可編程邏輯PLD和CPU組構W-CDMAmodem

緒論

從用戶數(shù)量和將要支持的服務種類來看，社會對先進的信息服務里，高速Internet接入被認為是理所當然的，語聲和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務不足以滿足用戶的要求。支持大量開支帶寬的多媒體業(yè)務的需求，是用戶向蜂窩系統(tǒng)和網(wǎng)絡提出的新的挑戰(zhàn)。因此，在被稱IMT-2000的動議的推動下，國際電信聯(lián)盟（ITU）提出了幾個能夠滿足這些要求的標準。

很多第三代（3G）無線標準是基于寬待碼分多址（W-CDMA）技術的。W-CDMA籠罩了四處散布的用戶信號。這些各自具有獨特序列的用戶信號生成了發(fā)射波形。匯集接收到的波形又可以重構原始的數(shù)據(jù)。這些操作必須實時進行，因而，要求專用的硬件設備。另外，象多用戶檢測/干擾消除系統(tǒng)和時空適應系統(tǒng)這樣的先進功能也要求非常高的吞吐量。多用戶檢測/干擾消除系統(tǒng)追蹤多個用戶并消除峰窩內部的干擾，而時空適應系統(tǒng)則由開發(fā)空間分集的多個天線構成。

這些速度要求使用普通DSP處理器的可能性，因為普通DSP通常不能滿足上述性能要求。因為ASIC在靈活性上受到限制，使用全定制的器件同樣是不理想的。人們在最佳實現(xiàn)方式上的意見不一致性同利用硬件提高速度的要求，使人們想到基于可編程硬件的開發(fā)平中是最好的。另外，很多W-CDMA接收機模塊要求復雜的算法，而這些算法可以在軟件中有效地實現(xiàn)，因為，它們本質上是串行的。搜索、多徑追蹤和指針分配都是這些算法的例子。這些要求使人們想起接收機系統(tǒng)的理想的硬件實現(xiàn)方案是可編程邏輯和微處理器的結合。

在向日益增高的集成度發(fā)展的過程中，可編程邏輯器件（PLD）已經將邏輯電路和嵌入式存儲器合并了起來，并且最近又合并了微處理器。更高的集成度帶來了一些眾所周知的優(yōu)勢，但是，3G基礎設備制造商特別感興趣的內容是更高的性能（由于片內或者片外延遲的消除），更小的電路板面積和更低的功耗?？删幊踢壿嫼臀⑻幚砥鹘Y合在同一個器件中，進一步地允許設計者非常容易地探索哪些功能用軟件實現(xiàn)最好，哪些功能用硬件實現(xiàn)最好。

數(shù)字解調器

第三代無線設備制造商正試圖提供各種各樣的功能集合和性能水平，從而將其產品區(qū)分為不同的檔次。它們將通過改變W-CDMA調制解調器（modem）的接收機部分的設計來達到這個目的。很明顯，接收機中最復雜、關鍵的部分是數(shù)字解調。數(shù)字解調器負責接收消息信號，而這些消息信號經過無線信道傳輸已經產生了失真。因此，數(shù)字解調器的實現(xiàn)決定著無線接收機的性能。

圖中顯示了用于W-CDMA系統(tǒng)的一個典型的數(shù)字解調器結構方框圖。接收機（未畫出）的射頻（RF）前端將輸入信號向下變頻到中頻（IF）信號。IF信號經過量化后傳送到信道提取電路，信道提取電路從中將感性越的帶寬提取出來。碼片速率為3.84Mbps的寬帶信號在收縮器模塊中收縮帶寬，轉換為一個碼片速率最高為2Mbps的窄帶信號。多徑估計電路是用來同步接收機和發(fā)射機的。為了增加系統(tǒng)容量，可以使用聯(lián)合檢測和抵消方案來去除相對于給定用戶起噪聲作用的信號。多徑合并器將收縮器可以追蹤到的多個路徑上的時延信號合并起來。然后，再對多徑合并器的輸出解交識，并利用維特比譯碼器或者Turbo譯碼器進行譯碼。包括信道提取電路，多徑估計電路/收縮器，多用戶檢測電路和譯碼器在內的四個解調器模塊尤其重要，因為它們提供解調器的信心功能。本文的其余部分將集中討論這四個模塊。

