可編程邏輯PLD和CPU組構(gòu)W-CDMAmodem

緒論

從用戶(hù)數(shù)量和將要支持的服務(wù)種類(lèi)來(lái)看，社會(huì)對(duì)先進(jìn)的信息服務(wù)里，高速I(mǎi)nternet接入被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，語(yǔ)聲和低速率數(shù)據(jù)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(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)提出的新的挑戰(zhàn)。因此，在被稱(chēng)IMT-2000的動(dòng)議的推動(dòng)下，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）提出了幾個(gè)能夠滿(mǎn)足這些要求的標(biāo)準(zhǔn)。

很多第三代（3G）無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(hào)。這些各自具有獨(dú)特序列的用戶(hù)信號(hào)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(shí)時(shí)進(jìn)行，因而，要求專(zhuān)用的硬件設(shè)備。另外，象多用戶(hù)檢測(cè)/干擾消除系統(tǒng)和時(shí)空適應(yīng)系統(tǒng)這樣的先進(jìn)功能也要求非常高的吞吐量。多用戶(hù)檢測(cè)/干擾消除系統(tǒng)追蹤多個(gè)用戶(hù)并消除峰窩內(nèi)部的干擾，而時(shí)空適應(yīng)系統(tǒng)則由開(kāi)發(fā)空間分集的多個(gè)天線(xiàn)構(gòu)成。

這些速度要求使用普通DSP處理器的可能性，因?yàn)槠胀―SP通常不能滿(mǎn)足上述性能要求。因?yàn)锳SIC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?cè)谧罴褜?shí)現(xiàn)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(jī)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(shí)現(xiàn)，因?yàn)?，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(jī)系統(tǒng)的理想的硬件實(shí)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(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(chǔ)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(shì)，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(gè)器件中，進(jìn)一步地允許設(shè)計(jì)者非常容易地探索哪些功能用軟件實(shí)現(xiàn)最好，哪些功能用硬件實(shí)現(xiàn)最好。

數(shù)字解調(diào)器

第三代無(wú)線(xiàn)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(guò)改變W-CDMA調(diào)制解調(diào)器（modem）的接收機(jī)部分的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。很明顯，接收機(jī)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(fù)責(zé)接收消息信號(hào)，而這些消息信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳輸已經(jīng)產(chǎn)生了失真。因此，數(shù)字解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)決定著無(wú)線(xiàn)接收機(jī)的性能。

圖中顯示了用于W-CDMA系統(tǒng)的一個(gè)典型的數(shù)字解調(diào)器結(jié)構(gòu)方框圖。接收機(jī)（未畫(huà)出）的射頻（RF）前端將輸入信號(hào)向下變頻到中頻（IF）信號(hào)。IF信號(hào)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(hào)在收縮器模塊中收縮帶寬，轉(zhuǎn)換為一個(gè)碼片速率最高為2Mbps的窄帶信號(hào)。多徑估計(jì)電路是用來(lái)同步接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的。為了增加系統(tǒng)容量，可以使用聯(lián)合檢測(cè)和抵消方案來(lái)去除相對(duì)于給定用戶(hù)起噪聲作用的信號(hào)。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(hào)合并起來(lái)。然后，再對(duì)多徑合并器的輸出解交識(shí)，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(jì)電路/收縮器，多用戶(hù)檢測(cè)電路和譯碼器在內(nèi)的四個(gè)解調(diào)器模塊尤其重要，因?yàn)樗鼈兲峁┙庹{(diào)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(hào)首先由RF鏈處理，RF鏈將信號(hào)降頻為IF信號(hào)。然后，寬帶的ADC電路對(duì)信號(hào)進(jìn)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(lái)。典型的降頻過(guò)程包含一些FIR（有限沖激響應(yīng)）濾波器和一個(gè)數(shù)控振蕩器（NCO）。對(duì)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(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）內(nèi)核存在的。

相對(duì)于專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）的用戶(hù)，PLD用戶(hù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)的精確定義濾波器系數(shù)個(gè)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(hù)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(jì)電路和收縮器

