（通信与信息系统专业论文）wimax基带处理的dsp实现.pdf

重庆邮电大学硕十论文 摘要 摘要 无线城域网( w m a n ) 技术是继无线局域网( w l a n ) 之后出现的又 一项宽带无线接入技术。w l a n 的总体设计及其提供的特点并不能很好的 适应室外的b w a 应用，当其应用于室外时，在宽带和用户数方面受到限 制，同时还存在着通信距离等其他一些问题。由于上述情况i e e e 发展了 一种新的更复杂的w m a n 标准即i e e e s 0 2 1 6 标准，这个标准同时解决了 物理层环境( 室外射频传输) 和q o s 两方面的问题，并可满足b w a 和“最 后一公里”接入市场的需要。这种网络由固定的基站，然后根据频率，传 输功率和接收者的灵敏度等因素在数十公里范围内以点对多点的形式传 递服务。 w i m a x 相较于8 0 2 1 1 标准，在传输数率，覆盖上都有很大优势。它的 基带层实现无论在现实意义上还是理论意义上都极具参考价值。而d s p 既 有高性能的并行结构，也有低功耗的核心；在编程方面主要采用c 语言和 线性汇编语言结合的方式，程序语言易读易懂。用d s p 实现w i m a x 的基 带处理是一种经济、高效的实现方式。 本论文结合所参加的科研项目，利用t i 的t m s 3 2 0 c 6 xd s p 实现 w i m a x 基带处理。首先对w i m a x 物理层关键技术进行了论述，然后分 析了基带基础结构和相关模块，接下来重点对w i m a x 物理层基带处理模块 在d s p 上的实现进行了详细探讨，特别是r s 码、维特比译码和o f d m 调 制在d s p 上的实现算法，最后在l y r t e c h 科技公司的d s p 硬件平台上完 成模块之间的联合与测试，试验结果验证了各模块算法的正确性和实用 性。 关键词：w i m a x ，d s p ，o f d m ，基带 重庆邮电人学硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h ew m a ni sa n o t h e rb r o a d b a n dt e c h n o l o g ya f t e rt h ew l a n t h e c o m i n go u to fw m a ni sf o rt h ei n c r e a s i n gm a r k e td e m a n di nb w a t h e s y s t e md e i g no fw l a na n di t sc h a r a c t e r i s t i cc a n ta p p l yt ot h eo u t d o o rb w a v e r yw e l l ，b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o ni nb a n d w i d t ha n du s e rn u m b e r sa sw e l la s o t h e rp r o b l e m sl i k ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ew h e ni ti sa p p l i e dt ot h eo u t d o o r s s ot h ei e e ee s t a b l i s h e dan e wa n dm o r ec o m p l i c a t e dg l o b a ls t a n d a r d i e e e 8 0 2 1 6 t h i ss t a n d a r dc a nn o to n l ys o l v et h ep r o b l e m sb o t hw i t hp h y s i c a l l a y e rc o n d i t i o n sa n dq o s ，b u ta l s of u l 矗nt h ed e m a n do fb w aa n dt h e “l a s t m i l e ”a c c e s s t h ew i m a xi st h ea i ri n t e r f a c es t a n d a r do fi e e e 8 0 2 1 6w m a n t h i sw m a nh a sm u c hs i m i l a r i t yw i t ht h et r a d i t i o n a lm o v i n gn e t w o r k s i th a s s e t t l e db a s es t a t i o n sa n dt r a n s f e r st h es e r v i c ei ns c o r e so fk i l o m e t e r si n p o i n t m u l t i p o i n tm o d ea c c o r d i n gt o t h ef r e q u e n c y ，t r a n s f e r r i n gp o w e ra n d s e n s i t i v i t yo fr e c e i v e r s c o m p a r ew i t h8 0 2 1 1 w i m a xh a sm u c hm o r