WCDMA系統(tǒng)基帶處理的DSP FPGA實(shí)現(xiàn)方案

引言

隨著Internet的迅猛發(fā)展和各種無線業(yè)務(wù)需求的增加，目前以承載單一話音業(yè)務(wù)為主的無線通信網(wǎng)已經(jīng)越來越不適應(yīng)人們的需要，所以，以大容量、高數(shù)據(jù)率和承載多媒體業(yè)務(wù)為目的的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(IMT-2000)成為無線通信的發(fā)展方向。碼分多址(CDMA)技術(shù)憑借其良好的抗噪性、保密性和低功率等優(yōu)點(diǎn)成為第三代移動(dòng)通信中最主要的多址接入技術(shù)。

和傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)相比，第三代移動(dòng)通信的最大特點(diǎn)在于能支持多種速率的業(yè)務(wù)，從話音到分組數(shù)據(jù)到多媒體業(yè)務(wù)，并能根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需要，提供必要的帶寬。3GPP協(xié)議規(guī)定WCDMA系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)類型包括：5.15Kbps~12.2Kbps話音數(shù)據(jù)、 64Kbps電路數(shù)據(jù)、144Kbps分組數(shù)據(jù)和384Kbps分組數(shù)據(jù)。然而，對不同速率業(yè)務(wù)的基帶處理，所需的存儲(chǔ)量、運(yùn)算量以及處理延時(shí)差異很大。因此，采用何種硬件結(jié)構(gòu)能有效地處理各種業(yè)務(wù)是本文所要探討的問題。

本文首先介紹WCDMA系統(tǒng)的無線信道的基帶發(fā)送方案，說明其對多媒體業(yè)務(wù)的支持以及實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。然后，從硬件實(shí)現(xiàn)角度，進(jìn)行了DSP和FPGA的性能比較，提出DSP+FPGA基帶發(fā)送的實(shí)現(xiàn)方案，并以基站分系統(tǒng)(BTS)的發(fā)送單元為例，具體給出了該實(shí)現(xiàn)方案在下行無線信道基帶發(fā)送單元中的應(yīng)用。 WCDMA基帶發(fā)送方案

WCDMA系統(tǒng)的發(fā)送單元實(shí)現(xiàn)無線信道的基帶數(shù)據(jù)處理(CRC校驗(yàn)、糾錯(cuò)編碼、速率適配、交織、復(fù)用、成幀)、擴(kuò)頻加擾、合路與功率控制、成型濾波、D/A轉(zhuǎn)換、最后提供給模擬前端。下面以下行鏈路為例，分別給出基帶數(shù)據(jù)處理方案和擴(kuò)頻加擾調(diào)制方案。


圖 1 下行傳輸信道復(fù)用結(jié)構(gòu)

在基帶處理流程中(如圖1所示)，每個(gè)傳輸信道(TrCH)對應(yīng)一個(gè)業(yè)務(wù)，由于各種業(yè)務(wù)對時(shí)延的要求不同，所以其發(fā)送時(shí)間間隔(TTI)是不同的(TTI∈{10ms，20ms，40ms，80ms})。具體步驟如下：

首先將各傳輸信道的一個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔(TTI)內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)劃分成各傳輸塊，并在每塊末尾加上CRC校驗(yàn)比特位，以便收端進(jìn)行差錯(cuò)檢測。

其次將加上校驗(yàn)位后的所有傳輸塊串行級聯(lián)起來。如果級聯(lián)后的數(shù)據(jù)量大于規(guī)定的最大編碼塊尺寸，則需對級連后的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行分段處理，分成若干個(gè)尺寸相同編碼塊，使每個(gè)編碼塊的尺寸小于或等于最大編碼塊尺寸。對于不同的編碼方式，最大編碼塊尺寸不同。其中，卷積編碼: Z = 504；Turbo編碼: Z = 5114(Z表示最大編碼塊尺寸)。

WCDMA所采用的糾錯(cuò)編碼有兩種：Turbo碼和卷積碼。無線信道編碼是為了接收機(jī)能夠檢測和糾正由于傳輸媒介帶來的信號誤差，同時(shí)在原數(shù)據(jù)流中加入了冗余信息，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。卷積編碼與Turbo編碼相比，前者具有譯碼速度快，時(shí)延小等優(yōu)點(diǎn)；但對較高速率的信道，在滿足相同QoS的條件下，后者對信噪比的要求更低。對于數(shù)據(jù)量小，要求實(shí)時(shí)性高的業(yè)務(wù)采用卷積編碼,如語音業(yè)務(wù)；而對數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求不高的業(yè)務(wù)采用Turbo編碼，如IP業(yè)務(wù)，多媒體業(yè)務(wù)。

