（通信与信息系统专业论文）ltetdd系统中上行传输预编码的研究与fpga实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着移动通信技术的迅速发展，第三代移动通信系统已经进入商用阶段，但为 适应和满足移动通信领域移动化、宽带化、p 化的需求，3 g p p 又及时启动了3 g 的 长期演进l t e 项目。l t e 是3 9 g 的全球标准，它改进并增强了3 g 的空中接入技 术，采用o f d m 和m 讧o 技术作为其无线网络演进的唯一标准。可在2 0 m h z 带宽 下能够提供下行1 0 0 m b i t s 与上行5 0 m b i t s 的峰值速率。 由于微电子技术突飞猛进的发展，可编程逻辑器件在集成度、速度等方面也获 得了空前的发展。其中f p g a 的市场发展尤为引入注目，f p g a 器件以其设计周期 短、研发费用低、调试方便和可现场修改等特点已经广泛应用于通信、数据处理、 信息处理、军事和航空航天等领域，特别是在移动通信领域的诸多产品中，高速信 号的处理中，f p g a 几乎无处不在。 本文以l t e t d d 上行传输预编码的实现为背景，根据传输预编码的定义，即 实现由基2 、基3 、基5 组合的混合基的d f t 。根据协议要求，针对这种混合基的 d f t 的数据变换长度共有3 4 种，而且变换的长度是不定点。针对这种不定点的混 合基的d f t ，本文着重进行算法研究，最后通过比较选择g o o d t h o m a sf f t 算法与 c o o l e y - t u k e yn 呵算法。然后根据算法，设计出了一种基于l t e t d d 的不定点d f t 通用模块处理方案，最后在f p g a 芯片上予以实现。基于此方案我们可以实现定义 的3 4 种情况的任何一种数据长度的d f t 变换，同时硬件资源也得以优化。目前， f p g a 中的各个模块设计已经完成，并在x i l i n xi s e1 0 1 上编译成功，经过对1 2 0 0 点f f t 数据仿真，其处理速度及数据精度基本满足l t e 系统中s c - f d m a 的基带信 号的生成要求。 关键词：l t e t d d ，s c f d m a ，f p g a ，d f t ，h 叮，混合基，通用处理模块 重庆邮电大学硕士论文 目录 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a se n t e r e dt h ec o m m e r c i a ls t a g e ，i no r d e rt o a d a p ta n dm e e tt h ed e m a n do f t h em o b i l i t y 、b r o a d b a n d 、i pi nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s f i e l d , 3 g p pt i m e l yl a u n c h e do ft h e3 gl o n gt e r me v o l u t i o nl t ep r o j e c t l t ei st h eg l o b a l s t a n d a r df o r3 9 g 5 _ w h i c hi m p m v e sa n de n h a n c e s3 ga i ra c c e s st e c h n o l o g y , l t eu s e s o f d ma n dm i m ot e c h n o l o g i e sa st h e s o l ec r i t e r i o nf o r t h ee v o l u t i o no fw i r e l e s s n e t w o r k s l t ec a l lp r o v i d ed o w n l i n klo o m b i t sa n du p l i n k5 0 m b i t sp e a kr a t ei n d o w n l i n k2 0 m h zb a n d w i d t h a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , p r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c ea l s or e c e i v e da nu n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n ti ni n t e g r a t i o n 、s p e e de r ef i e l d s f p g a m a r k e td e v e l o p m e n ti sp a r t i c u l a r l ys t r i k i n g ，f p g ad e v i c e s ，w i t ht h e i rs h o r t e rd e s i g n c y c l e s ，l o wc o s to fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t , e a s i l yt od e b u ga n dm o d i 黟t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h es i t e ，h a v eb e e nw i d e l yu s e di nt e l e c o m m u n i c a t i o n s ，d a t a p r o c e s s i n g , i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，m i l i t a r ya n da e r o s p a c ef i e l d s ，p a r t i c u l a r l yi nt h ef i e l do fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n si nm a n y p r o d u c t sa n dh i g h - w e e ds i g n a lp r o c e s s i n g , w ec a l ls e ef p g a e v e r y w h e r e t h i sp a p e rt a k e st h ei m p l e m e n to fu p ! i n kt r a n s f o r mp r e c e d i n ga st h eb a c k g r a n di n l t e t d ds y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no ft r a n s f o r mp r e c o d i n g , w es h o u l dr e a l i z e m i x e dr a d i xd f tf r o mt h er a d i x - 2 ，r a d i x - 3 ，r a d i x 一5c o m b i n a t i o n s a c c o r d i n gt ot h e p r o t o c o l ，t h e r ea r e3 4s p e c i e so ft r a n s f o r ml e n g t hf o rt h i sm i x e dr a d i xd f t ，a n dt h e t r a n s f o r ml e n g t hi sn o tf - e d f o ru n f i x e dd f t ，t h i sp a p e rf o c u s e sa l g o r i t h m s ，a n ds e l e c t s t h eg o o d - t h o m a sf f ta l g o r i t h ma n dc o o l e y - t u k e yf f t a l g o r i t h mb yc o m p a r i n gf i n a l l y t h e nw e d e s i g nau n f i x e d - p o i