（信号与信息处理专业论文）基于dsp的实现cdma基带信号的研究.pdf

摘要 本论文介绍了信号发生器的发展历程和软件无线电技术的发展，研究了软件 无线电技术在信号发生器中的应用的可行性。 研究了基于i s 一9 5 标准的c d m a 蜂窝通信系统前向链路的信道结构以及基于 i s 9 5 标准的c d m a 基带信号的产生过程。 在上面的理论基础上利用软件设计了数据源、c r c 编码器、卷积编码器、交 织器、扰码器、w a l s h 序列发生器、p n 序列发生器、基带滤波器等模块，在 t m s 3 2 0 c 6 7 1 1d s k 的硬件平台上实现了基于i s 9 5 标准的c d m a 基带信号发生 器，并在时域和频域对信号进行了测量，结果正确。 关键词：d s pc d m a信号发生器软件无线电 a b s t r a c t t 1 1 i s p a p e r i n t r o d u c e dt h ee v o l u t i o nc o u r s eo ft h e s i g n a lg e n e r a t o ra n d t h e d e v e l o p m e n to ft h e s o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g y , s t u d i e dt h ef e a s i b i l i t ya p p l y i n gt h e s o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g yt ot h es i g n a lg e n e r a t o r t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e d t h ec h a n n e ls t r u c t u r e so ft h ef o r w a r dl i n ki nt h ec d m a c e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m b a s e do nt h ei s 9 5s t a n d a r da n dt h eg e n e r a t o rp r o c e s so f t h ec d m ab a s e b a n ds i g n a lb a s e do i lt h ei s 一9 5s t a n d a r d b a s e do na b o v et h e o r e t i c a lb a s i s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ed a t as o u r c eg e n e r a t o r , t h e c r ce n c o d e r ，t h ec o n v o l u t i o ne n c o d e r , t h eb l o c ki n t e r l e a v e ，t h es c r a m b l e r , t h ew a l s h g e n e r a t o r , t h e p nc o d e g e n e r a t o r , t h e b a s e - b a n df i l t e a e r e f i n a l l y , t h e c d m a b a s e b a n ds i g n a l g e n e r a t o r b a s e do nt h ei s 9 5s t a n d a r dw a sc a r r i e do u to nt h e t m $ 3 2 0 c 6 7 l ld s kh a r d w a r ep l a t f o r m i tw a sm e a s u r e di nt h et i m ed o m a i na n d s p e c t r u md o m a i nw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e y w o r d ：d s p c d m a s i g n a lg e n e r a t o r s o f t w a r er a d i o 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 日期墨! 竖! ：兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：叠堑喳 导师签名必： 日期型坚：! ：兰 日期兰竺丝! ：兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来移动通信成为信息产业的热点，所用频段和调制带宽不断增加，多载 波和多标准共同使用【lj 。如果采用多台信号发生器通过功率合成器获得测量信号显 然既浪费资源，使用起来也不方便。针对移动通信的手机和基站设备的测量必须 研究新型的信号发生器。