（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统uu接口物理层技术研究与fpga实现.pdf

摘要 t d s c d m a 系统是我国拥有自主知识产权的第三代移动通信系统，它与 w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和w i m a x 并列，是国际公认的主流3 g 技术。本文主要 介绍了t d s c d m a 系统的u u 接口物理层传输技术的实现，包括物理层数据处理 流程，物理层帧结构，物理层过程等内容，其中重点介绍了数据的成型滤波、上 下变频及同步等数据处理流程，详细分析了f i r 滤波器，c i c 滤波器，n c o 及同 步模块的设计方法，并给出了其在f p g a 实验平台上实现方法。此外文中还介绍 了d s p 与f p g a 接口的设计实现方法。文章的最后，给出了由f p g a 构成的中频 发射机的频带实测性能，同步性能分析及d s p 与f p g a 接口的测试分析，并提出 了改进和完善的建议。 关键词：t d s c d m a 物理层上下变频同步f p g a a b s t l a c t a sm e 丘体tm o b i l e m m l l n i c a 矗o ns t 瓤l d a r dw i t hi n d e p e n d e n ti n t d l i g c e p f o p e r t yr i 龇i d - s c d m ah a sb c c a m eo o ft h em a i n s n 瑚m3 gm o b i l e c o m m u d i c a 土i 蚰s y s t e m s 姐c h 丛w c d m 气c d m a 2 0 0 0a n dw i m a x n i sp 印盯右戚 i n 仃i ) d u c 嚣t h ei m p l 锄c n t a 虹o no ft h ep h y s i c a ll a y 盱缸姐s p o r tt c c h i l o l o g yo ft h eu u i n 锄f a c ci nt h e1 d - s c d m as y s t 锄，w b j c hi n d u d e sd a t ap r o i ：e s s i n gn o w ，劬m e s 虮l 船a n dp r o c 酣u r co f 也ep h y s i c a ll a y e r ，i n 州c hi t 锄灿i z 髓o nt h ep r o c 髓s i n g o fp u l s es h a p i n gf i l t d u c d d c 蠲ds y n c h r o n i z a d o n 髓e ni ti s 南l t 0 试w i t hm e d 鼯咖m c l h o d sf o rf 取f i l t c i c 衄t n c o ，s y n c h r o n i z 鲥衄m o d m e 柚dt 1 1 c i r i m p l e m e n t a d o 璐o nf p g 罄w c l l 勰t h ej 1 1 1 p l 啪伽o no f 也ei n t e r f h c cb 吐w e e n d s pa n df p g a f i n a l l yi tp r e s e n t c dm em e 城l r c dp c r 】b m a n c eo f 订a n 锄i t t c ro n f p g a 狮dt h ep e r 佃m a n a n a l y s i s0 f g y n c ：b r o n i z a t i o na n di n t e f f 缸eb 咖e 姐d s pa n d f p g a a sw d l 鹊s o m ei m p r o v 锄e n ts 1 1 9 9 e s d o n i 晒唧d r d s ：t m s c d m a p h y s i c a ll a ”rd u c ，d d cs y c h 阳n i z a 6 蛐 f p g a 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它 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。 本人签名： 刁 日期加8 ，如 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。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 ，觑 本人签名： j 彭惫名3 日期伊孑，z d 导师签名： 囵 日期z 了之1 第一章绪论 第一章绪论 1 1t d s c d m a 发展史啪 早在1 9 8 5 年u 就提出了第三代移动通信的概念，同时建立了专门的组织机构 t g 8 1 进行研究，称为未来陆地移动通信系统( f p u 仃s ) 。