為了將傳輸信道的數(shù)據(jù)適配到物理信道上去，要對編碼后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行速率適配。速率適配是將傳輸信道上的數(shù)據(jù)按比特重復(fù)或鑿去，使得即使不同傳輸間隔上數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)不同，經(jīng)過傳輸信道復(fù)接后的總數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)對于給定的物理信道總是不變的。

在數(shù)據(jù)塊的基帶處理過程中有兩次交織操作，即第一次交織和第二次交織。交織的作用是將原始數(shù)據(jù)序列打亂，使得交織前后數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性減弱，提高系統(tǒng)對突發(fā)性錯(cuò)誤的抗干擾能力。兩次交織均采用列間交織模式，即先將數(shù)據(jù)逐行寫入矩形陣列中去，再按一定的列交織模式逐列讀出。

一個(gè)傳輸信道與一種業(yè)務(wù)類型相對應(yīng)，在物理層，有時(shí)需要將不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)復(fù)接在一起，通過一個(gè)物理信道進(jìn)行傳輸，這個(gè)過程就是物理層的業(yè)務(wù)復(fù)接。

物理信道的擴(kuò)頻由兩步組成。第一步是信道化，即將每個(gè)數(shù)據(jù)符號轉(zhuǎn)化為多個(gè)碼片, 以增加信號的帶寬。每個(gè)數(shù)據(jù)符號內(nèi)的碼片數(shù)被稱做擴(kuò)頻因子(SF)；第二步為加擾，由此給擴(kuò)頻信號加擾。在下行鏈路中，兩個(gè)連續(xù)符號組成的符號對經(jīng)過串并變換，映射到I和Q支路上。映射的結(jié)果是偶數(shù)號和奇數(shù)號的符號分別映射到I和Q支路上。I 和 Q 支路由相同的實(shí)值信道化碼Cch,SF,m擴(kuò)頻到碼片速率，然后將I和Q支路上實(shí)值的碼片序列變換成復(fù)值碼片序列。該序列由復(fù)值的擾碼Sdl,n加擾(復(fù)數(shù)相乘)。具體的擴(kuò)頻加擾框圖(如圖2所示)。


圖 2 除SCH外所有下行物理信道的擴(kuò)頻

調(diào)制信號的碼片速率為3.84 Mcps ，擴(kuò)頻過程產(chǎn)生的復(fù)值碼片序列的調(diào)制為QPSK，具體的調(diào)制框圖(如圖3所示)。


圖3 下行鏈路調(diào)制

實(shí)現(xiàn)方案

基帶數(shù)據(jù)處理的電路結(jié)構(gòu)

本文提出了“DSP＋FPGA線性流水陣列結(jié)構(gòu)”的實(shí)現(xiàn)方案：使用DSP與大規(guī)模FPGA協(xié)同處理基帶發(fā)送數(shù)據(jù)。該處理單元以DPS芯片為核心，構(gòu)造一個(gè)小的DSP系統(tǒng)，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在基帶處理單元中，低層的信號預(yù)處理算法處理的數(shù)據(jù)量大，對處理速度的要求高，但運(yùn)算結(jié)構(gòu)相對比較簡單，因而適于用FPGA進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，這樣能同時(shí)兼顧速度及靈活性。相比之下，高層處理算法的特點(diǎn)是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適于用運(yùn)算速度高、尋址方式靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。

在圖4的電路結(jié)構(gòu)中， DSP處理器利用其強(qiáng)大的I/O功能實(shí)現(xiàn)單元電路內(nèi)部和各個(gè)單元之間的通信。從DSP的角度來看，可重構(gòu)器件FPGA相當(dāng)于它的協(xié)處理器。DSP通過本地總線對FPGA進(jìn)行配置、參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的協(xié)同處理。DSP和FPGA各自帶有RAM，用于存放處理過程所需要的數(shù)據(jù)及中間結(jié)果。除了DSP芯片和可重構(gòu)器件FPGA外，硬件設(shè)計(jì)還包括一些外圍的輔助電路，如FLASH EEPROM、外部存儲(chǔ)器等。其中，F(xiàn)LASH EEPROM中存儲(chǔ)了DSP的執(zhí)行程序；外部存儲(chǔ)器則作為FPGA的外部RAM擴(kuò)展，用于存放數(shù)據(jù)處理過程中所需的映射圖樣。

