英语翻译(中文)通信学院毕设必用.doc

毕业设计(论文)英 文 翻 译 学 院 通信与信息工程学院 专业及班级 姓 名 学 号 指 导 教 师 日 期 2013年4月12日 LTE系统中PUSCH关键技术的研究与实现 摘要 新一代宽带无线移动通信网属于国家中长期科学和技术发展规划纲要中确立的十六个重大科技专项之一，其中的一项主要内容是窝移动通信系统的后续演进，包括通常所说的LTE技术、HSPA技术、4G等，代表了通信技术发展的主要方向。本文结合在实验室参与的科研项目，对LTETDD系统中物理上行共享信道(PUSCH)进行了研究，在对单载波频分多址技术(SCFDMA)进行理论分析的基础上，重点研究了其发送端的转换预编码及接收端的频域均衡技术，详细说明了相关功能模块在FPGA中的实现过程，并提出了LTE物理层基带开发平台方案。PUSCH信道中的转换预编码可看成是34种混合基DFT运算。宽带系统中的高DFT吞吐率是至关重要的，尤其是在DFT被多路数据通道共享时。转换预编码中的每个DFT可分解为基数分别为2、3和5的短DFT。众所周知，如果变换的规模可以分解为较少基本数量，DFT就可以有效执行，基本数越少，实现起来越简单。在研究几种常规DFT算法的基础上，提出一种转换预编码实现方案，并在ISE软件上验证通过。频率选择性衰落无线信道中，符号间干扰(ISI)必然存在。因为频域均衡比时域均衡有更低的计算复杂度，所以在PUSCH接收端减小ISI的低复杂方法是采用频域均衡。对几种频域均衡算法在LTE建议的三种信道模型中进行了仿真比较，判决反馈均衡(DFE)比线性均衡有更好的性能。选择性能和复杂度都满足要求的MMSE残余误差消除均衡算法进行实现，该算法实现过程要用到解转换预编码模块，两者紧密联系。最后提出了LTE物理层基带开发平台中DSP和FPGA功能模块划分方案，对FPGA中与数据传输与存储的主要模块，如AHB总线、存储器控制器以及McBSP的实现，进行了重点研究，最后对平台方案进行了优化，这为后续基带开发工作打下了坚实的基础。关键词：长期演进，物理上行共享信道，转换预编码，频域均衡第一章 绪论11 LIE通信系统国内外发展现状在过去的三十年时间里，蜂窝移动电话已经从实验室试验板阶段发展到世界上最流行的消费类电子产品。在发达国家，尽管有线电话已有一百多年的发展历史，手机的数量已经于若干年前就超过了有线电话的数量，而且两者的差距越拉越大。但对于许多在发展中国家的人们来说，移动手机通信是他们所经历的唯一的电话通信形式。移动通信目前被公认为有其自己的技术领域，也是包括电话和无线电在内的计算机、电子、加密和信号处理等众多领域里进行技术创新的推动力。虽然技术在持续发展以及商业系统经常进行一些新的改进，但是某些重大进展却能标志着从一代技术到另一代的过渡。20世纪80年代初推出了第一代系统，其特点是模拟语音传输。在20世纪90年代发展起来的第二代系统，采用了数字语音传输技术。重要的是，第二代系统引进了先进的安全和网络技术，用户可以发起和接听全球范围内的电话通信。早在第二代通信系统在市场出现以前，蜂窝通信研究团队就已将注意力转向第三代通信(3G)技术，把焦点放在其具有高比特使用率，高频谱效率以及语音电话和数据业务并存的特征上来。1985年，国际电信联盟(ITU)发起未来公共陆地电信系统(PLTS)的研究。十五年后，国际电信联盟出台了一系列建议，批准五种技术为第三代移动通信系统的基本技术。2008年，移动运营公司部署了三种技术，即WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA。同时，业界除了期待3G以外，也把目光转向了把SCFDMA作为从手机到基站的主要候选方案的无线传输技术“长期演进(LTE)上来。3G标准于2007年最终确立之后，伴随着滚滚而来的移动宽带化浪潮，全球移动通信业关注的目光瞬间聚集在分别以LTE、UMB和80216m为方向的3G下一步演进路线之争上。