（信号与信息处理专业论文）wcdma上行链路信道复接的算法研究及硬件实现.pdf

摘要 w c d m a 麓最其竞争力麴3 g 标准之一。诲多灏家承l 公蠲对w c d m a 豹辑究番l 菠畿作 出了巨大的投资。相比传统的第= 代移动通信系统，w c d m a 的主要区别在于它能周时以 不同鹘速率提供多种韭务，最高速率可高选2 m b s ，这对，传统的蜂窝系统整不可想象的。 业务组合将包括语音，视频，电路交换数攒，分组交换数据等多种业鲐。这些多种业务的不 同组合的实现憝通过采阁传输信道复用的方案。本论文主要研究了w c d m a 上行链路中信 道复接触算法撵齄及硬传实现。全文组织缝梅如下： 1 第一部分介绍3 9 p p 协议中w c d m a 上行链路信道复接的整个流程； 2 ，第二舔分大致奔绥d s p 麴结构暴理及萼謦熹等； 3 第三部分详细阐述速率匹配和倍道复用采用的地址映射算法； 4 第程部分辩整个系统的硬俘结构捧簿攀费绍，薰点叙述a s p 帮势。 关键词：w c d m a倍遒复按d s p速率匹配 a b s t r a c t w c d m ai so n eo f t h em o s tc o m p e t i t i v e3 gs t a n d a r d s m a n yc o u n t r i e sa n dc o m p a n i e sl m v e i n v e s t e dm u c hm o r ei nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fw c d m a w c d m as y s t e m sm a i n d i f f e r e n c ec o m p a r e dt ot h es e c o n dc e l l u l gm o b i l es y s t e mi st h ea b i l i t yt oo f f e rs i m u l t a n e o u s f l e x i b l es e r v i c e sw i t hv a r i o u sr a t e sa sh i l g h 鹪2 m b s ，t h a tw e r e n o tp o s s i b l ei nt h ec o n v e n t i o n a l c e l l u l a rs y s t e m t h ec o m b i n e ds e r v i c e sw o u l dc o n s i s t so fv o i c e , v i d e o , c i r c u i ts w i t c h e dd a t a ，a n d p a c k e ts w i t c h e dd a t as e r v i c e st h e s e d i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so fm u l t i p l es e r v i c e sa r eo f f e r e db y u s i n gt h es c h e m eo f c h a n n e lm u l t i p l e x i n g t h ep a p e rd i s c u s s e st h ea l g o r i t h ma n di t sh a r e w a r c i m p l e m e n t i n g o f t h es c h e m ei nt h e 堪i 丑ko f w c d m a t h ep a p e r i so r g a n i z e da s 妇f a l l o w i n g ： 1 t h ef i r s tc h a p t e rd e s c r i b et h em a i ns t e p so f m u l t i p l e x i n ga n dc h a n n e lc o d i n g 2 。t h es e c o n d c h a p t e r i n n o d u c ed s pa n di t ss y s t e m s t r u c t u r e , i n c l u d i n gs o m e c h a r a c t e r i s t i c s 3 t h et h i r dc h a p t e rd i s c u s st h ea l g o r i t h m o f m u l t i p l e x i n g a n di t sp e r f o r m a n c e 4 t h ef o u r t hc h a p t e rd e s c r i b eo u rs c h e m eo f h e r e w a r ei 趣p 融琳啦 趣g f 黼o nt h ep a r to f d s p - k e y w o r d ：w c d m am u l t i p l e x i n g d s p r a t e m a t c h i n g w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及碗件实现 绪论 r 由于市场的需求和技术的进步，原来单一的支持语音业务的窄带移动通信系 统已经远远不能满足用户的需求，移动通信正在从第二代向第三代过渡。