基于FPGA的分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)能量擴(kuò)散模塊實(shí)現(xiàn)

　　*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)(編號(hào)：2016ZX03002010)

　　引言

　　我國(guó)移動(dòng)通信的發(fā)展經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的過(guò)程，包括TACS、GSM、CDMA等2G移動(dòng)通信系統(tǒng)以及WCDMA和TD-SCDMA等3G移動(dòng)通信系統(tǒng)。3G及其以后的移動(dòng)通信系統(tǒng)追求的主要目標(biāo)是高速率數(shù)據(jù)、廣覆蓋和大容量。我國(guó)已從3G逐步過(guò)渡到4G無(wú)線技術(shù)，隨著4G技術(shù)的大量普及，其峰值速率要求越來(lái)越高，比如4G中低速移動(dòng)性時(shí)峰值傳輸速率能超過(guò)100Mbit/s甚至更高。鑒于4G TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)下傳輸速率要求過(guò)高，本文在無(wú)線傳播方式下，提出了分組長(zhǎng)期演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)下能量擴(kuò)散模塊的Verilog-HDL設(shè)計(jì)方法，在Xilinx ISE開發(fā)軟件上實(shí)現(xiàn)軟件仿真并在fpga開發(fā)板上設(shè)計(jì)出能量擴(kuò)散模塊電路。能量擴(kuò)散的目的就是使數(shù)據(jù)信號(hào)的能量不至于過(guò)分的集中在連續(xù)“0”或“1”所對(duì)應(yīng)的頻率上，從而得以減小對(duì)其他通信設(shè)備的損害，也就不會(huì)對(duì)接收效果造成影響。

　　1 TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)傳輸碼流數(shù)據(jù)包幀結(jié)構(gòu)

　　TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)下，上下行數(shù)據(jù)在同一頻率內(nèi)傳輸，使用非成對(duì)頻譜。

圖1 TDD幀結(jié)構(gòu)類型(5 ms切換周期)

　　TDD下，每個(gè)系統(tǒng)幀長(zhǎng)達(dá)10 ms，由2個(gè)長(zhǎng)達(dá)5 ms的半幀(half-frame)組成。每個(gè)半幀由5個(gè)長(zhǎng)達(dá)1 ms的子幀組成。TDD中的子幀包括正常子幀和特殊子幀。對(duì)于TDD而言，上下行傳輸是通過(guò)時(shí)域區(qū)分開的。TDD支持7種不同的上下行配置(uplink-downlink configuration)，對(duì)應(yīng)不同的上下行配比，具體見表1。其中“D”對(duì)應(yīng)一個(gè)下行子幀，“U”對(duì)應(yīng)一個(gè)上行子幀，“S”對(duì)應(yīng)一個(gè)特殊子幀。我們將“D”和“U”對(duì)應(yīng)的子幀稱為正常子幀，以此與特殊子幀“S”區(qū)分開來(lái)。

　　TDD上下行配置是通過(guò)RRC消息中的TDD-Config->subframeAssignment字段來(lái)設(shè)置的。

       表1 上下行配置

　　從表1可以看出，TDD上下行配置支持5 ms和10 ms的下行到上行的切換周期。在5 ms的切換周期中，在2個(gè)半幀都存在特殊子幀;在10 ms的切換周期中，只有第一個(gè)半幀存在特殊子幀。在此論文中，將TDD的7種不同的上下行配置簡(jiǎn)稱為TDD 0~6。TDD下的正常子幀結(jié)構(gòu)與FDD下的子幀結(jié)構(gòu)是相同。

　　特殊子幀包含3個(gè)域：DwPTS、GP和UpPTS，這3個(gè)域的時(shí)長(zhǎng)相加等于1 ms。特殊子幀有9種不同的配置，對(duì)應(yīng)不同的DwPTS和UpPTS長(zhǎng)度，見表2。特殊子幀配置是通過(guò)RRC消息中的TDD-Config-> specialSubframePatterns字段來(lái)設(shè)置的。

　　表2 特殊子幀( DwPTS/GP/UpPTS的時(shí)長(zhǎng)).

