基帶信號(hào)發(fā)生器的FPGA+DSP實(shí)現(xiàn)

　　1　引言

　　第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是為滿(mǎn)足人們對(duì)寬帶移動(dòng)通信的要求而產(chǎn)生的，他除能提供傳統(tǒng)的電路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（語(yǔ)音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）以外還能提供最高達(dá)2 Mb/s的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。CDMA2000技術(shù)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。本文主要探討基帶信號(hào)源中CDMA2000下行基帶信號(hào)模塊的實(shí)現(xiàn)方案。

　　CDMA2000下行鏈路物理信道分為2類(lèi)：一類(lèi)是公共物理信道，一類(lèi)是專(zhuān)用物理信道。其中公用物理信道包括：導(dǎo)頻信道、同步信道、尋呼信道、廣播信道、快速尋呼信道、公共功率控制信道、前向公共控制信道、公共指配信道。專(zhuān)用物理信道包括：前向?qū)Ｓ幂o助導(dǎo)頻信道、專(zhuān)用控制信道、前向基本信道、前向補(bǔ)充碼分信道（RC1，RC2），前向補(bǔ)充信道（RC3~RC9）。CDMA2000下行信道基帶處理過(guò)程如圖1所示。



　　基本信息比特進(jìn)行信道編碼和交織處理后進(jìn)行長(zhǎng)碼加擾以區(qū)分用戶(hù)，然后數(shù)據(jù)流進(jìn)行符號(hào)映射即將0變?yōu)?1，1變?yōu)?，經(jīng)變換后的數(shù)據(jù)流再進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，即將串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，再經(jīng)WALSH碼擴(kuò)頻（區(qū)分信道），最后數(shù)據(jù)經(jīng)基帶濾波形成前向基帶信號(hào)。

　　其中的信道編碼和交織進(jìn)行的處理又包括加1位的保留位或標(biāo)志位，加幀質(zhì)量指示（CRC），加8位尾比特或保留位，卷積/Turbo編碼和速率匹配等一系列操作。如圖2所示。



　　信道編碼和交織處理過(guò)程如圖2所示。在信息比特流加入了幀質(zhì)量指示（循環(huán)冗余校驗(yàn)比特）和糾錯(cuò)比特，實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積/Turbo編碼是為了對(duì)抗傳輸信道中的隨機(jī)誤差，提高信道傳輸性能。為了適應(yīng)多種速率傳輸，信道編碼方案中還增加了速率匹配功能。速率匹配是將傳輸信道上的數(shù)據(jù)比特打孔或重復(fù)，以便達(dá)到信道映射時(shí)傳輸格式要求的比特速率。在信道編碼中，采用交織技術(shù)可分散突發(fā)連續(xù)錯(cuò)誤，減少信道編碼需要校正的連續(xù)錯(cuò)誤，使連續(xù)誤碼離散化成隨機(jī)錯(cuò)誤以便利用前面的信道編碼手段糾正。

　　2CDMA2000下行鏈路基帶處理的關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1卷積/Turbo編碼

　　卷積編碼屬于信道編碼，主要用來(lái)糾正碼元的隨機(jī)誤差，他以犧牲效率換取可靠性，利用增加監(jiān)督位進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，這對(duì)數(shù)字移動(dòng)通信十分必要。如圖3所示是編碼效率R=1 /2，約束長(zhǎng)度K=9的卷積碼的原理框圖。



　　Turbo編碼是近年來(lái)倍受矚目的一項(xiàng)新技術(shù)，他是在卷積編碼、級(jí)聯(lián)碼和最大后驗(yàn)功率譯碼基礎(chǔ)上的一種推廣和創(chuàng)新,Turbo編碼后的誤碼率(BER)近似為10-5，接近Shannon極限的性能，他不僅在信噪比較低的高噪聲環(huán)境下性能優(yōu)越，而且具有很強(qiáng)的抗衰落、抗干擾能力。Turb o碼的優(yōu)良性能受到移動(dòng)通信領(lǐng)域特別是第三代移動(dòng)通信體制的重視，所有的第三代無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)都采用了Turbo編碼。但因?yàn)門(mén)urbo編碼實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，所以他主要用于高速率數(shù)據(jù)信道，而卷積編碼用于低速率話音信道。如圖4為T(mén)urbo編碼的原理框圖。



