物聯網 (IoT) 包括了如此廣泛的應用，但往往是一項設計就需要多個無線接口，增加了空間、功耗和成本。聰明的物聯網設計師需要一種靈活的替代方式來支持多種不斷發展的標準。這便是軟件定義無線電 (SDR) 技術。SDR 這一理念并不新鮮；SDR 的創新之處在于解決了物聯網的困境：在同一網絡基礎設施上融合多種射頻技術的同時簡化了設計、縮短了開發周期，并且降低了總體成本。本文介紹了基于定制 FPGA 主板的 SDR 設計已用于創建多協議無線數字基帶解決方案。

SDR 增加了網絡套接字的性能和效率

顧名思義，SDR 技術可以在同一硬件上支持多個無線協議。因實施情況而異，該技術可以同時支持這些協議，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備中實施時，隨著無線連接協議的不斷發展，SDR 平臺甚至可以通過重新編程來滿足網絡基礎設施的未來需求。VotaryTech的 SDR 平臺 Arria 10AX115U3F4512SG 便是展現 SDR 潛能的范例（圖 1）。這款英特爾?Arria?10 FPGA SoC 型網卡支持廣泛的無線應用，包括移動通信全球系統 (GSM)、通用分組無線業務 (GPRS)、LTE 網絡寬帶信號處理、跟蹤和遙測。這款主板是一個前端射頻平臺，支持從 70 MHz 到 6 GHz 的無線應用，但其可擴展頻率可高達 15 GHz。

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

定制 10AX115U3F4512SG 支持網絡應用的所有信號處理要求，包括各種調制和解調方案。主板的基帶處理功能包括數字上變頻、數字下變頻以及標準調制器和解調器通信內核。因此，該款 SDR 平臺支持無線信號收發。而且，10AX115U3F4512SG 可以在 Arria 10 FPGA 內部執行可編程和可微調基帶處理。Arria 10 FPGA 可執行中頻濾波和下變頻等任務。

為什么在 SDR 中使用 FPGA

早期的 SDR 設計采用射頻前端模塊，深受工程師追捧，展現出了優秀的潛能。但作為一項注重應用的技術，SDR 的設計并未取得實質進展。這在某種程度上是此類系統中定制 ASIC 的要求（和成本）造成的。目前，低風險的 SoC 正在取代 SDR 平臺中使用的傳統 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 15%，功耗則下降了 60%（圖 2）。而且，設備產生的熱量大幅下降，這在無線設備基站、移動回程和遠程無線頭設計中至關重要。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。Arria 10 FPGA SoC 中的 DSP 模塊采用三種模式：標準精度定點、高精度定點和單精度浮點（圖 2）。這使得無線系統設計師能夠對數字上變頻和下變頻及多速率濾波實施各種算法。

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

將這些計算功能與超過 100 萬個 FPGA 邏輯元素 (LE) 和 2,400 Mbps DDR4 SDRAM 內存接口相結合，便成就了一款可編程度高的自適應平臺，可以適應目前和不斷涌現的無線技術（圖 3）。

圖 3. 該無線回程設計結構圖基于英特爾?Arria?10 FPGA SoC。（資料來源：英特爾）

可合成的 IP 內核也可以集成到 FPGA 結構中，允許無線設備設計人員將模數轉換器 (ADC) 輸出和數模轉換器 (DAC) 輸入提供到 FGPA 內的基帶中。這就與 I/O 和協議控制一起，在協助基于 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 對于通用公共無線電接口 (CPRI) 規格的支持也提升了平臺對于無線基站設計的適用性。

可編程性達到了物聯網的基本要求

VotaryTech 最初開發的這項 SDR 設計是為了滿足對于無線調制解調器應用的需要，但自從可以對硬件進行編程以后，也可用于遙測和波形生成模擬器等應用。Arria 10 FPGA SoC 實現的這種靈活性也使得 10AX115U3F4512SG 這類電路板十分適合物聯網部署，比如由各種不斷發展的技術和應用構成的物聯網。但或許最重要的是，本文展示了小型設計室如何利用具有高可配置度的 FPGA SoC 設備提供適應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.