当时g s m 第二代移动 通信技术还没有成熟，c d m a 技术尚未出现。在t g 8 1 成立后的前1 0 年，研究进展 比较缓慢。1 9 9 2 年，世界无线电行政大会( w a r c ) 分配了2 3 0 m h z 的频率给 f p l m t s ：1 8 8 5 2 0 2 5 瑚z 和2 1 1 0 2 2 0 0 m h z 。此时，f p l m t s 的研究工作主要由 i t u 完成，其中盯u t 负责网络方面的标准化工作，r r u r 负责无线接口方面的标 准化工作。 f p l m t s 的研究工作在1 9 9 6 年后取得了迅速的进展。首先，n u 于1 9 9 6 年确定 了正式名称：国际移动通信2 0 0 0 ( d “t 2 0 0 0 ) 。其含义为该系统预期在2 0 0 0 年 左右投入使用，工作于2 0 0 0 m h z 频带，最高传输数据速率为2 0 0 0 k b i 佻。江t 2 0 0 0 的技术选取中最关键的是无线传输技术( r 1 盯) 。无线传输技术( i u t ) 主要包括 多址技术、调制解调技术、信道编解码与交织、双工技术、信道结构和复用、帧 结构、射频( r _ f ) 信道参数等。i t u 于1 9 9 7 年制订了m 1 2 2 5 【1 】建议，对d 讧t 2 0 0 0 无线传输技术提出了最低要求，并面向世界范围征求无线传输建议。到1 9 9 8 年6 月 底，提交给r r u - r 的地面第三代通信系统的无线传输技术( r 1 盯) 方案共有1 0 个， 其中w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 是公认的三大主流技术。 t d s c d m a 标准从1 9 9 8 年向删提交方案开始，已经历经了9 个春秋。 t d s c d m a 标准目前可以分为三个大的版本：基本版本、增强版本和长期演进版 本。基本版本包括语音、数据、n 频点等功能，包括在3 g p pr 4 规范和国家行业标 准中，已经于2 0 0 4 年完成制定，国家行业标准于2 0 0 6 年1 月正式发布。增强版本包 括h s d p a 用s u p a 及其演进，如应用多载波、多天线技术的h s p a + ，以及m b m s 等，其中t d s c d m ah s d p a 已经在3 g p pr 5 版本中发布，h s u p a 及后续演进的标 准化工作于2 0 0 6 年完成并加入3 g p pr 7 规范。i d s c d m a 的长期演进( l t e ) 版本 于2 0 0 5 年初在3 g p p 中开始进行标准化工作，目前以基本完成s t u d y i t 黜阶段，预计 将于2 0 0 8 年完成版本制定工作。演进情况如图1 1 所示。 基本版本和增强版本的产品生命周期估计将延续到2 0 1 5 年之后；长期演进版 本l t e 的产品生命周期将延续到2 0 2 0 年后。 t d s c d m a 系统u u 接口物理层技术研究与f p g a 实现 图1 1t d s c d m a 标准的版本演进 1 2 项目来源及研究意义 本文题目名为“t d s c d m a 系统u u 接口物理层技术的研究及实现”，是为研 究t d s c d m a 系统u u 接口物理层及上下变频技术而拟定的科研题目。 t d s c d m a 系统与其它3 g 系统最大的不同之处就在于它的接入网部分。u u 接 口是t d s c d m a 系统接入网的无线空中接口，位于n o d e b 与u e 之间，是真正能够 体现移动特性的部分，因此在整个系统中占有重要的地位。充分研究好u u 接口物 理层技术，其意义有二：一是初步建立了t d s c d m a 物理层的仿真平台，为实验 室今后在t d d 平台上的开发研究奠定了基础，做好了技术积累的工作。其二是对 通用实验板的功能进行了验证，为在其上进行其他实验提供了实践依据。 1 3 本文的内容安排 本文分为六个部分： 第一章为绪论，主要介绍t d s c d m a 标准的发展历史、论文题目来源、研究 意义及内容安排方式。 第二章是对t d s c d m a 系统u u 接口的概述，重点介绍了物理层的处理流程。 第三章主要对数字上下变频相关理论进行了详细的介绍，为系统功能的实现打 下了理论基础。 第四章阐述了u u 接口物理层在实验室自行开发的通用实验板中的实现过程。 以x i l i n xv i t c x 4 系列f p g a 为基础，介绍了脉冲成型滤波器、c i c 滤波器、n c 0 、同 步等模块的实现方法，并且介绍了f p g a 与d s p 的高速数据互传方法。 第五章主要分析了上述实验系统的性能，包括上变频发射机的性能及系统同步 第一章绪论 性能等。 第六章是对全文的总结及需要改进的问题。 第二章1 1 3 l s c d m au u 接口技术概述5 第二章t d s c d m au u 接口技术概述 2 1t d s c d m a u u 接口结构 2 1 1 通用移动通信系统网络结构1 通用移动通信系统( u m t s ) 是蹦t 2 0 0 0 的一种，其结构如图2 1 所示。