业界希 望能将现有系统升级到一个可以支持语音服务，网上浏览，收发电子邮件，以及 下载图片视频等多媒体业务的宽带系统。至今，z t u 已经正式接纳w - c d m a ， c d m a 2 0 0 0 ，t d - s c d m a 为3 g 移动通信的三大国际标准。 从总体技术框架上讲，第三代移动通信系统所采用的技术并非革命性的新技 术，而是在前两代移动通信系统技术基础上的延续和改进。从所提供的业务内容 看，第一代移动通信系统仅提供话音业务，第二代系统除了以话音业务为主之外， 还增加了中、低速数据业务，第三代系统则除了提供话音业务之外，还将提供高 速数据和多媒体业务；从业务承载方式上看，第代移动通信系统以采用模拟调 频技术进行业务信号的传输作为代表特征，其中最具代表性的是由b e l l 实验室 开发的a 】i l p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 系统；第二代系统主要采用面向 连接( 对于数据业务，在基站以后的网段也有采用非连接方式的) 的数字调制方 式，在业务适配上广泛采用了语音压缩和编码技术，其多址方式一般采用时分多 址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术加上f d m a ，其中具有代表性的系统分别是： g s m ( t d m a ) 和i s - 9 5 ( c d 姒) 。 第二代移动通信系统正在向第三代移动通信系统演变，这个演变过程充分考 虑了现有系统的性能，同时能够根据市场的要求进行更新。这些过渡系统被统称 为2 5 g 。当前的从g s m 升级而来的g p r s ( 中国移动) 和从i s 一9 5 升级而来的 c d m a 2 0 0 一i x ( 中国联通) 都属于这类过渡方案。至于3 g 什么时候能够全面进入 人们的生活，还是个未知数。现在唯一投入商用的3 g 系统在日本，运营情况不 够理想。3 g 全面商用的时机在于市场，而不在予技术。 一个真正的第三代移动通信系统要将各种业务结合起来，用一个单一的全功 能网络来实现，与现有的第一代和第二代移动通信系统相比，其主要特点可以概 括为： 全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区域或国 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 家标准，而第三代移动通信系统是一个在全球范围内覆盖和使用的系统， 使用共同的频段。在i m t 2 0 0 0 标准制定之初，要求制定一个全球统一的 标准，但现在看来，仍然是几个标准共存。 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n e t 业务：现有的移动通 信系统主要以提供话音业务为主，随若发展，一般也仅提供1 0 0 一 2 0 0 k b i t s 的数据业务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b i t s 。 而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从 话音到分组数据到多媒体业务：应能根据需要提供带宽。i t u 规定的第 三代移动通信系统无线传输技术的最低要求中，必须满足以下三种，即： a 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b i t s ； b 室外到室内或步行环境，最赢速率达到3 8 4 k b i t s ； c 室内环境，最高速率达到2 m b i t s ； 便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当 规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进 而成，并应与固定网兼容。 高频谱效率： 高服务质量： 低成本； 高保密性。 同时，还要将综合宽带网的业务尽量延伸到移动环境中，能够传送高达 2 m b i t s 的高质量图像，真正实现“任何人，在任何地点、任何时间与任何人” 都能便利地通信。 第三代移动通信的最大特点在于能支持多种速率的业务，从话音蓟分组数据 到多媒体业务，其实现主要通过采用更宽的带宽和支持多业务并发的编码方案。 w - c d m a 中的编码方案比较复杂，会根据不同的业务质量要求将待传数据划分为 不同的传输信道( t r c h ) ，再将这多个传输信道在时问上复接在一起，最后映射 到物理信道上，用相同的功率发送。 w c d m a 基带处理方案中的编码复接流程分为c r c 校验、纠错编码、速率适配、 交织、复用，成帧几个步骤。来自l i l a c 层和更高层的数据流经过编码复接处理流 4 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 程后被映射到物理信道在无线链路上发送。解复用为其逆过程。总的来说上行链 路编码复接整个流程是一个动态复用的过程。 作者在硕士研究尘后期参加了实验室的重点研究项目一一w c d m at u r b o c o d e cs y s t e md e s i g ns c e n a r i o 。w c d m at u r b oc o d e c 的系统设计主要完成三大 功能：c c t r c h 的复用、速率匹配；卷积编码和v i t e r b i 译码；t u r b o 编码和 l o g m a p s o v a 译码。