網際網路在過去十年間呈現爆炸性成長，因此帶動了高速以及無所不在的網際網路存取需求，寬頻無線存取(BWA)的普及程度也日益提升，替代了以往採用DSL線路與纜線數據機的技術...
網際網路在過去十年間呈現爆炸性成長，因此帶動了高速以及無所不在的網際網路存取需求，寬頻無線存取(BWA)的普及程度也日益提升，替代了以往採用DSL線路與纜線數據機的技術。
本篇文章乃是針對採用FPGA運用在WiMAX系統設計上所面對的技術上的挑戰和優勢，進行探討分析。
隨著802.11無線區域網路(LAN)標準的全球性發展取得巨大的成功，IEEE 802.16d無線城域網路(MAN)標準的發展也積極進行，因此FPGA供應商也針對WiMAX系統設計所面臨的問題，加以進行改善。
如同Altera的Stratix II平台這類具有高效能的FPGA，包含了嵌入式的DSP模塊、TriMatrix記憶體架構、創新的邏輯結構與高速的介面，提供了強大並具整合性的平台來實現WiMAX這類的寬頻無線系統。
特別是每個DSP模塊可以支援多樣的乘法器位元大小(9x9、18x18、36x36)與操作模式(乘法、複數乘法、累乘、累加)，並可以提供每個DSP模塊高達2.8 GMACS的傳輸速度，我們可在WiMAX系統中找到這種需要採用複雜DSP技術來執行的高傳輸量需求，包括自適應式發射模式、MIMO、FFT/IFFT、FIR濾波、CFR等。
如前所述，硬體的設計彈性和可重新編程能力，對於符合WiMAX這種仍在持續演進中，且尚未有最終標準運用在終端產品而言是相當重要的，Stratix II FPGA提供了更容易發展WiMAX系統的能力，以便於符合變動中的市場需求。這些元件可透過任何通訊網路傳輸來進行遠端系統升級，讓產品在競爭力上保持領先，並具有專屬的回復電路來確保升級的穩定性。遠端系統升級功能是由使用Stratix II元件與快閃記憶體來實現。
使用Stratix II FPGA的WiMAX系統可以避免因為產品不成熟導致的衰退現象，因為Stratix II FPGA可支援在設備開發的期間，仍有許多未知變化的演進標準與應用。
對許多新興且有前途的科技而言，產品能夠及時上市是這些開發通過WiMAX產品的OEM的關鍵差異點，想要達到這個目標，設計師必須獲得立即可用的IP與參考設計來幫助加快他們自己的開發流程。容易使用的開發工具、軟體與可利用的開發電路板則是其它關鍵的需求。
802.16Rev d指定了連續的Reed-Solomon (RS)外部碼與速率相同的迴旋內部碼，可以支援上行與下行。要實行這些電路，則需要提供RS編譯器與Viterbi編譯器的IP，可以完全地進行參數化，並且有具使用者友善的介面。
增強迴旋碼與增強區塊碼在標準中指定了可選的FEC電路，低密度的同位校正(LDPC)碼是新形式的FEC碼，可以增加其普及率，也可以在802.16e版本中指定為選擇性的FEC電路。WiMAX系統提供完整系列的FEC電路。
OFDM或OFDMA副載波是透過在傳送器執行IFFT操作所產生的，當在接收器到轉換訊號回到頻域時，FFT便運作完成。802.16Rev d標準指出，在OFDM模式下需要一個256點的FFT/IFFT，在OFDMA模式下運作時則需要2048點的FFT/IFFT。FFT對運算需求要求相當高的功能，需要大量的乘法器與結合嵌入式DSP模塊的Stratix II FPGA，可提供一個理想的可調式平台來實行多種不同尺寸大小的FFT，這是一個高效能、高度可參數化的FFT處理器。FFT功能可以執行一個Radix-2/4頻率縮減(DIF)FFT法則來轉換6 ≦m≦14中2m的長度，在內部使用區塊式浮點架構來轉換計算時最大化訊號的動態範圍。
多重天線技術是在WiMAX系統中特別用來增加傳送與接收範圍與穩定性之用，多重天線電路提供多種的效益，包括陣列式增益、差異式增益與共用頻道干擾抑制。802.16Rev d目前支援多種多重天線選項，包括時空碼(STC)、多重輸入多重輸出(MIMO)天線系統與自適應式天線系統(AAS)，這些電路需要運算量相當大的法則與操作，正適合採用FPGA來實現，以提供IP核心來執行自適應式的加權更新法則，例如最小均方(LMS)、標準化LMS(NLMS)、RLS與QRD-RLS法則。Alamouti解碼器核心可使用在WiMAX標準中指定使用Alamouti時空碼，來實行傳送差異選項。MIMO空間式多工電路通常需要矩陣式分解法則，如QR分解、Cholesky分解與單數分解(SVD)，能在FPGA上完成MIMO技術。