整个系 统分为核心网( c n ) ，u m t s 陆地无线接入网( u t r a n ) 和终端用户设备( u e ) 三大部分，各部分之闯通过标准的系统接口进行互连。u u 接口位于u t 融n 和u e 之间，为系统提供无线接入服务。i u 接口位于c n 和u 蚴之间。这两个公共接口 的标准化使得系统的不同部分可以独立开发设计，任何符合接口要求的终端和网 络设备都可以在系统中正常运行。 c n 牟i u 接 1 u t r a n 牟u u 接【 l u e 图2 1u m t s 结构图 2 1 2 u u 接口协议栈结构层次嘲嘲嘲 在讧t s 系统中，u u 接口上协议栈的分层结构如图2 2 所示。在u u 接口上，协 议栈按其功能和任务，被分为物理层( l 1 ，l a y c r1 ) 、数据链路层( l 2 ，l a y 胃2 ) 和 网络层( l 3 ，l a y e r3 ) 等3 层。其中l 2 又分为媒体接入控制( m a c ) 、无线链路控制 ( r l c ) 、分组数据汇聚协议( p d c p ) 和广播多播控制( b m c ) 等四个子层。l 3 和r l c 按其功能又分为控制平面( c 平面) 和用户平面( u 平面) ，l 2 的p d c p 和b m c 只存在于u 平面中。在c 平面上，l 3 又分为无线资源控制( r r c ) ，移动性管理( m m ) 和连接管理( c m ) 等3 个子层。 按其信令及过程是否和接入有关，u u 接口协议被分作接入层( 包括l l 、l 2 和 l 3 的融犯子层) 和非接入层( m m 、c m 等) ，其中，接入层信令属于核心网功能。 在这里主要介绍接入层中的相关部分。 6t d s c d m a 系统u u 接口物理层技术研究与f p g a 实现 各子层之间通过业务接入点( s a _ p ) 进行数据交互。在物理层和m a c 层之间的 s a _ p 提供传输信道，在r l c 子层和m a c 子层之间的s a p 提供逻辑信道。除了在相邻 的层或子层之间可以进行通信外，在不相邻的层或子层之间也可以进行通信。例 如，在i 氓c 予层与m a c 子层和物理层之间都有控制s a _ p ，通过这些控制s a p ，r r c 可控制物理层和m a c 层配置。 图2 2 u u 接口协议栈结构层次 物理层是u u 接口的最底层。由于t d d 系统和f d d 系统的主要区别在于物理 层，因此，下面以一节的内容较为详细的介绍t d s c d m a u u 接口的物理层规范。 2 2t d s c d m au u 接口物理层概述嘲啪 2 2 1 物理层服务 物理层是u u 接口的最底层，支持比特流在物理介质上的传输。物理层与l 2 的m a c 子层及l 3 的r r c 子层相连。物理层向m a c 层提供不同的传输信道， 传输信道定义了信息是如何在空中接口上传输的。物理信道在物理层定义，物理 层受r r c 的控制。 物理层向高层提供数据传输服务，这些服务的接入是通过传输信道来实现的。 为提供数据传输服务，物理层需要完成以下功能： ( 1 ) 传输信道错误检测和上报 第二章r d s c d m au u 接口技术概述 ( 2 ) 传输信道的f e c 编译码 ( 3 ) 传输信道和编码组合传输信道的复用解复用 ( 4 ) 编码组合传输信道到物理信道的映射 ( 5 ) 物理信道的调制舻颓和解调解扩 ( 6 ) 频率和时钟( 码片、比特、对隙和子帧) 同步 ( 7 ) 功率控制 ( 8 ) 物理信道的功率加权和合并 ( 9 ) 中频及射频处理 ( 1 0 ) 速率匹配 ( 1 1 ) 无线特性测量，包括f e r 、s 双、干扰功率，等等 ( 1 2 ) 上行同步控制 ( 1 3 ) 上行和下行波束成形( 智能天线) ( 1 4 ) u e 定位( 智能天线) 2 2 2 物理信道帧结构 物理信道的重要功能之一就是完成编码组合传输信道到物理信道的映射。 t i ) s c d m a 的物理信道采用四层结构：系统帧、无线帧、子帧和时隙。时隙用于 在时域上区分不同用户的信号，具有t i ) m a 的特性。物理信道信号格式如图2 3 所示。 r a d i o 触m e b = f h f l 时，如果 仍按照n y q u i s t 采样率来采样的话，则其采样频率会很高，以致难以实现。这就 需要带通采样理论来解决。 带通采样定理指出，当一个频率带限信号x ( t ) ，其频带限制在( f l ，f h ) 内， 如果采样速率满足： 五= 等 式中，n 取能满足6 2 ( f h f l ) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，) ， 采样所得到的信号采样值x ( n t s ) 能准确地确定原信号x ( t ) 。 3 2 整数倍抽取和内插“盯 式( 3 1 ) 则用坛进行等间隔 在接收机一侧，随着信号载频和带宽的不断提高，依照前面所述的采样定理， 1 6 t d s c d m a 系统u u 接口物理层技术研究与f p g a 实现 对信号数字化所需要的采样速率也要逐步提升。