路线的成败，决定了不同阵营的市场地位，决定了最终的产业格局。从目前的市场表现来看，不同路线之间已经明显拉开了差距，UMB的沉默不语、80216m的悲观情绪与LTE的高歌猛进形成了鲜明的对比。在此基础之上，则是后3(3时代以“LTE”为主的新产业格局的悄然形成f11。LTE大幅度提高了网络容量以及系统吞吐率，使得单用户的带宽有保障，扁平化架构可以进一步压缩传输时延，大大提升客户的业务体验。LTE让运营商可以将固定网络上的业务迁移到移动网络中来，促进固定移动融合，为运营商吸引更多用户和业务量。LTE吸引了国内外众多设备厂商的广泛参与。国外某网站给出了评估结果，下表根据各设备商提交的数据列出了其商用合同数目以及与其签订合同的运营商。12可编程逻辑器件的发展现状现场可编程门阵列(FPGA)是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA作为现今最流行的可编程逻辑器件，应用场合有下面几类：1)逻辑接口领域，即传统领域；2)算法设计，如通信信号处理，图像处理等；3)片上可编程系统(SoPC)，控制领域。FPGA是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级FPGA时，不需额外地改变PCB电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本，因此获得了广大硬件工程师的青睐，形成了巨大的PLD产业规模.由于FPGA是一种通用逻辑器件，采用更先进的工艺来提高性能、降低成本和功耗是其不二法门。 13论文研究背景及现状未来的几年内3GPP LTE都是研究的热点，因此本文选择LTE作为研究的大方向。由于频谱资源是无线通信中最宝贵的资源，TDD双工方式相比于FDD能有效提高频谱利用率，所以本文主要研究LTETDD模式。在LTE中，上行链路方案在多载波方案(OFDMA)和单载波方案(SCFDMA)中抉择。居民区或商业区中的宽带无线接入系统处于一个不利的无线传输环境，其中的多径延迟影响的比特数可能超过数十甚至数百个。OFDM是一种被认可的对抗多径效应的多载波解决方案。尽管OFDM已成为多种宽带通信标准中物理层的选择，但它也有很多不足：较高的峰均比(PAPR)，对放大器非线性特性不适应，以及对载波频偏的高度敏感。SCFDMA跟OFDM有相似的性能，总体复杂度也差不多。其优点是PAPR低，意味着功率放大器需要更小的线性范围。因此，单载波系统可以用相对更便宜的功率放大器。这点很重要，功率放大器是消费类宽带无线收发机中最昂贵的器件之一。经过多方讨论，由于多载波方案的高PAPR问题，而采用单载波作为上行链路方案。最终决定选择集中式的DFToSOFDM技术作为SCFDMA的具体实现方式。统PUSCH中转换预编码等关键技术的实现提供了良好的解决方案。LTE系统中SCFDMA是一种单载波的调制技术，而且接收端FFT和IFFT模块存在使得频域均衡技术成为一种必然选择。常用的时域均衡算法，如最小均方误差(MMSE)均衡算法，判决反馈均衡(DFE)，自适应均衡算法和Turbo均衡算法，都有其对应的频域均衡算法。这些频域均衡算法在性能和复杂度方面有较大的差异，而两者的折中将是最适合LTE上行接收端的频域均衡算法。与仅采用DSP处理器的传统应用相比，DSP和FPGA混合开发平台能够将系统性能提升一个数量级以上。FPGA协处理器具有硬件结构可重构的特点，适合算法结构固定运算量大的前端数字信号处理，可以大量卸载这些功能，释放DSP带宽以处理其他功能，使得FPGA在数字信号处理领域显示出自己特有的优势。这非常适合高速数字通信以及视频图像处理等对DSP性能要求越来越高的新兴应用。本文对PUSCH信道中两个关键模块(转换预编码和频域均衡)进行了重点研究，并提出了硬件平台实现方案，不仅对相关内容的后续研究工作有一定帮助作用，同时可以为其它信道、其它系统的实现提供参考。