ea d v a n t a g eo nt r a n s f e r sa n d o v e r l a y i m p l e m e n t a t i o n o fw i m a xb a s e b a n d p r o c e s s i n g i sv a l u e a b l ei n s i g n i f i c a n c ea l s oi nt h e o r e t i c t h ed s pi sc u r r e n tt or e a c hah i g hp e r f o r m a n c e t op r o c e e di np a r a l l e ls t r u c t u r e ，a n da l s ot h el o w p o w e r o np r o g r a m m e ，u s i n g ca n d l i n e a r i t y a s s e m b l e l a n g u a g e ，t h ep r o g r a mi s e a s i e ru n d e r s t a n d p r o g r a m l m p l e m e n tt h eb a s e b a n dp r o c e s s i n go fw i m a xw i t hd s pi sak i n do f e c o n o m i c ，e f f i c i e n tw a y t h i st h e s i sc o m b i n e st h er e q u i r e m e n ta n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h e p r o g r a m ，u s i n gt i6 7 13d s pi m p l e m e n tt h ew i m a xb a s e b a n d f i r s t h a sa d i s c u s s i o no nt h ew i m a xt e c h n i q u ea n di n t r o d u c e st h eb a s e b a n do fw i m a x i m p l e m e n to nd s pd e t a i l e d a n a l y s i st h ea l g o r i t h mo fr sc o d e ，t h ev i t e r b i a n do f d m0 nd s p a tl a s t ，c o m p l e t et h em o d u l e s j o i n ta n dt e s to nt h e l y r t e c hd s ph a r d w a r e p l a t f o r m t h er e s u l t sv a l i d a t et h ea l g o r i t h mo f m o d u l e si sc o r r e c ta n d v a l i d i t y k e yw o r d s ：w i m a x ，d s p ，o f d m ，b a s e b a n d i r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的酽 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽塑生左兰或其他教百机构 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三 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳丁闻参 签字日期：柚订年，月矗土日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖塑皇太堂有关保留、使用学位论文的规 定，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，允许论又被奎睡 和借阅。本人授权重鏖整皇塞堂可以将学位论文的全部或部分内銮编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：何f 露琵 导师签名： 笼磙 签字日期： 纠年f 月烈日 签字日期：年月日 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1i e e e 8 0 2 1 6 的发展现状 无线城域网技术是继无线局域网之后出现的又一项宽带无线接入技 术。无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入( b w a ) 市场需 求。w l a n 的总体设计及其提供的特点并不能很好地适用于室外的宽带无 线接入应用。当其用于室外时，在带宽和用户数方面将受到限制，同时还 存在着通信距离等其他一些问题。基于上述情况，i e e e 决定制定一种新的、 更复杂的全球标准，这个标准应能同时解决物理层环境( 室外射频传输) 和 q o s 两方面的问题，以满足宽带无线接入和“最后一英里”接入市场的需 要。有了这样一个全球标准，就能使通信公司和服务提供商通过建设新的 无线城域网来为目前仍然缺少宽带服务的企业与住宅提供服务。 