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標(biāo)題：TD-SCDMA系統(tǒng)基帶處理的DSP+FPGA實(shí)現(xiàn)方案
1樓
胡小芳 發(fā)表于：2010-12-18 16:27:20摘要：本文在分析TD-SCDMA系統(tǒng)基帶處理方案的基礎(chǔ)上，提出了一種在性能、靈活性和性價(jià)比方面都比較理想的DSP+FPGA基帶發(fā)送的實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞：TD-SCDMA；基帶處理；DSP；FPGA
引言移動(dòng)通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單 {4g1F+m Y F%y&K$h
和傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)相比，第三代移動(dòng)通信的最大特點(diǎn)在于能支持多種速率的業(yè)務(wù)，從話音到分組數(shù)據(jù)，再到多媒體業(yè)務(wù)，并能根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需要，提供必要的帶寬，數(shù)據(jù)處理量非常大。然而，對(duì)不同速率業(yè)務(wù)的基帶處理，所需的存儲(chǔ)量、運(yùn)算量以及處理延時(shí)差異很大。因此，采用何種硬件結(jié)構(gòu)才能有效地處理各種業(yè)務(wù)是本文所要探討的問題。 mscbsc 移動(dòng)通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術(shù)資料，是國內(nèi)領(lǐng)先專注于通信技術(shù)和通信人生活的社區(qū)。%?5v){/j$|#R9q
本文首先介紹TD-SCDMA系統(tǒng)無線信道的基帶發(fā)送方案，說明其對(duì)多媒體業(yè)務(wù)的支持及實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。然后，從硬件實(shí)現(xiàn)角度，進(jìn)行了DSP和FPGA的性能比較，提出DSP+FPGA基帶發(fā)送的實(shí)現(xiàn)方案，并以基站分系統(tǒng)(BTS)的發(fā)送單元為例，具體給出了該實(shí)現(xiàn)方案在下行無線信道基帶發(fā)送單元中的應(yīng)用。
TD-SCDMA基帶發(fā)送方案8n*[7X0o'j4}9X3r+N
TD-SCDMA系統(tǒng)的基帶處理流程如圖1所示。其中，傳輸信道編碼復(fù)用包括以下一些處理步驟：CRC校驗(yàn)、傳輸塊級(jí)聯(lián)/分割、信道編碼、無線幀均衡、第1次交織、無線幀分割、速率匹配、傳輸信道復(fù)用、比特?cái)_碼、物理信道分割、第2次交織、子幀分割、物理信道映射等，如圖2所示。
實(shí)現(xiàn)方案 移動(dòng)通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單$\5T S.|2m
本文提出了DSP＋FPGA線性流水陣列結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案：使用DSP與大規(guī)模FPGA協(xié)同處理基帶發(fā)送數(shù)據(jù)。該處理單元以DPS芯片為核心，構(gòu)造一個(gè)小的DSP系統(tǒng)。
在基帶處理單元中，低層的信號(hào)預(yù)處理算法處理的數(shù)據(jù)量大，對(duì)處理速度的要求高，但運(yùn)算結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因而適于用FPGA進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，這樣能同時(shí)兼顧速度及靈活性。相比之下，高層處理算法的特點(diǎn)是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適于用運(yùn)算速度高、尋址方式靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。 mscbsc 移動(dòng)通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術(shù)資料，是國內(nèi)領(lǐng)先專注于通信技術(shù)和通信人生活的社區(qū)。'p2s-L(T7i(^'O9U9s*W