為了收縮用戶(hù)的寬帶信號(hào)，接收機(jī)需要使自己的偽隨機(jī)碼與發(fā)射機(jī)保持同步。另外，為了適應(yīng)多徑環(huán)境，還需要估計(jì)不同路徑上的延遲（相位）。多徑估計(jì)電路和收縮器完成這個(gè)操作，稱(chēng)為捕獲和追蹤。實(shí)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(shí)字偏移一個(gè)碼片的部分長(zhǎng)度，然后，在一個(gè)預(yù)先定義好的周期內(nèi)做相關(guān)運(yùn)算，判斷兩個(gè)序列是否同相。如果同相，就在更長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)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(fù)上述過(guò)程。在上述過(guò)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(shí)現(xiàn)。相關(guān)器件的形式有效地實(shí)現(xiàn)。相關(guān)器則可以在邏輯部分實(shí)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(gè)部分都在同一個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)（就象用一個(gè)包含嵌入式處理器的PLD實(shí)現(xiàn)那樣），與使用分立器件處理器的實(shí)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(gè)“提前-滯后”控制器件。在這個(gè)方案中，內(nèi)部產(chǎn)生的偽隨機(jī)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(yùn)算。用兩個(gè)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(jī)碼就會(huì)緊緊跟蹤接收到的碼字。

多用戶(hù)檢測(cè)電路

W-CDMA系統(tǒng)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(dāng)于其他用戶(hù)的干擾。系統(tǒng)對(duì)干擾的抵抗能力越強(qiáng)，它可以服務(wù)的用戶(hù)就越多。多用戶(hù)檢測(cè)（MUD）技術(shù)追蹤多個(gè)用戶(hù)，并從每個(gè)用戶(hù)的信號(hào)中去掉其他用戶(hù)的信號(hào)，從而減少多址接入干擾，增加系統(tǒng)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?yàn)镸UD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(xiàn)方案成為一個(gè)挑戰(zhàn)。

大多數(shù)MUD方案包括追蹤多個(gè)用戶(hù)的多個(gè)路徑，估計(jì)它們的信號(hào)強(qiáng)度，并且在一個(gè)用戶(hù)的信號(hào)從其他用戶(hù)的信號(hào)中去除之前再生這些信號(hào)。在生成干擾信號(hào)的過(guò)程中，可能會(huì)用到矩陣求逆，這是一個(gè)耗費(fèi)處理能力并且難于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)的快速傅里葉變換（FFT）可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的矩陣求逆，并且，現(xiàn)有的IP內(nèi)核恰好可供PLD用戶(hù)實(shí)現(xiàn)這一功能。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的能力，一種有前途的方法是自適應(yīng)天線(xiàn)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(biāo)用戶(hù)和干擾用戶(hù)的空間輪廊（信號(hào)能量在空間中的分布）來(lái)改善接收效果。這項(xiàng)技術(shù)包含了一個(gè)波束，這個(gè)波束在目標(biāo)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(hào)得到了放大，而干擾信號(hào)卻遭到衰減。

正如其名稱(chēng)暗示的那樣，自適應(yīng)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(diào)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(diào)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(quán)因子不斷地調(diào)整，從而達(dá)琺最優(yōu)的信號(hào)檢測(cè)（例如，使差錯(cuò)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(hào)速率接近，而且其運(yùn)算又非常復(fù)雜，因此，軟件方法比硬件方法更適于實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。對(duì)天線(xiàn)信號(hào)的加權(quán)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(xiàn)，而對(duì)加權(quán)因子的賦值則可以由運(yùn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次編碼。首先，一個(gè)遞歸的卷積編碼器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。然后，第二個(gè)遞歸的卷積編碼器對(duì)交織后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼（交織是以偽隨機(jī)的形式重新排列數(shù)據(jù)比特塊的過(guò)程）?，F(xiàn)在，Turbo碼以其相對(duì)較大的編碼增益以及合理的計(jì)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(guò)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(gè)單獨(dú)的譯碼器和一個(gè)交織/解交識(shí)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(shù)據(jù)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(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(jìn)修正值。W-CDMA標(biāo)準(zhǔn)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M(jìn)AP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(dá)到要示訴2Mbps數(shù)據(jù)速率。按照W-CDMA標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，交織器以素?cái)?shù)序列為基礎(chǔ)，并且，它可以對(duì)所有可能的大小不同的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行交織，因此交織器的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)它的性參要求排除了使用DSP實(shí)現(xiàn)的可能性。然而，可編程邏輯可以滿(mǎn)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(jì)在很多應(yīng)用中甚至可以達(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率。

結(jié)論

基于3GW-CDMA的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)大眾用戶(hù)來(lái)說(shuō)，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(shí)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要發(fā)展裝備了多用戶(hù)檢測(cè)和自適應(yīng)天線(xiàn)等先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)。先進(jìn)的系統(tǒng)所需求的靈活且同時(shí)具有正確的功能的開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(xiàn)平臺(tái)就是這樣的平臺(tái)之一。當(dāng)前，很多第三代設(shè)備開(kāi)發(fā)商正在使用PLD開(kāi)發(fā)其系統(tǒng)的原型機(jī)。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(shì)，而且，還提供以原來(lái)1/10的成本轉(zhuǎn)向掩模編程型號(hào)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。