可編程邏輯PLD和CPU組構W-CDMAmodem

緒論

從用戶(hù)數量和將要支持的服務(wù)種類(lèi)來(lái)看，社會(huì )對先進(jìn)的信息服務(wù)里，高速I(mǎi)nternet接入被認為是理所當然的，語(yǔ)聲和低速率數據業(yè)務(wù)不足以滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。支持大量開(kāi)支帶寬的多媒體業(yè)務(wù)的需求，是用戶(hù)向蜂窩系統和網(wǎng)絡(luò )提出的新的挑戰。因此，在被稱(chēng)IMT-2000的動(dòng)議的推動(dòng)下，國際電信聯(lián)盟（ITU）提出了幾個(gè)能夠滿(mǎn)足這些要求的標準。

很多第三代（3G）無(wú)線(xiàn)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(hù)信號。這些各自具有獨特序列的用戶(hù)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據。這些操作必須實(shí)時(shí)進(jìn)行，因而，要求專(zhuān)用的硬件設備。另外，象多用戶(hù)檢測/干擾消除系統和時(shí)空適應系統這樣的先進(jìn)功能也要求非常高的吞吐量。多用戶(hù)檢測/干擾消除系統追蹤多個(gè)用戶(hù)并消除峰窩內部的干擾，而時(shí)空適應系統則由開(kāi)發(fā)空間分集的多個(gè)天線(xiàn)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(mǎn)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(shí)現方式上的意見(jiàn)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(kāi)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(shí)現，因為，它們本質(zhì)上是串行的。搜索、多徑追蹤和指針?lè )峙涠际沁@些算法的例子。這些要求使人們想起接收機系統的理想的硬件實(shí)現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(guò)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(lái)，并且最近又合并了微處理器。更高的集成度帶來(lái)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(gè)器件中，進(jìn)一步地允許設計者非常容易地探索哪些功能用軟件實(shí)現最好，哪些功能用硬件實(shí)現最好。

數字解調器

第三代無(wú)線(xiàn)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(chǎn)品區分為不同的檔次。它們將通過(guò)改變W-CDMA調制解調器（modem）的接收機部分的設計來(lái)達到這個(gè)目的。很明顯，接收機中最復雜、關(guān)鍵的部分是數字解調。數字解調器負責接收消息信號，而這些消息信號經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳輸已經(jīng)產(chǎn)生了失真。因此，數字解調器的實(shí)現決定著(zhù)無(wú)線(xiàn)接收機的性能。

圖中顯示了用于W-CDMA系統的一個(gè)典型的數字解調器結構方框圖。接收機（未畫(huà)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(guò)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(lái)。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(gè)碼片速率最高為2Mbps的窄帶信號。多徑估計電路是用來(lái)同步接收機和發(fā)射機的。為了增加系統容量，可以使用聯(lián)合檢測和抵消方案來(lái)去除相對于給定用戶(hù)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(gè)路徑上的時(shí)延信號合并起來(lái)。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(jìn)行譯碼。包括信道提取電路，多徑估計電路/收縮器，多用戶(hù)檢測電路和譯碼器在內的四個(gè)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(gè)模塊。

信道提取電路

來(lái)自天線(xiàn)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(jìn)行量化處理。在信道提取電路中，使用數字降頻技術(shù)將感性趣的頻帶提取出來(lái)。典型的降頻過(guò)程包含一些FIR（有限沖激響應）濾波器和一個(gè)數控振蕩器（NCO）。對可編程邏輯用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這兩種功能模塊都已經(jīng)是作為用戶(hù)可配置的知識產(chǎn)權（IP）內核存在的。

相對于專(zhuān)用標準產(chǎn)品（ASSP）的用戶(hù)，PLD用戶(hù)的一個(gè)優(yōu)勢的精確定義濾波器系數個(gè)數的靈活性，籍此可以更加有力地控制信道之間的干擾。PLD用戶(hù)還可以在信道提取電路中定義多速率參數，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(hù)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(gè)操作，稱(chēng)為捕獲和追蹤。實(shí)現捕獲的方案有多種。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(gè)碼片的部分長(cháng)度，然后，在一個(gè)預先定義好的周期內做相關(guān)運算，判斷兩個(gè)序列是否同相。如果同相，就在更長(cháng)的時(shí)間周期內檢查，確保這確實(shí)是正確的相位位置。否則，本地的碼遼跳到下一個(gè)相位位置，再重復上述過(guò)程。在上述過(guò)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(shí)現。相關(guān)器件的形式有效地實(shí)現。相關(guān)器則可以在邏輯部分實(shí)現，并與執行控制程序的處理器協(xié)同工作。如果上述兩個(gè)部分都在同一個(gè)器件中實(shí)現（就象用一個(gè)包含嵌入式處理器的PLD實(shí)現那樣），與使用分立器件處理器的實(shí)現方案相比，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(gè)“提前-滯后”控制器件。在這個(gè)方案中，內部產(chǎn)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(guān)運算。用兩個(gè)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(huì )緊緊跟蹤接收到的碼字。