整个系统分为两个功能单元：发送单元和接受单元。发送 单元完成整个编码复接流程直至成帧，接收单元与其相逆，实现解复用的功能。 两个单元在结构上基本一样，采用了f p g a + d s p 的硬件实现方案。针对f p g a 和d s p 的不同特点，各自的任务不同。当算法处理的数据量大，对处理速度的要 求高，但运算结构相对比较简单的时候，适于用f p g a 进行硬件实现，这样能同 时兼顾速度及灵活性。当所处理的数据量较少，但算法的控制结构复杂的时候， 适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的d s p 芯片来实现。f p g a 主 要实现e r e 校验、纠错编码的功能，其中编译码部分是项目的重点，运算量比较 大，分为卷积编码( v i t e r b i 译码) 和t u r b o 编码( l o g - m a p s o v a 译码) 。d s p 的主要完成余下的速率适配、交织、复用、成帧等几个部分的功能实现。 本文主要记录讨论作者在这个项目中参与研究的部分工作。主要关于上行链 路的d s p 处理部分。 全文结构组织如下： 第一部分介绍3 9 p p 协议中w c d m a 上行链路信道编码复接的整个流程； 第二部分大致介绍d s p 的结构原理及特点等，因作者工作是关于上行d s p 部分： 第三部分详细阐述速率匹配和信道复用采用的地址映射算法； 篇四部分对整个系统的硬件结构作简单介绍，重点叙述d s p 部分。 5 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 第一章w c d m a 上行链路信道复接弟一早上仃链芷爸佰嬗爱磺 流程介绍 1 1 综述 w - c d m a 系统主要由3 g p p 协议进行规范，分为f d d 和t d d 两种无线传 输模式。3 g p p 协议描述了u u 网络参考点处用户设备( 也称移动终端) 和无线网络 之间空中接口的有关标准。根据o s i 参考模型，空中接口可以划分为三层模型。 第一层是物理层；第二层是链路层，主要由t s 2 5 3 x x 协议进行规范 第三层是 网络层，主要由t s 2 5 4 x x 协议进行规范。 h i g i c a lc h a n n e l s s p o c t c h a n n e l s 图卜13 g p p 空中接口协议框架 图1 1 给出了u t r a ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s ) 空中接口的协议框架。 物理层与第二层的媒体接入( m a c ) 子层相连接，还与第三层的无线资源控制子层 相连。不同协议层之间通过业务接入点交换信息。物理层承载来自m a c 的各种 传输信道，m a c 子层与无线链路控制( r i c ) 子层之间交换不同的逻辑信道。整 个物理层受r r c 子层的控制。 物理层为上层提供数据传输服务。这些业务接入是经由m a c 子层的传输信道 实现的。传输信道描述了如何在空中接口上传送特定的数据。一般的，传输信道 分为两类：专用信道，对应于特定的移动终端；通用信道，一般用于通用目的， 如若必要，也可明确指定特定的用户。 来自m a c 层和更高层的数据流经过编码复接处理流程后被映射到物理信道在 无线链路上发送。整个过程包括了检错，纠错，速率匹配，交织，传输信道复用 墨l詈坍8至、蚕口：oj w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 映射等步骤。解复用为其逆过程。 上行方向的业务是动态复用的，因此除了零速率传输以外，数据流是连续的。 所有业务的d p d c h 符号都以相同的功率发送。这实际上意味着，业务编码和信道 复用在某些情况下需要调整不同业务的相对符号速率，从而平衡信道符号所需的 功率。单个d p d c h 中不同业务的平衡操作按下图所示的速率匹配过程进行。上行 链路d p d c h 中并没有将固定的位置留给不同的业务，但是帧是按照速率匹配和交 织操作的结果填充的。 1 2 流程简介 上行链路的具体流程如下图： w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 图1 - - 2 ：用于上行链路的传输信道复用结构 1 2 1 循环冗余校验c r c 差错检测功能通过传输块上的循环冗余校验来提供。c r c 长为2 4 ，1 6 ，1 2 ，8 或 0 比特，每个t r c h 使用的c r c 长度由高层信令给出。 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 整个传输块被用来计算每个传输块的c r c 校验比特。校验比特的产生来自一- 面的一个循环生成多项式： g c | i c 2 ( o ) = 3 2 4 + 3 + 0 6 + n 5 + o + 1 g m m ( d ) = d ”+ d ”+ d 5 + l g c r c l 2 ( d ) = 3 2 + d “+ n 3 + n 2 + n + 1 g c 黝( 3 ) = d 8 + 0 7 + + n 3 + 3 + 1 在一个传输块中传递给层1 的比特用。，口。：，口。，口m 来表示，校验比特 用p 。，p i m 2 ，p m ，p 来表示。