（信号与信息处理专业论文）基于终端测试仪的tdhsdpa基带的设计与实现.pdf

? 1 ” 北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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 已在论文中作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。 本人签名：丞兰盔日舻型 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名丞兰盔气 导师签名： 日期： 日期： 矽j0 3 6 北京邮电大学硕士学位论文 i 。 ： ， 基于终端测试仪的t d h s d p a 基带的设计与实现 摘要 h s d p a 的引入使得t d s c d m a 系统中基站( n o d eb ) 端m a c 层的功能发生了变化，即增加了m a c h s 功能实体，该功能实体主要 完成h a r q 功能、调度和优先级处理。通过采用a m c 、h a r q 、高 阶调制( 1 6 q a m ) 等技术，并在基站端进行快速调度，从而实现系 统对用户信道的变化作出快速自适应，获得较高的用户峰值速率和小 区数据吞吐率，以及尽可能减少时延。 论文首先介绍h s d p a 系统的发展概况及其关键技术。然后基于 3 g p p 协议所规范的系统模型，详细分析了t d h s d p a 各部分的组织 结构，相互间在处理上的定时关系以及在设计时所运用的算法原理。 结合已经在开发工作中实现的基于多核d s p 芯片p i c o a r r a y 的 t d s c d m a 系统平台，作者给出了一个详细的t d h s d p a 系统基站 端的整体设计方案，包括m a c 层功能实体以及物理层新增加的数据 通道。文中对具体模块的内部结构、接口以及具体的处理流程都给出 了详细的描述。 最后简要讨论了整个项目的设计开发调试流程。对整个开发工作 进行了总结并提出了下一步的研究方向。 关键词t d h s d p am a c h s 物理层h a r q 高阶调制 北京邮电大学硕士学位论文 , j k ， 北京邮电大学硕士学位论文 ad e si g na n di n 口l e m e n l ：a t i o no f 田d h s d p a s y s t e mi nt 髓t d s c d m am o b i l ep h o 全t et e s t e r a b s t r a c t t h em a c l a y e rf u n c t i o n sh a v ec h a n g e dd u et ot h ei n t r o d u c t i o no f 声 -hsdpa i nt h eb a s es t a t i o n ( n o d eb ) o ft h et d s c d m as y s t e m t h e j n e w l ya d d e dm a c - h sf u n c t i o ne n t i t yi sm a i n l yi n c h a r g eo ft h eh a r q f u n c t i o n ，s c h e d u l i n g a n d p r i o r i t yh a n d l i n g t h r o u g h t h eu s eo f a m c ，h a r q ，h i g h e r - o r d e r m o d u l a t i o n ( 16 q a m ) b e s i d e sf a s t s c h e d u l i n ga tt h eb a s es t a t i o na n do t h e rt e c h n o l o g i e s ，t h es y s t e mc a n q u i c k l ya n da d a p t i v e l yr e f l e c tt h ec h a n g e si nt h eu s e rc h a n n e lt oo b t a i na h i g hu s e rp e a kd a t ar a t ea n d c e l ld a t at h r o u g h p u t ，a n dt or e d u c el a t e n c ya s m u c ha sp o s s i b l e t h ep a p e rf i r s td