CFR或峰值到平均功率(PAPR)降低是如WiMAX這種採用OFDM架構系統所不可或缺的功能，如OFDM這種多載調解技巧會產生較高的峰值因素(峰值到平均率)訊號，將會降低用於基地台傳送器中的功率放大器的效率，功率放大器(PA)的運作點很典型地會降低或退出，用來容納輸入訊號的峰值，這可用來維持PA輸出的線性，並避免頻帶外輻射，具有高峰值因素的輸入訊號將需要較大的退出，並將對PA帶來較低的效率。因此降低輸入訊號的峰值因素是相當重要的，並可避免PA的效率降到不可接受的水平。
在標準中也說明，透過蒐集轉換在被傳送資料中片段的位元樣本，採用隨機性選擇的方式也是一種降低產生高峰值因素訊號機率的一種技巧，另外一種降低PAPR的技巧是透過削波訊號，並跟隨著頻域濾波。在傳送器的IFFT輸出是透過插入零值來進行修改，跟隨著非線性的削波操作，此時削波可以增加頻帶外輻射，這會跟隨著頻域濾波，其根本上會帶動額外的FFT與IFFT操作。FFT IP核心可以被用於很有效率地執行頻域濾波操作。
數位頻率轉換提供比傳統類比技巧更大的彈性與更高的效能(在衰減與選擇性方面)，它也可以透過消除類比混頻器與震盪器來減少零件與製造成本。在數位上下轉換時，FIR編譯器與NCO編譯器的IP可以有效率地用於多種參數設定與硬體最佳化架構的選擇，產生器會基於濾波器的特性來自動化計算FIR的協同工作。
除了上述的實體層(PHY)功能外，提供其它功能的IP核心與參考設計，包括數位預失真(DPD)、範圍、通道評估等，這些參考設計可以被用於開發新的解決方案與創新的WiMAX產品，也可以幫助加快產品及時上市的時間，並從相競爭的解決方案中進行產品的差異化。
另一個加速WiMAX硬體設計的重要需求是開發工具與軟體是否具備易於使用的特性，該章節將說明運用FPGA工具來進行WiMAX系統設計的一些設計議題。
應用在WiMAX系統設計中會採用不同的DSP法則，設計師通常會用如MathWork的MATLAB與Simulink環境來設計高階模型，在經過功能驗證之後，法則會用硬體描述語言(HDL)再次進行程式編碼，以用硬體來實行，如此一來將耗費較長的設計週期，DSP Builder工具透過結合了具有VHDL合成、模擬的MathWorks MATLAB與Simulink系統層級設計工具與開發工具，整合了法則發展、模擬與驗證這些階段的功能，這些複雜的功能可以透過在DSP Builder模型中使用 IP功能來整合在一起。
一些應用在WiMAX系統中的實體(PHY)與媒體存取控制(MAC)層的功能，比較適合用軟體來實現，這些控制導向的功能包括如在媒體存取控制(MAC)層方面的調度程式與實體(PHY)層中的通道評估功能。這些功能可以有效率地透過在FPGA中的軟體處理器來實現，而被整合到FPGA之中，消除了使用獨立的數位訊號處理器的需求。Alter的Nios II系列嵌入式處理器具有通用型的RISC CPU架構，專門設計用來滿足廣泛的嵌入式應用的需求，Nios II處理器系列由三種核心所構成－快速(Nios II/f)、經濟(Nios II/e)與標準(NiosII/s)核心，每個核心都針對特定的價格與效能範圍進行了最佳化。設計師可以透過Quartus II設計軟體中的SOPC Builder工具來輕易地添加Nios II處理器到他們的設計，包含Quartus II設計軟體中的SOPC Builder工具可自動地產生互連邏輯，連接用於SOPC應用中的零件。
雖然彈性是初始的WiMAX產品(在標準還在演進與市場還未確定期間)中的最高渴望，但標準最終還是會確定下來，WiMAX產品彈性需求的優先地位將會被需要低成本的ASIC實行所替代，HardCopy元件為它的FPGA提供了一條降低成本的道路，Altera的HardCopy元件是結構化的ASIC，提供了傳統ASIC的另一種更廣泛性的替代性選擇。今日的ASIC設計面對著因為日漸縮小的製程間距與不斷增長的設計複雜性，導致產品開發成本的日漸增加與更長的設計週期，這些挑戰也需要第一次矽晶片投產成功，以避免重新修訂製造產生的成本與時間上的浪費。
從功能驗證的原型到大量生產的元件，可透過提供FPGA、開發工具、矽智財(IP)與無縫式升級的路徑，來解決傳統ASIC設計所遭遇到的痛苦，有了HardCopy元件，使用者可以得到相較於FPGA平均超過50%的效能提升以及接近40%的功耗節省，並保證能夠矽晶片投產便能成功，透過Quartus II軟體(版本3.0或之後的版本)的支援，工程師現在可以在他們的桌上使用相似的設計流程、架構、工具與IP來進行FPGA或HardCopy元件設計。
WiMAX是新興的科技，具有相當大的潛力，具有革命性的「寬頻無線網際網路存取」市場的發展實力，不同的硬體需求包括處理速度、彈性、整合與及時上市，均需要採用FPGA架構的平台來實現，高密度FPGA與元件透過最小化開發時間與資源，最大化首次成功與加速產品及時上市的特性，可讓WiMAX OEM廠商具有更大的競爭優勢。