　　2.2交織

　　對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行交織可以改善碼距分布。交織就是用某種一一對(duì)應(yīng)的確定性方法重新排列二進(jìn)制和非二進(jìn)制序列順序的過(guò)程，以此來(lái)隨機(jī)化突發(fā)錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)特性，使得信道無(wú)記憶。交織技術(shù)是為了抵抗無(wú)線信道的噪聲以及衰落的影響而采取的時(shí)間分集技術(shù)，他在接收技術(shù)中具有重要的作用，在編碼過(guò)程中采用交織算法是為了對(duì)信息流進(jìn)行糾錯(cuò)控制。交織技術(shù)分散了隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤，采用交織技術(shù)使成群錯(cuò)誤趨向更隨機(jī)地分布，改善了碼組的誤碼率性能。下面僅給出對(duì)于前向同步和尋呼信道以及業(yè)務(wù)信道在RC1和RC2配置下的交織器數(shù)據(jù)輸出地址的計(jì)算公式：
　　
　　其中：Ai表示被讀出符號(hào)的地址，i=1,2,…，N1，N表示交織器長(zhǎng)度；［x］表示向下取整；imod j表示i對(duì)j取模；BROm表示y的m位比特反轉(zhuǎn)值；m與j為交織器參數(shù)可查表得到。

　　2.3擾碼

　　擾碼技術(shù)即用PN碼與已擴(kuò)頻碼相乘，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的加密。擾碼之間必須有良好的正交性。上行鏈路物理信道加擾的作用是區(qū)分用戶(hù)，下行鏈路加擾可以區(qū)分小區(qū)和信道。42位長(zhǎng)PN碼的特征多項(xiàng)式如下公式：
　　
　　15位的PN短碼用于QPSK調(diào)制的I，Q支路的直接序列擴(kuò)頻，兩支路的短PN碼特征多項(xiàng)式分別為：
　　

　　2.4擴(kuò)頻

　　擴(kuò)頻操作又叫信道化操作，即用一個(gè)高速數(shù)字序列(擴(kuò)頻碼)與數(shù)字信號(hào)相乘，把數(shù)據(jù)符號(hào)轉(zhuǎn)換成一系列碼片，從而大大提高了數(shù)字符號(hào)的速率，增加了信號(hào)帶寬。由信號(hào)理論知道，脈沖信號(hào)寬度越窄，其頻譜就越寬，信號(hào)的頻帶寬度和脈沖寬度近似成反比，因此，越窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，可產(chǎn)生頻帶很寬的信號(hào)。擴(kuò)頻碼序列就是很窄的脈沖序列。通過(guò)擴(kuò)頻操作信號(hào)頻譜被大大拓寬了。在常規(guī)通信中，為了提高頻率利用率，通常都是采用大體相當(dāng)帶寬的信號(hào)來(lái)傳輸信息，即在無(wú)線電通信中射頻信號(hào)的帶寬和所傳信息的帶寬是屬于同一個(gè)數(shù)量級(jí)的，但擴(kuò)頻通信的信號(hào)帶寬與信息帶寬之比則高達(dá)100～1 000，屬于寬帶通信，這樣做是為了提高通信的抗干擾能力，這是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)展的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾能力就越強(qiáng)。在接收端用與發(fā)送端完全相同的擴(kuò)頻碼序列來(lái)進(jìn)行解擴(kuò)。

　　2.5基帶濾波

　　基帶部分濾波器就是脈沖成形濾波器 (LPF)。由于輸出信號(hào)是帶寬受限的，所以擴(kuò)頻調(diào)制器的輸出碼片流要利用脈沖成形濾波器進(jìn)行濾波。