e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fh s d p a s y s t e ma n d i t s k e yt e c h n o l o g i e s t h e n ，b a s e do nt h es y s t e mm o d e ld e s c r i b e di nt h e s p e c i f i c a t i o n s ，t h ea u t h o ra n a l y z e si nd e t a i lt h ep a r t so ft h es t r u c t u r eo f t h et d - h s d p a s y s t e m ，i nd e a l i n gw i t he a c ho t h e ro nt h et i m i n ga n dt h e a l g o r i t h mu s e di nt h ed e s i g n i n go ft h es y s t e m t h e n ，b a s e do nt h e d e s c r i p t i o no ft h ea l g o r i t h ma n dt h et d s c d m as y s t e mp l a t f o r mi nt h e m u l t i - c o r ed s p c h i p sp i c o a r r a y , t h ea u t h o rg i v e sad e t a i l e dd e s i g no ft h e t d - h s d p as y s t e ma b o u tt h eb a s es t a t i o n i n c l u d i n gt h em a c l a y e r 北京邮电大学硕士学位论文 f u n c t i o ne n t i t ya sw e l la st h en e wp h y s i c a ll a y e rd a t ap a t h s ，t h ep a p e r g i v e sad e t a i l e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e s p e c i f i cm o d u l e s ，i n t e r f a c e s a sw e l la st h es p e c i f i cp r o c e s s i n gp r o c e d u r e f i n a l l yab r i e fd i s c u s s i o na b o u tt h ee n t i r ep r o j e c td e s i g n i n ga n d d e b u g g i n gi sg i v e n t h ee n t i r ed e v e l o p m e n tw o r ki s s u m m a r i z e da n d s o m ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ep r o p o s e d k e yw o r d ：t d h s d p am a c - h s p h y s i c a ll a y e rh a r q h i g h - o r d e rm o d u l a t i o n 广 j 北京邮电大学硕士学位论文 第一章 1 1 l 。2 1 3 1 4 1 5 第二章 2 1 2 2 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 第四章 4 1 目录 项目研究背景介绍l 移动通信发展概述【lj l h s d p a ( 高速下行包接入) 系统概述【3 1 3 t d - h s d p a 系统的关键技术。4 1 3 1 a m c ( 自适应调制与编码) 【5 1 。4 1 3 2 h a r q ( 混合自动重传请求) 5 本论文的研究工作6 论文组织结构6 p i c o c h i p 芯片开发工具介绍8 p i c o a r r a y 体系结构介绍8 p i c o a r r a y 开发环境及开发流程介绍1 0 t d - h s d p a 系统模型及算法分析1 2 系统模型介绍。