14 本文组织结构第一章：描述了LTE通信系统国内外发展现状，说明了论文研究背景及现状，最后概括论文的结构安排。第二章：研究LTE系统框架及特点，分析了SCFDMA信号处理技术，总结了LTE系统中PUSCH的信号处理流程。第三章：对PUSCH发送端的转换预编码进行了分析，详细描述几种DFT算法，提出一种可行的转换预编码实现方案，在FPGA上实现，并对结果进行分析。第四章：对PUSCH接收端频域均衡算法进行仿真分析，并选出一种合适的算法在ISE软件实现，并对性能进行分析。第五章：提出LTE物理层硬件平台开发方案，并实现其中与PUSCH数据传输存储相关的总线及接口。第六章：总结全文，对本课题未来发展进行展望，并安排下一步工作。第二章 LTE-TDD系统与上行关键技术 在2004年12月召开的3GPP RAN第26次全会上，3GPP正式通过了关于UTRA长期演进(LTE)研究的立项。这种下行采用正交频分多址(OFDMA)方式，上行采用单载波频分多址(SO-FDMA)方式的技术，与其说是3G技术的演进，不如说是革命，它甚至可以被看做准4G技术。21 LTE-TDD系统架构 确定EUTRAN架构的总体原则：1)一个物理网元可以包含多个逻辑节点；2)一个接口应该基于通过这个接口控制的实体逻辑模型来设计；3)当定义EUTRAN接口时，应尽可能减少接口功能划分的选项数量；4)RRC连接的移动性完全由EUTRAN控制；5)EUTRAN和EPC的功能完全区分与传输功能；6)信令和数据传输网络的逻辑分割。 LTETDD总体系统包括演进型核心网EPC(即MMESOW)和演进型接入网EUTRAN。2.2 SC-FDMA技术 单载波频分多址(SC-FDMA技术)，是一种即将部署在未来的蜂窝移动通信系统的新的无线传输技术。SCFDMA的发展是蜂窝技术迅速演进的代表之一。标准组织为有关各方提供一个平台来确立可以将各方提出的性能目标折中的技术。为了平衡这些利益冲突，该组织对所提方案进行一些指标的测量。这些指标通常包括系统谱效率，吞吐量以及移动便携设备中的延迟和功耗。SCFDMA采用单载波调制、DFT预编码和频域均衡等技术，与OFDMA有相似的性能，而总体复杂度也相当。它相对于OFDMA的一个突出的优点是其优良的峰值功率特性。SCFDMA替代OFDMA已引起广泛关注，尤其是在上行通信，从发射功率效率和制造成本方面考虑，较好的峰值功率特性大大有利于延长移动终端的使用寿命。SCFDMA技术已经成为3GPP LTE上行链路多址接入方案。2.3 PUSCH信号流程 LTETDD定义的物理信道包括三种：物理上行共享信道(PUSCH)，物理上行控制信道(PUCCH)和物理随机接入信道(PRACH)。PUSCH信道携带上行数据信息和控制信息，它是SCFDMA的一种具体应用，所以PUSCH信号流程框图跟前面介绍过的SCFDMA流程图相似，下面以发送端与接收端分别说明。 MAC层的数据经过ULSCH传输信道，数据经过一系列的基本过程，即在传输块上添加CRC，码块分割及每个码块的CRC添加，信道编码，速率匹配，码块级联，码块级联之后的数据与编码之后的CQI信息进行复用，再将复用之后的比特流与编码之后的RI，ACK信息进行信道交织，交织之后的比特流进入物理信道PUSCH处理流程，即加扰、调制、传输预编码、资源粒子映射及SCFDMA信号的产生。PUSCH可以采用三种调制方式，即QPSK，16QAM，64QAM。第三章PUSCH发送端转换预编由于传统OFDM技术的PAPR较高，实现上行链路用户的手持终端有一定的困难。OFDM本身也可以采用一系列降低PAPR的附加技术，如子载波预留和削波等。另一种方法是在发射机的IFFT处理前对信号进行预扩展处理，其中最典型的就是用离散傅立叶变换(DFT)进行扩展，这就是DFT-SOFDM技术。LTETDD系统上行多址方案SCFDMA就是采用DFT-SOFDM来实现。