SD-FEC
整合SD-FEC模組 FPGA傳輸率/功耗更優化
所有實例中的資料通道都不是理想通道,它們受到不斷變動的品質等級影響,導致接收到的數據產生錯誤。4G/5G無線、DOCSIS有線,以及微波回程等這類典型通道皆不是理想通道,因此系統工程師在設計這些系統時,必須達到位元錯誤率(BER)等多種指標評估的預先定義效能標準。
運用可靠的前向錯誤修正(FEC)演算法,如低密度奇偶檢查(LDPC)和渦輪SD-FEC,有助於系統設計師設計出接近通道向農容量(Shannon Capacity)的高階通訊系統。但執行這類SD-FEC編碼演算法並不容易,常常需要具備專業的領域知識。FPGA常用於執行SD-FEC演算法,因為FPGA的高效能可編程邏輯、記憶體、DSP、I/O和SerDes非常適用於滿足大量可變精度算數運算和高記憶體頻寬的需求。然而,為了支援數十億位元資料速率而進一步提高系統要求時,效能、功耗與成本,便成為重要的設計因素,而且軟建置(Soft Implementation)與整合解決方案相比,可能效能欠佳。
若要在FPGA可編程邏輯上建置SD-FEC演算法,不僅會擁有強大的運算力,還需要大量的資源。也因此,有晶片商在FPGA之中導入整合型SD-FEC IP,保持FPGA的靈活性與可編程性,使其能達成以下效能:
.緩解效能與傳輸率瓶頸,約3Gbps峰值LDPC解碼傳輸率。
.大量減少資源占用,每個SD-FEC實例節省約10萬LUT。
.顯著降低功耗,採用整合解決方案降低80%的耗電。
圖1 典型資料通訊系統原理圖
FPGA朝軟決策FEC和反覆解碼演進
FEC的需求能劃分為多個不同類別,包含語音、視訊會議、重播視訊和非即時資料(表1)。以LTE為例,針對資料與語音服務部署4G/LTE固定無線寬頻時,服務品質(QoS)是網路規畫與設計的重點。
長期以來,雖已成功使用串接里德-所羅門(RS)編碼和卷積編碼搭配Viterbi解碼,但採用軟決策解碼能使該方案進一步提升效率,因為它提高約3dB的編碼增益。3dB編碼增益代表在同樣效能下,訊號在通道內的傳輸距離倍增。
然而,隨著朝多級QAM(能支援DOCSIS3.1高達4096-QAM)等這類更複雜調變方案演進,該類系統提供的位元能量雜訊比(Eb/No)內之有效BER也在增加。因此,已解調的位元更容易受到通道劣化的影響。採用功能更強的SD-FEC方案,才能讓這些系統滿足它們需要的效能需求。
為了滿足表1中各種QoS要求(語音、資料、視訊等)的原生BER需求,反覆解碼方案的使用越來越廣泛。與卷積代碼使用的Viterbi解碼相比,Turbo和LDPC代碼屬於反覆運算代碼,且通常需要每位元進行更多運算以獲得最佳效能,他們能讓系統接近理論上的向農極限(Shannon Limit)。這兩種編碼方案已接近成熟並被眾多應用採用,且在4G/5G無線和DOCSIS 3.1中被認為是確實可行的。
導入SD-FEC模組 FPGA處理效能再升級
為覆蓋多種類型的應用,半導體商在FPGA中導入整合型SD-FEC模組,例如賽靈思旗下的Zynq UltraScale+ RFSoC元件。在整合到包含Arm®Cortex-A53處理器的SoC架構中時,SD-FEC模組可配備或不配備數十億次採樣的RF資料轉換器。這些元件提供了一個功能豐富的平台,包括DSP、通用處理器(GPP)、可編程邏輯和已最佳化的RF訊號處理塊(如DUC和DDC)。
5G新無線電無線基頻系統等這類需要較高資料傳輸率、較低延遲及提高編碼效能的系統,在採用可編程邏輯的解決方案中,需要使用更多的一般可編程邏輯資源來執行所需的SD-FEC需求。LUT、記憶體和布線等資源的占用增加,加上設計速度加快,將導致功耗增加,最終導致解決方案成本的增加。若在單個元件內提供八個SD-FEC整合模組,就能在單個Zynq UltraScale+ RFSoC內達到整個系統的傳輸率。
此外,SD-FEC支援的Zynq UltraScale+RFSoC在結合高速RF資料轉換器後,能為有線/DOCSIS 3.1遠端PHY等應用提供高度靈活的解決方案,提供在單個元件中創建全雙工解決方案的機會;且以SD-FEC為例,整合該IP模組能帶來下列優勢:
.減少可編程邏輯資源占用。
.節省功耗。
.縮短開發時程,包含預先驗證IP功能與時序、由軟體和工具提供支援的流程。
.與軟建置相比預計能達到更高的效能,實現低延遲、高傳輸率。
.可配置性帶來高靈活性。
以上這些優勢綜合起來能獲得較低成本的解決方案,同時還能支援更多其它應用,例如4G/5G無線(基頻和回程),在Wi-Fi和5G新無線電的LTE和LDPC中使用的渦輪代碼;有線存取,在DOCSIS 3.1遠端PHY中使用的LDPC代碼;以及微波鏈路等。
SD-FEC IP具有三種工作模式
整合型SD-FEC IP的高階視角圖請參閱圖2。SD-FEC模組有三種工作模式,但每次只能啟用其中一種:
圖2 SD-FEC原理圖
.LDPC編碼
.LDPC碼
.渦輪解碼(LTE)
選擇此三種模式是因為底層演算法已發展成熟,設計人員在權衡屬性和設計執行取捨方面都能得心應手。
多種客戶規格的類循環(QC)代碼都支援LDPC編解碼。雖然SD-FEC是一種整合型IP,但SD-FEC模組具備高度可配置性,其參數記憶體內能儲存高達128個代碼,而且可逐塊選擇代碼,而且添加客製代碼的能力也使得模組具備高度靈活性。SD-FEC是一種具備反覆解碼能力的軟決策解碼器,能夠提前終止並節省功耗。至於渦輪解碼支援4G LTE-Advanced和LTE-Pro的應用,與LDPC解碼器類似,能提前終止支援反覆解碼。傳輸率隨不同代碼和應用而變化,如5G新無線電使用DOCSIS 3.1。
SD-FEC傳輸率符合5G需求
SD-FEC的峰值傳輸率為:
.6次反覆運算約1.8Gbps渦輪解碼速度
.8次反覆運算約3.0Gbps LDPC解碼速度
.約20.0Gbps LDPC編碼速度
使用SD-FEC能達到的最大傳輸率取決於運行在667MHz FMAX下時所選擇的代碼、代碼速率和解碼器反覆數量。表2展示了支援的峰值系統組態,同時也支援這些配置的子集合,如四個LDPC解碼器配四個LDPC編碼器。因此,Zynq UltraScale+ RFSoC適用於5G無線應用,且能提供完整的平台解決方案,請參閱圖3。
圖3 Zynq UltraScale+ RFSoC支援5G無線平台解決方案
該系列為無線回程提供了同時整合RF-ADC/DAC和SD-FEC模組的元件。此外,對於遠端無線電頭端(RRH)設備來說,配備RF-ADC/DAC但無SD-FEC功能的元件就能滿足客戶需求。最後,基頻單元(BBU)內沒有類比需求,但是在第一層(Layer...