1 2 m a c 层处理部分功能介绍【9 l 1 3 t d h s d p a 信道结构1 4 3 3 1 下行物理信道1 5 3 3 2 上行物理信道1 7 3 3 3 三条物理信道间的伴随及定时关系1 7 h s d s c h 数据通道【i 引1 9 3 4 1附加循环冗余校验位( c r c ) 2 0 3 4 2 码块分割2 l 3 4 3 信道编码【1 4 】2 2 3 4 4 混合自动重传( h a r q ) 2 7 3 4 5 比特加扰3 3 3 4 6数据交织3 3 3 4 7 星座重排3 5 3 4 。8 物理信道映射3 6 h s s c c h 数据通趔”j 。3 7 3 5 1 h s s c c h 信息域 1 6 1 的映射- - - 3 8 3 5 2 h s s c c h 信息的复用4 0 3 5 3 h s s c c h 上附加c r c 4 0 3 5 4h s s c c h 编码的其他过程4 0 h s s i c h 数据通道i l 引4 1 3 6 1 h s s i c h 信息域的映射4 l 3 6 2 h s s i c h 的信道编码4 2 3 6 3 h s s i c h 信息域的复用4 3 3 6 4h s s i c h 的其他过程4 3 设计实现中系统模型构建思路及算法分析4 3 t d h s d p ：a 系统设计实现方案4 5 m a c h s 实1 本4 5 北京邮电大学硕士学位论文 4 1 1 m a c - h a 调度模块4 5 4 1 2 h a r q 模块5 0 4 1 3t f r l 模块5 2 4 2 物理层调度模块5 3 4 3 h s - d s c h 数据通道。5 6 4 3 1 控制参数计算及分发模块5 6 4 3 2 h a r q 模块5 8 4 3 3 比特加扰模块。5 9 4 3 4 二次交织模块5 9 4 3 5 物理信道映射模块6 l 4 3 6 调制扩频模块。6 2 4 3 7 成帧模块6 3 4 4 h s s c c h 数据通道“ 4 5h s s i c h 数据通道6 6 4 6 t d h s d p a 过程【6 7 4 7 系统整体框架6 8 4 8 系统整体资源消耗二6 8 第五章总结及下一步的研究方向一6 9 5 1 系统实现总结6 9 5 2 下一步的研究方向7 0 p f t录7 l 参考文献。7 2 致谢7 4 攻读学位期间发表的学术论文7 5 i i 北京邮电大学硕士学位论文 第一章项目研究背景介绍 1 1移动通信发展概述f 1 】 到目前为止，移动通信技术经历了第一代模拟移动通信系统，第二代数字移 动通信系统，现在正向第三代移动通信系统发展。第一代模拟移动通信系统向人 们提供话音业务，第二代数字移动通信系统主要也是提供话音业务，而第三代数 字移动通信系统在业务和系统容量上都有了一个跳跃式的前进。 第一代移动通信技术的特征是采用模拟信号处理话音和频分多址( f d m a ) 技术，工作频段为4 0 0 8 0 0 m h z ，采用了频率复用技术和多信道共用技术。其中 最引人注目的是美国的a m p s 系统，由贝尔实验室研究开发。a m p s 使用频率 调制技术来传输话音业务，使用数字信号来传输控制信息。第一代移动通信技术 由于其特有的频谱利用率低、保密性差，抗干扰能力弱等特点，逐渐被使用 f d m a + t d m a 或者c d m a 的第二代移动通信技术所取代。 第二代移动通信系统主要有两大类主流技术，一类采用t d m a ，如美国的 d a m p s 、欧洲的g s m 及日本的p d c 等，世界目前市场占有最多的是g s m 。 第二类是采用c d m a 即码分多址技术的系统，主要代表技术有美国的n c d m a ， 该技术的理论基础是扩频技术。所有的二代系统都使用数字调制技术。t d m a ( 时 分多址) 和c d m a ( 码分多址) 等多址技术和f d m a 一起被用于二代系统中。 第三代移动蜂窝系统的设计目标是支持宽带业务，包括高速率因特网接入服 务，视频业务和高质量的图象传输服务等，并使服务质量接近与固定网服务。它 结合了第一代和第二代的特点，简化了第二代系统向第三代系统的过渡。它是一 种较第二代移动通信系统更为先进的移动通信系统，它具有更高的数据传输速 率，能够提供更加丰富的多媒体业务。它的最高目标就是使个人终端用户能够在 任何时间、任何地点、与任何人通过任意方式高质量地实现任何信息的传递。 i m t - 2 0 0 0 应成为一种全球统一标准的精神，i t u 继续延续了在多址接入方面以 码分多址( c d m a ) 为主，辅以时分多址( t d m a ) 或使二者相结合的策略。i t u 针对3 g 规定了五种陆地无线技术，其中w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 是 三种主流技术。 