这样所带来的一个问题就是采样 后的数据流速率很高，导致后续的信号处理速度跟不上数据流的速率为了解决 这一问题，就需要对采样后的数据进行抽取，降低数据流的速率，以适应后级信 号处理的需要。相反，在发射机一侧，采样速率较低的基带数据为了和采样率较 高的载频数据褶匹配，则需要进行插值，以提高其采样速率。下面就对整数倍抽 取和内插理论进行介绍。 3 2 1 整数倍抽取 所谓整数倍抽取是指把原始采样序列x ( n ) 每隔( d 一1 ) 个数据取一个，以形成 一个新序列x d ( m ) ，即； x d ( m ) = x ( n l d ) 式( 3 - 2 ) 式中，d 为正整数。 可以看出，如果x ( n ) 的序列的采样率为f s ，则其无混叠带宽为最2 ，当以d 倍抽取率对x ( n ) 进行抽取后得到的抽取序列x d ( m ) 之取样速率为氏d ，其无混叠 带宽为纠( 2 d ) ，当x ( n ) 含有大于缈( 2 d ) 的频率分量时，x d ( m ) 就必然产生频谱混 叠，导致从x d ( m ) 中无法恢复x ( n ) 中小于彰( 2 d ) 的频率分量信号。因此，在进行 抽取之前，需要使用一数字滤波器对x ( n ) 进行滤波，使x ( n ) 中只含有小于s ，( 2 d ) 的频率分量，然后再进行d 倍抽取，则抽取后的频谱就不会发生混叠了。 3 2 2 整数倍内插 所谓整数倍内插就是指在两个原始抽样点之间插入( i ，1 ) 个零值。若设原始 抽样序列为x ( n ) ，刚插值后的序列x l ( n ) 为： 柏，= 鼠埘埘，) ) 【o ，其他j 式中i 为一正整数。设原信号频谱为x ( p 细) ，内插后信号的频谱为置( p 归) ，可 以证明： 互p 归) = x ( p 甜) 式( 3 - 4 ) 可以看出，内插后的信号的频谱为原始序列频谱经i 倍压缩后得到的，这时在 第三章数字上下变频理论 蜀( p 拍) 中不仅含有z ( 纱) 的基带分量，而且还含有频率大于石，的高频成分， 为了从置( p 扣) 中恢复原始谱，则必须对内插后的信号进行低通滤波，滤波器的 带宽为石，。滤波后，原来插入的零值点变为x ( n ) 的准确内插值，经过内插提高 了时域分辨率。 3 3 数字滤波器理论 前已述及，无论是信号的抽取还是内插，都需要设计一个满足要求的抗混叠 数字滤波器，该滤波器性能的好坏直接影响抽取内插的效果及实时处理能力。 数字滤波器可以用两种形式来实现，即有限冲激响应滤波器f m 和无限冲激 响应滤波器i 取。i 取滤波器利用模拟滤波器的成熟设计理论进行设计，因此保留 了一些典型模拟滤波器的优良幅度特性，但是，由于在设计中只考虑了幅度特性 而没考虑相位特性，所以设计的滤波器相位特性一般是非线性的。f i r 滤波器与 之不同，在满足幅度特性要求下，很容易就能够做到严格的线性相位特性，而且 滤波器的实现相对简单，因此是一种较为常见的数字滤波器实现形式。 3 3 1f i r 滤波器1 7 3 所谓的有限冲激响应滤波器f 瓜是指冲激响应函数h ( n ) 为有限个值的数字滤 波器。设f 瓜滤波器单位脉冲响应h ( n ) 长度为n ，其系统函数h ( z ) 为： ，一1 日( z ) = ( 以) z “ 式( 3 5 ) n = 0 式中h ( z ) 是z d 的( n 1 ) 次多项式，它在z 平面上有( n 1 ) 个零点，原点z = o 是 ( n - 1 ) 阶重极点。因此，h ( z ) 永远稳定。稳定性和线性相位是f 取滤波器的突出 优点。 对于长度为n 的h ( n ) ，传输函数为： _ 一1 日( 纱) = 办( 聆) p 砌 式( 3 6 ) n = 0 胃( 扩) = 哎( 功西 式( 3 7 ) 式中以( 缈) 称为幅度特性，p ( 国) 称为相位特性。若目( 功= 伽，f 为常数，则称 1 8 t d s c d m a 系统u u 接口物理层技术研究与f p g a 实现 毋( 妨为第一类线性相位。若9 ( 矽= 铝一z 岛是起始相位，则称口( 妫为第二类线 性相位。 可以证明一( 叻满足第一类线性相位的条件是：h ( n ) 是实序列且对1 ) 2 偶对 称，即： h ( n ) = h ( n - n - 1 ) 式( 3 8 ) 满足第二类线性相位的条件是：h ( n ) 是实序列且对( n - 1 ) 2 奇对称，即： h ( n ) = _ h ( n n - 1 )式( 3 - 9 ) 对于第一类线性相位，当n 为奇数的时候幅度特性的特点是对= o ，石，2 石呈 偶对称形式，当n 为偶数的时候幅度特性对= 石呈奇对称形式。对于第二类线 性相位，当n 为奇数的时候幅度特性的特点是对= 0 ，以2 石呈偶奇对称形式，当 n 为偶数的时候幅度特性对= 万呈偶对称形式。图3 1 是n 为偶数情况下，第一 类线性相位的f m 滤波器网络结构图。 x ( n ) y ( n ) 图3 1n 为偶数情况下的第一类线性相位网络结构图 f 瓜滤波器的设计方法有多种，如窗函数法，频率采样法和切比雪夫逼近法。 