　　與FDD類似，TDD下的每個(gè)子幀(包括特殊子幀)長(zhǎng)達(dá)1 ms，由2個(gè)連續(xù)的slot組成，每個(gè)slot長(zhǎng)達(dá)0.5 ms( )。子幀0、5以及DwPTS總是用于下行傳輸;UpPTS以及緊隨特殊子幀之后的子幀總是用于上行傳輸。

　　圖2 LTE時(shí)域結(jié)構(gòu)

　　一個(gè)slot由多個(gè)符號(hào)(symbol)組成，每個(gè)符號(hào)(用L表示)由循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，簡(jiǎn)稱CP)和可用的符號(hào)時(shí)間組成。上行使用SC-FDMA符號(hào)(SC-FDMA symbol)，下行使用OFDM符號(hào)(OFDM symbol)。

　　圖3 能量分散后數(shù)據(jù)格式

　　TD-LTE傳輸碼流幀結(jié)構(gòu)中偶爾集中出現(xiàn)連續(xù)“0”或連續(xù)“1”狀態(tài)，這會(huì)對(duì)硬件板的發(fā)射功率造成很大的損耗，降低了傳輸效率，假如在發(fā)射環(huán)節(jié)突發(fā)此種狀況，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)其他通信設(shè)備造成不可忽略的損害，同時(shí)，也會(huì)對(duì)接收效果造成一定影響，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)碼流傳輸速率大大的降低。而能量擴(kuò)散的目的就是使這些數(shù)據(jù)信號(hào)的能量不至于過(guò)分的集中在“0”或“1”所對(duì)應(yīng)的頻率上，從而得以減小對(duì)其他通信設(shè)備的損害，也就不會(huì)對(duì)接收效果造成影響。具體實(shí)施上，就是將傳輸碼流二進(jìn)制數(shù)據(jù)依次與偽隨機(jī)二進(jìn)制序列進(jìn)行異或運(yùn)算，以達(dá)到使能量集中的連續(xù)“0”或連續(xù)“1”分散開來(lái)，圖3為處理過(guò)后的數(shù)據(jù)。這樣，便使“0”和“1”對(duì)應(yīng)的功率譜密度分布相對(duì)合理，數(shù)據(jù)碼流中從“1”到“0”或從“0”到“1”的跳躍變動(dòng)頻率更大，大大提升了接收數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。為了保證原始碼流的完整恢復(fù)，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)需同步實(shí)現(xiàn)擾碼過(guò)程，實(shí)際上，擾碼過(guò)程是能量擴(kuò)散的中心環(huán)節(jié)。

　　 偽隨機(jī)二進(jìn)制序列

　　擾碼過(guò)程中，能量分散就是采用偽隨機(jī)二進(jìn)制序列 (Pseudo-Random Binary Sequence，簡(jiǎn)稱PRBS)與傳輸碼流中的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算得到，PRBS生成多項(xiàng)式為：

　　其中，g(x)是PRBS生成多項(xiàng)式;x14 ，x15分別為寄存器的14級(jí)，15級(jí)狀態(tài)。

　　經(jīng)過(guò)驗(yàn)證篩選，把PRBS的初始序列定為“100101010000000”，同時(shí)每隔8個(gè)傳輸數(shù)據(jù)包對(duì)PRBS重新進(jìn)行初始化，并將第一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)包的同步字節(jié)取反作為一個(gè)完整周期的起始標(biāo)志。偽隨機(jī)二進(jìn)制序列的變化及參與能量擴(kuò)散過(guò)程原理圖如圖4所示。

圖4 能量分散原理圖

　　從能量分散原理圖(見圖4)可知，偽隨機(jī)二進(jìn)制序列發(fā)生器中的移存器的反饋線從第14級(jí)和第15級(jí)取出，經(jīng)模二加后送入移存器的第一級(jí)，這樣便實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)二進(jìn)制序列的循環(huán)往復(fù)。

　　二進(jìn)制傳輸碼流與偽隨機(jī)二進(jìn)制序列進(jìn)行異或過(guò)程，即能量分散過(guò)程詳細(xì)圖解如圖5所示：

圖5 能量分散過(guò)程圖

　　能量擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)是擾碼，擾碼器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)反饋移位寄存器，其輸出為一個(gè)m序列。它能最有效的將輸入數(shù)據(jù)碼流攪亂，使輸出數(shù)據(jù)碼元之間的相關(guān)性最小。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，擾碼器的初始狀態(tài)應(yīng)該被設(shè)置為非零的偽隨機(jī)序列，正如上述定義的初始序列為“100101010000000”，為了使擾碼過(guò)后形成“0”與“1”之間的頻繁跳變，初始狀態(tài)的設(shè)置尤為重要。在接收端接收時(shí)，可以用同樣的擾碼器進(jìn)行相應(yīng)地解擾。