第三代通信系统的三种技术中，w c d m a 和c x l m a 2 0 0 0 采用频分双工( f d d ) 方式，需要成对的频率规划。w c d m a 即宽带c d m a 技术，其扩频码速率为 3 8 4 m c h i p s ，载波带宽为5 m h z ，而c d m a 2 0 0 0 的扩频码速率为1 2 2 8 8 m c h i p s ， 具有频谱使用灵活、频谱利用率高等特点，适合非对称数据业务【2 】，其关键技术 主要有： 1 时分双工方式 t d s c d m a 与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 相比，最大的不同在于采用了时分 双工( t d d ) 。而t d d 技术由于本身固有的特点突破了f d d 技术的很多限制， 如：上下行工作于同一频段，不需要大段的连续对称频段，在频率资源日益紧张 的今天，这一点尤显重要；这样，基站端的发射机可以根据在上行链路获得的信 号来估计下行链路的多径信道的特性，便于使用智能天线等先进技术；同时能够 简单方便地适应于3 ( 3 传输上下行非对称数据业务的需要，提高系统频谱利用率； 这些优势都是f d d 系统难以实现的。 2 智能天线技术 智能天线系统由一组天线阵及相连的收发信机和先进的数字信号处理算法 构成。在发送端，智能天线根据接收到的终端到达的信号在天线阵上产生的相位 差，利用先进的数字信号处理算法提取出终端的位置信息，根据终端的位置信息， 有效地产生多波束赋形，每个波束指向一个特定终端并自动地跟踪终端移动，从 而有效地减少了同信道干扰，提高了下行容量。在接收端，智能天线通过空间选 择性分集，可大大提高接收灵敏度，减少不同位置同信道用户的干扰，有效合并 多径分量，抵消多径衰落，提高上行容量。 3 联合检测技术 传统的r a k e 接收技术把小区内的多用户干扰当作噪声处理，而没有利用该 干扰不同于噪声干扰的独有特性。联合检测技术即“多用户干扰”抑制技术，它 把所有用户的信号都当作有用信号处理，这样可以充分利用用户信号的扩频码、 幅度、定时、延迟等信息，从而大幅度降低多径多址干扰。 4 同步c d m a 技术 同步c d m a 指上行链路各终端发出的信号在基站解调器处完全同步，这样 可使正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰。从而 提高了系统容量和频谱利用率，简化硬件电路，降低成本。 2 北京邮电大学硕士学位论文 除此之外，t d s c d m a 系统可以由g s m 系统平滑过渡，能够支持各种并行 承载。 1 2h s d p a ( 高速下行包接入) 系统概述【3 】 目前，移动电话和因特网是通信领域发展最为迅猛的两个领域，在移动的环 境中，人们依然希望通过移动终端接入因特网，享受多种多样的服务。在3 g p p 中，为了能满足迅速增长的对与高速移动数据服务，特别是移动因特网业务的需 求，技术人员们正在u m t s 标准的基础上，发展一种增强型的技术，这就是 h s d p a 技术。而随着用户对于移动数据业务的需求的迅速增加，h s d p a 越来越 受到人们的重视。 高速下行分组接入( h s d p a ) 是3 g p p 在r 5 协议中为了满足上下行数据业务 不对称的需求而提出的一种新技术，它很好地解决了系统覆盖与容量之间的矛 盾，大大提升了系统容量，满足了用户的高速业务需求。 在h s d p a 中，为了支持对高速数据用户的支持，使用了一种新的共享信道 ( h s d s c h 高速下行共享信道) 。在h s d s c h 中，系统一次只服务一个用户， 这是一种时分复用的方式，这种方式被称为大管道调度。 3 g p p 确定了h s d p a 演进的3 个阶段。r 5 以上的版本主要将致力于吞吐量 的进一步提高，峰值数据速率可达5 0 m b i t s 以上。第1 阶段是基本h s d p a ，在 3 g p pr 5 中进行了说明，引进一些新的基础特性以获得1 0 8 m b i t s 峰值数据速率。 第2 阶段是增强h s d p a ，在3 g p pr 6 中进行了说明，将引入天线阵列处理技术 如多输入多输出技术( m i m o ) 以及快速小区选择技术( f c s ) 以提高峰值数据速 率至3 0 m b i t s 。第3 阶段将引进新型空中接口，增加平均比特率，o f d m 技术和 6 4 q a m 调制的引入将使峰值速率达到5 0 m b i t s 以上。 