2 0 0 1 年1 2 月颁布的i e e e 8 0 2 1 6 对使用1 0 - 6 6 g h z 频段的固定宽带无 线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，由于其使用的频段 较高，因此仅能应用于视距范围内。 2 0 0 3 年1 月颁布的i e e e 8 0 2 1 6 a 对i e e e 8 0 2 1 6 进行了扩展，对使用 2 1 l g h z 许可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和 m a c 层进行了规范，该频段具有非视距传输的特点，覆盖范围最远可达 5 0 k m ，通常小区半径为6 - 1 0 k i n 。另外，i e e e 8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供q o s 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。这些特点使得i e e e 8 0 2 1 6 a 与i e e e 8 0 2 1 6 相比更具有市场应用价值，真正成为用于城域网的无线接入 手段。 2 0 0 2 年正式发布的i e e e 8 0 2 1 6 c 是对i e e e 8 0 2 1 6 的增补文件，是使 用1 0 - 6 6 g h z 频段i e e e 8 0 2 1 6 系统的兼容性标准，它详细规定了1 0 - 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统在实现上的一系列特性和功能。 i e e e 8 0 2 。1 6 d 是i e e e 8 0 2 1 6 的一个修订版本，也是相对比较成熟并且 最具实用性的一个标准版本，己在2 0 0 4 年下半年正式发布。i e e e 8 0 2 1 6 d 对2 - 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定，定义了支持 多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理 层。该标准对前几个标准进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入 重庆邮电人学硕十论文第一章绪论 规范。它保持了i e e e 8 0 2 1 6 ，i e e e 8 0 2 1 6 a 等标准中的所有模式和主要特 性，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正错误、 补充不明确或不完整的描述，包括对部分系统信息的增补和修订。同时， 为了能够后向平滑过渡到i e e e 8 0 2 1 6 e 。i e e e 8 0 2 1 6 d 增加了部分功能以支 持用户的移动性。 i e e e 8 0 2 1 6 e 是i e e e 8 0 2 1 6 的增强版本，该标准规定了可同时支持固 定和移动宽带无线接入的系统，工作在2 - 6 g h z 适于移动性的许可频段， 可支持用户站以车辆速度移动，同时i e e e 8 0 2 1 6 a 规定的固定无线接入用 户能力并不因此受到影响。该标准还规定了支持基站或扇区间高层切换的 功能。 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准面向更宽范围的无线点到多点城域网系统，可提供 核心公共网接入。制定i e e e 8 0 2 1 6 e 的目的，是提出一种既能提供高速数 据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案，该技术被业界视为 目前惟一能与3 g 竞争的下一代宽带无线技术。但就目前最新发布的草案 d r a f t 3 0 来看，i e e e 8 0 2 1 6 e 仅提出了具有移动特性的系统框架结构，其中 的很多具体技术细节尚未规定，要全部完成标准还有很大的工作。 i e e e 8 0 2 1 6 f 定义了i e e e 8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库 ( m l b ) 以及相关的管理流程。 制定i e e e 8 0 2 1 6 9 的目的是为了规定标准的i e e e 8 0 2 1 6 系统管理流程 和接口，从而能够实现i e e e 8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、移动性 和频谱的有效管理。表1 1 为i e e e 8 0 2 1 6 各标准对应的应用领域i l 】。 标准号 8 0 2 1 6 表1 】为i e e e s 0 2 1 6 各标准对应的应用领域 相对应的技术领域 1 0 - 6 6 g g h z 固定觉带无线接入系统空中接口 + 8 0 2 1 6 a 。 