其中，窗函数法是最简单，最易实现的一种设计方法。所谓窗函数法，就是用一 个已知的窗函数烈i ) 去截取一个理想滤波器的冲激函数h i d ，得到一个实际可 用的f 取滤波器冲激函数h ： ( | | ) = ( _ j ) ( | ) 式( 3 - l o ) 式中国( 七) 可以有各种形式，如矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布莱克曼窗以及凯撒窗 等。每一种窗所对应的带内波动和阻带衰减都不同，实际应用时需要根具滤波器 设计要求来选取合适的窗函数。 虽然窗函数设计法比较简单、直观，但是由于他设计出来的滤波器特性并不 是最佳的。如果要设计频响特性满足最佳要求的滤波器。就需要采用切比雪夫逼 近等的设计方法。 第三章数字上下变频理论 3 3 2c i c 抽取滤波器1 ” c i c 抽取滤波器是f 琅滤波器的另一种特殊结构。它实现简单，而且无需一般 f m 滤波器所需要的乘法运算，这无论是对提高实时性，还是简单化硬件都有重 要的意义，所以c i c 滤波器在多速率信号处理中具有特剐重要的位置。 该滤波器的冲激响应具有如下形式： 坳，麓如。) 式中d 为c i c 滤波器的阶数，也是滤波器的抽取因子。c i c 滤波器的z 变换 为： d 一1 日( z ) = j j ；( ，z ) z “ 删 1 一z d l z 一1 ：j ( 1 一z 一。) 2 爵川q j = e ( z ) ( z ) 其中， e ( 加古 日2 ( z ) = 1 一z 一“式 3 1 4 ) 由式( 3 1 2 ) 可知，c i c 滤波器由两部分组成，为积分器h l ( z ) 和梳状滤波器h 2 ( z ) 的级联。把z = p 拍带入式( 3 1 2 ) 可得c i c 滤波器的频率响应为： 肭：璺 8 证( 詈) = d 勋( 芋勋。( 詈) 式( 3 - 1 5 ) 式中，疋( 力：里! 盟为抽样函数。因此可以由式( 3 1 5 ) 求出c i c 滤波器幅 频特性主瓣( 国= o ) 和第一旁瓣( = 1 5 等) 的电平比约为1 3 4 6 d b ，即 2 0t d s c d m a 系统u u 接口物理层技术研究与f p g a 实现 第一旁瓣的电平只比主瓣低1 3 6 4 d b ，这也就意味着阻带的衰减很差。为了 降低旁瓣电平，可以采用多级c i c 滤波器级联来实现。若用n 级c i c 滤波 器来实现，则旁瓣抑制为x 1 3 4 6 ( d 口) 。需要注意的是，n 级c i c 滤波器有 一个处理增益d ”。而且，随着级数n 的增多和抽取因子d 的加大，处理增 益也越大，所以在用软件或硬件实现c i c 滤波时，每一级必须保留足够的 运算精度，否则就有可能引起溢出错误，或运算精度降低。 为了使通过c i c 抽取滤波器的信号频谱不混叠，需要对输入信号的带宽 加以限制，引入带宽比例因子b ，使其满足下式： 6 ：兰 式( 3 1 6 ) 氏ld 式中，矗为输入采样速率，b 为抽取信号的带宽，d 为抽取因子。b 的取值不能 太大。由式( 3 一1 6 ) 可以看出，为使b 值尽可能的小，以获得足够的阻带衰减， 降低混叠影响，就必须减小信号带宽b ，或者在信号带宽b 一定的情况下尽可能 的采用小的抽取因子d 或增大输入采样率矗。而较大的五就意味着c i c 抽取滤 波器一般要用在抽取系统的第一级或内插系统的最后级。 3 4 数控振荡器( n c o ) 理论 n c o 是数字变频器的重要组成部分，其设计的好坏，将直接影响数字变频器 的性能。 实现n c o 的方法有很多，如查找表法和c o r d i c 法等。其中，查找表法实 现简单，易于应用，因此下面主要介绍应用查找表实现n c o 的方法。 基于查找表的实现方法思路如下：将n c o 分为两个部分：相位累加器和存储 了正弦值的查找表。相位累加器的作用是在输入采样时钟的控制下，对频率控制 字进行累加，其累加的结果郎为相位值，用此相位输出作为查找表的地址，即可 得到该相位所对应的正弦值。 第三章数字上下变频理论 c o s 口 图3 2 n c o 实现结构图 n c 0 的工作过程如下：每来一个频率为矗的时钟脉冲，n 位累加器就将频 率控制数据与相位寄存器输出的累加相位数据相加，相加后的结果送至相位寄存 器的输入端。相位寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据 反馈到累加器的输入端，以使累加器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据相 加，另一方面将这个值作为取样地址值送入查找表输入端，查找表则根据这个地 址输出相应的幅度数据。累加器在基准时钟的作用下进行线性相位累加，当相位 累加器加满时产生一次溢出，完成一个周期，这个周期也就是n c o 信号的频率 周期。 个n 位的累加器需要2 ”个时钟周期，n c 0 的输出频率为臼2 ”。如果 每一个周期加一个数l ，则产生的频率为l + f s 2 n ，l 是每个周期的相位增量， 也就是e 。