a j 为传输块t r c hj 的长度，历为传输块的编号， l ，将根据高层信令来取值，为2 4 ，1 6 ，1 2 ，8 或o 。 编码以系统码的形式进行，即在g f ( 2 ) 中，下面的多项式 口i 用i d + 2 3 + a l t 0 2 d + 2 2 + + 口女 d 2 4 + p 蛔i d 2 3 + p i 2 d 2 2 + + p 撕2 3 d 1 + p 拥2 4 除以g c 。( d ) 产生的余数等于0 ；下面的多项式 i d 4 + 5 + 2 d 4 + 1 4 + + a i a 。d 1 6 + p l m i d l 5 + p o 2 d + + 蛔1 5 d 1 + p 抽1 6 除以g 。( d ) 产生的余数等于o ；下面的多项式 n 拥i d “1 + 口拥2 d + 1 0 + + ，口如“d 1 2 + p 抽, t d + p 抽2 d 1 0 + + p i _ , n d l + p j 卅1 2 除以g 。：( d ) 产生的余数等于0 ；下面的多项式 口栅j d 。i + 7 + 2 d 。+ 6 + + a b m c , d 。+ p 细l d 7 + p 蛔2 d 6 十+ p 加7 d 1 + p 蛔。 除以g 。( n ) 产生的余数等于0 如果m ，= 0 ，即没有传输块进入c r c 校验单元，则不需要附加c r c 校验比特； 如果m ，0 ，即有传输块进入c r c 校验单元，但是传输块为空块( 即a f = 0 ) ， 则可以根据高层指示增加2 4 、1 6 、1 2 、8 或0 个校验比特，这些附加比特值为0 。 附加了c r c 后的比特用。，k 2 ，6 f m 来表示，其中屏= 月， 厶。a ，“和6 “ 之间的关系为： 9 w c d m ai 二行链路信道复接的算法研究放碰件实现 b i n k 2 q c m k 6 f 。l = p i m ( l i + l - ( 一d ， k 2 a ，+ l ，a f + 2 ，a ，+ 3 ，a + 加入的c r c 校验比特越多，接收端未检测出的差错概率就越小。物理层向上 层提供传输块和c r c 校验得到的错误指示。 1 2 2 传输块级联和编码块分割 在一个t t i 中的所有传输块都是顺序级联起来的。如果在一个传输时间间隔 ( t t i ) 中的比特数正比信道编码方式确定使用的编码块长度z 大，那么在传输 块的级联后将进行码块分段。码块的最大尺寸根据传输信道( t r c h ) 使用卷积编 码、t u r b o 编码或不编码而定。分段后的码块有相同的尺寸。如果输入到分段功 能的比特数石不是a 的整数倍，那么在第一块的开始处补充一些比特。最大的 码块尺寸为： 卷积编码：z = 5 0 4 t u r b o 编码：z = 5 1 1 4 无信道编码：z = 元颂0 彰 g 毋码块的数量，局为每个码块中的比特数。 g 。f z z 7 如果x ； 4 0 ，而且使用t u r b o 码，则 k f = 4 0 否则 x i = x t f c - 弋 结束 补充的比特数：k = c ；k 。一x l w c d m a 一卜行链路信道复接的算法研究及硬件实现 需要补充的比特添加再序列的前面。 由_ 丁二编码器尾比特的开销较小，并且码块& 度较l 丈时信道编码效率会得到提高，因此级 联后将获得更好的性能。另一方面，码块分割避免了过k = 的码块处理复杂这一问题。 1 2 3 信道编码 具体参看3 g p pt s2 5 2 1 2 协议。 i 2 4 无线帧均衡 无线帧尺寸均衡是指对输入比特序列进行填充以保证输出可以分段成相同 大小的数据帧。无线帧尺寸均衡仅在上行链路进行( 下行链路速率匹配输出块长 总是帧数的整数倍) 。 帧均衡确保数据在多个1 0 m s 的无线帧传输时被分成相等的块。其实现方法 是经过计算在尾部添加必要的比特数目，使每一帧的数据长度相等。 1 2 5 第一次交织( 帧间交织) 预计延迟大于1 0 m s 时，需要进行第一次交织或叫帧问交织。第一次交织的 长度规定为2 0 ，4 0 或8 0 m s 。交织周期与传输时问间隔( t t i ) 有直接的联系。 表l l 第一次交织的列间置换模式 传输时间间隔列数c 1列间置换模式 ( t t i ) 1 0i n s1 2 0m s2 4 0m s4 8 0m s8 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 交织方式如下：按行写入数据，经过帧问交织后按列读出。 1 2 6 帧分段 如果传输时间间隔长于l o m s ，那么输入比特序列将分段并映射到连续的无线 帧上。帧分段将第一次交织后的数据分布在与交织长度一致的2 个，4 个或8 个 连续帧内。 1 2 7 速率匹配 速率匹配表示比特在一个传输信道上被重复或者打孔。高层分配一个速率匹 配特性给每一个传输信道。这个特性是准静态的并且只能通过高层来改变。速率 匹配特性被用来计算出比特重复或者打孔的数量。 在个传输信道中的比特数在不同的传输时间间隔内可能是变化的。在下行 链路中，如果该比特数低于最大比特数时，传输将被中断。在上行链路中，当比 特数在不同的传输时间问隔内变化时，比特将被重复或者打孔，以确保在t r c h 复用后总的比特率与所分配的专用物理信道的总比特率相同。 如果一个c c t r c h 中的所有t r c h 速率匹配模块都没有比特输入，那么该 c c t r c h 中的所有t r c h 的速率匹配模块必须没有比特输出，若是上行链路速率匹 配，则没有d p d c h 被选择。 