通过分析我们不难发现新的技术标准需要极其复杂的数 据处理技术，这对信号发生器提出了更高的要求。软件无线电技术为之提供了相 应的解决方案，它将成为以后信号发生器设计的核心所在。我们认为，下一代信 号发生器系统的数据处理部分将会是一个由软件无线电所定义的，运算能力强大 的数据处理平台。 1 2 本文完成的工作 本文的工作是研究基于数字信号处理器芯片实现的基带信号。基带信号选用 c d m a 信号，c d m a 信号是伪随即序列，互相关接近于零，具有很好的独立性， 而且频谱非常宽，经滤波后可以限制在一定频谱范围内。另外，c d m a 信号在此 处是作为基带信号而不是真正的通信信号，因此没有语音、抗衰落、网络等通信 技术方面的指标要求。 本文研究了基于数字信号处理器芯片的基带信号产生的可行性，并在 t m s 3 2 0 c 6 7 1 1d s k 开发板上产生了i s 9 5 标准的c d m a 基带信号。依据c d m a 的i s 9 5 标准，以前向链路为主，得到前向链路各信道的原理框图以及总电路框图。 c r c 、卷积编码器、重复器、交织器、p n 码序列( 长码、短码) 发生器、w a l s h 序列 发生器、基带滤波器的原理以及实现。用软件实现各个模块的功能，并在 t m s 3 2 0 c 6 7 11d s k 开发板上产生各信道的c d m a 信号。 基于d s p 实现的c d m a 基带信号的研究 第二章软件无线电技术及其在信号发生器中的应用 2 1 信号发生器的发展 在1 9 8 0 年代以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容，电感电容， 谐振腔，同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械驱动 可变元件，如电容器或谐振腔来完成，往往调节范围受到限制，因而划分为音频、 高频、超高频、射频和微波等信号发生器，随着无线电应用领域的扩展，针对广 播、电视、雷达、通信的专用信号发生器亦获得发展，表现在载波调制方式的多 样化，从调幅、调频、调相到脉冲调制。1 9 8 0 年以后数字技术日益成熟，信号发 生器绝大部分不在使用机械驱动而采用数字电路，从一个频率基准由数字合成电 路产生可变信号。调制方式更加复杂，出现同相，正交调制至宽频数字调制。 近年来移动通信成为信息产业的热点，所用频段和调制带宽不断增加，多载 波和多标准共同使用。如果采用多台信号发生器通过功率合成器获得测量信号显 然既浪费资源，使用起来也不方便。针对移动通信的手机和基站设备的测量必须 研究新型的信号发生器。这种信号发生器应当具有以下特点： 高级微机和操作平台 模块结构便于硬，软件的升级和扩展 多种标准格式软件，快速产生多种移动标准信号格式( 包括g s m 、e d g e 、 c d m a 、w - c d m a 和用户专用信号) 强劲的处理和存储能力 同时输出多载波组合信号 超线性的信号合成 宽的瞬时带宽和a w g 存储 从上面的特性描述中，我们不难发现需要极其复杂的数据处理技术，这对信 号发生器提出了更高的要求。我们认为，下代信号发生器系统的数字处理部分 将会是个由软件无线电所定义的，运算能力强大的数字处理平台。软件无线电 技术为之提供了相应的解决方案，它将成为以后信号发生器设计的核心所在。 2 2 软件无线电技术 软件无线日g ( s o f t w a r er a d i o ) 的概念是由美国科学家j o e m i t o l a 于1 9 9 2 年5 月 在美国电信系统会议上首次明确提出的2 1 。 软件无线电的基本概念是利用不断增加的芯片处理速度和不断的大规模集成 第二章软件无线电技术及其在信号控生器中的战用 电路技术，把d s p 芯片或通用c p u 芯片作为无线通信的基本硬件平台，将尽可麓 多的无线通信功能，如调制技术、跳频、纠错及加密等用软件实现。这些软件通 常是d s p 、a s i c 、f p g a ( 现场可编程序的逻辑序列) 里的软件。上述无线功能可以 用软件升级来改变无线参数，可以按要求的条件用编程来设计。这样就把无线通 信系统或产品的某些部分转移到软件上来，无线通信设备的价格将与软件有关。 系统升级基于软件，其代价小。采用软件无线电，使不同的系统和设备容易兼容 和互联。软件无线电将被看成是无线通信领域中继固定到移动、模拟到数字之后 的又一次飞跃，又一次革命。 灵活性和开放性是软件无线电的主要特点。灵活性是指软件无线电系统可以 与其它任何电台进行通信，可以作为其它电台的射频中继，可以通过无线加载的 方法来增加软件模块或更新软件。开放性是指软件无线电系统由于采用了标准化、 模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随 需要而不断升级，实现不同体制、电台的兼容。 软件无线电的基本思想是将a d 、d a 变换尽量靠近射频前端，应用宽带天 线或多频段天线，将整个r f 段或中频段进行a d 变换，这之后的处理均由通用 处理器或d s p 器件完成。其硬件结构使软件无线电具有整体的可编程性：r f 频段 可编程、信道访问模式可编程、信道编码和调制可编程。