可編程邏輯PLD和CPU組構(gòu)W-CDMAmodem

緒論

從用戶數(shù)量和將要支持的服務(wù)種類來看，社會對先進的信息服務(wù)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(wù)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(wù)的需求，是用戶向蜂窩系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(gòu)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(shè)備。另外，象多用戶檢測/干擾消除系統(tǒng)和時空適應(yīng)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(nèi)部的干擾，而時空適應(yīng)系統(tǒng)則由開發(fā)空間分集的多個天線構(gòu)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(fù)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(zhì)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(jié)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(jīng)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(chǔ)設(shè)備制造商特別感興趣的內(nèi)容是更高的性能（由于片內(nèi)或者片外延遲的消除），更小的電路板面積和更低的功耗。可編程邏輯和微處理器結(jié)合在同一個器件中，進一步地允許設(shè)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(diào)器

第三代無線設(shè)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(chǎn)品區(qū)分為不同的檔次。它們將通過改變W-CDMA調(diào)制解調(diào)器（modem）的接收機部分的設(shè)計來達到這個目的。很明顯，接收機中最復(fù)雜、關(guān)鍵的部分是數(shù)字解調(diào)。數(shù)字解調(diào)器負責接收消息信號，而這些消息信號經(jīng)過無線信道傳輸已經(jīng)產(chǎn)生了失真。因此，數(shù)字解調(diào)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(diào)器結(jié)構(gòu)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(jīng)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(zhuǎn)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(nèi)的四個解調(diào)器模塊尤其重要，因為它們提供解調(diào)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(shù)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(yīng)）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(jīng)是作為用戶可配置的知識產(chǎn)權(quán)（IP）內(nèi)核存在的。

相對于專用標準產(chǎn)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(diào)器結(jié)構(gòu)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(yīng)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(chǎn)生的識字偏移一個碼片的部分長度，然后，在一個預(yù)先定義好的周期內(nèi)做相關(guān)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(nèi)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(fù)上述過程。在上述過程的重復(fù)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(guān)器件的形式有效地實現(xiàn)。相關(guān)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(nèi)部產(chǎn)生的偽隨機碼的超前的復(fù)制品C(t+Δ)和滯后的復(fù)制品C（t-Δ）與接收到的碼字分別做相關(guān)運算。用兩個輸出相加的結(jié)果獲得控制本地碼生成器的電壓。采用這種方式，內(nèi)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(wù)的用戶就越多。多用戶檢測（MUD）技術(shù)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(shù)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(nèi)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(yīng)天線技術(shù)。這種技術(shù)調(diào)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(shù)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(shù)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(yīng)天線技術(shù)使用了一個使天線自身與經(jīng)常變化的用戶環(huán)境和位置諧調(diào)的方案。它包含了一個反饋環(huán)路，與經(jīng)常變化的用戶環(huán)境和位置諧調(diào)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(quán)因子不斷地調(diào)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(quán)因子的刷新頻率與符號速率接近，而且其運算又非常復(fù)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(quán)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(quán)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(fù)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(nóng)（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(fù)雜。其內(nèi)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(chǔ)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(chǔ)，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(fù)雜的。

正如解調(diào)器的其他部分那樣，Turbo譯碼器的復(fù)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(shè)計在很多應(yīng)用中甚至可以達到更高的數(shù)據(jù)速率。

結(jié)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(wù)和多媒體業(yè)務(wù)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(yīng)天線等先進技術(shù)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(guān)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(shè)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(chǎn)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(zhuǎn)向掩模編程型號的選擇，越來越多的3G產(chǎn)品將通過使用最新的可編程邏輯而大受裨益。