所以输出频率为： 如u t = e f s 2 ”式( 3 1 7 ) 盎，2 ”为n c o 的频率分辨率，是n c o 能够输出的最小频率，n c o 的相位分 辨率为2 ，r ，2 ”。可以看出频率分辨率和相位分辨率与相位累加器输出位宽n 有 关，n 越大，能输出的频率精度越高，频率分辨率越高。 影响n c o 性能的另一方面是存储在查找表中的正弦值数据的位数m 。m 的 位数与相位累加宽度有一定关系，下面给出m 的两个界限“”： 肘1 = l 0 9 2 必2 = l 0 9 2 1 t 一螂c 式( 3 1 9 ) 一、l 侈 一g t d s c d m a 系统u u 接口物理层技术研究与f p g a 实现 当m 小于m 1 时，相位分辨率将发生“钝化”，即在正弦信号幅度变化 很小的区间时，相位累加器输出虽然增加了，但查找表输出的采样正弦值并 没有跟随相位变化，而是保持不变。当m 小于m 2 时，相位分辨率将达不到 理论值，即在正弦信号幅度变化很大的区间，相位累加器增加一个相位口， 但实际查找表输出的正弦信号的相位增量却大于口。 由此可见，为了使n c o 输出达到要求的频率分辨率和相位分辨率，需要 对相位累加器位数n 和正弦值位数m 进行详细的计算分析。 3 5 中频频率的选择原则 中频频率的选择对整个系统是至关重要的，好的中频可以提高整个系统的抗 干扰能力。 中频的选取的原则是”1 ：( 1 ) 各种交调产物不能落在r f 或带内：( 2 ) 各种数 字干扰不能落在有用信号带内，主要包括基带信号传输速率高次谐波的干扰、 a d c 工作时钟高次谐波的干扰、中频本振高次谐波的干扰。 中频的最高值受采样速率的限制，由n y q u i s t 采样定理可知，中频载波的频率 必须小于采样频率的一半，频谱才不会混叠。而采样频率的最高值又受到硬件电 路和d a 转换器能够达到的时钟频率的限制。 此外，不能将中频频率选择的太靠近采样频率的一半。由于数字信号镜像频 率的原因，在数字下变频后，接近基带信号的地方会出现镜像干扰，且中频频率 越接近抽样速率的一半，镜像干扰就会越接近基带信号。例如图3 3 所示，接收 端模拟信号经a d 变换后，频谱以抽样速率5 1 2 m h z 为周期进行周期延拓， 1 9 9 m l z 的中频信号在+ 7 1 7 m h z 和一3 1 3 m h z 等处出现镜像频率，同样，1 9 9 z 的中频信号在一7 1 7 m h z 和+ 3 1 3 z 等处出现镜像频率。在与中频载波相乘后， 1 9 9 m h z 的信号被搬运到基带和2 倍频处，而3 1 3 姗z 处的频谱将有一部分 被搬移到11 。4 m h z 处，这将对基带信号是一个干扰，且随着中频信号的增加， 干扰将越来越靠近基带，这就需要提高对低通滤波器的要求。因此，为了低通滤 波器的实现比较容易，不能将中频选择的太靠近采样频率的一半。 第三章数字上下变频理论 j 一* 旦警嚣 图3 3 因d a 变换产生的镜像频率 第四章t d s c d m a 物理层传输过程在f p g a 中的实现 第四章t d s c d m a 物理层传输过程在f p g a 中的实现 本章开始介绍) s c d m a 物理层传输过程在f p g a 中实现的部分。首先从 整体上描述了f p g a 在系统中的位置，之后根据f p g a 中的数据处理流程逐模块、 逐步深入的介绍了各模块的设计及实现方法。 4 1 1 硬件实验板简介 4 1 实验系统的总体布局 图4 1 基于软件无线电的硬件实验板框图 图4 1 所示的为实验室白行开发的基于软件无线电的硬件实验板框图，本文 中所述的t d s c d m a 物理层传输流程都将在此平台上进行实现。此平台中包含 一块f p g a 芯片，两块d s p 芯片，一块a i l m 芯片，若干s r a m 、d p a m 、f l a s h 、 p r o m 存储芯片和a 仍、d a 转换器等。其中，d p r a m 专门用来作为f p g a 、 d s p 和a r m 之间的接口芯片，进行数据缓冲。s r a m 用来作为d s p 的外部数据 存储器。f l a s h 用来保存d s p 的上电配置程序。p r o m 则用来保存f p g a 的程 序代码。 实验板中的f p g a 芯片选用了x i u n x 公司生产的r t e ) 【- 4s x 系列产品，该 系列产品具有较高的d s ps l i c e s 逻辑比，使设计者能够得到很高的d s p 性能，因 r d s c d m a 系统u u 接口物理层技术研究与f p g a 实现 此使r t c x - 4s x 系列产品非常适合应用于实时信号处理系统，其具体资源情况如 表4 1 所示： 表4 1 、r m n _ 4s x 系列产品资源列表 型号s 1 i c l u t触发器d c md s pb l o c k备注 模块模块r a m 每个r a m 块容量 x c 4 v s x1 0 2 4 02 0 4 8 02 0 4 8 0 4 1 2 81 2 8 是1 8 k b 毗d s p 模 2 5 块可以配置成一个 x c 4 v s x1 5 3 6 03 0 7 2 03 0 7 2 08 1 9 2 1 9 2 1 8 1 8 位的乘法器 3 5 实验板中的d s p 芯片采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 和t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ， 它们都为3 2 b i t 定点数字信号处理器，主频为4 0 0 m h z 6 0 0 姗z ，运算速度为 4 8 0 0 m 口s 。 