因此，DFT处理器的性能决定了LTETDD系统.31需求分析及研究现状LTE中SCFDMA的基带信号产生过程如下：加扰，调制，转换预编码，资源粒子映射，SC-FDMA信号生成. 此方案的优点是算法规则，利于编程实现：缺点是需要做的级间旋转法器和存储器等硬件资源开销较大，本文所提方案综合采用CooleyTukey算法、PFADFT算法，充分发挥三者的优点，努力提升处理器性能。 32基本算法描述目前已经有多种形式的DFT实现算法从是否需要多维索引映射可以分为两大类，有多维索引映射和无多维索引映射；前者包括Cooley-Tuckey FFT 算法，PFA FFT算法，Winorgrad FFT算法；后者包括Goertzel算法，Bluestein Chip-z算法,Rader算法, Winorgrad DFT算法和Hartley变换等。 其中Winograd FFT是由短长WDFTA演变而来，相对短长WDFTA而言其在实际中使用频率不高。目前已经有种途径可以实现DFT。短的DFT可以用CooleyTukey、PFA或Winograd DFT提出的索引模式来开发长DFT。选择实现的共同目标就是将乘法的复杂性降到最低。这是一种可行的准则，因为乘法的实现成本与其它运算，诸如加法、数据访问或索引计算相比而言要高得多。1)CooleyTukey算法具有良好的模块性，并且可以实现原位计算，对输入数据以及旋转因子的抽取具有规律性。文献26】中提出的一种基3 FFT算法是CooleyTukey算法的具体应用。这一算法区别于其他FFT算法的一个重要事实就是因子可以任意选取，通用性强，复杂度低，便于实现。2)PFA算法只适合因子互质的场合，因为避免了级间旋转因子的乘法运算操作，因此CooleyTukey算法的运算次数要少得多。可以看出，PFA算法与CooleyTukey算法相结合与【1 0】相比，减少了级间旋转因子乘法数，可以有效降低运算量，这些运算量的降低对整个系统的实现起着至关重要的作用，而其付出的代价只是复杂度的略微提升。而本方案在采用WDFTA算法之后又可以大幅降低运算量。转换预编码所需要进行的34种DFT的长度都是因子互质的，且变换种类多，变换长度大。故最外层可采用PFA算法，这样可以节省级间乘法器数量：其次为CooleyTukey算法，因为适合任意长度，可以在PFA算法不适合的场合下使用，且实现起来比较简单，在变换长度较大时，复杂度远比inograd FFT算法低；而最里层的子模块即小N长度变换则采用WDFTA算法，以最大限度节省资源。综上所述，在实现混合基DFT时，选择CooleyTukey算法、PFA算法和WDFTA算法相结合，且优先选择PFA算法，其次为CooleyTukey算法，而WDFTA算法用在使用频率高且点数小的最内层模块上面，系统设计将PFA算法出发。3.3 转换预编码实现上述过程就可以看成是转换预编码的实现过程，这里不再重复。本小节对所生成转换预编码的外部接口进行描述，并对其性能进行综合评估。，DFT处理器处理后的结果和Matlab计算的理论结果基本一致，两者之间的误差正是数据量化效应的体现。这种误差是数据在经过量化和截断处理操作后不可避免的，因此可以判断实验结果符合精度要求。 本章对PUSCH发送端的转换预编码进行了研究，对常规DFT算法进行了讨论，提出一种资源占用、速度及吞吐量都能满足性能的转换预编码实现方案，详细描述了方案架构，并用900点DFT为例描述了方案实现具体过程。最后对转换预编码性能进行了分析。在接下来的工作中，将进一步研究与其联系的外部接口，完成LTE综合测试仪表的开发，应用于下一代移动通信系统中。第四章 PUSCH接收端频域均衡 高速宽带应用的一个主要的挑战是无线信道的时间色散特性。时延达微秒级的无线信道中，如果数据速率为数十兆bits，那么导致数十甚至数百个符号间存在干扰(ISI)。LTETDD系统的理论峰值传输速率可以达到下行100Mbps、上行50Mbps，必须精心设计来处理这种严重的ISI。 