8 0 2 1 6 c 2 - 1 l g h z 固定宽带接入系统空中接口 1 0 - 6 6 g h z 同定宽带接入系统的兼容性 8 0 2 1 6 d ； 2 - 6 6 g h z 尉定宽带接入系统空中接口 8 0 2 1 6 e 2 - 6 g h z 固定乖j 移动宽带无线接入系统空中接口管理信息库 8 0 2 1 6 f 同定宽带无线接入系统空中接口管理信息库( m i b ) 要求 一 “一_ “一r 一一一_ 一1 一， 8 0 2 16 9 同定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务娶求 i e e e 8 0 2 1 6 的主要任务是开发工作于2 6 6 g h z 频带的无线接入系统 空中接口物理层( p h y ) 和介质访问控制层( m a c ) 规范，同时还有与空中接 2 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 口协议相关的一致性测试以及不同无线接入系统之间的共存规范。它规定 的无线系统主要应用于城域网。 i e e e 8 0 2 1 6 标准定义了宽带无线接入系统的无线接口部分，包括： 物理层； m a c 层： 毫米波频率范围； 点到多点( p m p ) 拓扑结构； 用户站和基站要求。 1 2d s p 技术研究现状 数字信号处理是一门新兴的技术，它是指利用专用或通用的数字信号 处理芯片，通过数字计算的方法来实现信号处理。与模拟信号处理相比， 它具有灵活、精确、可靠性好、体积小、功耗低和易于大规模集成等优点。 由于早期的计算机速度较慢，信号处理很繁琐，是非在线的处理。随着计 算机速度的提高，特别是数字信号处理芯片的出现，数字与模拟信号处理 相比，数字信号处理有如下特点： ( 1 ) 可编程控制，可以只设计一个硬件配置，然后设计各种软件来执行 多样的信号处理任务，如一个数字滤波器，可以通过重新编程来完 成低通、高通、带通和带阻等不同的滤波任务： ( 2 ) 稳定性好，没有时漂、温漂； ( 3 ) 可重复性好，无论多少台计算机去计算同一序列的和，都会提供一 模一样的结果，而模拟电路则不可能； ( 4 ) 易于实现自适应算法； 数字信号处理的基础是算法和数字信号处理芯片( 即d s p 芯片，也称 数字信号处理器) 。 d s p 芯片，是一种特别适合于进行数字信号处理的微处理器。它强调 运算处理的实时性，因此除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制 功能外，主要针对实时信号处理，在处理器结构、指令系统和数据流程上 做了大的改动。其结构特点为： ( 1 ) d s p 芯片普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构和改进的 哈佛结构，因此比传统处理器的冯诺依曼结构具有更高的指令执 行速度； ( 2 ) d s p 芯片大多采用流水技术( 即每条指令都由片内多个功能单元完 重庆邮电人学硕十论文第一章绪论 成，可同时进行取指、译码、取数和执行等多个步骤，从而在不提 高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间。) ( 3 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和加法，特别适合进行滤波、相 关和矩阵运算等需要大量乘法累加的运算； ( 4 ) 具有软硬件等待功能，能与各种存取速度的存储器接口； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持。 ( 6 ) 低功耗，一般的芯片为o 5 “w ，而采用低功耗技术的d s p 芯片， 只有o 1 w ，可用电池供电。 数字信号处理器( d s p ) 、通用微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) - - - 者的 区别在于：d s p 面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理；m p u 大量应用于计算机：m c u 则使适用于以控制为主的控制过程。 数字信号处理器d s p 的出现，为数字信号处理的实际应用开辟了简便 而高效的途径。我们正在进入一个数字化的时代，数字信号处理技术币在 以前所未有的速度渗透到日常生活中的每一个角落。如磁盘驱动器、调制 解调器、数字成像系统、语音识别系统、网络计算机系统、电视会议系统、 数字无绳电话、v c d c d d v d 系统、数码相机和摄象机、超声波诊断装置、 c t 、雷达、全球定位系统等等。无数的产品都采用了d s p 。 d s p 在无线电通信方面的应用也是极其广泛，无论是基站和手机都离 不开d s p 芯片，新型无线通信系统、设备的升级换代都基于d s p 芯片性 能的提高和发展，无线m o d e r n 、多媒体高级终端等等都仰仗d s p 芯片， 基于d s p 的软件无线电成为当前无线电通信中的研究熟点。 不论d s p 市场如何风云变幻，有一点是毫无疑问的，d s p 技术将会突 飞猛进的发展，d s p 产品将会在很多方面改变着我们的生活。 面对d s p 的巨大市场和广阔发展前景，世界上有许多厂家在d s p 上开 展竞争。如美国德州仪器公司( t it e x a si n s t r u m e n t s ) 、模拟器件公司( a d i a n a l o gd e v i c ei n cl u c e n tt e c h n o l o g i e sm i c r o e l e c t r o n i c s ) 和西门子公司 ( s i e m e n s ) 等等。