Genom att samla alla de funktioner som brukar kräva både ASSP, ASIC och FPGA i en komponent går det att minska kostnad, energiförbrukning och vikt och ändå behålla flexibiliteten. David Hawke, Sr Product Marketing Manager hos Xilinx, beskriver här hur nästa generations digitala radiolösning kan se ut.

Nätverksoperatörer behöver kunna sänka sina kostnader betydligt i arbetet med att öka nätverkskapaciteterna genom nya trådlösa gränssnitt, högre bandbredd och fler mobilstationer. Många söker också efter en högre grad av nätverksintegration samt högre effektivitet under driften. För att kunna leverera utrustning som uppfyller alla dessa varierande behov försöker tillverkare av trådlös infrastrukturutrustning att hitta lösningar som ger högre integration, lägre energiförbrukning och kostnader, men samtidigt högre flexibilitet. Målet är att tillverka utrustning som uppfyller behoven hos mer än en operatör samtidigt som tiden till marknadslanseringen kan förkortas. I den här artikeln analyserar vi hur en ny enhet från Xilinx – Zynq EPP (Extensible Processing Platform) – hjälper till att lösa dessa problem för tillverkarna.

Ökad komplexitet
Den stora tillgången på smartphones, tablettdatorer och datadonglar driver på en explosion i efterfrågan på snabba och lätt tillgängliga data. I arbetet med att tillhandahålla allt detta tvingas nätverksoperatörerna att konstruera allt fler mobilstationer med ett ökande antal antenner per plats, där man använder de senaste trådlösa luftgränssnitten som LTE eller LTE-Advanced. Sjunkande genomsnittliga intäkter per användare gör även att operatörerna försöker sänka kostnaderna från utrustningens leverantörer varje år. Något som förvärrar situationen ytterligare är att dessa nya nätverken kan behöva arbeta sida vid sida med befintliga röst- och datanätverk som kan vara baserade på GSM eller UMTS och som använder olika frekvensband.

Fig 1. Högnivådiagram för en typisk radio.

Att lägga till antenner i syfte att stödja flera frekvensband, eller att öka datahastigheterna genom MIMO-system (Multiple Input Multiple Output) är dyrt men nödvändigt för operatörerna. För att sänka de driftkostnader som förknippas med radiomasten tittar utrustningstillverkarna på metoder för att minska utrustningens dimensioner, volym och vikt, och samtidigt sänka kostnaderna och energiförbrukningen. Det pågår oavbruten innovation på radioöverföringsområdet, inom allt från antenner och diplexer/triplexer-enheter till själva radioenheten, i ett försök att minska mastens yta.
Det finns ett antal alternativ som uppfyller operatörernas behov. Ett av dessa alternativ är att använda multibandsantenner och därmed reducera det antal antenner som behövs för att hålla flera GSM-, UMTS- eller LTE-nätverk igång. Som ett komplement till sådana multibandsantenner kan operatörerna installera fjärrradioenheter på masten som stöd för de frekvensband som krävs. Fjärradiosystemen måste också fortsätta utvecklas i syfte att stödja flera trådlösa luftgränssnitt och större bandbredder, med lägre vikt och mindre mekaniska kapslingar, om systemen ska kunna uppfylla operatörernas behov i framtiden.

Antennintegrerad radio
Framtagningen av antenn-integrerad radio är ett annat alternativ. Här kombineras radioelektroniken inom antennens kapsling för att skapa en helt integrerad radio och antenn, vilket eliminerar behovet av en separat fjärradio, samtidigt som mastens markyta hålls så liten som möjligt. Ytterligare ett steg i utvecklingen av radioelektronik och antenninbyggnad är de nya aktiva antennsystemen (AAS). Dessa komplexa antenner kräver mycket högre bearbetning av radiosignalerna och ger en kapacitetsökning till nätverket och en minimal mastyta.
Nyckeln till att minska storleken och vikten hos fjärradiosystemet eller antennen är ytterligare integrering av radioelektronik. För att stödja flera trådlösa luftgränssnitt som GSM, LTE, UMTS med flera måste radioutrustningen vara mycket flexibel och programmerbar.
Låt oss titta på hur dessa radioenheter kan göras mer programmerbara samtidigt som de kan integreras på bättre sätt.
Fig 1 visar arkitekturen och funktionerna hos en typisk radio. Basbandets gränssnitt länkar systemet till kopparledningarna/de optiska fibrerna via basbandets processorkort som antingen sitter vid mastens bas eller befinner sig någon annanstans i molnet. Dessa gränssnitt kräver i regel snabba serdes-komponenter (serializer/deserializer) som körs på upp till 9,8 Gbit/sekund (Gbps) för CPRI-gränssnittet (Common Public Radio Interface).
Signalerna som tas emot vid eller skickas till basbandets enheter behöver omfattande digital bearbetning, både innan och efter att de skickas till eller kommer in från den analoga domänen. Den signalbearbetning som krävs består av digitala uppåt- och nedåtkonverteringar (DUC/DDC–Digital Up and Down Conversion), toppfaktorsreducering (CFR–Crest Factor Reduction) samt digital fördistorsion (DPD–Digital Pre Distortion). Medan DUC/DDC hanterar uppsampling och formning används CFR och DPD först och främst för att öka radioenhetens signalöverföringseffektivitet genom att använda digital bearbetning för att linjärisera effektförstärkarna.