同时由于其开放的体系 结构，系统功能的改变只需软件做适应调整，则不需重新设计系统，特别是硬件 系统。数据源输出的数据经过信源编码( 如j p e g 编码) 后，再进行信道编码。多路 访问可使用多种方法，如t d m a 、c d m a 等；不同的系统的调制方式不同，软件 无线电系统应该能兼容它们，如q p s k 、f s k 等，多路访问和调制部分还包括定时 信息的处理，如帧同步、比特同步、码元同步等。最后经a d 转换、上变频送至 射频( r f ) 前端，由宽带天线发射出去。若是接收，则过程与上相反。在软件无线电 系统中，由于信号占据很宽的频带范围( 从几十k h z 到几千m h z ) ，加上不同体制 之间的编码、复用、调制方式不同，从而要求软件无线电系统有很强的数据处理 能力和快速输入输出( i o ) 能力。 软件无线电结构下定义的数字处理平台具有如下特征。1 ： 强大的运算能力 要达到很高的运算能力，必须从以下几个方面入手：尽力提高单个d s p 的速 度，不但要使d s p 有更快的时钟，而且要增加集成于芯片内部的存储器，提 高内部总线的数据带宽，此外，更多的采用专门设计的通信处理指令，减少 特定运算所需的指令周期：增强d s p 相互闾的通信接口，使得多d s p 的协 同处理更为顺畅；在d s p 内部集成专用的硬件加速模块，i 抽d s p 内核进行 配置和管理，但可独立完成些运算量大的重复运算。 完全的灵活性 基于d s p 实现的c d m a 基带信号的研究 显然该平台将以完全可编程的d s p 为中心。当空中接口改变时，可以通过下 载新的代码或改变系统参数的设置完成功能的升级。或者是可以由用户为不 同的应用环境方便地订制其指定的功能和人机界面，而生产商完全不必改变 其单一的硬件平台。现在全世界有多达十几种的蜂窝通信制式，还有各种各 样的无线局域网，和蓝牙技术所代表的短距传输技术，未来的数字平台不但 要承载全新的通信标准，更要能够兼容这些现存的标准，这也是下一代通信 测试系统的主要目标之一。 模块化和可增减性 数字平台的模块化有两方面的含义：一方面，在硬件上该平台以d s p 为中心， 其周边的接口尽量标准化，使得通过加入不同的标准模块，包括并行的d s p ， 可以方便地增加功能，扩展规模，增加系统的可维护性；另一方面，也是更 重要的方面，在软件上形成完全的层次化模块化设计。这种做法，可以有效 地降低开发成本，充分利用现有资源，也使得充分的灵活性能够更容易实现。 开放的体系结构 一个开放的体系结构应具有业界公认的功能模块和公开的模块接口。在实现 模块化设计后，就已经定义了模块间的标准接口。如果能够公开这些接口， 就具备了开放体系结构的基础。当前，开放是不可逆转的潮流，当在网络中 实现设备接口的开放后，进一步就是设备中模块的开放。实现开放的结构使 得生产商不必开发所有的模块而只需专注于自己最擅长的部分，从而可以降 低成本，实现核心竞争力。 在目前，数字信号处理和数字控制的方案大致有：数字信号处理器( d s p ) 、现 场可编程逻辑器件( f p g a ) 、可由参数控制的硬件电路、用户定制集成电路( a s i c ) 。 对于以上4 种方法，可编程性能为d s p 最高( 可用汇编或c 语言) ，后者依次降低， a s i c 不具编程能力；运算速度则相反，以a s i c 为最高，d s p 最低：功耗以d s p 为 最高，a s i c 最低。在软件无线电的设计中，要综合考虑器件性能和特点，构架可 编程性能高、运算速度快、功耗低的系统。另外，虚拟无线电( v i r t u a lr a d i o s ) 也是 可供选择的一种方法，其思想是使用高速a d c 作为数字与模拟的接口，处理器的 核心使用高性能的工作站硬件。这种方案使得用户可以利用工作站的硬件和软件 设计新的算法，并且可以在工作站上方便地进行系统结构的试验陋j 。 2 3 数字信号处理器芯片 2 3 1 信号处理领域的巨大变革 自从2 0 世纪7 0 年代末第一片数字信号处理器芯片( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， d s p s ) i 司世以来，数字信号处理器芯片就以数字器件特有的稳定性、可重复性、可 第二章软件无线电技术及其在信号发生器中的应用 大规模集成，特别是可编程性高和易于实现自适应处理等特点，给数字处t 塑( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 的发展带来了巨大机遇，并使信号处理手段更灵活，功能更 复杂，其应用领域也拓展到国民经济生活的各个方面n 近年来，随着半导体制造 工艺的发展和计算机体系结构等方面的改进，数字信号处理器芯片的功能越来越 强大，使信号处理系统的研究重点又重新回到软件算法上，而不再像过去那样过 多地考虑硬件可实现性。而且随着数字信号处理器芯片运算能力地不断提高，能 够实时处理的信号带宽也大大增加，数字信号处理的研究重点也由最初的非实时 应用转向高速实时应用【8 l 。 图2 1 和图2 ，2 分别表示了定点和浮点数字信号处理器芯片在不同年份的处理 性能和未来预测p 1 。 