTech 最初開發(fā)的這項(xiàng) SDR 設(shè)計(jì)是為了滿足對(duì)于無線調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用的需要，但自從可以對(duì)硬件進(jìn)行編程以后，也可用于遙測和波形生成模擬器等應(yīng)用。Arria 10 FPGA SoC 實(shí)現(xiàn)的這種靈活性也使得 10AX115U3F4512SG 這類電路板十分適合物聯(lián)網(wǎng)部署，比如由各種不斷發(fā)展的技術(shù)和應(yīng)用構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)。但或許最重要的是，本文展示了小型設(shè)計(jì)室如何利用具有高可配置度的 FPGA SoC 設(shè)備提供適應(yīng)目前和未來需求的解決方案。

作者簡介

Majeed Ahmad is former Editor-in-Chief of EE Times Asia, a sister publication of EE Times. Moreover, as the Editor-in-Chief at Global Sources, a Hong Kong-based trade and technology publishing house, he spearheaded magazines related to electronic components, consumer electronics, and computer, security and telecom products. Majeed is a journalist with an engineering background and two decades of experience in writing, editing and acquiring technical content. He is also author of six books on electronics: Smartphone, Nokia’s Smartphone Problem and The Next Web of 50 Billion Devices, Mobile Commerce 2.0, Age of Mobile Data, and Essential 4G Guide.