t i 是全球最大的d s p 制造商，占全球d s p 市场的很大份 额，其产品系列最全。 当今d s p 之所以可以在嵌入式应用方面挑战微处理器c p u ，在数字控 制方面可挑战单片机，还在于d s p 结构体系已实现多样性。d s p 既有追求 高性能的并行结构，也有追求低功耗的核心：d s p 中不仅可以集成闪存、 数据转换器和多种接口，还可以集成c p u 核心、视频和音频接口。用d s p 实现w i m a x 的基带处理是一种经济、高效的实现方式。 可以看出，数字化的技术正在彻底的改变着我们生活的整个世界。在 4 重庆邮电人学硕+ 论文 第一章绪论 提高精度、加快速度、减小体积等方面，数字信号处理的技术发挥了难以 想象的作用。如果我们能将它合理的应用到标准时间的传输中，则必将大 大改善时间同步的精度和时问的稳定度。 1 3 本文研究内容及章节安排 本论文结合所参加的科研项目，按照项目的总体需求和开发过程，利 用t i 的t m s 3 2 0 c 6 xd s p 实现w i m a x 基带处理。各章的主要内容安排如 下： 第一章对w i m a x 和d s p 技术进行了概述，包括8 0 2 1 6 系列标准发 展历程和d s p 技术的发展现状。 第二章对w i m a x 物理层关键技术进行了论述，分析了基带基础结构 和相关模块，并给出了标准中的具体参数。 第三章对选用的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 做了具体讨论，为后面的实 现工作做准备。 第四章对基带层关键模块的算法进行了分析并在d s p 上优化实现，包 括r s 编译码，维特比译码，o f d m 调制等。 第五章分析了功能测试，联合调试的情况和与试验结果。 第六章总结了全文的工作，并探讨了下一步的研究方向。 重庆邮电人学硕+ 论文第二章w i 【a ) ( 物理层总体结构与基带模块 第二章w i m a x 物理层总体结构与基带模块 2 1 基带处理总体结构 如图2 1 ，2 2 所示，基于o f d m 的w i m a x 物理层基带处理主要分为以下 几个模块：扰码，前向纠错编码与交织，星座映射，o f d m 调制。下面对 各功能模块进行具体讨论。 发送中颇和罄带妊坪罗 广叵h 蔓h 蔓h 习 l 鬣卜 釜卜b t c h 鐾h 鲨h 鍪h 墼h 图2 1基于o f d m 的发信机功能框图 r 11h 丝h 塑h 篁h 竺h 竺卜 尉：荔：雄野呕拇 图2 2 基于o f d m 的收信机框图 2 2 各模块的功能和参数 2 2 1 扰码 为了避免发送频谱中出现固定的谱线而干扰其他系统，需要对输入数 据进行加扰随机化。在标准中，数据的随机化在d l 和u l 的每一次数据 传输中都需要执行，而且对于数据块的每一次分配( 在频域里分配指的是子 信道，在时域里指的是o f d m 符号) ，扰码应该独立地进行。如果需要发 送数据的数目与应该被分配数据的数目不一致时，就应该在发送的数据块 后面添加0 x f f ，应分配数据的最后一个字节留给f e c 补0 x 0 0 。 对于每次分配，扰码器都要被重新初始化。扰码器产生伪随机二进制 序列，其生成多项式为：1 + ”+ x ”，扰码器结构如图2 3 所示： 6 重庆邮电人学硕十论文 第二章w i s h i 物理层总体结构与基带模块 幽2 3 扰码器结构图 下行链路中，在每一帧的开始，扰码器应该用序列1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 重新进行初始化。在突发拌1 的开始，扰码器不被复位。在后续的突发的丌 始，扰码器应该用图2 4 所示的序列进行初始化。 b s l d m s b i 珠l 幻l 刍1 l6 0 d i u c 习邓： f r a m en u m b e r 屯ib 2 b l | b o l s b m s b i b l 4 1 6 1 3 p l d h l l l l1 1i 蚝l6 7 l6 6 lb 5 1 b 3l b 2 五16 ；。 l s b 0 f d mr a n d o m i z e rd li n i u a l i z a l k mr e c u r 图2 4 在f 行链路中扰码器初始化结构 在上行链路中，扰码器是用图2 5 所示的序列进行初始化。 b s l du l u cf r a m en u m b e r 2 2 2 前向纠错 。0 f d mr a n d o m i z e ru i _ l n m 翻 z a f i o nv o c t o r 图2 5 在上行链路中扰码器初始化结构 前向纠错( f e c ) 是由r s ( r e e d s o l o m o n ) 夕b 码和速率一致的卷积内码级 连而构成的。级连编码的过程：先将数据以块的格式通过r s 编码器，然 后再将它通过一个卷积编码器。另外前向纠错还支持可选的b t c 和c t c 编码。当请求接入网络时( 除了在子信道初始化时，仅使用1 2 速率的卷 积编码) ，r s 卷积编码一直采用1 ，2 的编码速率。 r s 编码器是从系统r s 码( n = 2 5 5 ，k = 2 3 9 ，t = 8 ) 衍生出来的，该系统码 重庆邮电人学硕十论文 第二章w i m a x 物理层总体结构与基带模块 定义在域g f ( 2 5 6 ) 上。