基帶信號發(fā)生器的FPGA+DSP實現(xiàn)
加入技術交流群
1 引言
第三代移動通信系統(tǒng)是為滿足人們對寬帶移動通信的要求而產(chǎn)生的，他除能提供傳統(tǒng)的電路數(shù)據(jù)業(yè)務（語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務）以外還能提供最高達2 Mb/s的分組數(shù)據(jù)業(yè)務。CDMA2000技術是第三代移動通信系統(tǒng)的主要標準之一。本文主要探討基帶信號源中CDMA2000下行基帶信號模塊的實現(xiàn)方案。
CDMA2000下行鏈路物理信道分為2類：一類是公共物理信道，一類是專用物理信道。其中公用物理信道包括：導頻信道、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。專用物理信道包括：前向專用輔助導頻信道、專用控制信道、前向基本信道、前向補充碼分信道（RC1，RC2），前向補充信道（RC3~RC9）。CDMA2000下行信道基帶處理過程如圖1所示。
基本信息比特進行信道編碼和交織處理后進行長碼加擾以區(qū)分用戶，然后數(shù)據(jù)流進行符號映射即將0變?yōu)?1，1變?yōu)?，經(jīng)變換后的數(shù)據(jù)流再進行串并轉換，即將串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，再經(jīng)WALSH碼擴頻（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。
其中的信道編碼和交織進行的處理又包括加1位的保留位或標志位，加幀質量指示（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程如圖2所示。在信息比特流加入了幀質量指示（循環(huán)冗余校驗比特）和糾錯比特，實現(xiàn)檢錯。對數(shù)據(jù)進行卷積/Turbo編碼是為了對抗傳輸信道中的隨機誤差，提高信道傳輸性能。為了適應多種速率傳輸，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，以便達到信道映射時傳輸格式要求的比特速率。在信道編碼中，采用交織技術可分散突發(fā)連續(xù)錯誤，減少信道編碼需要校正的連續(xù)錯誤，使連續(xù)誤碼離散化成隨機錯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鍵技術
2.1卷積/Turbo編碼
卷積編碼屬于信道編碼，主要用來糾正碼元的隨機誤差，他以犧牲效率換取可靠性，利用增加監(jiān)督位進行檢錯和糾錯，這對數(shù)字移動通信十分必要。如圖3所示是編碼效率R=1 /2，約束長度K=9的卷積碼的原理框圖。
Turbo編碼是近年來倍受矚目的一項新技術，他是在卷積編碼、級聯(lián)碼和最大后驗功率譯碼基礎上的一種推廣和創(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，而且具有很強的抗衰落、抗干擾能力。Turb o碼的優(yōu)良性能受到移動通信領域特別是第三代移動通信體制的重視，所有的第三代無線接口標準都采用了Turbo編碼。但因為Turbo編碼實現(xiàn)復雜，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Turbo編碼的原理框圖。
2.2交織
對輸入的數(shù)據(jù)進行交織可以改善碼距分布。交織就是用某種一一對應的確定性方法重新排列二進制和非二進制序列順序的過程，以此來隨機化突發(fā)錯誤的統(tǒng)計特性，使得信道無記憶。交織技術是為了抵抗無線信道的噪聲以及衰落的影響而采取的時間分集技術，他在接收技術中具有重要的作用，在編碼過程中采用交織算法是為了對信息流進行糾錯控制。交織技術分散了隨機錯誤和突發(fā)錯誤，采用交織技術使成群錯誤趨向更隨機地分布，改善了碼組的誤碼率性能。下面僅給出對于前向同步和尋呼信道以及業(yè)務信道在RC1和RC2配置下的交織器數(shù)據(jù)輸出地址的計算公式：
其中：Ai表示被讀出符號的地址，i=1,2,…，N1，N表示交織器長度；［x］表示向下取整；imod j表示i對j取模；BROm表示y的m位比特反轉值；m與j為交織器參數(shù)可查表得到。
2.3擾碼
擾碼技術即用PN碼與已擴頻碼相乘，實現(xiàn)對信號的加密。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，下行鏈路加擾可以區(qū)分小區(qū)和信道。42位長PN碼的特征多項式如下公式：
15位的PN短碼用于QPSK調制的I，Q支路的直接序列擴頻，兩支路的短PN碼特征多項式分別為：
2.4擴頻