对于其他器件将在后面应用时再加以介绍。 4 1 2t d s c d m a 物理层平台硬件处理流程 围4 2 佃 - s c d m a 物理层流程硬件框图 如图4 2 所示，在试验板上将用到d s p 、f p g a 、d p r a m 和a 仍、d a 等硬 件资源。其中d s p l 负责物理层编码复用和信道映射等比特级处理，d s p 2 负责迸 行扩频加扰等码片级处理。两块d s p 通过m c b s p 多通道缓冲串口进行连接。f p g a 负责码片级数据的调制解调、上下变频和同步等处理。d s p 与f p g a 通过e m 外部存储器接口进行连接，d p r a m 在此接口中起数据缓冲器的作用。a ，n ，a 转换器直接与f p g a 相连接，负责数模转换工作。 具体的处理流程分为两个部分：发送流程( 如图4 2 中虚线所示) 和接收流 程( 如图4 2 中实线所示) 。 ( 1 ) 发送流程 发送流程由d s p l 开始。d s p l 以5 m s ( 1 子帧) 为周期产生数据，经过编码 第四章t d s c d m a 物理层传输过程在f p g a 中的实现 复用后，将数据传输到d s p 2 ，在d s p 2 中对数据进行扩频加扰，并进行组帧，1 子帧l o 个时隙，当处于n o d cb 端时，下行时隙填充数据，上行时隙填充o ，处 于u e 端时则相反。组帧后将1 子帧的数据以4 0 0 m b s 的速率发送到d p i m m 中 缓存。f p g a 再将数据以1 6 0 m b p s 的速率从d p r a m 中读出，存入片内的f i f o 中。f m 0 的输出为1 2 8 m c b j p s ，这个速率是t d s c d m a 协议标准上规定的码片 速率，数据在f p g a 中按照这个速率进行调制，数字上变频后，以数字中频的形 式传输到d a 转换器，进行数模转换后发送到信道中去。 ( 2 ) 接收流程 接收流程由a 巾转换器开始。a 巾转换器将接收到的模拟中频信号进行采样， 将其变为数字中频信号后传输到f p g a 中。f p g a 首先对信号进行数字下变频。 变频之后，在基带数据中提取同步信息，按照提取到的信息对数据进行积分判决， 并对发送定时进行调整。判决后的数据将暂时存储在f p g a 片内l 认m 中，待 d p r a m 空闲时，f p g a 再把暂存的数据以1 6 0 m b s 的速率发送到其中。之后， d s p 2 以4 0 0 m b p s 的速度从d p r a m 中将数据读入，进行拆帧、去扰和解扩的操 作，完成后，将数据发送至d s p l 中进行信道解码和解复用，直到恢复原始数据。 发送流程和接受流程是同时进行的，因此在各个器件中的程序都是并行或者 分时运行的，而且各器件之间也要相互协调才能正常工作，这就需要比较复杂的 信令进行控制，在以后的小节中将对这一内容进行介绍。 4 1 3f p g a 中的数据处理流程 在上述的流程中，f p g a 所实现的调制、上下变频和同步等部分是本文论述 的重点，下面详细介绍f p g a 中的数据处理流程。 图4 3 f p g 渔内部模块结构 t d s c d m a 系统u u 接口物理层技术研究与f p g a 实现 f p g a 内部模块结构如图4 3 所示。f p g a 外接7 5 姗z 晶振，晶振信号进入 f p g a 后经过d c m ( d i g t a lc l o c km 柚a g e 传) 模块分频出4 0 9 6 瑚z 的时钟信号， 再对此信号进行4 分频和3 2 分频，得到1 0 2 4 m h z 和1 2 8 m h z 的时钟信号。这 三个时钟信号作为整个系统的系统时钟，控制各个模块的运行。其中，4 0 9 6 瑚z 的时钟为信号采样时钟，1 0 2 4 m h z 的时钟作为信号插值和数据传输时钟， 1 2 8 z 的时钟为基带数据传输的基准时钟。 为了隔离数据传输和数据处理两个不同的时钟域，f p g a 从d p r a m 读取的 数据首先暂存在f i f o 中，然后再由f o 以1 2 8 m c h i n s 的速度将数据传入数据 处理模块。数据处理模块内部的流程框图如图4 4 所示。 r 开厅 r a m 虚 实 分i n c 0i 部 虚部数据 虚叫歼翟 僵掩 实 部 m 研 厶 际习 口 拓僵斗 圜球二 并 d a 卜+ 虚部数据 图4 4 数据处理模块处理流程 数据处理模块内部被分为两个部分：上变频部分和下变频部分。由f i f o 输 出的数据进入上变频处理部分。