一i ：- 硼躅妇卿j 喇；俐l l 嘲l 蝤l 妫l 粥挪躺， 图2 1 定点数字信号处理器芯片在不同年份的处理性能乖l 未来预测 图2 2 浮点数字信号处理器芯片在不同年份的处理性能荆l 未来预测 2 3 2 数字信号处理器芯片的分类 按照所支持的数据类型不同，数字信号处理器芯片分为定点产品和浮点产品2 大类： 定点数字信号处理器芯片进行算术操作时，使用的是小数点位置固定的有符 号数或无符号数。 浮点数字信号处理器芯片进行算术操作时，使用的是带有指数的小数，小数 点的位置随着具体数据的不同进行浮动。 蟹譬v茕盛瓣截 薹vr鼍翻谍 基于d s p 实现的c d m a 基带信号的研究 定点数字信号处理器芯片在硬件结构上比浮点数字信号处理器芯片简单，具 有价格低和速度块的特点，因而应用得最多；而浮点数字信号处理器芯片的优点 是精度高，不需要进行定标和考虑有限字长效应，但是其成本和功耗相对较高， 速度较馒，适合于对数据动态范围和精度要求高的特殊应用。 2 3 _ 3 数字信号处理器芯片的特点 2 ，3 3 1 功能特点 数字信号处理任务通常需要完成大量的实时计算，如在数字信号处理中常用 的f i r 滤波和f f t 算法。数字信号处理中的数据操作具有高度重复的特点，特别 是乘加操作y = a b + c 在滤波、卷积和f f t 等常见数字信号处理算法中用的最多。 数字信号处理器芯片在很大程度上就是针对上述运算特点设计得。与通用微处理 器相比，数字信号处理器芯片在寻址和计算能力等方面作了扩充和增强。在相同 的时钟频率和芯片集成度下，数字信号处理器芯片完成f f t 算法的速度比通用微 处理器要快2 到3 个数量级f 如对于1 0 2 4 点的f f t 算法，时钟相同，集成度相同 的i b mp c a t - 3 8 6 和t m s 3 2 0 c 3 0 运算时间分别为o 3 s 和1 5 m s ，速度相差2 0 0 倍) 。 2 3 _ 3 2 结构特点 数字信号处理器芯片的结构特点在很大程度上体现了数字信号处理算法的需 求。下面介绍数字信号处理器芯片在结构上的主要特点。 1 算术单元 硬件乘法器 由于数字信号处理器芯片的功能特点，乘法操作是数字信号处理器芯片的一 个主要任务。而在通用微处理器通过微程序实现的乘法操作往往需要1 0 0 多个时 钟周期，非常费时，因此在数字信号处理器芯片内都设有硬件乘法器来完成乘法 操作，以提高乘法速度。硬件乘法器是数字信号处理器芯片区别于通用微处理器 的一个重要标志。针对乘加运算，多数数字信号处理器芯片的乘法器和a l u 都支 持在1 个周期内同时完成1 次乘法和1 次加法操作。 多功能单元 为进一步提高速度，可以在c p u 内设置多个并行操作的功能单元( a l u ，乘法 器和地址产生器等) 。如c 6 0 0 0 的c p u 内部有8 个功能单元，包括2 个乘法器和6 个a l u 。这8 个功能单元最多可以在一个周期内同时执行8 条3 2 位指令。由于多 功能单元的并行操作使数字信号处理器芯片在相同时间内能够完成更多的操作， 因而提高了程序的执行速度。另外很多定点数字信号处理器芯片还支持在不增加 操作时间的前提下对操作数或操作结果的任意位移位。d s p 的算法特点和数据流 特点还可以使现代数字信号处理器芯片采用指令比较整齐划一的精简指令集 f r i s c ) ，有利于数字信号处理器芯片结构的简化和成本的降低。 2 总线结构 第二章软件无线电技术及 神吖言号发生器中的臆用 通用微处理器是为计算机设计的。基于成本上的考虑，传统的微处理器通常 采用冯诺曼总线结构：统一的程序和数据空间，共享的程序和数据总线。由于 总线的限制，微处理器执行指令时，取指和存取操作数共享内部总线，因而程序 指令只能串行执行。 对于面向数据密集型算法的数字信号处理器芯片而言，冯诺曼总线结构使 系统性能受到很大限制，因此数字信号处理器芯片采用了程序总线和数掘总线分 离的哈佛总线结构，这样数字信号处理器芯片就能够同时取指和取操作数r 。而 且很多数字信号处理器芯片甚至有2 套或2 套以上的内部数据总线，这种总线结 构称为修正的哈佛结构。对于乘法和加法运算，l 条指令要从存储器中取2 个操作 数，如果采用多套数据总线就可以同时取得2 个操作数，因此提高了程序效率。 c 6 0 0 0 系列数字信号处理器芯片则采用了新的v l i w ( 甚长指令字) 结构，片内提供 8 个独立的运算单元、2 5 6 位的程序总线、2 套3 2 位数据总线和l 套3 2 位d m a 专用总线。灵活的总线结构大大缓解了数据瓶颈对系统性能的限制。 3 专用寻址单元 数字信号处理器芯片面向的是数据密集型应用，随着频繁的数据访问，数据 地址的计算时间也线性增长。如果不在地址计算上作特殊考虑，有时计算地址的 时间比实际的算术操作时间还长。例如，8 0 8 6 做一次加法需要3 个时钭啁期，但 是计算一次地址却需要5 1 2 个时钟周期。因此，数字信号处理器芯片通常都有 支持地址计算的算术单元地址产生器。地址产生器与a l u 并行工作，因此地 址的计算不再额外占用c p u 时间。