速率匹配的参数计算比较复杂，具体参看3 g p pt s2 5 2 1 2 协议。 在上行链路，最好使用重复，最根本的原因是使用打孔会受到终端发射机或 基站接收机的限制；另外一个原因是打孔就要避免多码传输。在速率匹配操作中 需要考虑当前帧中来自其他传输信道的比特数目。上行链路的速率匹配是可在帧 之间变化的动态操作。当业务数据速率以最小t t i 变化时，动态速率匹配同样会 调整其他传输信道的速率匹配参数，以确保无线帧中的所有符号都被使用。例如， 使用两个传输信道时，其中一个信道具有瞬时的零速率，速率匹配会增加另一个 业务的符号速率，这样，在假设扩频因子保持不变的情况下，所有上行链路的符 2 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 号都会被使用。 高层提供了速率匹配属性这一半静态参数来控制不同传输信道之间的相对 速率匹配，它用来计算复用到同一帧的几个传输信道的速率匹配值。使用规定的 方法并利用速率匹配属性和t f c i 信息，接收机可以计算出使用的速率匹配参数 并进行逆操作。通过调整速率匹配属性，不同业务的质量可以精细的调整到与所 需的符号功率相等或近似相等。 1 2 8 传输信道复用 每1 0 m s ，来自各个t r c h 的无线帧被送到t r c h 复用单元中。在这个单元中， 所有t r c h 单元的比特根据顺序进行级联，合成一个编码合成传输信道( c c t r c h ) 。 这就是传输信道复用，它是帧之间简单的串行复用。 1 2 9 物理信道分段 当使用多个物理信道( 扩频码) 时，要进行物理信遵分割。该操作按使用的 扩频码简单的将数据均匀分割，因为目前还没有定义多码传输中扩频因子不同的 情况；使用串行复用还意味着通过发送较少的码字，多码传输可以实现比全速率 低的传输速率。 1 2 1 0 第二次交织( 帧内交织) 二次交织进行1 0 m s 的无线帧交织，有时也叫做帧内交织。它使用3 0 列的列 交换交织器。交织模式如下表： 表1 2 第二次交织列间置换模式 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 列数c 。行列置换模式 0 ，2 0 ，1 0 ，5 ，1 5 ，2 5 ，3 ，1 3 ，2 3 ，8 ，1 8 ，2 8 ， 1 。1 1 ，2 1 ， 3 0 6 ，1 6 ，2 6 ，4 ，1 4 ，2 4 ，1 9 ，9 ，2 9 ，1 2 ，2 ，7 ， 2 2 ，2 7 ，1 7 ) 当使用多个码信道时，分别对每个物理信道二次交织将不起任何作用。 1 2 1 1 物理信道映射 二次交织的输出比特被映射到物理信道，该阶段提供给物理信道的比特数目 正好与这一帧发送使用的扩频因子相同。另外，当传输的比特数为零时，物理信 道则根本没有发送。在上行链路中，在一个无线帧期间，要么使用填满比特的物 理信道一一这些比特通过空中发送，要么不使用物理信道。 这就是上行链路编码复接整个流程的大概步骤。总的来说是一个动念复用的 过程。其中信道编码以后的所有步骤都将由d s p 来实现。 4 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 第二章d s p 的介绍 2 1 综述 本项目采用了f p g a + d s p 的硬件实现方案。针对f p g a 和d s p 的不同特点，各 自的任务不同。当算法处理的数据量大，对处理速度的要求高，但运算结构相对 比较简单的时候，适于用f p g a 进行硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。 当所处理的数据量较少，但算法的控制结构复杂的时候，适于用运算速度高、寻 址方式灵活、通信机制强大的d s p 芯片来实现。d s p 的主要完成信道编码后的速 率适配、交织、复用、成帧等几个部分的功能实现。 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算 的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信 号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持： ( 5 ) 快速的中断处理和硬件t i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。 最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系列产品。t i 将常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包 括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系歹0 ( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( r m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。如今，公司的一系列d s p 产品已经 成为当今世界上最有影响的d s p 芯片。t i 公司也成为世界上最大的d s p 芯片供 应商，其d s p 市场份额占全世界份额近5 0 。