41 无线性道特性 蜂窝通信系统中的无线信号传输是一个重大的理论和实践课题，而其中上行传输技术需要具有高频谱效率，高吞吐量，低延迟以及较长的电池寿命等指标。无线系统设计中最大的挑战就是在通信信道上存在各种损害的情况下最优化上述这些指标. 多径传播是在蜂窝信号传输过程中普遍存在的现象。由于运行环境的特点，接收器接收到的信号是发送信号经过地面、各种自然物及建筑物反射后的叠加。因此，信道冲击响应可以用一组正比于不同信号成分经过的路径长度的相对延迟的脉冲信号来建模。42单载波频域均衡 均衡器可以补偿由多径传播引起的线性失真。对于宽带信道，传统的时域均衡是不合适的。因为时域上的信道冲击响应很长，将导致时域均衡操作的计算复杂度非常大，而频域均衡技术更实用。信道均衡本质上是相对于多径传播引起的线性失真的反向滤波操作。从线性时不变系统的角度来看，线性滤波在时域是一种卷积运算，在频域是逐点乘法运算。傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，可逐点除以估计出的信道频率响应来实现均衡。 利用DFT，频域均衡可以利用现代数字信号处理器轻松实现。由于DFT的大小不随信道响应的长度变化而线性变化，所以在宽带信道中频域均衡技术的复杂度远远低于常规的时域均衡器。单载波频域均衡是一种实用的减小频率选择性衰落影响的技术。即使是在长信道脉冲响应的情况下，它也能提供与OFDM类似的性能及相近的整体复杂度。大多数时域均衡技术，如最小均方误差(MMSE)均衡，判决反馈均衡(DFE)，自适应均衡和Turbo均衡算法，可以适用于频域均衡中。4.3 频域均衡算法 峰值畸变和均方误差准则已在均衡系数最佳化中得到广泛应用峰值畸变准则定义为均衡器输出端符号间干扰绝对值之和的最小化；均方误差准则定义为均衡器输出数据与期望数据的均方误差最小化。 通常的判决反馈均衡器是对数据符号进行逐符号判决，然后立刻反馈给待判决的符号从而去掉码间干扰。因为单载波系统信号在FFT变换过程存在一个固有时延，所以这种立刻反馈的方法不适合频域判决反馈均衡。时频域混合判决反馈均衡器是一种常见的判决反馈均衡器，这种均衡器的前向滤波器使用频域滤波器，反馈部分用传统的时域横向滤波器。 前面提到的MMSE均衡是基于最小均方误差准则的最佳接收机，其性能优于ZF均衡，尤其是信道具有频域上的深衰落点时，不会使信道噪声被过度放大。但是MMSE均衡后仍存在部分残余码间干扰。上面两种判决反馈均衡器在性能上依赖于判决反馈滤波器的阶数，阶数越高，性能越好，但计算复杂度也越高。4.4 频域均衡器实现 选择第三种均衡算法在FPGA上实现。根据MMSERISIC算法，需要进行的主要步骤有除法及混合基DFTIDFT运算。对于算法在FPGA上的实现，使用AccelDSP工具直接将Matlab代码转化为Verilog代码的方法开始盛行起来，但对其研究之后，发现其有一定的局限性，如现今版本只支持基2 FFT，而对于非基2 DFT却无法实现。所以用传统编写Verilog代码的方法来完成均衡器的实现。 加减乘除四种基本运算中，除法是最复杂的操作。以目前大部分EDA软件的综合能力来说，只有RTL或更低层次的行为描述才能保证是可综合的。对于除法，一般调用经过反复验证的IP核来实现。Xilinx提供的除法核有两种实现方案：一种称为基2方案，采用内部逻辑来搭建除法器，适用于操作数位宽不大于16比特的场合；另一种称作高基除法器，采用硬核乘法单元来实现除法器，适合操作数位宽大于16比特的情况。通过仿真比较可知，基2除法器最大的优点就是完全采用流水线方案，具有较大的吞吐量，只是数据输入到结果输出之间的延迟稍长；而高基除法器虽然延迟较小，但是结果输出之前不接收新的输入数据。因此从总体的角度看，高基除法器的吞吐量比基2除法器的低些。另外，实际中采用的操作数位宽为16比特，因些选用基2方案来实现除法器。 