DSP處理器利用其強(qiáng)大的I/O功能實(shí)現(xiàn)單元電路內(nèi)部和各個(gè)單元之間的通信。從DSP的角度來看，F(xiàn)PGA相當(dāng)于它的協(xié)處理器。DSP通過本地總線對(duì)FPGA進(jìn)行配置、參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的協(xié)同處理。DSP和FPGA各自帶有RAM，用于存放處理過程所需要的數(shù)據(jù)及中間結(jié)果。除了DSP芯片和FPGA外，硬件設(shè)計(jì)還包括一些外圍的輔助電路，如Flash EEPROM、外部存儲(chǔ)器等。其中，F(xiàn)lash EEPROM中存儲(chǔ)了DSP的執(zhí)行程序；外部存儲(chǔ)器則作為FPGA的外部RAM擴(kuò)展，用于存放數(shù)據(jù)處理過程中所需的映射圖樣。 | 國內(nèi)領(lǐng)先的通信技術(shù)論壇#\9[ S3V!b5g9v
基帶處理單元的需求估計(jì) mscbsc 移動(dòng)通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術(shù)資料，是國內(nèi)領(lǐng)先專注于通信技術(shù)和通信人生活的社區(qū)。$}6p;Q,c1~ x5P2`%f
基帶處理單元的需求估計(jì)主要包含以下兩個(gè)方面：
1.各個(gè)業(yè)務(wù)傳輸通道的數(shù)據(jù)處理：以對(duì)稱情況下無線信道承載的最高業(yè)務(wù)速率384kbps為例進(jìn)行分析。傳輸塊大小為336bit，24塊級(jí)聯(lián)，加上CRC，系統(tǒng)在1個(gè)10ms幀內(nèi)所要處理的最大數(shù)據(jù)量為8448bit：根據(jù)3GPP協(xié)議TS 25.222規(guī)定的下行數(shù)據(jù)基帶處理流程(見圖2)，并按固定位置復(fù)用的方式進(jìn)行處理，每個(gè)數(shù)據(jù)位必須經(jīng)過最多13個(gè)環(huán)節(jié)的處理過程，估算平均每環(huán)節(jié)上每比特的處理要求為23條指令。則10ms內(nèi)必須完成的處理指令數(shù)是：8448×13×23=2525952條。對(duì)應(yīng)的處理能力要求是252MIPS。 3w$M5q!L8U0R6{"t%L%y
2.消息處理：包含消息的解釋、對(duì)應(yīng)控制參數(shù)的計(jì)算、發(fā)給對(duì)應(yīng)的FPGA。估計(jì)不超過一條承載64kbps業(yè)務(wù)的無線信道的基帶數(shù)據(jù)處理的需求。 3N1]8|1E+l
綜合考慮上述兩個(gè)方面，則整個(gè)基帶數(shù)據(jù)處理的等效需求是： )p*u%_ g/l2w)~
(8448+2400)×13×23/10ms=324MIPS
以TMS320C5510為例，其主時(shí)鐘能工作在160MHz或200MHz，運(yùn)算速度達(dá)400MIPS。基于C的軟件開發(fā)環(huán)境和匯編級(jí)并行處理的優(yōu)化程序，優(yōu)化后的并行執(zhí)行效率一般為80%，等效的處理能力為320MIPS。可見，若將整個(gè)基帶數(shù)據(jù)處理交給該DSP芯片完成，其處理能力無法滿足整個(gè)處理單元的需求，而且，隨著視頻電話、手機(jī)電視等大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理需求量將更大。因此，在基帶處理的實(shí)現(xiàn)方案中，數(shù)據(jù)量小的業(yè)務(wù)，如隨路信令、AMR語音業(yè)務(wù)可由DSP處理；而數(shù)據(jù)量大的業(yè)務(wù)，如64kbps、144kbps和384kbps速率的業(yè)務(wù)，大部分處理環(huán)節(jié)由FPGA完成。具體實(shí)現(xiàn)如下：
?DSP作為主控單元，完成數(shù)據(jù)提取、消息解析和部分基帶數(shù)據(jù)處理功能，如第二次交織和成幀等；
?FPGA則在DSP的調(diào)度下完成基帶數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中大部分比較耗時(shí)的處理功能，如：CRC校驗(yàn)、信道編碼、速率匹配等，在接收端可用于Viterbi譯碼、聯(lián)合檢測(cè)等。 移動(dòng)通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單.k"i9~!]*?:j*R"?
