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Virtex-4 FPGAを利用した ソフトウェア無線
SYSTEM DESIGN CHALLENGES Virtex-4 FPGAを利用した ソフトウェア無線 Virtex-4 FPGAにより高度なDSP機能を実現した Red River社の最新PCMCIA Type II モジュール ノートブック PCにソフトウェア無線機能を追加 Ken Sienski President Red River [email protected] 1996年に設立されたRed River社は、エンベデッド システム市 ソフトウェア無線トランシーバに変換します。Pocket Changeの CardBusPCカードには、カード端に設置されたMMCX同軸コネクタ を通じて、2つのアナログ信号を入力することができます。レシーバ 入力は14ビット （80 MSPS）A/DコンバータにACカップリングされ、 トランスミッタ出力は14ビット(100 MSPS)D/Aコンバータを通じ 場において、ソフトウェア無線アプリケーションを中心に高性能信号 て供給されます。ほとんどのデジタルロジックは、Virtex-4 FPGA 処理やデータ通信用のソリューションを手がけています。 デバイスで供給されています。 ソフトウェア無線市場におけるRed River社の主な課題は、複数の モデル351の開発着手にあたり、市場で入手可能なさまざまな製 コンフィギュレーションに対する要求を満たすハードウェア プラット 品を検討した結果、最終的にVirtex-4 FPGAを採用することを決定 フォームを実現することでした。顧客のなかには、そのまま使用でき しました。Virtex-4 FPGAファミリは、Red River社のニーズと顧 る既製の無線ソリューションを求める顧客もいれば、カスタム機能を 客要求の両方を満たす高い柔軟性と機能を備えています。 追加できる無線プラットフォームを望む顧客もいます。このようなさ モデル351のデザインは、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、 まざまな要求に対応するには、いずれの要求も満たすプログラマブル 専用PCIバス コントローラ（ホストコンピュータへのCardBus イン シリコン ソリューションが不可欠です。 ターフェイス用）に接続されたVirtex-4 FPGAで構成されています ザイリンクスのVirtex-4TM FPGAファミリは、顧客の求めるさま （図1） 。モデル351は従来のソフトウェア無線ユーザーを対象として ざまな要求を最小限のコストで実現する最適なソリューションです。 いますが、信号の収集や生成、信号情報収集、トランシーバ モデム FIFOロジック、エンベデッドPowerPCTM、 RocketIOTMトランシーバ、 アルゴリズムのプロトタイピング、周波数ホップ信号の生成、ポータ イーサネットMAC、先進の省電力、パッケージング技術などの機能 ブルな信号録画/再生アプリケーションにも適しています。 を備えたVirtex-4デバイスは、Red River社にとって理想的な選択 肢といえます。 カスタマイズと柔軟性 当初は専用デジタル アップコンバータ/ダウンコンバータを使用し モデル351（Pocket Change） Red River社の次世代製品であるモデル351「Pocket Change」 は、あらゆるポータブル コンピュータを高性能のマルチチャネル てモデル351のトランシーバ機能をインプリメントすることを考え ていましたが、顧客の多くは、自らの設計にカスタム機能を追加で きる柔軟性を望んでいました。このカスタマイズに関する要求が、 39 SYSTEM DESIGN CHALLENGES います。FIFOは、 図 1 モデル 351 のブロック図 External Clock AC Coupler A/D D/A Clock Select Oscillator Digital Data/Control Local Bus Interface Analog Output A/DまたはD/Aコ Xilinx Virtex-4 FPGAs User-Configurable Logic AC Coupler A/D and D/A Interface Analog Input ン バ ー タ とDMA 動作におけるロー CardBus Interface Host Processor Configuration Flash カルバスとの間 の、データのバッ ファリングに使用 され、メモリ転送 に ホ ス ト CPUを 使用することなく 高性能の処理を行 うことができます。 このため、モデル プログラマブル技術の採用に踏み切る要因となりました。 先進のプログラマブルロジック アーキテクチャを選択することに 351は、ホストコンピュータのCPU性能のすべてを消費することなく、 デジタル無線データを柔軟に処理することができます。