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FPGA在数字信号处理市场潜力无限,主要厂商加大新兴领域投入

发布时间:2015-08-25 13:58:00 点击:

凭借FPGA在并行信号处理能力方面的强大优势,FPGA厂商正在一些新兴的市场如3GHSDPAWiMAXH.26?MPEG等领域为其产品挖崛无限的商机。在这些市场FPGA或者代替DSP,或作为DSP的协处理器,正在扮演越来越重要的角色。

 

在无线通信方面,随着业界在下一代技术上不断发布一些新的标准,如R5R6以及WiMAX等,令许多以ASIC为主开发基站设备的制造商猝不及防,从而将灵活性问题推到了最前沿。因此,DSPFPGA已成为工程师选择下一代基站设备的首先平台,但是他们之间是竞争还是互补成为人们关注的话题。“由于传统DSP是串行运算,而FPGA是多个乘法-累加器(MAC)单元并行运算,所以FPGA在并行处理能力上大大超过传统DSP,因此FPGA非常适合于需要多通道处理能力的应用,比如用于3G基站的射频部分,如今FPGA已在软件无线电领域被迅速接受。”赛灵思新成立的DSP部总经理兼公司副总裁Omid Tahernia指出。他举例道,赛灵思的500MHzVirtex 4 SX可达到每秒5亿个取样数;而即使是传统的1GHzDSP,其每秒的取样数仅为400万。相比之下,可以看出FPGA在处理计算密集型的任务中非常具有优势。目前FPGA已被用于3G基站射频部分的数字中频处理,包括数字上变频器、数字下变频器、数字预失真和波峰因数降低等应用中,“W-CDMA信号会产生非常高的PAR,采用FPGA可以使之减小,并提升PA的效率。”Altera公司产品及公司市场部副总裁Danny Biran表示。

 

同时,FPGA厂商也承认在3G基站的数字基带部分,目前传统的DSP产品仍比FPGA具有优势。“3G基带处理需要非常高的芯片速率和符号速率,这是DSP的优势。”Biran承认。同时,传统DSP还具有容易掌握的开发工具、成熟的技术和供应商阵营以及较低的开发成本,这也是它的优势,因此它已被用来代替ASIC用于3G和下一代HSDPA等基站的基带处理中。但是,Tahernia指出:“传统DSP也有一些弱处,是需要FPGA与之相互协作来弥补的,因此在基带中FPGA已被大量用作DSP的协处理器。”他解释道,在一份由DSP权威机构BDTI的分析中指出,DSP的固定架构限制了它算法的灵活性和效率,有时编译器的质量也欠佳。而BDTIFPGA的评价是:与传统的DSPGPP相比,对某些DSP任务具有非常强的性能,如高吞吐率、架构和算法灵活、并行计算、分配存储以及动态配置等优势,但其弱点是相比复杂的设计流程。“因此,采用FPGA作为DSP的协处理器,可以卸载DSP的部分任务,同时能高效地执行计算密集型的任务,从而实现每通道更低的成本。”Biran说道。

 

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Omid TaherniaFPGA的强大并行处理能力,使其非常适合于需要多通道处理的应用,如3G的数字射频。

 

因此,在目前的基站基带处理中,同时需要DSPGPPFPGA。前者负责系统控制及配置功能,而FPGA实现计算密集的信号处理数据路径和控制功能。当必须从一种标准切换到另一种标准时,DSP/GPP能够在主要的软件之间动态切换,而FPGA可以根据需要完全重新配置,以实现新的特定标准的路径。在3G系统中,除了作为基带的协处理器外,FPGA还可用作背板的标准化接口,比如CPRIOBSAI等。

 

“另外,FPGA在有线通信市场比如DSL市场也会大有作为。因为它非常适用于DSL等宽带接入的射频部分,这些射频应用也需要多通道并行处理的密集计算能力。”Tahernia补充道。

 

值得注意的是,FPGA除了在通信市场已被用于信号处理外,它在新兴的数字消费电子产品市场,特别是高端的视频编解码如H.26?等视频处理市场也具有不错的前景。目前它在该领域已被用作DSP的协处理器,用于系统逻辑混合和合并、新外设或总线接口的实施以及提升DSP数字信号处理的性能。“将计算密集型的模块比如运动估计、内部预算以及CABAC等模块交给FPGA来完成,能大大提升H.26?等视频处理的速度和质量。”Tahernia表示。

 

在以上这些应用中,相比单一DSP平台,采用FPGA协处理器后,能为系统提供更快的执行速度、更低的功耗和成本。“因此,这促使OEM在其新设计中不再选择风险大、成本高和开发时间长的ASIC方案。”Biran表示。

 

迎接新市场,FPGA厂商成立专门的DSP部门

 

尽管FPGA用于DSP领域已有多年,但是如今不断变化和涌现出的无线通信标准以及视频编解码标准,使得FPGA的优势得以充分发挥。“R6标准的出台更是OEM转向更多采用FPGA的一个大拐点。”AlteraBiran指出。因此,主要FPGA厂商加大了在该领域的投入。

 

比如赛灵思于去年9月成立了专门的DSP部门,并且聘请了在系统设备方面具有资深经历的Omid Tahernia担任该部门总经理,直接向公司的CEO Wim Roelandt回报,这表示了赛灵思对该领域的重视。Tahernia曾在摩托罗拉公司工作21年。Tahernia表示成立专门的DSP部门后,将会更好地优化各个细分市场的DSP发展蓝图和开发针对DSP设计的软件工具和设计方法。比如该公司新推出的System Generator for DSP v7.1开发软件和Xtreme DSP Virtex-4 SX35开发套件可使系统和DSP设计人员更容易地在赛灵思的DSP器件中实现高采样速率和多信道处理设计。该公司目前用于DSP领域的主要是Virtex-4 家族的SX系列以及低成本的Spantan-3,其中前者目前的最大处理能力为256GMACSTahernia表示未来会开发更多针对DSP应用的产品。

 

Altera早在2002年就因看好DSP应用而成立了专门的技术中心名为CODE: DSP,开发针对DSP的各种应用。其网站上的“DSP方案中心”为用户提供最新DSP信息和设计资源,并对设计人员进行DSP设计的培训。Altera以经过预测试的DSP IP核的形式提供一些标准的协处理器。“这些经过预测试、优化和具有灵活算法的DSP IP核使设计人员可以更快地为他们的特殊应用定制产品。”Biran说道。

 

Altera目前用于DSP应用的产品包括Stratix IICyclone IIBiran表示在第三方评测机构的评测中显示,Altera的 Stratix IICyclone II 所展示的单位成本信号处理性能是传统DSP产品单位成本性能的10倍以上。他举例说其内嵌450MHz DSP构建模块的Stratix II信号处理能力可达346GMACS;即使是最低端的EP2C5也可以完全实现1080p HDTV上的实时7×7像素过滤器功能。“有了这样强的处理能力,设计人员可以容易地通过对DSP进行时分多工来提升通道数。”Biran说道。

 

Altera和赛灵思的推动下,业界围绕基于FPGADSP方案已形成一个良好的生态环境,合作伙伴包括了传统DSP厂商TI、模拟器件厂商 、工具厂商如The MathWorks, Synplicity, Mentor, Barco以及众多的DSP板卡厂商。FPGA厂商已携手DSP厂商凭借其产品高度的灵活性在新兴市场打败了ASIC,今后,FPGA厂商还要凭借其强大的并行处理能力与传统DSP厂商争抢信号处理器这一丰厚的市场。

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