w c d m a 和t d s c d m a 系统中均引入了h s d p a 技术，其具体的异同比较 如下： 一、w c d m a 和t d s c d m a 系统h s d p a 的相同点 1 m a c 层 w c d m ah s d p a 和t d s c d m ah s d p a 的介质访问控制( m a c ) 层结构基 本相似。其中一个最显著特点是将m a c 层的实体m a c - h s 移到了基站端，以支 持a m c 、h a r q 、快速调度等功能。 2 物理层 w c d m a 和t d s c d m a 的h s d p a 中都新增了h s s c c h 和h s d s c h 信道， 在两系统的h a r q 进程中两信道上承载的信令也相同。 另外，w c d m ah s d p a 和t d s c d m ah s d p a 都采用了a m c 、h a r q 3 北京邮电大学硕士学位论文 以及基于n o d e b 调度三项技术。 二、w c d m a 和t d s c d m a h s d p a 的不同点 1 物理层信令参数的差异 2 物理信道种类的差异 3 时隙分配的差异 本文中将主要针对t d s c d m a 系统中的h s d p a 进行详细描述并就其实现 提出具体的方案。以下t d h s d p a 如无特殊说明均指在t d s c d m a 基础上的 h s d p a 系统。 1 3t d h s d p a 系统的关键技术 t d h s d p a 中使用了几种增强技术一j ，包括： 1 a m c ( 自适应调制编码) 提供峰值数据率达到1 0 m b p s 的技术潜力； 增强系统对信道状况的适应能力。 2 h a r q ( 混合自动重传要求) 通过结合a r q 和f e c ( 前向纠错编码) ，增强系统的传输能力； 将a r q 从r l c ( 无线链路控制) 层下移到p h y 物理层，降低重传时延与 a m c 结合，实现两者结合的最佳点：a m c 实现对信道情况的粗糙的自适应， h a r q 实现对信道的精细的适应。 3 快速包调度( f a s tp a c k e ts c h e d u l e r ) 功能从r n c ( 无线网络控制器) 到n o d e b ，大大加速了数据包的调度速度。 4 更短的t t i 更短的t t i ，可以使数据包的调度更快，使h a r q 的时延变得更小，使a m c 的信道适应更为及时；w c d m a 中一个t t i 为2 m s ，t d s c d m a 中一个t t i 为5 m s 。 1 3 1a m c ( 自适应调制与编码) 【5 】 众所周知，在无线通信系统中，根据改变的无线信道的状况而自适应的改 变传输参数，可以带来系统性能方面的改善。 根据信道状况而改变传输参数的技术被称为信道适应。除功率控制之外的 信道适应技术是自适应调制与编码( a m c ) 。 a m c 的原理是在系统限制的范围内，根据信道质量情况的改变，调整调制 与编码方式，信道质量状况由接收机的反馈而获得。在一个a m c 系统中，处于 4 北京邮电大学硕士学位论文 有利位置的用户( 通常是那些距离基站很近的用户) ，会被赋予较高的调制与编 码方式( 比如1 6 q a m1 3 t u r b o 码率) ；而处于不利位置的用户( 通常是那些处于 小区边界的用户) ，会被赋予较低的调制与编码方式( 比如q p s k1 3 1 k a b o 码率) 。 a m c 带来的主要好处有： 1 处于有利位置的用户可以获得更高的数据速率，从而增加小区的吞吐 率； 2 由于不是通过调整发射功率，而是通过调整调制编码方式来进行信道 适应，使得系统中干扰的变化不再那么剧烈。 1 3 2h a r q ( 混合自动重传请求) a r q 是一种隐含的信道适应技术。与a m c 直接使用c i 测量或类似的测量 值用于选择调制与编码发式不同，h a r q 中，链路上的确认信息被用于重传。有 多种实现h a r q 的机n - c h a s e 结合( c c ) 、速率匹配的打孔t u r b o 码( r c p t c ) 和增加冗余( i r ) 。在瓜方式( 也被称为第二类h a r q ) 中，如果第一次传输失 败了，重传时不是简单的重传第一次传输的编码快，附加的冗余信息随着一次次 重传被累加的传输出去。 第三类h a r q 也属于增加冗余的a r q 方式，但是不同的是，在第三类h a r q 中，每次重传都是可自解码的，而在第二类h a r q 中，重传只包含冗余信息，不 可自解码。