在384kbps業(yè)務(wù)信道加隨路信令的處理中，384Rbps業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由DSP通過同步高速接口，以DMA方式遞交給FPGA，在FPGA中處理；而隨路信令因其數(shù)據(jù)量小，在FPGA處理384kbps業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，隨路信令數(shù)據(jù)在DSP中同時(shí)處理。此方法減少了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高了處理速度。
結(jié)語 'x'A,A6?(H/T;}
本文介紹了一個(gè)軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。硬件電路的實(shí)際測(cè)試表明，該結(jié)構(gòu)不僅在高速率業(yè)務(wù)的處理時(shí)延上符合規(guī)范要求，而且對(duì)不同類型的業(yè)務(wù)處理有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，滿足TD-SCDMA系統(tǒng)對(duì)多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)闹С帧?font style="font-size:0px;color:#f8f8f8;">移動(dòng)通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單$X8C+S;h9p5|
參考文獻(xiàn)：
1. 李小文，李貴勇，陳賢亮等.第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、信令及實(shí)現(xiàn). 北京：人民郵電出版社，2003-1www.mscbsc.com#l%H0z)S:V/o%R5` C0s(I
2. 3GPP TS 25.221 : "Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels ".[EB/OL]. [2002-12]
3. 張宗橙. 糾錯(cuò)編碼原理和應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2003-4
關(guān)鍵詞：TD-SCDMA；基帶處理；DSP；FPGA
引言移動(dòng)通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單 {4g1F+m Y F%y&K$h
和傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)相比，第三代移動(dòng)通信的最大特點(diǎn)在于能支持多種速率的業(yè)務(wù)，從話音到分組數(shù)據(jù)，再到多媒體業(yè)務(wù)，并能根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需要，提供必要的帶寬，數(shù)據(jù)處理量非常大。然而，對(duì)不同速率業(yè)務(wù)的基帶處理，所需的存儲(chǔ)量、運(yùn)算量以及處理延時(shí)差異很大。因此，采用何種硬件結(jié)構(gòu)才能有效地處理各種業(yè)務(wù)是本文所要探討的問題。 mscbsc 移動(dòng)通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術(shù)資料，是國內(nèi)領(lǐng)先專注于通信技術(shù)和通信人生活的社區(qū)。%?5v){/j$|#R9q
本文首先介紹TD-SCDMA系統(tǒng)無線信道的基帶發(fā)送方案，說明其對(duì)多媒體業(yè)務(wù)的支持及實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。然后，從硬件實(shí)現(xiàn)角度，進(jìn)行了DSP和FPGA的性能比較，提出DSP+FPGA基帶發(fā)送的實(shí)現(xiàn)方案，并以基站分系統(tǒng)(BTS)的發(fā)送單元為例，具體給出了該實(shí)現(xiàn)方案在下行無線信道基帶發(fā)送單元中的應(yīng)用。
TD-SCDMA基帶發(fā)送方案8n*[7X0o'j4}9X3r+N
TD-SCDMA系統(tǒng)的基帶處理流程如圖1所示。其中，傳輸信道編碼復(fù)用包括以下一些處理步驟：CRC校驗(yàn)、傳輸塊級(jí)聯(lián)/分割、信道編碼、無線幀均衡、第1次交織、無線幀分割、速率匹配、傳輸信道復(fù)用、比特?cái)_碼、物理信道分割、第2次交織、子幀分割、物理信道映射等，如圖2所示。
圖1 TD-SCDMA基帶處理框圖
圖2 傳輸信道編碼復(fù)用結(jié)構(gòu)
在圖2中，每個(gè)傳輸信道(TrCH)對(duì)應(yīng)一個(gè)業(yè)務(wù)，由于各種業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的要求不同，所以其傳輸時(shí)間間隔(TTI)是不同的，TTI可以是10ms、20ms、40ms或80ms。 | 國內(nèi)領(lǐng)先的通信技術(shù)論壇&D'a&d0S2i4B'z實(shí)現(xiàn)方案 移動(dòng)通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單$\5T S.|2m
本文提出了DSP＋FPGA線性流水陣列結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案：使用DSP與大規(guī)模FPGA協(xié)同處理基帶發(fā)送數(shù)據(jù)。該處理單元以DPS芯片為核心，構(gòu)造一個(gè)小的DSP系統(tǒng)。
在基帶處理單元中，低層的信號(hào)預(yù)處理算法處理的數(shù)據(jù)量大，對(duì)處理速度的要求高，但運(yùn)算結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因而適于用FPGA進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，這樣能同時(shí)兼顧速度及靈活性。相比之下，高層處理算法的特點(diǎn)是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適于用運(yùn)算速度高、尋址方式靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。 mscbsc 移動(dòng)通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術(shù)資料，是國內(nèi)領(lǐng)先專注于通信技術(shù)和通信人生活的社區(qū)。'p2s-L(T7i(^'O9U9s*W