PUSCH接收端均衡器数据输入长度与发射端转换预编码的长度及种类一致，所以均衡器中的混合基DFTIDFT采用前面实现的转换预编码模块，均衡共调用一次DFT和两次IDFT。 45本章小结 本章首先描述了无线性道特性，并列出了3GPP推荐的三种衰落信道模型。对几种频域均衡算法进行了讨论并仿真，最后选择MMSERISIC算法进行实现。经软件测试，该频域均衡器达到了预期效果。第5章 硬件平台搭建 LTE协议还在制定当中，在最终完成之前将经历若干次修订。在这种情况下，最终产品具有硬件灵活性以及重新编程能力就显得非常重要。具有这种特点的系统可以大大减少设备商和运营商的成本，并降低由于协议不断变化带来的风险。5.1 物理层开发系统架构 目前无线通信系统物理层开发有许多设计方案可供参考，其中DSP和FPGA混合工作是比较流行的解决方案。它具有低成本和低风险优势，推动了设计实现，有助于产品在市场上获得成功。流程控制可以在DSP中软件实现，而处理载荷较重的任务最好在FPGA中实现，如DFT，Turbo译码等，这是因为FPGA的并行处理能力较强。DSP和FPGA相结合支持灵活的系统实现，提供创新编程能力，可以获得更高的性能，有利于修复故障，甚至支持不同的标准。本章重点介绍AHB总线数据传输模块与存储模块。 52 AHB总线 高级微控制器总线体系(AMBA)是一种在设计高性能嵌入式微控制器时片上通信标准。它定义了三种不同的总线：高级系统总线(ASB)、高级高性能总线(AHB)和高级外设总线(APB)。 AHB是为提出高性能可综合设计的要求而产生的新一代AMBA总线。它是一种支持多总线主机和提供高带宽操作的高性能中枢总线。AHB支持处理器，片上片外存储器以及低功耗外设功能单元之间的有效连接，可以和现今的ASBAPB有效的桥接确保了能够方便集成任何现有的设计。 AHB总线协议是一种使用中央多路选择器互联的架构。该架构中，全部总线主机设备可以输出地址和控制信号来指示它们想执行的数据传输同时仲裁器决定哪一个主机能够得到授权，并将它的地址和控制信号连通到所有的从机。同时需要一个译码器来控制读数据和响应多路信号选择器，多路信号选择器选中来自传输中所包含从机的相应信号。 AHB主机：能够通过提供地址和控制信息发起读写操作。任何时候只允许一个总线主机处于有效状态来使用总线。 AHB从机：在给定的地址空间范围内响应主机发起的操作。总线从机将成功、失败或者等待数据传输的信号响应给有效的主机。 AHB仲裁器：确保每次只有一个总线主机被允许发起数据传输。AHB必须有且只有一个仲裁器。 AHB译码器：用来对每次传输进行地址译码并在传输中包含一个从机选择信号。所有AHB都必须有且仅有一个中央译码器。 5.3 AHB操作 在一次AHB传输开始之前总线主机必须被授予访问总线。这个过程开始于总线主机向仲裁器断言一个请求信号。仲裁器指示主机何时能够被授予使用总线。被授权的总线主机通过驱动地址和控制信号来发起一次AHB传输。这些信号提供关于地址、方向和传输宽度的信息，以及表示传输类型是否为一次突发传输的部分。允许有两种不同类型的突发传输：1)增量突发，在地址边界处不回环；2)回环突发，在特定的地址边界上回环。写数据总线用来将数据从主机传输到从机上，而读数据总线用来将数据从从机传输到主机上。每次传输包含： 1)一个地址和控制周期； 2)一个或多个数据周期。 地址不长期有效所以所有从机机必须在这个时段(传输地址时)采样地址。然而，通过HREADY信号可以延长数据。当该信号为低时导致在传输中插入等待状态同时允许从机有额外的时间提供或者采样数据。5.4 本章小结 本章采用一种LTETDD物理层硬件开发平台(即DSP和FPGA相结合)的方案，并进行了功能模块划分，对实现了其中与数据存储与传输有关的总线接口，最后对系统进行了优化。第6章 总结与展望 本文简要介绍了LTE的发展现状以及SCFDMA的基本原理；系统地研究了LTETDD系统PUSCH信号处理流程。在比较经典CooleyTu