Fig 2. Typexempel på 2×2-radio som baseras på ASSP-enheter.

Gränssnitt mot dataomvandlare (DAC och ADC) fås genom antingen parallell LVDS-signalering med höga hastigheter, eller ett allt vanligare protokoll med beteckningen JESD204[A/B].
Radiofrekvensområdet (RF) innehåller alla modulatorer, klocksyntesenheter, filter och förstärkarkretsar som skickar och tar emot de digitala signalerna till antennerna via effektförstärkarna.

ASIC/ASSP/FPGA
Hela radion styrs av en mikroprocessor som i regel kör ett operativsystem som till exempel Linux eller VxWorks i realtid. Den här drift- och underhållsfunktionen tar hand om enhetens larm, kalibrering, meddelandehantering och allmänna styrning – en uppgift som i regel kräver en stor mängd gränssnitt gentemot andra komponenter, till exempel SPI/I²C, Ethernet, UART och naturligtvis minne.
Leverantörer har traditionellt implementerat digital radiosignalbearbetning genom en kombination av ASIC-, ASSP- och FPGA-enheter. ASIC-enheterna har minsta flexibilitet och resulterar ofta i att funktioner utelämnas på grund av specifikationslåsning som sker tidigt i konstruktionscykeln. De levererar dock ofta den lägsta kostnaden per enhet – men till priset av höga utvecklingskostnader och engångskostnader, samt långa tider innan produkterna kan lanseras på marknaden. ASSP-enheter tenderar att vara mindre flexibla eftersom de ofta har tagits fram för diverse användningsområden, men de kanske inte kan användas i andra syften. FPGA-enheter har använts i ökande utsträckning inom digital radio tack vare deras inbyggda flexibilitet, vilket gör att de klarar utrustningens behov samtidigt som de ger en förmåga att oavbrutet leverera nya funktioner allt eftersom kundens krav blir kända. I många fall återfinns FPGA-enheterna bredvid ASIC- och ASSP-enheter i dessa tillämpningar, för att tillhandahålla funktioner som andra enheter saknar.
Fig 2 visar konstruktionen hos en 2×2-radio som använder en kombination av ASSP-enheter, FPGA-enheter och mikroprocessorer.

Programmerbar ASSP
ASSP-enheter anpassas ofta långsamt till marknadens behov, vilket visar sig genom att de saknas i system för seriella gränssnitt som t ex CPRI eller JESD204. Detta ger upphov till ett behov av en extra stödenhet, t ex en FPGA med inbyggd serdes, eller en lågkostnadsversion som utnyttjar extern serdes för att implementera funktionerna. En sådan modell kräver dock ett stort antal komponenter. Kretskortsytan är stor, strömförsörjningen är komplex, och energiförbrukningen och kostnaderna är höga.

Fig 3. Nya Zynq EPP-familjen från Xilinx.

Det är alltså inte konstigt att leverantörerna söker efter alternativa metoder.
Xilinx-produkterna har fortsatt utvecklas och nått en punkt där tillverkare av radioutrustning kan implementera all digital radiomaskinvara och programvara i en enda enhet. Dessa FPGA-enheter har fullt programmerbar maskinvara och kan även mjukvaruprogrammeras, och har även en rad kommunikationsutrustning inriktad på låg kostnad och låg energiförbrukning. Den nya produktfamiljen går under namnet Zynq EPP (Extensible Processing Platform) och säljs redan idag.
Zynq EPP som visas i fig 3 ger dubbla ARM Cortex A9-processorkärnor som klarar upp till 2 000 Dhrystone MIPS per kärna, med flytande komma och dubbel precision. Processorns undersystem innefattar dedikerade kommunikationsutrustning som minnesstyrenheter, Gigabit Ethernet, UART-enheter samt SPI/I²C. Intill processorns undersystem hittar vi den programmerbara logiken som innehåller 500 MHz DSP-block samt 12,5 Gbps serdes plus mängder av internt RAM-minne. Flera bussar med låg latens och hög bandbredd är anslutna mellan processorns undersystem och den programmerbara logiken, och ett delat minnesgränssnitt ser till att inga prestandaflaskhalsar uppstår.
Fig 4 visar hur tillverkare av radioutrustning kan använda Zynq för att implementera alla funktioner som behövs i dagens fjärradiosystem. Genom användning av processorns undersystem i Zynq är det möjligt att implementera schemaläggning, kalibrering, meddelandehantering och allmän styrning via en av de tillgängliga ARM-processorerna. Med den andra ARM-processorn kan konstruktörerna implementera koefficientberäkning som ofta används vid DPD-design. En stor del av den kringutrustning som är nödvändig för att genomföra lösningen är också hårdvarukomponenter, t ex minnesstyrenheter, SPI/I²C, UART-enheter, Gigabit Ethernet och GPIO, vilket sparar energi och kostnader, utan att det programmerbara logiksystemet påverkas.