由于有些算法通常需要一次从存储器中取2 个 操作数，所示数字信号处理器芯片内的地址产生器一般也有2 个。 数字信号处理器芯片的地址产生器一般都支持间接寻址，而且有些数字信号 处理器芯片还能够支持位反转寻址( 用于f f t 算法) 和循环寻址，如c 6 0 0 0 就支持 循环寻址。 4 片内存储器 由于数字信号处理器芯片面向的是数据密集型应用，因此存储器访问速度对 处理器的性能影响很大。现代微处理器内部一般都集成有高速缓存器( c a c h e ) ，但是 片内一般不设存储程序的r o m 和存储数据的r a m 。这是因为通用微处理器的程 序一般都很大，片内存储器不会给处理器性能带来明显改善。而数字信号处理算 法的特点是需要大量的简单计算，相应地其程序就比较短小，存放在数字信号处 理器芯片片内就可以减少指令的传输时间，并有效缓解芯片外部总线接e l 的压力。 除了片内程序存储器外，数字信号处理器芯片内一般还集成有数据r a m ，用于存 放参数和数据。片内数据存储器不存在外部存储器的总线竞争问题和访问速度不 匹配问题，因此访问速度快，可以缓解数字信号处理所得数据瓶颈，充分利用数 字信号处理器芯片强大的处理能力。c 6 0 0 0 系列数字信号处理器芯片内部集成有 基于d s p 实现的c d m a 基带信号的研究 1 8 m b i t 的程序r a m 和数据r a m ，对有些片种，这些存储器还可以配置位程序 c a c h e 或数据c a c h e 来使用。 5 流水处理 除多功能单元外。流水技术是提高数字信号处理器芯片程序执行效率的另一 个主要手段。流水技术可以使2 个或更多不同的操作重叠执行。在处理器内，每 条指令的执行分为取指、解码和执行等若干个阶段，每个阶段称为一级流水。流 水处理使得若干条指令的不同执行阶段可以并行执行，因而能够提高程序执行速 度。理想情况下，一条k 段流水能在k + ( n + 1 ) 个周期内处理1 , 1 条指令。其中前k 个周期用于完成第一条指令的执行，其余n - 1 条指令的执行需要n 1 个周期。而在 非流水处理器上执行n 条指令需要n k 个周期。当指令条数n 较大时，流水线的填 充和排空时问可以忽略不计，可以认为每个周期内执行的最大指令个数为k ，即流 水线在理想情况下效率为1 。但是由于程序中存在数据相关、程序分支、中断以及 一些其他因素，这种理想情况很难达到。 对于流水操作还有个特殊的延迟间隙( d e l a ys l o t ) 问题，即如果某条指令的执 行时间不是单个周期，则在指令结果可以使用前会有i 个或几个周期的等待时间， 称为延迟时间隙。对于多数数字信号处理器芯片，延迟间隙问题会给编程带来一 些困难。但是对于c 6 0 0 0 系列数字信号处理器芯片。这个问题在线性汇编语言编 程中完全不用考虑。而且采用线性汇编语言编程，程序效率可以达到标准汇编效 率的9 5 1 0 0 。 2 3 3 _ 3 性能指标 由于各个数字信号处理器芯片厂商的数字信号处理器芯片结构差别很大，而 且数据传输能力相差很大，因此数字信号处理器芯片的性能不像p c 那样可以用 c p u 的时钟频率和型号来表征，而必须采用可比的性能指标来衡量。数字信号处 理器芯片的综合性能指标除了与芯片的处理能力直接相关外，还与数字信号处理 器芯片的片内、片外数据传输能力相关。数字信号处理器芯片的数据处理能力通 常同数字信号处理器芯片的处理速度来衡量：数据传输能力用内部总线和外部总 线的配嚣，以及总线或i 0 口的数据吞吐率来衡量。 以下是衡量数字信号处理器芯片处理性能的一些常用指标： m f l o p s ( 百万次浮点操作秒) 其中浮点操作包括浮点乘法、加法、减法和存 储等操作。m f l o p s 是表征浮点数字信号处理器芯片处理性能的重要指标。用户 选用数字信号处理器芯片时要注意厂家提供的通常是峰值指标，因此系统设计时 要留一定裕量。t m s 3 2 0 c 6 7 x x 可以达到1 0 0 0 m f l o p s 的峰值性能。 m o p s ( 百万次操作秒) 这里的操作，除了包括c p u 的操作外，还包括地址计 算、d m a 访问、数据传输和i o 操作等。m o p s 可以对数字信号处理器芯片的综 合性能进行描述。2 0 0 m h z 时钟的t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 峰值性能可以达到2 4 0 0 m o p s 。 第二章软件无线电技术及其在信号发生器中的应用 m i p s ( 百万条指令秒) 3 0 0 m h z 时钟的c 6 2 0 3 峰值性能可以达到2 4 0 0 m i p s 。 m b p s ( 百万位秒1m b p s 用于衡量数字信号处理器芯片的数据传输能力， 通常指某个总线或者i o 口的带宽，是对总线或i o 口数据吞吐率的量度。对于 t m s 3 2 0 c 6 2 x x 系列外部总线接口，如果总线时钟选择2 0 0 m h z ，则总线数据吞吐 率的量度。对于t m s 3 2 0 c 6 2 x x 系列外部总线接口，如果总线时钟选择2 0 0 m h z ， 则总线数据吞吐率为8 0 0 m b s ( 3 2 位数据总线) 即6 4 0 0 m b p s 。 