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越广 泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从2 0 世纪8 0 年代 初的4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到l o n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处理能力提高了几十倍。 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯片的选 择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场合、应用 目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应 考虑到运算速度，价格，硬件资源，运算精度，开发工具，功耗等诸多因素。 随着d s p 芯片性能价格比的不断提高，可以预见d s p 芯片将会在更多的领域 内得到更为广泛的应用。 2 , 2d s p 芯片的分类 d s p 芯片可以按照下列三种方式进行分类。 1 按基础特性分 这是根据d s p 芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率范围 内的任何时钟频率上，d s p 芯片都能正常工作除计算速度有变化外，没有性能 的下降，这类d s p 芯片一般称为静态d s p 芯片。例如，日本o k i 电气公司的d s p 芯片、t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 x x 系列芯片属于这一类。 如果有两种或两种以上的d s p 芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚 结构相互兼容，则这类d s p 芯片称为一致性d s p 芯片。例如，美国t i 公司的 t m s 3 2 0 c 5 4 x 就属于这一类。 2 按数据格式分 这是根据d s p 芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的d s p 芯 片称为定点d s p 芯片，如t i 公司的t m s 3 2 0 c i x c 2 x 、t m s 3 2 0 c 2 x x c 5 x 、 t m s 3 2 0 c 5 4 x c 6 2 x x 系列，a d 公司的a d s p 2 1 x x 系列，a t t 公司的d s p l 6 1 b a ， 1 6 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及硬件实现 m o t o l o r a 公司的m c 5 6 0 0 0 等。以浮点格式工作的称为浮点d s p 芯片，如r l i 公司 的t m s 3 2 0 c 3 x c 4 x c 8 x ，a d 公司的a d s p 2 l x x x 系列，a t & t 公司的d s p 3 2 3 2 c ， m o t o l o r a 公司的m c 9 6 0 0 2 等。 不同浮点d s p 芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的d s p 芯片采用自定义 的浮点格式，如t m s 3 2 0 c 3 x ，而有的d s p 芯片则采用i e e e 的标准浮点格式，如 m o t o r o l a 公司的m c 9 6 0 0 2 、f u j i t s u 公司的m b 8 6 2 3 2 和z o r a n 公司的z r 3 5 3 2 5 等。 3 按用途分 按照d s p 的用途来分，可分为通用型d s p 芯片和专用型d s p 芯片。通用型d s p 芯片适合普通的d s p 应用，如t i 公司的一系列d s p 芯片属于通用型d s p 芯片。 专用d s p 芯片是为特定的d s p 运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、 卷积和f f t ，如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 2 0 0 ，z o r a n 公司的z r 3 4 8 8 1 ，i n m o s 公司 的i m s a l 0 0 等就属于专用型d s p 芯片。 2 3d s p 芯片的选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯片的选 择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场合、应用 目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应 考虑到如下诸多因素。 1 d s p 芯片的运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也 是选择d s p 芯片时所需要考虑的一个主要因素。d s p 芯片的运算速度可以用以下 几种性能指标来衡量： ( 1 ) 指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以n s ( 纳秒) 为单位。