擴頻操作又叫信道化操作，即用一個高速數(shù)字序列(擴頻碼)與數(shù)字信號相乘，把數(shù)據(jù)符號轉換成一系列碼片，從而大大提高了數(shù)字符號的速率，增加了信號帶寬。由信號理論知道，脈沖信號寬度越窄，其頻譜就越寬，信號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制，可產(chǎn)生頻帶很寬的信號。擴頻碼序列就是很窄的脈沖序列。通過擴頻操作信號頻譜被大大拓寬了。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帶寬的信號來傳輸信息，即在無線電通信中射頻信號的帶寬和所傳信息的帶寬是屬于同一個數(shù)量級的，但擴頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達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，這是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。擴頻通信系統(tǒng)擴展的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾能力就越強。在接收端用與發(fā)送端完全相同的擴頻碼序列來進行解擴。
2.5基帶濾波
基帶部分濾波器就是脈沖成形濾波器 (LPF)。由于輸出信號是帶寬受限的，所以擴頻調制器的輸出碼片流要利用脈沖成形濾波器進行濾波。
2.6QPSK調制
QSPK正交調制器方框圖如圖5所示，他可以被看成是由2個BSPK 調制器構成。輸入的串行二進制信息序列經(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I(t)和Q(t)，然后用載波分別進行調制，相加后即得到QPSK信號。QPSK調制效率高，要求傳送途徑的信噪比低，非常適用于CDMA移動通信系統(tǒng)。其原理框圖如圖5所示。
3 CDMA2000下行鏈路處理模塊的實現(xiàn)
第一步在實現(xiàn)基帶模塊之前，首先必須根據(jù)應用系統(tǒng)的目標確定系統(tǒng)的性能指標、協(xié)議要求。
第二步是根據(jù)系統(tǒng)的要求進行芯片的選擇，可供選擇的芯片包括DSP，F(xiàn)PGA 和單片機。其中，DSP 芯片可單獨完成整個基帶部分的處理，典型的以DSP為核心的基帶模塊的主要特點 是方便的可測量性、單個信道的低耗費以及簡便的軟硬件升級性。也可選擇DSP與FPGA 搭配使用，FPGA+DSP結構最大的特點是結構靈活，有較強的通用性，適于模塊化設計，從而能夠提高算法效率，同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護和擴展，適合于實時信號處理。采用不同的芯片進行處理，會導致不同的系統(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，就是總體設計確定軟硬件分工?；鶐K的設計包括硬件設計和軟件設計2個方面。硬件設計首先要根據(jù)系統(tǒng)運算量的大小、對運算精度的要求、系統(tǒng)成 本限制以及體積、功耗等要求選擇合適芯片。然后設計芯片的外圍電路及其他電路。軟件設計和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的芯片編寫相應的匯編程序，若系統(tǒng)運算量不大且有高級語言編譯器支持，也可用高級語言（如C語言）編程。由于現(xiàn)有的高級語言編譯器的效率還比不上手工編寫匯編語言的效率，因此在實際應用系統(tǒng)中常采用高級語言和匯編語言的混合編程方法，即在算法運算量大的地方，用手工編寫的方法編寫匯編語言，而運算量不大的地方則采用高級語言。
硬件和軟件設計完成后，需進行硬件和軟件的調試。軟件的調試一般借助于芯片開發(fā)工具，如軟件模擬器、開發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。硬件調試一般采用硬件仿真器進行調試，如果沒有相應的硬件仿真器，且硬件系統(tǒng)不是十分復雜，也可以借助于一般的工具進行調試。系統(tǒng)的軟件和硬件分別調試完成后，對軟硬件進行系統(tǒng)集成。最后，完成系統(tǒng)調試。實現(xiàn)框圖如圖6所示。
4 結語
本設計的基帶信號發(fā)生器CDMA2000下行鏈路基帶模塊設計將移動通信中的各種關鍵技術融為一體，形成具有整體性的CDMA數(shù)字基帶處理技術。在CDMA2000基帶設計過程中融入了軟件無線電的思想，提出了無線信號發(fā)生源CDMA2000無線傳輸技術的基帶處理方案，設計出信號源數(shù)字基帶處理的軟硬件實施方案，實現(xiàn)時運用了FPGA+DSP這樣一種靈活的現(xiàn)代電子技術方案。
參考文獻
［1］鄔國揚.CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2000.
［2］王文博.時分雙工CDMA移動通信技術［M］. 北京：北京郵電大學出版社，2001.
［3］楊大成,樊鋼,楊鴻文,等.CDMA2000 技術［M］.北京:北京郵電大學出版社, 2000.
［4］3GPP2 C.S0002A Version6.0 Physical Layer Standard for CDMA2000 S pread Spectrum Systems, Release A Virginia : Third Generation Partnership Pro ject 2,2002.