在这旱： n ：编码后总的字节数。 k ：编码前的数据字节数。 t ：能够被纠正的数据字节数。 码字生成多项式：g ( x ) = + 岔) o + 刃) + 刀) a0 + “) ，旯= 0 2 w ( 2 1 ) 本原多项式：p ( x ) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + 1 ( 2 2 ) 在标准中，码字被截短，这样数据块的大小可变，纠错能力可变。当 数据块被截短到k 字节，编码块的前2 3 9 - k 个字节应该被置为零。当一 个码字被截短到只允许纠正t 个字节，那么产生的1 6 个监督码字节的前 2 t 个字节可被使用。 r s 编码后的数据被二进制卷积编码器编码。如果卷积编码器的编码速 率为1 2 ，限制长度为7 ，那么可以由以下生成多项式生成2 个编码比特： g l = 1 7 1 f r l f o rx g 2 = 1 3 3 m f o ry 卷积编码器的结构如图2 6 所示： 图2 6 码率为1 1 2 的卷积码编码器 通过穿孔，可以改变卷积码的编码速率。表2 1 是卷积编码的各种速率 的穿孔配置和串行化的顺序。表中“1 ”表示被发送的比特，“o ”表示被去除 的比特。 表2 1 卷积码的打孔参数 码率 r a t e1 ，22 33 ，45 1 6 d m 1 0654 x 11 01 0 11 0 1 0 1 y 11 11 1 01 1 0 1 0 x yx j e x ，l 】；ex ，x k x 3x l x e j 3 r x 5 8 重庆邮电人学硕十论文 第二章w i m a x 物理层总体结构与基带模块 表2 21 e e e 8 0 2 1 6 中各种码率参数 调制方式编码前 编码后码率r s 码c c 码 比特比特码率 b p s k1 22 4 1 2 ( 1 2 ，12 ，o ) 1 2 q p s k 2 44 8l 2 ( 3 2 ，2 4 ，4 ) 2 3 q p s k 3 64 83 4 ( 4 0 ，3 6 ，2 ) 5 6 1 6 - q a m 4 8 9 61 2 ( 6 4 ，4 8 ，8 ) 2 3 1 6 - q a m 7 29 63 4 ( 8 0 ，7 2 ，4 ) 5 6 6 4 - q a m 9 61 4 42 3 ( 1 0 8 ，9 6 ，6 ) 3 4 6 4 - q a m 1 0 8 1 4 43 4 ( 1 2 0 ，1 0 8 ，6 ) 5 6 表2 2 表示了在不同的调制和码率下数据块的大小和码率。 2 2 3 交织 在标准中使用的结构属于分组结构。所有被编码的数据都应该被一个 块交织器交织，交织器的大小为。交织器由两部分组成：第一部分是 载波之间的交织，确保相邻的编码比特被映射到非相邻的子载波，防止某 个子载波遭受深度衰落而导致的突发性的错误；第二部分交织是确保邻近 的比特被交替地映射到星座图中较低或较高的比特。 在这里，我们令 ，m 为每个子载波中被编码的比特数，比如b p s k ，q p s k ， 1 6 - q a m 和6 4 一q a m 分别为1 ，2 ，4 和6 令s = c e i l ( n , h p , 2 ) ，k 为第一次排列前 被编码比特的索引；m 。为第一次排列后第二次排列前的索引：，。为第二次 排列后调制映射前的索引。第一次排列由式( 2 3 ) 定义： m = ( m ，1 2 ) - t 。d 1 2 ) + f l o o r ( k 1 2 )k = 0 , 1 ，a ，却一1 ( 2 3 ) 第二次排列由式( 2 4 ) 定义： j = s f l o o , ( m k j ) + ( 气+ o - f l o o l ( 1 2 彬i 0 ，) ) 。d m = o ，1 ，a ，嘶，一1 ( 2 4 ) 同样，解交织器也由两次排列组成，令j 为在第一次排列前所接收比 特的索引，m ，为第一次排列后第二次排列前的索引，k ，为第二次排列后卷 积解码前的索引。 第一次排列由式( 2 5 ) 决定： m ，= s f l o o r ( j s ) + ( ，+ f l o o r ( 1 2 ， ，0 p ) ) 。d ，1j = o ，1 ，a ， ，o 一1 ( 2 5 ) 第二次排列由式( 2 6 ) 决定： k ，= 1 2 m ，一( | 。枷- 1 ) f l o o r ( 1 2 - ，却。) ，= o ，1 ，a ，。惦一1 ( 2 6 ) 表2 3 各种调制编码方式 9 重庆邮电人学硕十论文第二章w i l d h x 物理层总体结构与基带模块 1 6 个8 个4 个 2 个 1 个 子信道子信道 子信道子信道子信道 n c b p s k1 9 29 6 4 8 2 41 2 o p s k 3 8 41 9 29 64 82 4 16 - q a m7 6 83 8 4 1 9 2 9 64 8 6 4 一q a m 1 1 5 25 7 62 8 81 4 47 2 表2 3 显示了对于各种调制和编码方式，交织块的大小。 2 2 4 星座映射 数据比特经过交织后串行地输入到星座映射器，标准支持格雷码映射 的q p s k 和1 6 - q a m ，6 4 q a m 是可选的。图2 7 是3 种调制方式的映射器。 在下行链路中( d l ) ，支持自适应调制和编码。在上行链路，每一个s s 支持不同的调制方案，这个取决于来自于基站的m a c 突发配置消息。