　　2.6QPSK調(diào)制

　　QSPK正交調(diào)制器方框圖如圖5所示，他可以被看成是由2個(gè)BSPK 調(diào)制器構(gòu)成。輸入的串行二進(jìn)制信息序列經(jīng)串/并變換，分成兩路速率減半的序列，電平發(fā)生器分別產(chǎn)生雙極性二電平信號(hào)I(t)和Q(t)，然后用載波分別進(jìn)行調(diào)制，相加后即得到QPSK信號(hào)。QPSK調(diào)制效率高，要求傳送途徑的信噪比低，非常適用于CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)。其原理框圖如圖5所示。



　　3　CDMA2000下行鏈路處理模塊的實(shí)現(xiàn)

　　第一步在實(shí)現(xiàn)基帶模塊之前，首先必須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)、協(xié)議要求。

　　第二步是根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行芯片的選擇，可供選擇的芯片包括DSP，F(xiàn)PGA 和單片機(jī)。其中，DSP 芯片可單獨(dú)完成整個(gè)基帶部分的處理，典型的以DSP為核心的基帶模塊的主要特點(diǎn) 是方便的可測(cè)量性、單個(gè)信道的低耗費(fèi)以及簡(jiǎn)便的軟硬件升級(jí)性。也可選擇DSP與FPGA 搭配使用，FPGA+DSP結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性，適于模塊化設(shè)計(jì)，從而能夠提高算法效率，同時(shí)其開(kāi)發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，適合于實(shí)時(shí)信號(hào)處理。采用不同的芯片進(jìn)行處理，會(huì)導(dǎo)致不同的系統(tǒng)性能，要得到最佳的系統(tǒng)性能，就必須在這一步確定最佳的芯片選擇搭配。

　　在完成第二步之后，就是總體設(shè)計(jì)確定軟硬件分工?；鶐K的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)首先要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量的大小、對(duì)運(yùn)算精度的要求、系統(tǒng)成 本限制以及體積、功耗等要求選擇合適芯片。然后設(shè)計(jì)芯片的外圍電路及其他電路。軟件設(shè)計(jì)和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的芯片編寫(xiě)相應(yīng)的匯編程序，若系統(tǒng)運(yùn)算量不大且有高級(jí)語(yǔ)言編譯器支持，也可用高級(jí)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言）編程。由于現(xiàn)有的高級(jí)語(yǔ)言編譯器的效率還比不上手工編寫(xiě)匯編語(yǔ)言的效率，因此在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中常采用高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程方法，即在算法運(yùn)算量大的地方，用手工編寫(xiě)的方法編寫(xiě)匯編語(yǔ)言，而運(yùn)算量不大的地方則采用高級(jí)語(yǔ)言。

　　硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，需進(jìn)行硬件和軟件的調(diào)試。軟件的調(diào)試一般借助于芯片開(kāi)發(fā)工具，如軟件模擬器、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。硬件調(diào)試一般采用硬件仿真器進(jìn)行調(diào)試，如果沒(méi)有相應(yīng)的硬件仿真器，且硬件系統(tǒng)不是十分復(fù)雜，也可以借助于一般的工具進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)的軟件和硬件分別調(diào)試完成后，對(duì)軟硬件進(jìn)行系統(tǒng)集成。最后，完成系統(tǒng)調(diào)試。實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。



　　4　結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)的基帶信號(hào)發(fā)生器CDMA2000下行鏈路基帶模塊設(shè)計(jì)將移動(dòng)通信中的各種關(guān)鍵技術(shù)融為一體，形成具有整體性的CDMA數(shù)字基帶處理技術(shù)。在CDMA2000基帶設(shè)計(jì)過(guò)程中融入了軟件無(wú)線電的思想，提出了無(wú)線信號(hào)發(fā)生源CDMA2000無(wú)線傳輸技術(shù)的基帶處理方案，設(shè)計(jì)出信號(hào)源數(shù)字基帶處理的軟硬件實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)時(shí)運(yùn)用了FPGA+DSP這樣一種靈活的現(xiàn)代電子技術(shù)方案。

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