c c ( 也被称为只有一个冗余信息版的第三类h a r q ) 在重传中传输 的是与第一次传输相同的编码块。在接收端，接收机根据信噪比对相同编码块的 多个接收拷贝进行加权相加，然后再进行解码，这样可以获得时域上的分集增益。 在有多个冗余信息版的第三类h a r q q 丁，每次重传中传输不同的打孔比特。 基于信道测量的a m c ，不管是由用户终端( u e ) 决定调制与编码方式， 还是有网络端来决定，都确实提供了对信道情况的自动适应。但是，这要求准确 而又及时的信道测量报告。而且，h a r q 也是需要的。h a r q 自身就可以适应瞬 时的信道变化，它对测量的错误和时延都不敏感。a m c 和h a r q 联合使用可以 实现这两种技术的最好结合：a m c 进行粗糙的数据速率选择，而h a r q 根据信 道变化提供精细的数据率调整。 h a r q 机制的选择是重要的。基于窗口的选择重传( s r ) 是比较常用的a r q 协议，r 9 9 中采用的也是这种机制。s r 对时延不敏感，此外它还有一个优点，就 是它只重传那些接收错误的数据块。为了完成这一功能，选择重传a r q 必须使 用顺序号来识别它发出的每一个数据块。在确保最大数据块顺序号( m b s n ) 大 于一个往返反馈时延中发出的数据块的基础上，s r 可以充分的利用可用的信道 5 北京邮电大学硕士学位论文 容量。 停止等待s a w ( s t o p - a n d - w a i t ) 是最简单的a r q 机制，它只要求非常小的 系统开销。在s a w 中，在当前的数据块没有正确接收前，发射机不会发送下一 个数据块。只需要一个比特的顺序号信息用于判别是当前数据块还是下一个数据 块，协议的正确性就可以得到保证。这样，控制信息的开销可以降到最低程度。 确认信息的开销也可以降到最低，因为只需要一个比特的信息来标识数据块是成 功失败的被解码( a c k 或n a c k ) 了。另外，由于在任何时候处于传输状态的 数据块只有一个，用户终端的存储器要求也被降到最低了。因此，使用s a w 机 制的h a r q 可以大大降低对传输信令信息的带宽和终端内存的要求，带来了显 著的改进。但是，它有一个最大的缺点：由于确认信息不是即时获得的，发射机 在每次传输后，不能发送下一个数据块，而要等待确认信息。这是一个非常致命 的缺点，因为在等待期间，信道处于空闲状态，不能传输数据，系统资源就被浪 费了。在一个分时隙的系统中，由于发射机在反馈时延期间等待确认信息，至少 有一半的系统资源会被浪费掉。即使是在一个传输完全无错误的信道上，每隔一 个时隙就会有一个时隙空闲。 n 信道停止等待h a r q 解决了这个问题，它并行运行若干个h a r q 协议实 体，当信道空闲时，就运行另一个协议实体，这样就不会再浪费系统容量了。当 一个协议实体在后向信道上接收确认信息的时候，会有另一个协议实体在前向信 道上发送数据块。但是，使用这种机制，接收机存储n 个数据块，提高了对终 端内存的要求。 1 4本论文的研究工作 论文首先介绍了t d s c d m at d h s d p a 系统协议模型，然后详细分析了系 统主要组成部分中的m a c - h s 实体所实现的功能( 链路调度，控制分发，数据转 发，功率控制等) 以及新增加的h s d s c h 、h s s c c h 、h s s i c h 三条传输信道 的编码流程及其算法原理，之后在上述分析的基础上给出了t d h s d p a 系统基 站端在p i c o a r r a y 芯片上实现的整体设计思路，不同功能模块间的相互关系，具 体的设计方案以及在实际设计实现中所采取的系统环境参数配置与优化策略。最 后再对实际开发流程中所进行的测试工作进行简要的介绍。 1 5 论文组织结构 本文对t d h s d p a 系统基站端设计与实现工作进行了细致的分析，重点介 绍了t d h s d p a 中m a c h s 实体及基带物理层的功能及实现算法，并且详细介 6 北京邮电火学硕士学位论文 绍如何在多核d s p 芯片即p i c o a r r a y 上实现t d h s d p a 系统的设计思路。 第一章为绪论，主要介绍移动通信的发展历史及演进历程，h s d p a 系统的 优势所在及其主要关键技术( a m c 、h a r q 技术和快速调度) 介绍。 第二章对在实现中所采用的p i c o c h i p 公司的多核d s p 芯片的开发环境做详 细介绍，包括芯片的特点、芯片在算法实现中所采用的并行计算及流水线处理技 术等。 第三章将针对t d h s d p a 系统基站端系统模型中不同的功能模块( m a c h s ， 物理层新增数据通道) 按照协议详细展开分析实现中所采用的相关算法及各部分 处理上的时序关系。 