DSP處理器利用其強(qiáng)大的I/O功能實(shí)現(xiàn)單元電路內(nèi)部和各個(gè)單元之間的通信。從DSP的角度來看，F(xiàn)PGA相當(dāng)于它的協(xié)處理器。DSP通過本地總線對(duì)FPGA進(jìn)行配置、參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的協(xié)同處理。DSP和FPGA各自帶有RAM，用于存放處理過程所需要的數(shù)據(jù)及中間結(jié)果。除了DSP芯片和FPGA外，硬件設(shè)計(jì)還包括一些外圍的輔助電路，如Flash EEPROM、外部存儲(chǔ)器等。其中，F(xiàn)lash EEPROM中存儲(chǔ)了DSP的執(zhí)行程序；外部存儲(chǔ)器則作為FPGA的外部RAM擴(kuò)展，用于存放數(shù)據(jù)處理過程中所需的映射圖樣。 | 國內(nèi)領(lǐng)先的通信技術(shù)論壇#\9[ S3V!b5g9v
基帶處理單元的需求估計(jì) mscbsc 移動(dòng)通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術(shù)資料，是國內(nèi)領(lǐng)先專注于通信技術(shù)和通信人生活的社區(qū)。$}6p;Q,c1~ x5P2`%f
基帶處理單元的需求估計(jì)主要包含以下兩個(gè)方面：
1.各個(gè)業(yè)務(wù)傳輸通道的數(shù)據(jù)處理：以對(duì)稱情況下無線信道承載的最高業(yè)務(wù)速率384kbps為例進(jìn)行分析。傳輸塊大小為336bit，24塊級(jí)聯(lián)，加上CRC，系統(tǒng)在1個(gè)10ms幀內(nèi)所要處理的最大數(shù)據(jù)量為8448bit：根據(jù)3GPP協(xié)議TS 25.222規(guī)定的下行數(shù)據(jù)基帶處理流程(見圖2)，并按固定位置復(fù)用的方式進(jìn)行處理，每個(gè)數(shù)據(jù)位必須經(jīng)過最多13個(gè)環(huán)節(jié)的處理過程，估算平均每環(huán)節(jié)上每比特的處理要求為23條指令。則10ms內(nèi)必須完成的處理指令數(shù)是：8448×13×23=2525952條。對(duì)應(yīng)的處理能力要求是252MIPS。 3w$M5q!L8U0R6{"t%L%y
2.消息處理：包含消息的解釋、對(duì)應(yīng)控制參數(shù)的計(jì)算、發(fā)給對(duì)應(yīng)的FPGA。估計(jì)不超過一條承載64kbps業(yè)務(wù)的無線信道的基帶數(shù)據(jù)處理的需求。 3N1]8|1E+l
綜合考慮上述兩個(gè)方面，則整個(gè)基帶數(shù)據(jù)處理的等效需求是： )p*u%_ g/l2w)~
(8448+2400)×13×23/10ms=324MIPS
以TMS320C5510為例，其主時(shí)鐘能工作在160MHz或200MHz，運(yùn)算速度達(dá)400MIPS。基于C的軟件開發(fā)環(huán)境和匯編級(jí)并行處理的優(yōu)化程序，優(yōu)化后的并行執(zhí)行效率一般為80%，等效的處理能力為320MIPS。可見，若將整個(gè)基帶數(shù)據(jù)處理交給該DSP芯片完成，其處理能力無法滿足整個(gè)處理單元的需求，而且，隨著視頻電話、手機(jī)電視等大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理需求量將更大。因此，在基帶處理的實(shí)現(xiàn)方案中，數(shù)據(jù)量小的業(yè)務(wù)，如隨路信令、AMR語音業(yè)務(wù)可由DSP處理；而數(shù)據(jù)量大的業(yè)務(wù)，如64kbps、144kbps和384kbps速率的業(yè)務(wù)，大部分處理環(huán)節(jié)由FPGA完成。具體實(shí)現(xiàn)如下：
?DSP作為主控單元，完成數(shù)據(jù)提取、消息解析和部分基帶數(shù)據(jù)處理功能，如第二次交織和成幀等；
?FPGA則在DSP的調(diào)度下完成基帶數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中大部分比較耗時(shí)的處理功能，如：CRC校驗(yàn)、信道編碼、速率匹配等，在接收端可用于Viterbi譯碼、聯(lián)合檢測(cè)等。 移動(dòng)通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單.k"i9~!]*?:j*R"?
在384kbps業(yè)務(wù)信道加隨路信令的處理中，384Rbps業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由DSP通過同步高速接口，以DMA方式遞交給FPGA，在FPGA中處理；而隨路信令因其數(shù)據(jù)量小，在FPGA處理384kbps業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，隨路信令數(shù)據(jù)在DSP中同時(shí)處理。此方法減少了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高了處理速度。
結(jié)語 'x'A,A6?(H/T;}
本文介紹了一個(gè)軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。硬件電路的實(shí)際測(cè)試表明，該結(jié)構(gòu)不僅在高速率業(yè)務(wù)的處理時(shí)延上符合規(guī)范要求，而且對(duì)不同類型的業(yè)務(wù)處理有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，滿足TD-SCDMA系統(tǒng)對(duì)多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)闹С帧?font style="font-size:0px;color:#f8f8f8;">移動(dòng)通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單$X8C+S;h9p5|
參考文獻(xiàn)：
1. 李小文，李貴勇，陳賢亮等.第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、信令及實(shí)現(xiàn). 北京：人民郵電出版社，2003-1www.mscbsc.com#l%H0z)S:V/o%R5` C0s(I
2. 3GPP TS 25.221 : "Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels ".[EB/OL]. [2002-12]
3. 張宗橙. 糾錯(cuò)編碼原理和應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2003-4
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