信道提取電路

來自天線的信號首先由RF鏈處理，RF鏈將信號降頻為IF信號。然后，寬帶的ADC電路對信號進行量化處理。在信道提取電路中，使用數(shù)字降頻技術將感性趣的頻帶提取出來。典型的降頻過程包含一些FIR（有限沖激響應）濾波器和一個數(shù)控振蕩器（NCO）。對可編程邏輯用戶來說，這兩種功能模塊都已經是作為用戶可配置的知識產權（IP）內核存在的。

相對于專用標準產品（ASSP）的用戶，PLD用戶的一個優(yōu)勢的精確定義濾波器系數(shù)個數(shù)的靈活性，籍此可以更加有力地控制信道之間的干擾。PLD用戶還可以在信道提取電路中定義多速率參數(shù)，從而在解調器結構的其他部分獲得更高的靈活性。

多徑估計電路和收縮器

為了收縮用戶的寬帶信號，接收機需要使自己的偽隨機碼與發(fā)射機保持同步。另外，為了適應多徑環(huán)境，還需要估計不同路徑上的延遲（相位）。多徑估計電路和收縮器完成這個操作，稱為捕獲和追蹤。實現(xiàn)捕獲的方案有多種。例如，在二次判決方法中，接收到的碼字和本地產生的識字偏移一個碼片的部分長度，然后，在一個預先定義好的周期內做相關運算，判斷兩個序列是否同相。如果同相，就在更長的時間周期內檢查，確保這確實是正確的相位位置。否則，本地的碼遼跳到下一個相位位置，再重復上述過程。在上述過程的重復性給定的情況下，它的控制部分可以由嵌入式處理器以軟件的形式有效地實現(xiàn)。相關器件的形式有效地實現(xiàn)。相關器則可以在邏輯部分實現(xiàn)，并與執(zhí)行控制程序的處理器協(xié)同工作。如果上述兩個部分都在同一個器件中實現(xiàn)（就象用一個包含嵌入式處理器的PLD實現(xiàn)那樣），與使用分立器件處理器的實現(xiàn)方案相比，其延遲將是最小的。

為了追蹤接收到的碼字，一旦捕獲了它，就使用一個“提前-滯后”控制器件。在這個方案中，內部產生的偽隨機碼的超前的復制品C(t+Δ)和滯后的復制品C（t-Δ）與接收到的碼字分別做相關運算。用兩個輸出相加的結果獲得控制本地碼生成器的電壓。采用這種方式，內部生成的偽隨機碼就會緊緊跟蹤接收到的碼字。

多用戶檢測電路

W-CDMA系統(tǒng)的容量是干擾受限的，也就是說，每個用戶的行動相當于其他用戶的干擾。系統(tǒng)對干擾的抵抗能力越強，它可以服務的用戶就越多。多用戶檢測（MUD）技術追蹤多個用戶，并從每個用戶的信號中去掉其他用戶的信號，從而減少多址接入干擾，增加系統(tǒng)的容量。在學術界，MUD方案是一個活躍的討論話量，因為MUD是一個硬件集中的處理過程，它要求大量的算是，使得一個高效的實現(xiàn)方案成為一個挑戰(zhàn)。

大多數(shù)MUD方案包括追蹤多個用戶的多個路徑，估計它們的信號強度，并且在一個用戶的信號從其他用戶的信號中去除之前再生這些信號。在生成干擾信號的過程中，可能會用到矩陣求逆，這是一個耗費處理能力并且難于實時實現(xiàn)的過程。通過DSP的并行處理能力有限，不能滿足這些要求。然而，可編程邏輯可以滿足它們。例如，一個用PLD實現(xiàn)的快速傅里葉變換（FFT）可以實現(xiàn)實時的矩陣求逆，并且，現(xiàn)有的IP內核恰好可供PLD用戶實現(xiàn)這一功能。

為了進一步增強系統(tǒng)的能力，一種有前途的方法是自適應天線技術。這種技術調整環(huán)境的空間分集，從而充分利用目標用戶和干擾用戶的空間輪廊（信號能量在空間中的分布）來改善接收效果。這項技術包含了一個波束，這個波束在目標用戶的方向上有最大的增益，而在干擾用戶的方向上增益為零。使用這種技術時，在解碼之前，想要的信號得到了放大，而干擾信號卻遭到衰減。

