原标题：基于DSP和FPGA芯片实现基带处理单元的设计方案

基于DSP和FPGA芯片实现基带处理单元的设计方案

引言

随着通信技术的迅猛发展，基带处理单元在无线通信系统中扮演着至关重要的角色。传统的基带处理平台通常由单一的处理器（如FPGA或DSP）构成，但由于各自具有一定的优缺点，难以满足现代通信系统的需求。因此，基于DSP和FPGA芯片的组合架构成为当前主流的设计方案。本文将详细介绍基于DSP和FPGA芯片的基带处理单元设计方案，并重点讨论主控芯片的型号及其在设计中的作用。

系统概述

基带处理单元主要负责信号的调制、解调、编码、解码等任务，是无线通信系统的核心部分。为了实现高效、灵活的基带处理，本文提出了一种基于DSP和FPGA架构的基带数字信号处理平台。该平台结合了DSP的强大数据处理能力和FPGA的灵活逻辑控制能力，从而实现了性能的大幅提升。

主控芯片选型及其作用

DSP芯片选型及作用

DSP（数字信号处理器）是一种专门用于数字信号处理的微处理器。它具有高速的运算能力、灵活的寻址方式和强大的通信机制，非常适合用于实现复杂的信号处理算法。

1. 型号选择：本文选用TI公司Keystone架构的8核处理器TMS320C6678作为DSP芯片。

2. 作用分析：

• 高层处理算法实现：DSP芯片负责实现高层处理算法，如传输块级联/分割、信道编码、物理信道映射等。这些算法的特点是所处理的数据量较少，但控制结构复杂，需要高速运算和灵活寻址。

• 数据提取与消息解析：DSP作为主控单元，负责数据的提取和消息的解析，以及部分基带数据处理功能，如第二次交织和成帧等。

• 系统调度与控制：DSP还负责整个系统的调度和控制，确保各个处理单元之间的协同工作。

FPGA芯片选型及作用

FPGA（现场可编程门阵列）是一种半定制的集成电路，用户可以根据需求对其进行编程，实现特定的功能。FPGA具有高度的灵活性和并行处理能力，非常适合用于实现低层信号处理算法。

1. 型号选择：本文选用ALTERA公司的Stratix IV GX系列芯片EP4SGX70HF35C3作为FPGA芯片。

2. 作用分析：

• 低层信号处理算法实现：FPGA芯片负责实现低层信号处理算法，如CRC校验、速率匹配、比特扰码等。这些算法的特点是处理的数据量大，但对运算结构的要求相对简单，适合用FPGA进行硬件实现。

• 高速数据交换接口：FPGA还负责实现与DSP之间的高速数据交换接口，如SRIO接口，确保数据能够高效、快速地传输。

• 扩展功能实现：FPGA还可以根据需求实现其他扩展功能，如Viterbi译码、联合检测等。

系统实现方案

系统架构

基于DSP和FPGA的基带处理单元系统架构如图1所示。系统主要由DSP处理器、FPGA处理器、高速数据交换接口（SRIO）、AD/DA模块等组成。

图1：基于DSP和FPGA的基带处理单元系统架构

• DSP处理器：负责高层处理算法的实现、数据提取与消息解析、系统调度与控制。

• FPGA处理器：负责低层信号处理算法的实现、高速数据交换接口的实现、扩展功能的实现。

• SRIO接口：实现DSP与FPGA之间的高速数据交换。

• AD/DA模块：实现前端数据采集和后端模拟恢复。

数据处理流程

基带处理单元的数据处理流程如图2所示。流程主要包括传输信道编码复用和物理信道映射等步骤。

图2：基带处理单元的数据处理流程

1. 传输信道编码复用：

• CRC校验：对传输数据进行循环冗余校验，确保数据的完整性。

• 传输块级联/分割：将多个传输块级联或分割成适合处理的单元。

• 信道编码：对传输数据进行信道编码，增加冗余信息，提高传输的可靠性。

• 无线帧均衡：对无线帧进行均衡处理，确保信号的质量。

• 交织：对传输数据进行交织处理，分散错误，提高系统的抗干扰能力。

• 速率匹配：根据传输信道的速率对数据进行速率匹配。

• 传输信道复用：将多个传输信道的数据进行复用，提高频谱利用率。

• 比特扰码：对传输数据进行比特扰码处理，增加信号的随机性。

2. 物理信道映射：

• 物理信道分割：将传输信道的数据分割成适合物理信道传输的单元。

• 子帧分割：将物理信道的数据分割成子帧。

• 物理信道映射：将子帧映射到具体的物理信道上，准备进行传输。

高速数据交换接口设计

为实现DSP与FPGA之间的高速数据交换，本文选择了串行高速输入输出接口SRIO。SRIO具有数据打包效率高、延迟小、硬件纠错能力、灵活易于扩展等显著优点，能够满足系统互连的需求。

1. SRIO协议介绍：

• LINK层：负责建立和维护物理连接。

• 传输层：负责数据的打包和拆包。

• 逻辑层：负责数据的路由和传输控制。

2. 高速转接板设计：

• 设计了FPGA与DSP之间的高速转接板，实现了SRIO接口的物理连接。

• 实现了FPGA与DSP通过SRIO进行高速数据交换的LINK、NWRITE、NREAD、Doorbell等相关操作的测试。

AD/DA模块设计

为实现从前端数据采集到后端模拟恢复的完整处理流程，本文添加了AD和DA模块。

1. AD模块：

• 选用TI公司的ADS4229作为AD模块。

• 实现前端数据采集，将模拟信号转换为数字信号。

2. DA模块：

• 选用TI公司的DAC3152作为DA模块。

• 实现后端模拟恢复，将数字信号转换为模拟信号。

系统测试与性能评估

硬件电路测试

对基于DSP和FPGA的基带处理单元硬件电路进行了实际测试。测试结果表明，该结构不仅在高速率业务的处理时延上符合规范要求，而且对不同类型的业务处理有较强的适应能力，满足TD-SCDMA系统对多媒体业务传输的支持。

性能评估

通过测试，本文对所设计的基带处理单元进行了性能评估。评估结果如下：

1. 处理能力：

• 在384kbps业务信道加随路信令的处理中，384kbps业务数据由DSP通过同步高速接口，以DMA方式递交给FPGA进行处理。随路信令因其数据量小，在FPGA处理384kbps业务数据时，随路信令数据在DSP中同时处理。此方法减少了数据处理时间，提高了处理速度。

2. 灵活性：

• FPGA的灵活逻辑控制能力使得系统能够根据不同的业务需求进行灵活配置。

• DSP的快速运算能力和灵活寻址方式使得系统能够高效地实现复杂的信号处理算法。

3. 扩展性：

• SRIO接口的高数据传输速度和灵活扩展能力使得系统能够方便地与其他处理单元进行互连和扩展。

• AD/DA模块的添加使得系统能够实现从前端数据采集到后端模拟恢复的完整处理流程。

结论

本文介绍了一种基于DSP和FPGA芯片的基带处理单元设计方案。该方案结合了DSP的强大数据处理能力和FPGA的灵活逻辑控制能力，实现了高效、灵活的基带处理。通过实际测试，该方案不仅在高速率业务的处理时延上符合规范要求，而且对不同类型的业务处理有较强的适应能力，满足了现代无线通信系统的需求。

未来，随着通信技术的不断发展，基带处理单元将面临更多的挑战和机遇。本文所提出的设计方案为未来的基带处理单元设计提供了一种可行的参考和借鉴。