星 座映射后的数据被调制到相应的数据载波上。数据星座映射的第一个符号 应该被调制到频率偏移索引一。2 处。 一，2 1 0 ， 0 l l l _ 一 毒，：i f，s ， l - 0 - ， l ； 圈2 7b p s k ，q p s k ，1 6 - q a m ，6 4 q a m 映射图 l o b $ b 4 b 重庆邮电人学硕士论文 第二章w i m a x 物理层总体结构与基带模块 2 2 5o f d m 调制 t 表2 4 标准中的o f d m ，i j m r、融t x f f i 二5 6 x t 2 0 0 f o rc k m n e lh 锄d w l d 慨d 1 缸a ，a m u l u p l e o f l7 5 m 殛血血月8 d s cf c h a a a e lb 2 a d w l d t h s 也a ：a i - ea m u l u l a e o f l5m h z 也锄 一8 67 5 d 靶f o cc h a n n e lb a n d * 唰也 m a t2 r ea m u l n p | e o f i2 5 m h z 也越 1 1 “1 2 5 d 解衙c h a r m p lb 柚d w ，d 也5 加：暂e0 m u l t i p l e o f l7 5 f l - l z 也越”i3 1 62 7 5 e 1 9 ef o rc h a n n e lb a n d w l d 也s 血a ：越ca a = l j a l v l e o f 20 m i - i z t h e n 月一5 7 j 0 e l s cf o rc h a 珊e lb a n d w l d 也sn o ： a ( b e f w l 虻3 d c c l f k d 吐e t n 一8 7 gi ，聿l 鼍1 ，1 6 , 1 ：3 2 n , , u n b e f o f | o w 酊盘c q u d l c y 舒嘣g 曲c 越r i 茁 2 8 n u m b e r o f h i g k r & e q u e a c y 蝉d 蛳b c a 盘l c r s 2 7 如表2 4 所示，在i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准中，o f d m 物理层采用了2 5 6 点f f t 调制，也即有2 5 6 个子载波，具体使用如下：2 0 0 个子载波可以有 效使用，低频段的频率保护子载波有2 8 个，高频段的频率保护子载波有 2 7 个，还有一个d c 子载波。保护子载波的频率偏移索引为1 2 8 ，1 2 7 ， 1 0 1 和+ 1 0 l ，+ 1 0 2 ，1 2 7 ：导频子载波的频率偏移索引为8 8 ，6 3 ，3 8 ， 1 3 ，1 3 ，3 8 ，6 3 ，8 8 。保护间隔与符号有效长度的比值g 有i 4 ，i 8 ，1 1 6 ， 1 3 2 四种选择。 2 3 本章小结 w i m a x 物理层主要包括了扰码，纠错编码，交织，星座映射，o f d m 调制几部分，可以看到几个模块的算法都已相当成熟，应当根掘d s p 的结 构特点选择适合的算法进行d s p 实现。扰码，交织，星座映射的部分算法 相对简单，所以本文重点论述纠错编码部分和o f d m 部分的d s p 实现。 重庆邮电人学硕十论文 第三章t it m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p 概述 第三章t it m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p 概述 3 1c 6 7 1 3 d s p 的硬件特点 c 6 7 1 3 d s p 是t i c 6 0 0 0 系列中，高性价比的浮点d s p 芯片，最高时钟 频率可以达到2 0 0 m h z 。图3 1 是c 6 7 1 3 的整体结构图1 3 j ，其中包括了使 用v e l o e i t iv l d wt i c 6 2 x 的d s p 内核，这个d s p 内核拥有两路共3 2 个 3 2 位的通用寄存器和8 个高度独立功能单元，这8 个独立的功能单元分为 a b 两路，分别由共6 个逻辑运算单元取1 2 个1 6 位的乘法单元构成，最 高可以同时执行8 条指令，理论计算能力达到1 6 0 0 m i p s 。同时还包括了 一套2 5 6 位的程序总线，两套3 2 位的数据总线以及一套3 2 位的e d m a 专 用总线。我们还可以看到c 6 7 1 3 并没有采用片内程序和数据存储器分开的 结构，而采用了l 1 l 2 二级片内缓冲的存储结构”5 】提供了6 4 k b 大小的程 序、数据统一片内l 2 存储器和大小分别为4 k b 的直接映射一级l 1 p 程序 缓存和双路联想的l l d 一级数据缓存，以提高程序和数据的读写速度。它 的3 2 位e m i f 接口支持最多5 1 2 m 的片外存储寻址，支持s d r a m ，s b r a m 以及各种异步储存器。所有这些都为c 6 7 1 3 处理大量的数据提供了强而有 力的保证。 