因为以上这些指标不可能完全表征处理器完成特定算法的处理能力，所以只 是作为系统设计时的参考。特别是随着数字信号处理器芯片结构的多样性和复杂 性，这些指标越来越不能反映数字信号处理器芯片的综合性能，不同厂商的指标 甚至不具可比性。对于一些常用的d s p 算法，如n 点f f t 的处理时间和n 点f i r 的处理时间等，可以参考数字信号处理器芯片厂商提供的( b e n c h m a r k ) 在进行系统 设计时，要想得到具体参数下的精确指标，则必须通过软件仿真器和软件评估模 块等开发工具在数字信号处理器芯片上进行实验。 基于d s p 实现的c d m a 基带信号的研究 第三章基于i s 。9 5 标准的c d m a 通信系统 i s 一9 5 标准的全称是“双模式宽带扩谱蜂窝系统的移动台一基站兼容标准”。 是由美国电信工业协会( t i a ) 于1 9 9 5 年公布【3 0 】。i s 、9 5 标准实际上是一个公共空中 接n ( c a i ) ，没有完全规定一个系统怎样实现，只是提出了信令协议和数据结构的 特点与限制。不同的开发者可以采用不同的方法和硬件工艺，但是他们产生的波 形和数据系列必须符合i s 9 5 标准的规定。 i s 9 5 系统通过移动电话交换局( m t s o ) 与公众电话交换网( p s t n ) 进行接口， 这和所有的蜂窝系统一样。其中，移动台和基站通过前向链路( 基站到移动台) 和反 向链路( 移动台到基站) 进行射频通信，有时也分别称作下行和上行链路。本节以前 向链路为主讨论c d m a 数字蜂窝通信系统的构成。 3 1 系统频率分配及时间基准 北美第一代模拟蜂窝系统a m p s 采用f d m a 方式将预留的频谱划分为每 3 0 k h z 带宽的f m 模拟语音信道。这些语音信道的频率分配如图3 1 所示。a 频段 的主要业务是无线系统，b 频段的传统业务是有线电话通信。最初分配的频带是 i o m h z ，后来增加到1 2 5 m h z 。( m h z ) 基站发射频率8 6 98 7 0 8 8 08 9 08 9 1 58 9 4 移动台发射频率8 2 4 8 2 58 3 58 4 58 4 6 。58 4 9 h爿戮黝黝 9 9 j 一】0 2 3 13 3 3 3 3 46 6 6 6 6 7 7 6 7 1 7 7 9 4 国3 ；蜂窝系统酶频翠配置 c d m a 蜂窝通信系统中，每个频道的带宽为1 2 5 m h z ( 不设保护带) ，加上两 边保护带则需占用1 8 m h z 。若有n 个频道，则带宽为1 8 + ( n - - t ) x 1 2 5 m h z 。在 我国，c d m a 可使用的频段是9 0 0 m h z 里的t a c s 、e t a c s 和8 0 0 m h z 里的联通、 部队a m p s 频段中的一部分。 移动台和基站的信道编号n 和中心频率的关系分别由式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 给出： f n0 3 0 n + 8 2 5 0 0 0 m h z ，1 n 7 9 9 厶m 。t o ：o ；o i ；一1 0 2 3 ) 十8 2 5 o o o 触，9 9 0 1 0 2 3 ( 3 1 ) 第三章基于i s - 9 5 标准的c d m a 通信系统 ，= ：o 0 3 0 n + 8 7 0 0 0 0 m h z , 1 n 1 0 2 3 “” 【0 0 3 0 ( n 一10 2 3 ) + 8 7 0 0 0 0 m h z 9 9 0 ns10 2 3 ( 3 2 ) 与f d m a 蜂窝系统不同，c d m a 系统不需要用蜂窝“簇”来提高同频蜂窝之 间的最小复用距离，从而控制信道之间的干扰。相反，邻近的c d m a 小区可以复 用同样的频谱，利用扩谱处理增益来克服干扰。 在c d m a 数字蜂窝通信系统中，全网必须具有统一的时间基准。因为每个基 站用同样的中心频率进行传输、用同样的两个短p n 码来扩谱( 前向链路) ，移动台 通过短p n 码的唯一起始位置( 相位偏置) 对不同的基站信号加以区分，因此对同一 个蜂窝服务区域中的几个c d m a 基站的时间基准进行同步是很有必要的。 c d m a 蜂窝系统利用“全球定位系统”( g p s ) 的时标，g p s 的时间和“世界协 调时间”( u t c ) 是同步的，二者相差是秒的整倍数。c d m a 系统时间的开始是 1 9 8 0 1 6 u t c ，这与g p s 的开始时间正好重合。c d m a 蜂窝系统中，基站彼此之间 是同步的。一般来说，由于移动台通常离各个基站的距离都不一样，故每个移动 单元接收到的信号是各个基站信号经过了不同传播延时的组合。当移动台捕获了 某个基站，通常是最近的基站信号，并且加入了那个基站，读取了那个基站广播 的同步消息。它就建立超自己的系统时间基准。同步消息所包含的同步信息能使 移动台的长p n 码和时间基准与该基站进行同步，但使稍有延时，因为移动台与基 站之间有一定的距离。