Fig 4. 2×2 LTE-radio i Zynq.

Den programmerbara logiken kompletterar processorns undersystem, och används för att implementera den signalbearbetning som krävs i dagens och framtidens bredbandsradio. DSP-blockeringen ser till att digitalfiltren som krävs i DUC/DDC-, CFR- och DPD-konstruktioner implementeras effektivt och med lägre energiförbrukning. Gränssnitten gentemot DAC/ADC utgörs av enheternas I/O-system via LVDS, eller serdes via JESD204. CPRI-gränssnitten implementeras också på tillgängliga serdes-enheter.

Stora fördelar
Det finns stora fördelar med Zynq. Fig 5 och 6 visar kostnads- och energibesparingarna som den här arkitekturen kan uppnå jämfört med färdiga ASSP-enheter. Det här exemplet förutsätter en signalbandbredd på 20 MHz med två sändande och två mottagande signalvägar. Zynq kan också stödja mycket högre bandbredder och ett större antal antenner.

Fig 5. Sänkning av den relativa materialkostnaden med hjälp av Zynq.

I exemplet med 2×2 20 MHz LTE ger Zynq-lösningen upp till 50 procents besparing, en total sänkning av materialkostnaden med 35 till 40 procent över motsvarande ASSP-implementering. Fig 7 visar också hur minskningen av antalet komponenter ger en ytbesparing på upp till 66 procent jämfört med exemplet i fig 2, med samma funktioner som visas i fig 4.
Detta ger en stor minskning av den kretskortsyta som krävs. Det blir nu möjligt att krympa utrustningen betydligt och få högre integrering med betydligt mindre mastyta än vad som har varit möjligt tidigare.

Fig 6. Sänkning av energiförbrukningen med hjälp av Zynq.

Det finns många andra fördelar med att använda Zynq. Zynq minskar strömförsörjningens komplexitet och kostnad samtidigt som enheterna blir mer tillförlitliga. Den här ökningen i tillförlitlighet påverkar backend-kostnader som i sin tur ger högre lönsamhet samtidigt som risken för nätverksrelaterade problem sjunker. Sänkning av energiförbrukning innebär också lägre värmeutveckling vilket gör det möjligt att använda mindre och lättare kylflänsar och mekaniska delar. Zynq-lösningen ger även heltäckande flexibilitet i både maskinvara och programvara så att enhetens specifikationer kan låsas senare i konstruktionscykeln. Detta förkortar tiden fram till lansering på marknaden, begränsar risken och ger stöd för nya funktioner under lång tid efter att utrustningen har levererats.

Liten och energisnål
Den kraftiga ökningen av efterfrågan på höghastighetsdata driver på fortsatt innovation inom antennsystem för mastmontering samt digitala radiolösningar. Alla dessa lösningar har en sak gemensamt – behovet av att bli mindre, lättare, billigare och mer energisnåla, men samtidigt högintegrerade och med stor flexibilitet för att klara de varierande kraven i nätverken.

Fig 7. Minskning av ytan med hjälp av Zynq.

Med ett undersystem som bygger på processorer med dubbel kärna (dual core) och högprestandalogik som är både energisnål och programmerbar är Zynq lösningen på många av de utmaningar som utrustningsleverantörerna står inför i sitt arbete med att leverera system till nätverksoperatörerna. Oavsett om utrustningen är en fjärradio, en antennintegrerad radio eller en aktiv antenn ger Zynq EPP oöverträffade möjligheter att skapa produkter med högsta tänkbara flexibilitet, maximal integration och lägsta totalkostnad, energiförbrukning och vikt.
David Hawke, Sr Product Marketing Manager, Xilinx Inc.

Filed under: FPGA