基帶處理單元的需求估計(jì)

基帶處理單元的需求估計(jì)主要包含以下兩個(gè)方面：

各個(gè)業(yè)務(wù)傳輸通道的數(shù)據(jù)處理: 以無線信道承載的最高業(yè)務(wù)速率384Kbps為例進(jìn)行分析。根據(jù)3GPP協(xié)議TS25.211，為支持該種速率業(yè)務(wù)所要求的信道比特速率最大不超過960K(對應(yīng)擴(kuò)頻增益SF=8，每10ms幀內(nèi)的比特?cái)?shù)是9600bits)。系統(tǒng)在1個(gè)10ms幀內(nèi)所要處理的最大數(shù)據(jù)量為：
Wmax= 9600bits。

根據(jù)3GGP 協(xié)議TS 25.212 V2.2.0規(guī)定的下行數(shù)據(jù)基帶處理流程(圖1所示)，并按固定位置復(fù)用的方式進(jìn)行處理，每個(gè)數(shù)據(jù)比特須經(jīng)過最多10個(gè)環(huán)節(jié)的處理過程，分別是：

估算平均每環(huán)節(jié)上每比特的處理要求8條指令。則10ms內(nèi)必須完成的處理指令數(shù)是：9600×10×8=768000條。對應(yīng)的處理能力要求是76.8MIPS。

消息處理：包含消息的解釋、對應(yīng)控制參數(shù)的計(jì)算、發(fā)給對應(yīng)的處理FPGA。估計(jì)需求不超過一條承載64Kbps業(yè)務(wù)的無線信道的基帶數(shù)據(jù)處理的需求。
綜合考慮上述兩個(gè)方面，則整個(gè)基帶數(shù)據(jù)處理的等效需求是：

(9600+2400)×10×8/10ms=96MIPS

以TMS320C5410為例，其內(nèi)部工作時(shí)鐘頻率高達(dá)100MHz，運(yùn)算速度達(dá)100MIPS?；贑的軟件開發(fā)環(huán)境和匯編級并行處理的優(yōu)化程序，優(yōu)化后的并行執(zhí)行效率一般為80%，等效的處理能力為80MIPS?？梢?，若將整個(gè)基帶數(shù)據(jù)處理交給該DSP芯片完成，其處理能力無法滿足整個(gè)處理單元的需求。因此，在基帶處理的實(shí)現(xiàn)方案中，數(shù)據(jù)量小的業(yè)務(wù)，如隨路信令，AMR語音業(yè)務(wù)可由DSP處理；而數(shù)據(jù)量大的業(yè)務(wù)，如64Kbps、144Kbps和384Kbps速率的業(yè)務(wù)，大部分處理環(huán)節(jié)由FPGA完成。具體實(shí)現(xiàn)如下：

DSP作為主控單元，完成數(shù)據(jù)提取、消息解析和部分的基帶數(shù)據(jù)處理功能，如第二次交織和成幀等；
FPGA則在DSP的調(diào)度下完成基帶數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中大部分比較耗時(shí)的處理功能，如：CRC校驗(yàn)、編碼、速率適配等。
在384Kbps業(yè)務(wù)信道加隨路信令的處理中，384bpsK業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由DSP通過同步高速接口以DMA方式遞交給FPGA，在FPGA中處理；而隨路信令因其數(shù)據(jù)量小，在FPGA處理384Kbps業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，隨路信令數(shù)據(jù)在DSP中同時(shí)處理。此方法減少了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高了處理速度。 結(jié)語

本文在分析WCDMA系統(tǒng)因傳輸不同速率和QoS要求的多種業(yè)務(wù)而帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度和數(shù)據(jù)處理延時(shí)的基礎(chǔ)上，著重介紹了作為一個(gè)較好的軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，DSP+FPGA結(jié)構(gòu)在基站分系統(tǒng)的發(fā)送單元實(shí)現(xiàn)中的具體應(yīng)用。該硬件電路的實(shí)際測試表明，該結(jié)構(gòu)不僅在高速率業(yè)務(wù)的處理時(shí)延上符合規(guī)范要求，而且對不同類型的業(yè)務(wù)處理有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，滿足了WCDMA系統(tǒng)對多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)闹С帧?