　　由前面所述可知，能量擴(kuò)散是通過(guò)偽隨機(jī)二進(jìn)制序列來(lái)完成的。偽隨機(jī)序列碼有很多種，其中用多級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的m序列即最長(zhǎng)線性移存器序列是最常用的一種，這不僅僅是因?yàn)槠湫阅芸煽?，電路易于?shí)現(xiàn)，更重要的是m序列碼具有以下特性：

　　1)均衡特性。也稱為平衡性，由n級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的m序列中，n位二進(jìn)制數(shù)字去掉無(wú)意義的全零外，共有p=2n-1，故其長(zhǎng)度為2n-1，即周期為2n-1比特。在每一周期內(nèi)，“0”出現(xiàn)2n-1-1次，“1”出現(xiàn)2n-1次，“0”比“1”只少出現(xiàn)一次，“0”和“1”出現(xiàn)的次數(shù)認(rèn)為是均衡的。

　　2)m序列的自相關(guān)函數(shù)。就是m序列與其移位過(guò)后的序列之間的相關(guān)程度。若m序列的周期為p，R(k)記為m序列與其移位k位過(guò)后新序列的相關(guān)函數(shù)，它只有兩種取值，

　　R(k)是一個(gè)周期函數(shù)，即R(k)=R(k+cp) ，同時(shí)R(k)還是偶函數(shù)，即R(k)=R(-k), k為整數(shù)。m序列的自相關(guān)函數(shù)示意圖如圖6所示：

　　3)移位相加特性。即線性疊加性，m序列與它的位移序列經(jīng)過(guò)模二相加后，所得到的新序列仍是該m序列地某個(gè)位移序列，這樣，就實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)序列的依次順序移位。

　　4)偽噪聲特性。假設(shè)對(duì)任一服從正態(tài)分布的高斯白噪聲取樣，若取樣值為正，則記為+1，取樣值為負(fù)，則記為-1，將每次取樣所得到的結(jié)果排成序列，可寫成···+1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，-1，-1，···這是一個(gè)隨機(jī)的數(shù)據(jù)序列，具有如下特性：一，序列中出現(xiàn)-1和+1的概率相等;二，一般地，長(zhǎng)度為k的序列的游程約占2-k，同時(shí)-1和+1游程的數(shù)目也各占一半;三，由于白噪聲的功率譜為常數(shù)c，因此其自相關(guān)函數(shù)為一沖擊函數(shù)δ(τ)。從以上特性可知，m序列碼是一個(gè)很好的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列。

　　 能量擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)過(guò)程及仿真結(jié)果

　　依據(jù)前文介紹，現(xiàn)把能量擴(kuò)散(擾碼)實(shí)現(xiàn)過(guò)程原理轉(zhuǎn)化成示意圖，如圖7所示。

　　仿真軟件采用ISE軟件(XILINX公司)。TD-LTE的輸入碼流以字節(jié)為單位且并行傳輸，但能量擴(kuò)散擾碼過(guò)程處理的是串行數(shù)據(jù)，因此，必須先處理以字節(jié)為單位的并行數(shù)據(jù)，把其轉(zhuǎn)換成以bit為單位的串行數(shù)據(jù)，本文通過(guò)DATA-BUFFER緩存模塊來(lái)完成輸入數(shù)據(jù)幀碼流中的并轉(zhuǎn)串過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，完全符合擾碼(能量擴(kuò)散)過(guò)程的前期要求。

　　 結(jié)論

　　本文充分利用了 序列的偽隨機(jī)特性，在ISE軟件工具上，實(shí)踐了TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)下基于FPGA的能量擴(kuò)散方法，仿真結(jié)果以及在線硬件測(cè)試結(jié)果表明，本文提供的方法實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目中涉及到的無(wú)線通信TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)下能量擴(kuò)散的功能。