如 t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 在主频为8 0 m h z 时的指令周期为1 2 5 n s ： ( 2 ) m a c 时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分d s p 芯片可在一个 指令周期内完成一次乘法和加法操作，如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的m a c 时间就是 1 2 5 n s ： ( 3 ) f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。由于f f t 运算涉 及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡量d s p 芯片 w c d m a j ：行链路信邋复接的算法 i i f 究及碘件实现 运算能力的个指标； ( 4 ) m i p s ：帮每移执行吾万条捂令。魏t m s 3 2 0 l c 5 4 9 - 8 0 韵簸理能力为8 0m i p s ， 即每秒可执行八千万条指令： ( 5 ) m o p s ：即每秒执行百万次操稼。如t m s 3 2 0 c 4 0 的运算能力为2 7 5m o p s ； ( 6 ) m f l o p s ：即每秒执行蠢万次浮点操俘。如t m s 3 2 0 c 3 1 在主频为4 0 m m z 时 的处瑷能力为4 0m f l o p s ； ( 7 ) b o p s ：即每秒执行十识次操侉。如t m s 3 2 0 c 8 0 戆处理疑力必2b o p s 。 2 d s p 芯片的价格。d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需考虑的一个戆要 嚣素。懿果采耀徐格爨赛懿d s p 葱冀，鼗使戆魏秀离，其应蠲范垂学定会受刭一 定的限制，尤其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况，需确定一个价格适 中豹d s p 芯冀。当然，由予d s p 芯片发葳迅逡。d s p 蕊舞静价格缝往下降较祆， 因此狂_ 开发阶段选用某种价格稍贵的d s p 芯片，等到系统开发完毕，其价格可能 已经下降一半甚至更多。 3 。d s p 芯片的硬传资源。不同的d s p 芯片赝提供豹硬件资源是不提同憋，如 片内r a m 、r o m 的数燕，外部可扩展韵程序和数据空间，总线接口，i o 接口等。 静整怒两一系列戆蹒p 芯片( 翅t i 戆l 醛3 2 院5 4 x 系列) ，蓉列中不溺d s p 芯片 也具有不同的内部硬件资源，可以适成不同的需要。 4 d s p 蕊片韵运算耪庭。一簸弱迩熹d s p 芯冀的字长兔1 6 经，鲡t m s 3 2 0 系 列。假有的公司的定点芯片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等。浮点芯片 的字长一般为3 2 往，累加嚣为4 0 彼。 5 d s p 芯片的开发工具。在d s p 系统的开发过程巾，开发正具是必不可少的。 如果没有开发工具的支持，簧想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能的。如果 有功缝强大豹嚣发王爨鳇支持，如e 潺害支拷，则拜发豹酵阙裁会大大缩短。矮 以，在选择d s p 芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况。包括敬件和硬件的 开发互其。 6 d s p 芯片的功耗。在某些d s p 虑用场会，功耗也是一个需要特别注意的问 题。如使携式的d s p 设备、筝持设备、鹫井藏翊的d s p 设备等都对功耗有特殊静 要求。目前，3 。3 v 供电的低功耗高速d s p 芯片已大擞使用。 7 其他。除了上述因素外，选撵d s p 芯片还应考虑到瓣装的形式、质爨标 w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及碗件实现 准、供赞情况、生命周期等。鸯豹d s p 芯片可髭鸯d i p 、p 6 a 、p l c c 、p q f p 等多 种封装形式。有些d s p 系统可能最终要求的是工业级或军用级标准，在选择时就 需要注意剐所选的芯片燕否有工渡级或军用级的间类产晶。如鬃所设计的d s p 系统不仅仪是一个实验系统，丽鼹 ；l 要批援生产并可能有几年甚懋十几年的生命 周期，那么需要考虑所选的d s p 芯片供货情况如何，是否也有同样甚至更长的生 愈爝瓤等。 在上j ；j l 诸多因索中，般而吉，定点d s p 芯片的价格较便宜，功耗较低，但 运算耩瘦箱低。蠢浮熹d s p 芯冀熬侥熹怒运雾糖浚裹，基c 语富壤程调试方便， 假价格稍贵，功耗也较大。例如t i 的t m s 3 2 0 c 2 x x c 5 4 x 系列属予定点d s p 芯片， 低功耗和低成本怒其主要的特熹。蔼t m s 3 2 0 c 3 x c 4 x c 6 7 x _ j i 羲手浮熹d s p 芯片， 运算精度满，用c 语言编程方便，开发周期短，但同时其价格和功耗也相对较高。 d s p 威用系统的运算激是确定选用处理能力为多大的d s p 芯盼的基础。运算 爨，l 、烈可以选用处理能力不是缀强妁o s p 芯片，从弼可潋降低系统成本。