多用戶(hù)檢測電路

W-CDMA系統的容量是干擾受限的，也就是說(shuō)，每個(gè)用戶(hù)的行動(dòng)相當于其他用戶(hù)的干擾。系統對干擾的抵抗能力越強，它可以服務(wù)的用戶(hù)就越多。多用戶(hù)檢測（MUD）技術(shù)追蹤多個(gè)用戶(hù)，并從每個(gè)用戶(hù)的信號中去掉其他用戶(hù)的信號，從而減少多址接入干擾，增加系統的容量。在學(xué)術(shù)界，MUD方案是一個(gè)活躍的討論話(huà)量，因為MUD是一個(gè)硬件集中的處理過(guò)程，它要求大量的算是，使得一個(gè)高效的實(shí)現方案成為一個(gè)挑戰。

大多數MUD方案包括追蹤多個(gè)用戶(hù)的多個(gè)路徑，估計它們的信號強度，并且在一個(gè)用戶(hù)的信號從其他用戶(hù)的信號中去除之前再生這些信號。在生成干擾信號的過(guò)程中，可能會(huì )用到矩陣求逆，這是一個(gè)耗費處理能力并且難于實(shí)時(shí)實(shí)現的過(guò)程。通過(guò)DSP的并行處理能力有限，不能滿(mǎn)足這些要求。然而，可編程邏輯可以滿(mǎn)足它們。例如，一個(gè)用PLD實(shí)現的快速傅里葉變換（FFT）可以實(shí)現實(shí)時(shí)的矩陣求逆，并且，現有的IP內核恰好可供PLD用戶(hù)實(shí)現這一功能。

為了進(jìn)一步增強系統的能力，一種有前途的方法是自適應天線(xiàn)技術(shù)。這種技術(shù)調整環(huán)境的空間分集，從而充分利用目標用戶(hù)和干擾用戶(hù)的空間輪廊（信號能量在空間中的分布）來(lái)改善接收效果。這項技術(shù)包含了一個(gè)波束，這個(gè)波束在目標用戶(hù)的方向上有最大的增益，而在干擾用戶(hù)的方向上增益為零。使用這種技術(shù)時(shí)，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(chēng)暗示的那樣，自適應天線(xiàn)技術(shù)使用了一個(gè)使天線(xiàn)自身與經(jīng)常變化的用戶(hù)環(huán)境和位置諧調的方案。它包含了一個(gè)反饋環(huán)路，與經(jīng)常變化的用戶(hù)環(huán)境和位置諧調的方案。它包含了一個(gè)反饋環(huán)境，在這個(gè)環(huán)路里面，各個(gè)天線(xiàn)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(shí)現這一過(guò)程。對天線(xiàn)信號的加權和收縮的操作（在多個(gè)碼片速率上進(jìn)行）可以用邏輯電路實(shí)現，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(lái)完成。

Turbo譯碼器

Turbo碼是一種基于卷積碼的迭代譯碼方案，這種方案對數據進(jìn)行兩次編碼。首先，一個(gè)遞歸的卷積編碼器對數據進(jìn)行編碼。然后，第二個(gè)遞歸的卷積編碼器對交織后的數據進(jìn)行編碼（交織是以偽隨機的形式重新排列數據比特塊的過(guò)程）?，F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(guò)噪聲信道傳輸的最大信息率的仙農（Shannon）界。

Turbo譯碼器有兩個(gè)單獨的譯碼器和一個(gè)交織/解交識器組成。在譯碼過(guò)程中，從來(lái)自一個(gè)編碼器在譯碼過(guò)程中，從來(lái)自一個(gè)編碼器的數據解碼得到了修正值可以用來(lái)輔助解碼來(lái)自另一個(gè)編碼數的數據。在使用修正值修改輸出之前，譯碼器多次交換和改進(jìn)修正值。W-CDMA標準規定的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M(jìn)AP譯碼器為基礎的，它些譯碼器必須并行執行很多操作，以達到要示訴2Mbps數據速率。按照W-CDMA標準的規定，交織器以素數序列為基礎，并且，它可以對所有可能的大小不同的數據塊進(jìn)行交織，因此交織器的實(shí)現也是非常復雜的。

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(shí)現的可能性。然而，可編程邏輯可以滿(mǎn)足2Mbps的規范，并且現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據速率。

結論

基于3GW-CDMA的標準具有將無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展到下一個(gè)更高層次的潛力。在這個(gè)層次上，對大眾用戶(hù)來(lái)說(shuō)，高速數據業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)都將成為現實(shí)。為了實(shí)現這個(gè)目標，需要發(fā)展裝備了多用戶(hù)檢測和自適應天線(xiàn)等先進(jìn)技術(shù)的系統。先進(jìn)的系統所需求的靈活且同時(shí)具有正確的功能的開(kāi)發(fā)平臺是一個(gè)關(guān)鍵，綜合可編程邏輯功能和嵌入式處理器功能的實(shí)現平臺就是這樣的平臺之一。當前，很多第三代設備開(kāi)發(fā)商正在使用PLD開(kāi)發(fā)其系統的原型機。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(shí)間等方面具有優(yōu)勢，而且，還提供以原來(lái)1/10的成本轉向掩模編程型號的選擇，越來(lái)越多的3G產(chǎn)品將通過(guò)使用最新的可編程邏輯而大受裨益。