FPGA可以提供更好的波束賦形性能

隨著雷達和無線通信系統(tǒng)中的信號處理從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字，人們在開發(fā)先進的波束成形技術(shù)以實現(xiàn)新應(yīng)用方面付出了巨大的努力。使用數(shù)字方法精確引導(dǎo)波束的能力，最常見的是快速傅里葉變換 （FFT），導(dǎo)致雷達和移動電信系統(tǒng)的設(shè)計方式發(fā)生了重大變化。

波束成形可以切換或自適應(yīng)。例如，在切換波束成形中，移動電信基站從預(yù)先定義的波束選擇中進行選擇，每個波束都基于接收到的信號的強度以特定方向為目標。當用戶相對于天線陣列移動時，信號被切換到陣列中的其他元件，這些元件定位得更好，以在特定方向上提供更強的信號。另一方面，自適應(yīng)波束形成依賴于實時計算，允許基站在目標用戶的方向上發(fā)射更多聚焦的波束，同時減少其他方向的輸出，從而大大減少元素之間的干擾。

自適應(yīng)波束成形設(shè)計需要非常高的處理帶寬——每秒必須執(zhí)行數(shù)十億次乘法和累加操作。因此，接收系統(tǒng)抑制噪聲源和干擾變得更加重要。同時，必須保持對天線陣列中每個元件的實時方向控制。為了實現(xiàn)這一點，有必要對每個天線元件接收到的信號進行數(shù)字化處理，同時使用元件級處理。由于需要繁重的計算負載，傳統(tǒng)的 CPU 和 DSP 在自適應(yīng)波束成形應(yīng)用中可能會迅速負擔過重。然而，性能更高的 FPGA 非常適合該任務(wù)，因為它們具有嵌入式 DSP 模塊、并行處理架構(gòu)和增強的存儲器功能。

全球?qū)σ苿訉拵?shù)據(jù)和語音服務(wù)不斷增長的需求不斷推動無線網(wǎng)絡(luò)運營商擴展和升級其網(wǎng)絡(luò)以提供更多容量。運營商同時試圖最大限度地增加每個無線基站可以支持的用戶數(shù)量，以降低其基礎(chǔ)設(shè)施成本，同時保持對用戶有吸引力的價格點。

由于可用無線頻譜的數(shù)量有限，這項工作變得復(fù)雜，因此增加的流量會產(chǎn)生更多的干擾，通話質(zhì)量也會受到影響，部分原因是天線技術(shù)的限制。全向天線通常用于在蜂窩塔上進行發(fā)送和接收。然而，這種傳統(tǒng)方法（其中天線充當傳感器，將電磁能轉(zhuǎn)換為電能）效率不高，并且由于單個塔上存在大量信號而受到高度干擾，從而降低了整體連接性。

這種干擾可以通過使用在同一塔上組合在一起的定向扇區(qū)天線來減輕。這些自適應(yīng)陣列天線或智能天線已越來越多地用于電信網(wǎng)絡(luò)，以提高無線連接質(zhì)量并提高整體容量。這是通過波束成形技術(shù)實現(xiàn)的，該技術(shù)通過使用先進的數(shù)字信號處理將來自基站的波束引導(dǎo)至各個用戶。波束成形調(diào)整每個傳入和傳出信號的功率和相位，以創(chuàng)建沿特定方向傳播的波束，同時減少非必要輸出。這減少了單個信號對彼此造成的干擾量，并提高了所有連接的質(zhì)量。

創(chuàng)新的自適應(yīng)波束形成算法的出現(xiàn)導(dǎo)致在信號處理中使用浮點算法的增加，以通過實現(xiàn)實時目標跟蹤來最大限度地減少干擾并提高雷達容量。這是通過使用 QR 分解 （QRD） 和權(quán)重反向替換 （WBS） 等算法同時創(chuàng)建多個點光束來實現(xiàn)的。這些算法有助于波束的自適應(yīng)形成，同時減少噪聲和干擾，但它們每秒需要大量的浮點運算。

由于許多雷達系統(tǒng)的尺寸、重量和功率限制，使用傳統(tǒng) CPU 或 GPU 選項并不是最佳方法，因為執(zhí)行浮點計算所需的硬件數(shù)量增加。由于需要更多的內(nèi)存、功率和空間，更不用說更高的成本、更復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計和延長的集成時間，因此使用多個 CPU 對雷達系統(tǒng)的設(shè)計產(chǎn)生了重大影響?；?CPU 的設(shè)計進一步受到有限的內(nèi)存和接口選項的限制。

FPGA 在采用先進數(shù)字波束形成技術(shù)的雷達系統(tǒng)中提供了優(yōu)于 CPU 和 GPU 選項的巨大優(yōu)勢，因為它們可以降低成本、復(fù)雜性、功耗和上市時間。由于其在自適應(yīng)波束成形應(yīng)用中處理高度并行浮點運算的卓越能力，F(xiàn)PGA 可以提高算法性能，同時顯著降低功耗。

FPGA 也更高效，因為一個設(shè)備通過諸如 PCIe 和 Serial RapidIO 等 I/O 標準從天線陣列中每個元件捕獲的信號中接收和處理大量數(shù)據(jù)。除了提供更高性能的處理之外，這樣的系統(tǒng)還不需要安裝在需要超過 1，000 W 的 VPX 機箱中的大量耗電的多核 CPU 板。流線型的單 FPGA 設(shè)計還受益于外部存儲器和其他額外的單塊電路板上提供的功能小于 80 W。

智能天線和自適應(yīng)波束成形的使用，雖然幾十年來在軍事和國防應(yīng)用中很常見，但由于與廣泛部署相關(guān)的高昂成本，直到最近才在商業(yè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用。隨著高性能、低成本 FPGA 和 DSP 的興起，自適應(yīng)波束成形在 2000 年代初進入了 3G 移動基礎(chǔ)設(shè)施，該技術(shù)現(xiàn)在被廣泛用于擴展 4G 網(wǎng)絡(luò)。這為硬件和固件設(shè)計人員提供了新的機會，可以改進用于國防和商業(yè)應(yīng)用的波束成形方法。

審核編輯：郭婷