正如其名稱暗示的那樣，自適應天線技術使用了一個使天線自身與經常變化的用戶環(huán)境和位置諧調的方案。它包含了一個反饋環(huán)路，與經常變化的用戶環(huán)境和位置諧調的方案。它包含了一個反饋環(huán)境，在這個環(huán)路里面，各個天線單元的加權因子不斷地調整，從而達琺最優(yōu)的信號檢測（例如，使差錯函數(shù)的均方值最小的最陡峭的下降方法）。已知加權因子的刷新頻率與符號速率接近，而且其運算又非常復雜，因此，軟件方法比硬件方法更適于實現(xiàn)這一過程。對天線信號的加權和收縮的操作（在多個碼片速率上進行）可以用邏輯電路實現(xiàn)，而對加權因子的賦值則可以由運行在嵌入式處理器中的軟件來完成。

Turbo譯碼器

Turbo碼是一種基于卷積碼的迭代譯碼方案，這種方案對數(shù)據(jù)進行兩次編碼。首先，一個遞歸的卷積編碼器對數(shù)據(jù)進行編碼。然后，第二個遞歸的卷積編碼器對交織后的數(shù)據(jù)進行編碼（交織是以偽隨機的形式重新排列數(shù)據(jù)比特塊的過程）?，F(xiàn)在，Turbo碼以其相對較大的編碼增益以及合理的計算復雜度受到了廣泛的注意。與其他方法（也就是卷積碼和Reed-Solomon碼）相比，Turbo碼更新近理論上通過噪聲信道傳輸?shù)淖畲笮畔⒙实南赊r（Shannon）界。

Turbo譯碼器有兩個單獨的譯碼器和一個交織/解交識器組成。在譯碼過程中，從來自一個編碼器在譯碼過程中，從來自一個編碼器的數(shù)據(jù)解碼得到了修正值可以用來輔助解碼來自另一個編碼數(shù)的數(shù)據(jù)。在使用修正值修改輸出之前，譯碼器多次交換和改進修正值。W-CDMA標準規(guī)定的Turbo編/譯碼方案非常復雜。其內部的譯碼器通常是以軟輸入/軟輸出的維持比譯碼器或者MAP譯碼器為基礎的，它些譯碼器必須并行執(zhí)行很多操作，以達到要示訴2Mbps數(shù)據(jù)速率。按照W-CDMA標準的規(guī)定，交織器以素數(shù)序列為基礎，并且，它可以對所有可能的大小不同的數(shù)據(jù)塊進行交織，因此交織器的實現(xiàn)也是非常復雜的。

正如解調器的其他部分那樣，Turbo譯碼器的復雜度以及W-CDMA標準對它的性參要求排除了使用DSP實現(xiàn)的可能性。然而，可編程邏輯可以滿足2Mbps的規(guī)范，并且現(xiàn)有的用于可編程邏輯的Turbo編/譯碼器的IP設計在很多應用中甚至可以達到更高的數(shù)據(jù)速率。

結論

基于3GW-CDMA的標準具有將無線通信發(fā)展到下一個更高層次的潛力。在這個層次上，對大眾用戶來說，高速數(shù)據(jù)業(yè)務和多媒體業(yè)務都將成為現(xiàn)實。為了實現(xiàn)這個目標，需要發(fā)展裝備了多用戶檢測和自適應天線等先進技術的系統(tǒng)。先進的系統(tǒng)所需求的靈活且同時具有正確的功能的開發(fā)平臺是一個關鍵，綜合可編程邏輯功能和嵌入式處理器功能的實現(xiàn)平臺就是這樣的平臺之一。當前，很多第三代設備開發(fā)商正在使用PLD開發(fā)其系統(tǒng)的原型機。由于具有嵌入式處理器的PLD不但在集成度、靈活性和產品面市時間等方面具有優(yōu)勢，而且，還提供以原來1/10的成本轉向掩模編程型號的選擇，越來越多的3G產品將通過使用最新的可編程邏輯而大受裨益。