第四章将结合上述算法介绍t d h s d p a 系统在p i c o a r r a y 芯片上的实现方 法，包括整体框架设计结构，各模块的详细设计和采用的算法流程，以及模块间 的接口设计及实现方案。 第五章为全文总结及展望。 7 北京邮电大学硕士学位论文 第二章p i c o c h i p 芯片开发工具介绍 该设计采用p i c o c h i p 公司生产的p i c o a r r a y 多核d s p 芯片来搭建【6 】。p i c o c h i p 提供针对无线系统和软件无线电设计的多核信号处理产品。p i c o a r r a y 能够容易 地在标准、熟悉的开发环境中编程。 2 1 p i c o a r r a y 体系结构介绍 p i c o a r r a y 阵列是由大量独立的小处理器组成的大型并行处理器架构。一般 而言，一个d s p 应用在逻辑上都可以分解为若干个互相通信的串行处理过程， 而每个处理过程都可以被指定到p i c o a r r a y 上的某个特殊的处理器上进行处理。 各个处理器均可互相链接( 即不仅仅是最近邻的) ，它可支持复杂的架构( 扇入、 扇出、交换等) 。该结构具有极高的带宽，并且支持t d m 接入机制，因此多个 信号可共享一个分段，从而实现极为高效的应用，这均是通过工具支持的，编程 人员仅将精力集中到设计任务上，无需考虑互连和布局问题，因为这些工作均由 编译器自动完成。调试工具p i c o t o o l s 静态地为整个系统分配处理器和p i c o b u s 资源，因此，不需要设计操作系统来实时地维护资源以及进行管理和调度。静态 的资源分配使得系统的实时复杂性被极大地转移到工具集上。同时，这也意味着 减轻硬件的负担，从而使得处理器阵列的绝大多数处理能力可以被利用到实时 d s p 应用上，减少了中断和调度的资源开销。 圜镶紫一 国滋 圜一一一 囡。一一 图2 - 1 ：简化的p i c o a r r a y 整体架构 图2 1 中p ( p r o c e s s o r ) 代表各个小的处理器，一般称为阵列单元a e ( a r r a y e l e m e n t ) ，这些处理器以阵列形式排列，通过总线( p i c o b u s ) 相互连接起来， 每一个a e 与两条总线相连，总线之间通过交换矩阵来协调，这样任何a e 之间 都可以很方便的通信，图中不同颜色的线条代表了不同的信号线，实际中每一个 北京邮电人学硕士学位论文 p i c o a r r a y 所包含的a e 多达2 4 8 个，这些a e 可以并行处理，互不干扰，独立的 完成自己的任务。 为了在阵元数量和它们不同的处理能力之间取得某种平衡，阵列中包括了不 止一种处理器。其中有三种可编程处理器如下表2 1 所示，它们之间的不同之处 是代码空间与数据空间的总量，以及一些特别指令集的细节。a e 分为三类： s t a n 、m e m 、c t r l 。s t a n 是最简单的a e 类型，一般用来完成比较简单功能， 其对应的汇编指令也比较简单；m e m 内置内存比较大，可以用来完成稍微复杂 的功能，并且内存可以配置，这样可以根据需要对代码和数据所占内存进行分配； c t r l 内存最大，用来完成比较特殊的功能。此外，阵列还提供一定数量的特殊 阵元，它们被称为功能加速单元( f u n c t i o na c c e l e r a t i o nu n i t s ，f a u s ) ，执行一些 硬件中关键的d s p 功能。 表2 1 ：p i c o a r r a y 的配置属性列表m f e a t u r ec t r l 2m e m 2s t a n 2 b u sc o n n e c t i o n s422 n u m b e ro fp o r t s3 21 21 0 n u m b e ro fr e g i s t e r s 1 51 51 5 m i n i m u mi n s t r u c t i o nm e m o r y 2 0 4 86 4 6 4 ( 6 4b i tw o r d s ) v a r i a b l em e m o r yp a r t i t i o n i n gy e sy e sn o 4 9 15 2 ，1 6 3 8 42 6 6 5 6 2 0 4 83 i n s t r u c t i o n d a t am e m o r ys i z e 3 2 7 6 8 3 2 7 6 8 1 4 6 0 8 4 0 2 1 6 3 8 4 