第三代移動通信系統(tǒng)是為滿足人們對寬帶移動通信的要求而產(chǎn)生的，他除能提供傳統(tǒng)的電路數(shù)據(jù)業(yè)務（語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務）以外還能提供最高達2 Mb/s的分組數(shù)據(jù)業(yè)務。CDMA2000技術是第三代移動通信系統(tǒng)的主要標準之一。本文主要探討基帶信號源中CDMA2000下行基帶信號模塊的實現(xiàn)方案。
CDMA2000下行鏈路物理信道分為2類：一類是公共物理信道，一類是專用物理信道。其中公用物理信道包括：導頻信道、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。專用物理信道包括：前向專用輔助導頻信道、專用控制信道、前向基本信道、前向補充碼分信道（RC1，RC2），前向補充信道（RC3~RC9）。CDMA2000下行信道基帶處理過程如圖1所示。
 |
基本信息比特進行信道編碼和交織處理后進行長碼加擾以區(qū)分用戶，然后數(shù)據(jù)流進行符號映射即將0變?yōu)?1，1變?yōu)?，經(jīng)變換后的數(shù)據(jù)流再進行串并轉換，即將串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，再經(jīng)WALSH碼擴頻（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。
其中的信道編碼和交織進行的處理又包括加1位的保留位或標志位，加幀質量指示（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程如圖2所示。在信息比特流加入了幀質量指示（循環(huán)冗余校驗比特）和糾錯比特，實現(xiàn)檢錯。對數(shù)據(jù)進行卷積/Turbo編碼是為了對抗傳輸信道中的隨機誤差，提高信道傳輸性能。為了適應多種速率傳輸，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，以便達到信道映射時傳輸格式要求的比特速率。在信道編碼中，采用交織技術可分散突發(fā)連續(xù)錯誤，減少信道編碼需要校正的連續(xù)錯誤，使連續(xù)誤碼離散化成隨機錯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鍵技術
2.1卷積/Turbo編碼
卷積編碼屬于信道編碼，主要用來糾正碼元的隨機誤差，他以犧牲效率換取可靠性，利用增加監(jiān)督位進行檢錯和糾錯，這對數(shù)字移動通信十分必要。如圖3所示是編碼效率R=1 /2，約束長度K=9的卷積碼的原理框圖。
 |
Turbo編碼是近年來倍受矚目的一項新技術，他是在卷積編碼、級聯(lián)碼和最大后驗功率譯碼基礎上的一種推廣和創(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，而且具有很強的抗衰落、抗干擾能力。Turb o碼的優(yōu)良性能受到移動通信領域特別是第三代移動通信體制的重視，所有的第三代無線接口標準都采用了Turbo編碼。但因為Turbo編碼實現(xiàn)復雜，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Turbo編碼的原理框圖。
 |
2.2交織
對輸入的數(shù)據(jù)進行交織可以改善碼距分布。交織就是用某種一一對應的確定性方法重新排列二進制和非二進制序列順序的過程，以此來隨機化突發(fā)錯誤的統(tǒng)計特性，使得信道無記憶。交織技術是為了抵抗無線信道的噪聲以及衰落的影響而采取的時間分集技術，他在接收技術中具有重要的作用，在編碼過程中采用交織算法是為了對信息流進行糾錯控制。交織技術分散了隨機錯誤和突發(fā)錯誤，采用交織技術使成群錯誤趨向更隨機地分布，改善了碼組的誤碼率性能。下面僅給出對于前向同步和尋呼信道以及業(yè)務信道在RC1和RC2配置下的交織器數(shù)據(jù)輸出地址的計算公式：
其中：Ai表示被讀出符號的地址，i=1,2,…，N1，N表示交織器長度；［x］表示向下取整；imod j表示i對j取模；BROm表示y的m位比特反轉值；m與j為交織器參數(shù)可查表得到。
2.3擾碼
擾碼技術即用PN碼與已擴頻碼相乘，實現(xiàn)對信號的加密。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，下行鏈路加擾可以區(qū)分小區(qū)和信道。42位長PN碼的特征多項式如下公式：
15位的PN短碼用于QPSK調制的I，Q支路的直接序列擴頻，兩支路的短PN碼特征多項式分別為：
2.4擴頻