首先对数据进行虚实部分离，分离后的实部序列 和虚部序列速率仍为1 2 8 m c h i p ，s 。虚实分部之后，对两路数据分别进行8 倍的插 值，以提高其采样速率，插值后的数据速率达到1 0 2 4 m s 。其后对数据进行脉冲 成型滤波，以约束信号带宽，减小带外辐射，该滤波器以f 破滤波器的结构实现。 滤波之后进行第二次插值滤波，使数据的采样速率与中频载波采样速率相匹配， 达到4 0 9 6 m ，s 。该插值滤波器以c i c 滤波器的结构实现。实际上，插值可以在脉 冲成型滤波前一次完成，但这样使数据速率过高，导致后面的f 瓜滤波器必须采 用较高的阶数，增加了对资源的占用和处理时延，是不经济的做法，因此在这里 将插值分为了两个部分进行。第二次插值后的数据即可和n c o 输出的中频载波 信号相乘，完成数字上变频。n c o 输出两路载频信号，频率为1 5 z ，相位相 差9 0 度。最后，虚实部数据相加，构成q p s k 调制信号，输出至d a 转换器。 下变频部分和上边频部分的步骤相反，数据经过各模块的处理后，最终将数 第四章t d s c d m a 物理层传输过程在f p g a 中的实现 据还原为1 2 8 m 幽p s 的复值数据，并暂存在f p g a 的片内r a m 中，直到f p g a 与d p r a m 之间的数据总线空闲的时候，再将暂存的数据传输至d p r a m 中，等 待d s p 读取并处理。 下面对上述处理流程中模块的设计及实现进行介绍。 4 2 上下变频模块在f p g a 中的实现 4 2 1f i r 脉冲成型滤波器的设计与实现 一、f 瓜滤波器的设计 当一个矩形脉冲信号通过限带信道时，脉冲会在时间上延伸，每个符号的脉 冲将延伸到相邻符号的时间间隔内，这会导致码间串扰。移动通信系统要求占用 带宽小，以提高频谱利用率，同时减少调制带宽而抑制带外辐射，这样的移动通 信信道是典型的带限信道。脉冲成型技术就是达到上述目的有效方法。 在发射端，每一个码片都要经过成型滤波器成型，在t d s c d m a 协议中， 脉冲成型滤波器的冲激响应r c 0 ( t ) 为根升余弦，其定义见式( 2 3 ) 。 数据的滤波是由数据信号与脉冲成型滤波器的时域冲击响应r c o ( t ) 相卷积实 现的。由于数据是经过采样的数字信号，因此也需要对r c o “) 进行数字化采样后 才能进行卷积运算。其采样频率和经过8 倍插值的基带数据一样为1 0 2 4 m h z 。 不同亩长对应的幅鲠竹成 n i 蹦f “掣e 舵y 似确曲呷螂 图4 5 不同窗长对应的幅频相应 t d s c d m a 系统u u 接口物理层技术研究与f p g a 实现 采样后的冲击响应r c o ( n ) 为一无限长序列，在实际系统中无限长序列是无法 应用的，因此需要对r c o ( n ) 进行截短。截短的长度和截短时所用的窗函数的类型 将影响滤波器的频响特性“”：截短长度过短则过度带宽大，截短长度越长过渡带 宽越窄，频响特性越好，但会导致滤波器阶数增加，占用大量的f p g a 资源。图 4 5 给出了窗长度为2 0 、5 0 和l o o 时r c 0 ( n ) 的幅频响应图。 可以看出，当窗长为1 0 0 时，过渡带宽最窄；而窗长为2 0 时，过渡带宽明显 加大；窗长为5 0 时，过渡带宽并不很宽，且其3 d b 带宽和窗长为1 0 0 时基本相 同，因此选取长度为5 0 的窗长是比较合适的。 此外，进行截短的窗型也是决定滤波器性能的重要因素。选用好的窗函数， 可以减小带内波动及加大阻带的衰减。图4 6 为加矩形窗和加哈明窗的频响比较 图： 州州i i l 时f - 叫科吖阳憎曲，m p 啦 图4 6 不同类型窗函数的幅频响应比较 从中可以看出，加哈明窗之后的带外衰减要比加矩形窗的大3 0 d b 以上。按照 t d - s c d m a 国家行业标准( y d 厂r1 3 6 5 2 0 0 6 ) 要求，t d 。s c d m a 频带信号所占 带宽为1 6 m h z 。带外衰减要在4 0 d b 以上。可见，r c o ( n ) 加哈明窗，窗长5 0 截 短后的滤波器频率响应完全可以满足其要求。 设h ( 1 1 ) 为所求f 取滤波器的单位脉冲响应，则： h ( n ) 2 r c 0 0 1 ) 吐】i h ( 栉) ，l = l ，2 ，5 0 式( 4 啊1 ) 第四章t d - s c d m a 物理层传输过程在f p g a 中的实现 3 l 其中 q 。( 功= o 5 4 一o 4 6 c o s ( 言三) 】j ( 咄= 5 0 ，甩= l ，2 ，5 0 式( 4 2 ) 二、f 取滤波器的实现 上述所求出的5 0 阶f m 滤波器系数h ( n ) 都为小数，为了将其变为能存储在 l 认m 中的整数，将系数扩大2 ”倍并取整，转换为l l 位的二进制补码。由于系数 是对称的，在i 乙a m 中存储2 5 阶就可以了，因此总共需要2 5 1 l b i t 的数据存储 空间。 如果直接用乘加的方式实现5 0 阶f 瓜滤波器，即使利用上对称的特性，采 用图3 1 所