利用经过延时的系统时间，移动台在反向链路上发射信号， 该信号被它所加入的基站接收时有附加的延时。 3 2 系统构成 3 2 1 逻辑信道 c d m a 蜂窝通信系统中，无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外， 还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。在 c d m a 通信系统中即不分频道又不分时隙，无论传送何种信息，信道都靠采用不 同的码型来区分。因此，c d m a 蜂窝通信系统的信道是属于逻辑信道。c d m a 系 统的逻辑信道无论从频域还是从时域来看，都是相互重叠的，或者说它们占用相 同的频段和时间。逻辑信道的示意图如图3 2 所示。 正向传输的逻辑信道见图3 2 ( a ) ，反向传输的逻辑信道见图3 2 ( b ) 。 正向传输的逻辑信道包括导频信道、同步信道、寻呼信道和正向业务信道。 寻呼信道用于传送导频信息，只有1 个，由基站连续不断地发送一种直接序列扩 频信号，供移动台从中获得前向c d m a 信道的定时和提取相干载波以进行相干解 调，并可通过对导频信号进行检测，以比较相邻基站台的信号强度和决定什么时 候需要进行越区切换。为了保证载波检测和提取的可靠性，导频信号的电平可以 三l ! 堑里塑塞塑塑! 里坚垒茔堕生! 塑翌塞 w 寻呼信 道1 对 应的接 入信道 ( a ) 基站发射的前向c d m a 信道示意图 反向c d m a 信道 卜一用户地址长码叫 ( b ) 基站接收的逻辑反向c d m a 信道示意图 图3 2c d m a 通信系统的逻辑信道示意图 高于其它信墨的电平。同步信道履于传送同步信息，也只有1 个在基站覆盖的 通信范围内，各移动台可利用这种信息进行同步捕获。寻呼信道供基站在呼叫建 立阶段传输控制信息，共7 个，通常，移动台在建立同步后，就选择一个寻呼信 道( 或在基站指定的寻呼信道) 监听由基站发来的信令，在收到基站分配业务信道的 指令后，就转入指配的业务信道中进行信息传输。正向业务信道除去传输业务信 息外，也可以插入其它必需的控制信息，例如功率控制信令和越区切换指令等。 正向业务信道共5 5 个。当需要通信的用户数目很多，业务信道不敷应用时，寻呼 信道可临时用作业务信道，直到全部用完。在极端情况下，同步信道也可以改作 业务信道。这时候，总数为6 4 的逻辑信道中，除去一个导频信道外，其余6 3 个 第三章基于i s - 9 5 标准的c d m a 通信系统 均用于业务信道。 反向传输逻辑信导包括接入信道和反向业务信道。接入信道与正向传输的寻 呼信道相对应，其作用是在移动台没有占用业务信道之前，提供由移动台到基站 的传输通路，供移动台发起呼叫，对基站的寻呼进行响应，以及向基站发送登记 注册的信息等。接入信道使用一种随机接入协议，允许多个用户以竞争的方式占 用。接入信道最多可以有3 2 个。反向业务信道用于将语音和数据发给基站，它的 数量等于正向业务信道的数量。当没有寻呼信道用于前向链路时，反向业务信道 的最大数目是6 2 个。为了减少干扰和节约移动台能量，在反向链路上不发送导频 信道。移动台或者发送接入信道，或者发送业务信道，但是从不同时发送这两种 信道。到目前为止，所谓移动台的反向链路信道都是指一种工作模式。 3 2 2 公共空中接口 i s 9 5 标准中定义了c d m a 蜂窝系统的公共空中接口( c a i ) ，不同的开发者可 以借此使他们的产品具有兼容性( 这些产品的设计实现可能会在某些方面不同) 复用：前向链路的信道化是基于正交码分复用方案，所用“副载波”的 数字波形是沃尔什函数的一组正交子集。从多址接入的角度讲，c d m a 中的“c ”即指沃尔什函数的复用。 抗干扰：前向链路波形用直接系列p n 码扩谱技术进行调制，用以分离特 定基站的信号，并减小接收导的其它基站信号的干扰。移动台用p n 码的 相位来区分基站信号f 而不是单个信道) ，从这个意义上说，在前向链路中， c d m a 中的“c ”不仅指沃尔什函数，同时也指p n 码的相位。 调制：前向链路波形使i 路( 余弦) 和q 路( 正弦) 的射频载波被不同p n 码的 双极性基带数据流调制，成为一种四相相移键控( q p s k ) 。 脉冲成型：i 路和q 路输出信道中的基带数字脉冲形状由f i r 滤波器决定， 滤波器的设计要使发射的功率谱密度对邻近频率影响最小。 p n 码片速率：p n 码的码片速率什1 2 2 8 8 m b w s ，是最大数据率9 6 k b i t s 的1 2 8 倍。 有效带宽：由于指定了p n 码的码片速率和频谱控制，i s - 9 5 的前向链路 信号能量基本上控制在1 2 5 m h z 的带宽内。 语音编码：规定采用变速率语音编码，根据语音的动态范围不同，数据速 率可以是1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 和9 6 0 0 b i f f s 。 交织：为了防止突发性错误( 一种衰落信道下移动通信所特有的情况) ，前 向链路在发送前对符号进行交织，交织长度为2 0 m s 。 