用可編程DSP實(shí)現802.16 PHY信號處理

IEEE802.16標準的各個(gè)版本都規定了PHY(物理層)的多種選項,包括調制、信道編碼和天線(xiàn)分集技術(shù)。物理信道帶寬可以在1.25 MHz～20 MHz之間變化。上述所有選項都會(huì )影響基站的性能和信號處理復雜度。

　　許多客戶(hù)希望提供一種可以從802.16-2004升級到802.16e標準的方法。上述需求以及對支持互通性(成功部署新標準的關(guān)鍵)的需求,都要求基站的PHY采用可編程的信號處理器件。

　 　圖1為802.16基站基帶信號鏈路基本框圖。

　　因為802.16-2004和802.16e標準都是在OFDM基礎上建立的,所以FFT和IFFT起了很大的作用。這兩種變換都用于頻域副載波(攜帶編碼的數據位)和時(shí)域采樣(在物理通道上傳送)之間的轉換。一次IFFT的輸出被稱(chēng)為一個(gè)OFDM符號。按照這種方式進(jìn)行通信,OFDM系統可以實(shí)現抗多徑干擾,各副載波之間幾乎或者完全無(wú)干擾,并且具有相當低的復雜度。

　　與FFT密切相關(guān)的是信道均衡,它包括大量的MAC運算,還包括客戶(hù)專(zhuān)用的復雜算法,以便恰當地估計信道和表征結果,尤其是在具有移動(dòng)性的系統。

　　同步模塊在測距期間起作用,基站通過(guò)此模塊獲得新用戶(hù)的信號,并且調整現有用戶(hù)的定時(shí)(通過(guò)反饋來(lái)調整)。同步通常是通過(guò)計算接收信號與已知前同步信號的相關(guān)性,或自動(dòng)計算接收信號與其自身延遲信號的相關(guān)性實(shí)現的,利用該信號確定的周期性屬性,然后將得到的相關(guān)性結果通過(guò)一個(gè)檢測器,以便確定是否有信號送到,如果有,確定其精確定時(shí)。

　　同步操作既需要MAC運算,也要求具有較高的靈活性。 例如,處理一個(gè)20 MHz的信道時(shí),在10s的窗口中計算一段有64個(gè)采樣數據的相關(guān)性則需要14,000次復數MAC運算,大約比256點(diǎn)FFT運算提高了一個(gè)數量級。但是,上述MAC的精度通?？梢院?jiǎn)化為用8 bit實(shí)數和復數乘以1 bit的實(shí)數和復數。這種簡(jiǎn)化的MAC可以在TigerSHARC處理器中實(shí)現,也可以在FPGA中實(shí)現。另一方面,檢測器可能包含比較智能的用戶(hù)專(zhuān)用算法,也可能需要C語(yǔ)言程序。

　　802.16標準支持高數據速率(70 Mbps左右),有多種信道編碼選項。必備方案是卷積碼(在802.16-2004標準中,還要結合里德-所羅門(mén)(RS)碼),卷積turbo碼、turbo乘積碼,以及802.16e標準中的低密度奇偶校驗碼都是可選的。

　　信道解碼的高數據速率超出了傳統DSP體系結構的能力?？赡艿膶?shí)現方法有專(zhuān)用指令、硬件加速器和可編程邏輯器件。除了本身計算的高復雜度,基站體系結構必須具有相當大的數據帶寬和存儲器,以便支持更先進(jìn)的解碼方案。

　　人們期望基于802.16e標準的系統實(shí)現多天線(xiàn)處理,它增加了兩級的復雜度。首先,信號鏈中的幾個(gè)模塊,特別是FFT和IFFT,必須為每個(gè)天線(xiàn)流都復制一份。其次,系統必須為不同的天線(xiàn)流計算出并選取適當的權重,以滿(mǎn)足諸如最大信號干擾比的要求。

　　在802.16e系統中,允許在同一個(gè)OFDM符號中復用多個(gè)子信道(因此稱(chēng)為OFDMA),從而增加了對可編程性的需求。雖然802.16-2004系統通常不需要每次處理一個(gè)OFDM符號,但是802.16e增加了子信道、副載波和OFDM符號之間的復雜映射,包含了幾種可能的排列。這就增加了更多的總控制碼和存儲器訪(fǎng)問(wèn),并且提高了調度處理任務(wù)的復雜度。另外,應該有一種體系結構支持升級以便增加功能,例如混合ARQ(自動(dòng)重傳請求)和MIMO(多輸入多輸出天線(xiàn)處理)。

　　為基站PHY提供的可編程技術(shù)包括DSP、FPGA以及可重復配置的邏輯器件。DSP的優(yōu)勢就是C程序和低功耗,但是傳統的DSP不具有上述一些算法所要求的計算密度。為了彌補此缺陷,現代的處理器增加了專(zhuān)用指令和協(xié)處理器等功能。某些最新的DSP設計還支持大容量的片內存儲器和很高的I/O存儲帶寬,這在實(shí)現諸如802.16標準的實(shí)時(shí)PHY時(shí)是至關(guān)重要的。雖然FPGA可以達到上述算法所需要的計算密度,但是如果完全采用FPGA解決方案,其編程模式可能無(wú)法完全實(shí)現復雜的控制功能?？芍貜团渲玫倪壿嬈骷噲D通過(guò)由常用的異構處理元件組成的一種結構來(lái)發(fā)揮DSP和FPGA的組合優(yōu)勢,但是其技術(shù)的成熟度和編程的易用性還存在問(wèn)題。

　　考慮到上述需求和當前的處理器發(fā)展情況,適合802.16基站PHY的合理解決方案是采用雙重方法。對于基本的系統,完全采用DSP解決方案可以提供必需的計算資源,同時(shí)提供方便的編程模式。對于具有更寬的信道帶寬或較多天線(xiàn)數量的高級系統,應當采用DSP和FPGA的組合方案。采用這種方法,PHY可以保持類(lèi)似的編程模式,同時(shí)將一小部分計算量大的功能分配給FPGA,例如信道編碼。這兩種體系結構都具有增加功能、升級軟件以及移植到新版本標準的靈活性。