擴頻操作又叫信道化操作，即用一個高速數(shù)字序列(擴頻碼)與數(shù)字信號相乘，把數(shù)據(jù)符號轉換成一系列碼片，從而大大提高了數(shù)字符號的速率，增加了信號帶寬。由信號理論知道，脈沖信號寬度越窄，其頻譜就越寬，信號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制，可產(chǎn)生頻帶很寬的信號。擴頻碼序列就是很窄的脈沖序列。通過擴頻操作信號頻譜被大大拓寬了。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帶寬的信號來傳輸信息，即在無線電通信中射頻信號的帶寬和所傳信息的帶寬是屬于同一個數(shù)量級的，但擴頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達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，這是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。擴頻通信系統(tǒng)擴展的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾能力就越強。在接收端用與發(fā)送端完全相同的擴頻碼序列來進行解擴。
2.5基帶濾波
基帶部分濾波器就是脈沖成形濾波器 (LPF)。由于輸出信號是帶寬受限的，所以擴頻調制器的輸出碼片流要利用脈沖成形濾波器進行濾波。
2.6QPSK調制
QSPK正交調制器方框圖如圖5所示，他可以被看成是由2個BSPK 調制器構成。輸入的串行二進制信息序列經(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I(t)和Q(t)，然后用載波分別進行調制，相加后即得到QPSK信號。QPSK調制效率高，要求傳送途徑的信噪比低，非常適用于CDMA移動通信系統(tǒng)。其原理框圖如圖5所示。
3 CDMA2000下行鏈路處理模塊的實現(xiàn)
第一步在實現(xiàn)基帶模塊之前，首先必須根據(jù)應用系統(tǒng)的目標確定系統(tǒng)的性能指標、協(xié)議要求。
第二步是根據(jù)系統(tǒng)的要求進行芯片的選擇，可供選擇的芯片包括DSP，F(xiàn)PGA 和單片機。其中，DSP 芯片可單獨完成整個基帶部分的處理，典型的以DSP為核心的基帶模塊的主要特點 是方便的可測量性、單個信道的低耗費以及簡便的軟硬件升級性。也可選擇DSP與FPGA 搭配使用，FPGA+DSP結構最大的特點是結構靈活，有較強的通用性，適于模塊化設計，從而能夠提高算法效率，同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護和擴展，適合于實時信號處理。采用不同的芯片進行處理，會導致不同的系統(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，就是總體設計確定軟硬件分工?；鶐K的設計包括硬件設計和軟件設計2個方面。硬件設計首先要根據(jù)系統(tǒng)運算量的大小、對運算精度的要求、系統(tǒng)成 本限制以及體積、功耗等要求選擇合適芯片。然后設計芯片的外圍電路及其他電路。軟件設計和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的芯片編寫相應的匯編程序，若系統(tǒng)運算量不大且有高級語言編譯器支持，也可用高級語言（如C語言）編程。由于現(xiàn)有的高級語言編譯器的效率還比不上手工編寫匯編語言的效率，因此在實際應用系統(tǒng)中常采用高級語言和匯編語言的混合編程方法，即在算法運算量大的地方，用手工編寫的方法編寫匯編語言，而運算量不大的地方則采用高級語言。
硬件和軟件設計完成后，需進行硬件和軟件的調試。軟件的調試一般借助于芯片開發(fā)工具，如軟件模擬器、開發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。硬件調試一般采用硬件仿真器進行調試，如果沒有相應的硬件仿真器，且硬件系統(tǒng)不是十分復雜，也可以借助于一般的工具進行調試。系統(tǒng)的軟件和硬件分別調試完成后，對軟硬件進行系統(tǒng)集成。最后，完成系統(tǒng)調試。實現(xiàn)框圖如圖6所示。
4 結語
本設計的基帶信號發(fā)生器CDMA2000下行鏈路基帶模塊設計將移動通信中的各種關鍵技術融為一體，形成具有整體性的CDMA數(shù)字基帶處理技術。在CDMA2000基帶設計過程中融入了軟件無線電的思想，提出了無線信號發(fā)生源CDMA2000無線傳輸技術的基帶處理方案，設計出信號源數(shù)字基帶處理的軟硬件實施方案，實現(xiàn)時運用了FPGA+DSP這樣一種靈活的現(xiàn)代電子技術方案。
參考文獻
［1］鄔國揚.CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2000.
［2］王文博.時分雙工CDMA移動通信技術［M］. 北京：北京郵電大學出版社，2001.
［3］楊大成,樊鋼,楊鴻文,等.CDMA2000 技術［M］.北京:北京郵電大學出版社, 2000.
［4］3GPP2 C.S0002A Version6.0 Physical Layer Standard for CDMA2000 S pread Spectrum Systems, Release A Virginia : Third Generation Partnership Pro ject 2,2002.
評論