3 2 3 正交复用方案 前向链路的正交复用总框图如图3 3 所示。 基于d s p 实现的c d m a 基带信号的研究 图3 3 前向链路正交扩谱 在前向链路中，每个信道通过其专用的正交沃尔什系列来区分其他信道，这 些沃尔什系列什被编码后的数据所调制的，很像一个单独的遥测副载波被几个数 据源中的一个所调制。沃尔什系列是维数为2 的幂的哈达玛矩阵的莫一行，当在 一个周期长度上进行相关时它们是正交的。寻呼信道和业务信道的数据用一个事 先分配好相位的长p n 码加扰，具有一定的保密性，但是不能用它来区分信道。信 道具体分配方案在第3 _ 3 节详述。 每个信道的基带数据率可以有多种取值，如以下讨论的，最高能达到 1 9 2 k b i t s 。每个信道基带数据流和一个以1 9 2 k s p s 速率重复的6 4 码片长的沃尔什 系列相乘后进行合并。这样，前向链路信道经过正交复用合并形成了一个速率为 6 4 1 9 2 1 b i t s = 1 2 2 8 8 m b i 以的数据流； 一个特定信道的复用数据分别与两个不同的短p n 码相乘，这两个p n 码相当 于i 路和e 路的正交载波分量。i 路和q 路p n 码分别用州( r ，只) 和p c ，0 ，9 ) 表 示，它们是用1 5 阶( n = 1 5 ) 线性反馈移位寄存器( l f 8 r ) 来产生的，符号0 表示给一 个特定的基站分配的p n 码的偏置相位，有5 1 2 种可能的值。因此，不像传统的 q p s k 那样给正交的i 和q 两路分配不同的基带信号，i s 一9 5 系统给正交两路的数 据是一样的。i s 9 5 系统采用这种方案，可以不受瞬时多址干扰的影响。一般将图 3 3 描述的操作称作“正交扩谱”。 两路正交的数子基带波形用f i r 基带滤波器进行成型，用以控制发射频谱的 形状，具体原理在下一章讨论。成型后的i 路和q 路信号用同相载波( c o s 2 x f o ，) 和 正交载波( s i n 2 n f 。t ) 调制，相加之后传送出去。 3 2 4 多址干扰及功率控制 蜂窝通信系统无论采用何种多址方式都会存在各种各样的外部干扰和系统本 第三章基于i s 一9 5 标准的c d m a 通信系统 身产生的特定干扰，对系统容量起主要制约作用的是系统本身存在的特定干扰。 在f d m a 系统和t d m a 系统中，为了保证通信质量达到一定要求，通常要限定所 需信号与共道干扰的比值( 信干比) 不小于某一门限值，这就要限制系统的频率再用 距离不小于某一数值，因而限制了蜂窝系统的通信容量。在c d m a 系统中，就频 率利用方面来说它是一种最有效的多址方式，但是随着同时工作的用化数目不断 增多，多址干扰的电平必然越来越达，到一定程度，将使接收地点的信干比达不 到要求，因而也限制了系统的通信容量。 c d m a 蜂窝系统的多址干扰分两种情况：一是基站在接收某一特定移动台的 信号时，会受到本蜂房和邻近蜂房其它移动台所发信号的干扰：二是移动台在接 收所属基站发来的信号时，会受到所属基站和邻近其它基站发给其它移动台的信 号干扰。 在c d m a 系统的反向链路上，远近效应是一个非常突出的问题。如果移动台 的发射功率按照最大通信距离设计，当移动台驶近基站时，必然会有过量而有害 的功率辐射。解决这个问题的办法是根据通信距离的不同，实时地调整发射机地 所需功率，这就是通常所说的功率控制。 在前向链路上，所需接收信号的强度只要能保证信号电平与干扰电平的比值 达到规定的门限值就可以了。无限制地增大信号不但没有必要，而且会增大电台 之间的相互干扰，降低系统的通信容量。因此，在c d m a 蜂窝通信系统的前向链 路上也要进行发射机功率控制。 3 3 前向链路信道结构 如图3 4 所示前向链路的信道由导频信道、同步信道、寻呼信道和业务信道组 成。每个信道由信道特定的沃尔什系列调制，沃尔什系列记为h ，i = 0 ，l ，6 3 。 i s 9 5 标准将日。分配给导频信道，将h ，：分配给同步信道，h 。到马分配给业务信 道，其余的日，分配给业务信道。 注意此处用标号表示沃尔什函数f ( 也可以表示为彬) 。在第4 9 节中会解释 这样表示的原因。i 路和q 路p n 系列是同时对前向链路进行正交调制。考虑到调 制度，并且能够给每个信道以不同的增益和射频功率，每个信道都分别进行滤波 后再进行射频调制。每个信道是用正交的p n 码进行扩频调制的。以下分别讨论各 种信道类型的结构。 3 3 1 导频信道和正交p n 码 导频信道主要是作为调制其他信道时的相干相位参考，因此，i s 一9 5 要求每个 前向链路信道的码片定时和载波相位要非常吻合。导频信道很容易被移动台捕获， 因为它不受数据调制，只受图3 3 所示的正交p n 码调制。由于导频信道有重要的 6 基于d s p 实现的c d m a 基带信号的研究 导频信道( 全零) 同步信道 b i t s 前向链路 1 2 2 8 8 m c p s a a a a l2 2 8 9 m c p s 图3 , 4 前向c d m a 信道结构 第三章基于i s 标准的c d m a 通信系统 定时信息，所以它十分必要，它的发送功率比其他信道要高。 导频基带