4 9 15 2o 2 5 6 0 ，6 1 4 415 1 刀2 5 6 o p t i o n s ( b y t e s ) 5 1 2 8 1 9 20 d e f a u l t0 d e f a u l t0 l o 叼w o r d ( 3 2b i t ) m e m o r y y e s y e sy e s c s 皓 w o r d 16b i t ) m e m o r ya c c e s s e s y e s y e sy e s 8 y t em e m o r ya c c e s s e s y e sy e sn o e x e c u t i o nu n i t s a l u 0 y e s y e sy e s c o m m su n i ty e sy e sy e s m e m o r ya c c e s su n i t a l u 1 y e sy e sy e s b r a n c hu n i t y e sy e sy e s s p r e a d d e s p r e a du n i t n on oy e s m a cu n i n o n o y e s m u l t i p l yu n i t y e sy e sn o 每一个a e 内部体系结构包括处理器( p r o c e s s o r ) 、指令存储区( i n s t r u c t i o n m e m o r y ) 、数据存储区( d a t am e m o r y ) 以及端1 2 1 ( p o r t ) ，内部模块之间通过高速 总线连接起来，高层信号经过配置端口对a e 进行必要的配置，处理器从数据区 存取数据，从代码区取回操作指令，端口是外部数据源的入口。如下图2 2 所示， 这种分布式体系结构具有以下特点： ( 1 ) 每个a e 都有自己专有的指令和数据存储器，其大小与a e 类型相关 处理器包含多个执行单元( e u ) ，每个长指令字( l i w ) 中可包含多达3 个e u 9 北京邮电大学硕士学位论文 的操作指令，在一个时钟周期内可并行执行三条指令，实现a e 内部e u 之间的 并行处理操作； ( 2 ) 每个a e 的时钟频率为1 6 0 m h z 配置总线允许外部主处理器对每个a e 进行单独编程，如加载内存和设置端 口： ( 3 ) a e 通过端口连接到p i e o b u s ，以实现相互之间的通信 每个a e 的端口数与a e 类型相关，每个端口可以看作是一个单向输入或输 出信道，连接一个信源a e 到一个或多个信宿a e ； ( 4 ) 分布式内存和局部化算法实现 ( 5 ) 每个a e 均为为数据驱动，未使用的a e 会被自动关掉，以减少功率消 耗。 图2 2 ：a e 内部结构图示 除此之外，每个p i c o a r r a y 芯片还配有外部接1 3 ，被称为外设( p e r i p h e r a l s ) ， 它将p i c o a r r a y 与外围数据流、外部s r a m 或s d r a m 以及通用主控制处理器连 接起来。有一种重要的外设是p i c o a r r a y 片间接1 2 1 ( i n t e r - p i c o a r r a yi n t e r f a c e ，i p i ) 。 这种接口将p i c o b u s 通信协议扩展到多个阵列间，这就使得一个设计能够以无缝 的方式分布到多个p i c o a r r a y 设备上，增强了开发时的可扩展性。 2 2p i c o a r r a y 开发环境及开发流程介绍 该项目使用的开发调试工具为p i c o c h i p 公司的p i c o t o o l s 软件。图3 1 中g u i 模式的p i c o d e v e l o p e r 显示了开发工具的图形界面，除了图形界面之外还可以在 l i n u x 下使用命令行方式进行编译和调试。 1 0 北京邮电大学硕上学位论文 t r a m o 。3 “二k k 涮o 戤勰孟3 a 嘲# w h * 目圈目目0 2 黝盈 r 睡姊伽雌m 删 t i n r a v 。 ” “一。+1+。一。1 _ l 吖f _ 敝轴嘲镰霸f 附珈_ 帕螺癯_ - 呐嘲 - 融咧祷l 啪睡l 鼬t 鞠做，： 胁嘶i 耻：l n c l h l n , c t i i mt 艟i _ li 薯臼国蹲a 撙n 嘲t粕啊薯棚坩矗c 嘲搬嘲 - 鬯望粤氅j 一 轴曲妇| 。 一 p 。g l 锄镪c 称e 锄l s l m t d l a s 雌 l 。 s wvi 蛔 瀚il _ m “一 +