一 u ，一 ie m i f 卜叫 i c 6 0 0 0d s p 憎 1 1 3 $ t r u e l mf e t c h c o n t r o l i n s t r u c t j o nd l s l x l t c h r e g i s t e r s i 溉卜 e 咐碡n d 1 2 l n s t r u c t i o nd 8 c o d ec o n 盯o 嗍a r n e m 搿y o a t a 由ad a t a 鼬b l o g i c m o n e r t e s t 。j r a u p t s e l e c t o r 卜 譬等咧 峰等咧 i n - c l r c t l # r l li 卜qi3 l g r r l u a 的n i l l is 1 i m l l 0 1 i1 d 2 i m 2 l s 2 il 2 ii n t e r r u 眦 n 口o i p o w e ro o , h n l o g i c i l l 。o 忡b o o t l眦i一 u o 图3 1c 6 7 t 3 整体结构图 1 2 重庆邮电人学硕十论文第三章t it m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p 概述 3 。1 1 中央处理器( c p u ) 在图3 】的最右边就是c 6 7 1 3 的中央处理器，也就是d s p 的内核。和 其他的c 6 0 0 0 系列d s p 一样，c 6 7 1 3 采用t i 最新的v e l o e i t lv l d wt i c 6 2 x 的d s p 内核，主要包括以下三个部分峥1 l 、程序读入以及译码、分配机构，包括程序取指单元、指令分配单 元和指令译码单元。 2 、程序执行机构，包括了2 个对称的数据通道( a 和b ) ，2 个对称的通 用寄存器组( 每组1 6 个) ，2 个对称的功能单元( 每组4 个) 。控制寄存器和 一些控制逻辑以及中断逻辑等。 3 、芯片测试和仿真端口及其控制逻辑。 c 6 7 1 3 的中央处理器采用增强型的哈佛总线结构，其程序总线和数据 总线分开，从图3 - 1 中可以看到c 6 7 1 3 中央处理器从l 1 p 一级程序缓存中 直接读入指令，从l 1 d 一级数据缓存中读取数据。它的程序总线宽度为 2 5 6 b i t ，程序取指单元每次从l 1 p 中读取3 2 个字节大小的指令字，组成一 个指令包，一个指令包中包含了8 条d s p 指令。随后的指令分配单元和指 令译码单元都具备每个周期处理并传递8 条3 2 位d s p 指令的功能。同在 一个取指包内的8 条d s p 指令，可以组成个或者多个执行包，译码单元 把执行包按顺序送入执行机构，进行程序的执行。理想的状况下一个指令 包只包含一个执行包，也就是说8 条d s p 指令在单周期内完全的并行执行。 中央处理器和程序读入机构保证了c 6 7 1 3 在理论上能够单周期执行8 条 d s p 指令。 采用大而且统一的寄存器堆以及完全并行的功能单元，是c 6 7 1 3 中央 处理器执行结构的最大特点。执行机构由2 个类似的可以进行数据处理的 数据通路a 和b 构成，每个数据通路有4 个独立的功能单元( l ，s ，m 和d ) 和一组1 6 个3 2 位寄存器的通用寄存器组。8 个功能单元负责所有的d s p 指令执行，并且完全独立，以保证在单周期内能够并行8 条d s p 指令。除 了个别内存读取和跳转指令外，其他所有的d s p 算术逻辑指令都采用通用 寄存器作为操作数，而且使用r i s c 的指令结构，大多数d s p 指令有相同 的流水级数，保证程序能够高速的运行。其中d 功能单元负责专门的数据 寻址计算，保证寄存器和存储器之间数据交换的顺畅和高效。另外，a b 通路之间还有2 个交叉通路( i x 和2 x ) ，进行两个通路之间的数据交换。 除了通用寄存器外，中央处理器中还有许多控制寄存器，这些3 2 位 重庆邮电人学硕十论文第三章1 1t m s 3 2 0 c 6 7 l3d s p 概述 的寄存器不用做一般d s p 指令的操作数，而是专门负责c 6 7 1 3 的某些功 能和状态的选择与配置，对于控制寄存器的操作要使用专门的m v c 指令。 分析c 6 7 1 3 中央处理器的结构，强大的并行处理能力是它最大的特点， 可见要在最高主频2 0 0 m h z 的c 6 7 1 3 上使编码程序达到理想的编码速度， 如何优化程序，使其能够充分利用c 6 7 1 3 中央处理器并行能力是至关重要 的。尽管t i 提供了一个强而有力的编译环境c c s 通过c c s 优化编译能够 使程序代码达到相当程度的并行，但是仅仅依靠编译器的优化对我们的编 码程序而言是远远不够的，在后面的内容中我们将分析程序代码并行优化 的过程，使得程序能够充分利用中央处理器的资源，发挥出其强大的并行 计算功能。 3 i 2 流水线结构和指令系统 现在的微处理器通常都是用结构的高复杂性来换取速度的提高，其中 最常用的方式就是流水线结构。所谓的流水线，就是微处理器把指令的处 理分成独立的几个子操作，每个子操作都由不同的部件来完成。对于微处 理器的每个部件来说，每隔1 个时钟周期就可以进入一条新的指令，这样 在同一时间内，就有多条指令交迭的在不同部件内同时被处理，这样的工 作方式就被称为“流水线”( p i p e l i n e ) i n 。在之前提到c 6 7 1 3 的c p u 具有取 指、分配、译码和执行等4 个单元部件，所以c 6 7 1 3 的所有指令都可以按 照这样的4 级流水来运行。其中取指的单元又可以分为