Virtex-4 より、カスタマイズに対する顧客の幅広い要求に対応することが可 FPGAは、高性能の内部ブロックRAMとユニークな組み込みFIFO 能になりました。ザイリンクスのISETM 開発ソフトウェアを使用する ロジックを備えたアナログ コンポーネントとホスト インターフェイス と、Red River社の顧客は、使い慣れた設計環境でVirtex-4 FPGA のバンド幅に対応できる充分なFIFO数と性能を備えています。 の未使用ロジックにカスタムDSP機能を組み込むことができます。 Virtex-4 FPGA採用のもう1つの利点は、1つの共通ハードウェア プラットフォームで複数の製品を提供できることです。これはハード ウェアの開発時間の短縮に有効な上、在庫管理も容易になります。 3つのプラットフォームでさまざまな要求に対応 3つのVirtex-4プラットフォーム（LX、SX、FX）を使用すれば、 いくつもの異なる新製品にユニークな機能を付与することができま す。カスタム ロジック機能の追加を希望する顧客に対しては、LX 電力およびスペース面の効率 CardBusPCカード開発における課題の1つは、PCMCIAの機能仕 様と、3.3Wという厳しい消費電力要求を満足できるデバイスを選択 プラットフォームを使用します。LXでは、同じパッケージ フット プリントでさまざまなゲート集積度を選ぶことができるので、同じ ベースデザインで、さまざまな顧客ニーズに対応できます。 することです。Virtex-4ファミリの電力効率は他社の同様のプログ Red River社のデザインは、信号の変調と復調を含め、計算集約 ラマブルロジック ソリューションに比べてわずか半分の電力しか消 的な処理のために極めて強力なDSP性能を追加的に必要とする場合 費しないという驚嘆すべきものでした。 があります。このようなアプリケーションには、かつてない強力な Virtex-4 FPGAは、Red River社の厳しい消費電力要求を満た す一方で、驚くべき機能と性能を提供してくれました。さらに、 PCMCIAには、Type IIモジュールのフォーム ファクターに合わせる ための厳密な厚さ制限があります。Virtex-4のFF668パッケージは、 この厚さ要件を満たす数少ないFPGAパッケージの1つです。 DSP性能を備えたSXプラットフォームが最も適していると考えられ ます。 その他いくつかのデ ザインにおいては、VxWorksが動作する PowerPC、光インターフェイスおよびPCI Expressインターフェ イス用のRocketIOトランシーバ、ギガビット イーサネットMAC コアなど、FXプラットフォームの提供する高度なシステムレベル機能 先進の機能と性能 ソフトウェア無線アプリケーションの重要な要件の1つに、高性能 DSPが挙げられます。これは、複数の信号チャネルをリアルタイム ブロックが実装されています。Virtex-4デバイスは、3種類のプラット フォームを選択可能で、Red River社の製品ライン全般にわたり、さ まざまな機能を提供することができます。 でサポートする必要があるためです。 Virtex-4 FPGAは、モデル351のアナログバンド幅全体にわたっ て、マルチチャネルのデジタル アップコンバージョンとダウンコン 結 論 ソフトウェア無線製品は幅広いアプリケーション領域に対応する バージョンを行うことができます。また、Virtex-4デバイスは、受信 必要がありますが、そのためのコンポーネント機能の選択が重要と 信号データの周波数解析のために高速フーリエ変換（FFT）を行うこ なります。固定または移動設備用の両用に一連のソリューションを展 ともできます。 開する際には、さまざまな機能を選択できる余地と十分な性能が求 Virtex-4 FPGAは、ホストコンピュータとA/DまたはD/Aコン バータ間でやりとりするデジタル情報を対象に、極めて負荷の大き められます。Virtex-4の3つのプラットフォームはこれらの条件を満 たします。 い処理を行うこともできます。この信号処理能力は、SXプラット 新しいモデル351は、標準的なノート型コンピュータで使用でき フォームの能力をそのまま利用したものです。Virtex-4デバイスは、 る極めて小型の省電力型モジュールで、極めて高い能力を発揮しま 各FPGA内の強力な並列処理能力の利点を生かすことにより、高い す。モデル351ならびに他のRed River社製品の詳細については、 DSP性能を実現することができます。計算集約的なアルゴリズム www.red-river.comをご覧ください。 （ソフトウェア無線のDUC/DDCアプリケーションなど）において、 最大500 MHzの速度を誇る乗算/加算/累積エンジンの大量のDSP スライスが、これまで固定ASIC技術でしか得ることのできなかった 性能を提供します。 Red River社のデザインでは、マルチ キュー FIFO機能をインプリ メントするために、FPGAの内部ブロックメモリも幅広く使用されて 40