相反， 运算量大的d s p 系统则必须选用处理能力强的d s p 芯片，如果d s p 芯片的处理能 力达不笺系统要裳，刘努须霜多令o s p 芯冀劳露楚理。鄢么翔露确定d s p 系统的 运算量以选择d s p 芯片呢? 下顽我们来考虑两种情况。 l 。按样点赴毽 所谓按样点处理就是d s p 算法对每一个输入样点循环一次。数字滤波就是这 种情况。在数字滤波器中，通常需要对每一个输入样点计算一次。铆如，一个采 用l m s 算法豹2 5 6 抽头嬲自适墩f i r 滤波器，假定每个抽头的计算需要3 个m a c 周期，则2 5 6 抽头计算需要2 5 6 x 3 = 7 6 8 个m a c 周期。如果采样频率为8 k h z ， 鞭撵点之瓣魏阉灏为1 2 5 9 s ，d s p 蕊冀懿m a c 周期蠹2 0 0 n s ，鼬7 6 8 个m a c 周期 需要1 5 3 6 9 s 的时间，驻然无法实时处理，需鼹选用速度更高的d s p 芯片。表 3 3 示出了两耱僖萼带宽辩三耱o s p 芯片翡鲶璞要求，三耱d s p 芯片瓣m a c 蹋 期分别为2 0 0 n s 、5 0 n s 和2 5 n s 。从表中可以看出，对话带的应用，后两种d s p 芯片可以实对实现，对声频应用，只有第三稀d s p 芯舞瓣够实辩缝毽。警然，程 这个例予中，没霄考虑其他的逯算量。 表2 l 用d s p 芯片实现数字滤波 j 9 w c d m al ：行链路信邋复接的算法研究驶础件实现 泶 应 嚣2 5 6 抽头每榉点每样点允姆样点允 群髑 用样率l m s 滤波允许m a c许m a c许m a c 期 嫉运算量撬令数指令数拨令数 域 k h z )( m a c 数)( 2 0 0 n s )( 5 0 n s )( 2 5 n s ) u s ) 话81 27 6 86 2 52 5 0 05 0 0 0 鼗s 亩 42 27 6 81 1 34 5 39 0 7 频。l。7 2 按帧处理 有些数字信号处理算法不是每个输入样点循环一次，而是拇隔一定的时间间 隔( 通常称为帧) 循环一次。例如，中低速语音编码算法通常以1 0 m s 或2 0 m s 为一峻，每爨i o a m 或2 0 m s 避啻壤鹦舞法獯弼：一次。凝以，选择d s p 芯片时殿该 比较一帧内d s p 芯片的处理能力和d s p 算法的运算爨。假设d s p 芯片的指令周期 为p ( n s ) ，一犊豹涎阙失a t ( n s ) ，剡该d s p 芯片在一蛟内掰毙强供豹最大运 算量为a t p 条指令。例如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 - 8 0 的指令周期为1 2 5 n s ，设帧长为 2 0 m s ，剜一桢内t m s 3 2 0 l c 5 4 9 - 8 0 掰麓提供豹激大运算囊为1 6 0 万条指令。困j 翁= ， 只要语音编码算法的运算量不超过1 6 0 万条指令，就可以在t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 上 实时谗行。 2 4d s p 芯片的应用 自从2 0 氆纪7 0 年代末8 0 年代秘d s p 芯对诞生| ；l 来，d s p 芯舞褥列了飞速的 发展。d s p 芯片的高速发展，一方面褥益予集成电路技术的发展，另一方面也得 益于艇大的市场。在近2 0 年时闻凰，d s p 芯片已经强信号处理、遴信、雷达等 许多矮域褥剿广泛鹣寝用。爨越，d s p 芯只鲍侩格越来越低，性能倏格比目藏提 高，疑有巨大的应用潜力。d s p 芯片的应用主要有： ( 1 ) 售号处理懿数掌滤波、鑫逶瘟滤波、抉遮偿立时交换、耀关运雾、 谱分析、卷积、模式贩配、加窗、波形产生锋； w c d m a 上行链路信道复接的算法研究及磺褥实现 ( 2 ) 通信如调制解调器、自邋应均徵、数据加密、数据压缩、回波抵消、 多路复用、转粪、扩颧通信、绸错编码、可视电话等； ( 3 ) 语音如语音编码、语音会成、语啬识别、语音增强、说话人辨认、 说话入确认、语音邮件、语音存储等 g ) 匿形强像如二缳窥三缎照形处壤、匿像压缩与传辕、瘸像增强、 动画、机器人视觉等： s ) 军事妇缳密逶嫠、霉这簸淫、声纳处理、导靛、导弹测鼯等； ( 6 ) 仪器仪表如频谱分析、豳数发生、锁相环、地震处理等； ( 7 ) 謇韵控制知雩| 擎控制、玲控、鑫确驾驶、梳器入羟镧、磁盘控铡等： ( 8 ) 医疗如助听、越声设备、诊断工具、病人监护等； ( 9 ) 家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字 电话电视等。 随着d s p 芯片性能价格比的不断提高。可以预见d s p 芯片将会在更多的领域内得到更 为；一泛麴应用。 + 2 。5d s p 系统的特点 占 数字信号处理系绞是以数字痿号处理为基础，鞠此具鸯数字处理鲍全部优 ( i ) 接口方整。d s p 系统与其 | 煞浚现代数字技零为薹獭的系统竣设备都是 棚互兼容的，与这样的系统接1 ：3 以实现巢种功能爨比模拟系统与这些系统接 口要容易得多； ( 2 ) 编程方後。d s p 系绫孛懿爵编程d s p 芯冀贸捷设诗人受雀嚣发遗稳孛 灵活方便她对软件进行修改和升级； ( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，爱环境濒度以及噪声的影响 较夸，麓靠牲蹇； ( 4 ) 糖度毫。1 6 位数字系统霹以达劐l o - 5 的糖度； 2