n td f tu n i v e r s a lm o d u l e ，w h i c hi sa c h i e v e do nt h ef p g a c h i pf i n a l l y b a s e do nt h i sp r o g r a mw ec a na c h i e v et h ea n yd a t al e n g t hd f tt r a n s f o r mo f 3 4k i n d s ，m e a n w h i l et h eh a r d w a r er e s o u r c e sc a nb eo p t i m i z e d c u r r e n t l y , f p g ad e s i g n s h a v eb e e nc o m p l e t e d , a n dt h ec o m p i l a t i o ni ss u c c e s s f u lo nx i l i n xi s e10 1 ，t h r o u g ht h e s i m u l a t i o no ft h e12 0 0 - p o i n tf f t ，i t sp m c e s s i n gs p e e da n dd a t aa c c u r a c yc a l lb a s i c a l l y m e e ts c f d m ab a s e b a n ds i g n a lg e n e r a t i o nr e q u i r e m e n t si nl t e s ) ，s t e m ， k e yw o r d s ：l t e t d d ，s c f d m a ，f p g a ，d f t ，f i 叮，m i x e dr a d i x ，u i l i v e r s a l p r o c e s s i n gm o d u l e n 重庆邮电大学硕士论文 缩略表 缩略语 3 g 3 g p p a a m 咿s a s i c a s s p c d m a c n c h m o s c l b c m o s c n 盯 c p u d d c i d c m d 订 d f t s - o f d m d h 叮 d r r n 丌 d s p d w f r r s e c c e d a e d g e e n b e p c 缩略表 英文名称 3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 1 1 ：l i 】r dg e n e r a t i o np a r l n e r s h i pp r o j e c t a i ri n t e r f a c ee v o l u t i o n a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m a p p l i c a t i o n - s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t a p p l i c a t i o n - s p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o r en e t w o r k c o m p l e m e n t a r yh i g h = p e r f o r m a n c e m e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o r c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k s c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r c l o c km a n a g e m e n tt e c h o l o g y c o m p l e xp r o g r a m m b l el o g i cd e v i c e d i g i t a l l yc o n t r o l l e di m p e d a n c e d 谚t a lc l o c km a n a g e r d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d f t s p r e a d i n g - o f d m d e c i m a t i o ni nf r e q u e n c yf f t d e c i m a t i o ni nt i m ef f t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d o w n l i n kp i l o tt i m es l o t e r r o rc h e c k i n gc o r r e c t i n g e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n e n h a n c e dd a t ar a t ag s me v o l v e d e v o l v e dn o d eb e v o l v e dp a c k e tc o r en e t w o r k 汉语名称 第三代移动通信 第三代合作项目 空中接口演进 高级移动电话系统 专用集成电路 特殊应用标准产品 码分多址接入 核心网 高性能互补金属氧化物半导 体 可配置逻辑块 互补金属氧化物半导体 时钟管理技术 复杂可编程逻辑器件 数控阻抗匹配技术 数字时钟管理器 离散傅立叶变换 离散傅里叶变换扩展的正交 频分复用 频域抽取法f f i 时域抽取法f f t 数字信号处理器 下行引导时隙 错误检查和纠正 电子设计自动化 增强数据速率g s m 演进 演进型n o d eb 演进型分组核心网 重庆邮电大学硕士论文缩略表 e p l d e p s e - i 兀取a n m d f d m a f f t h f o f p g a g a l g e r a n g p g p r s g s m h d l h s d p a h s u p i a i c ) f r m r 口 u l u t m a c m b m s m s m s c 吣 o f d m 0 1 1 p p 札 p a p r p u n e r a s a b l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e e v o l v e dp a c k e ts y s t e m e v o l v e d - u n i v e r s i a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g e n e r i ca r r a yl o g i c g s m 庖d g er a n g a p g e n e r a lp a c k e tr a d i os a w i e e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e h i 班s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i # s p e e du p l h ：l l 【p a c k e ta c c e s s i n t e g r a t e dc i r c u i t i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n l o o k - u p t a b l e m u l t i p l ya c c u m u l a t eu n i t s m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e m o b i l es t a t i o n m o b i l e s e r v i c e ss w i t c h i n gc e n t e r m o b i f i t ym a n a g e m e n te n t i t y o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o n et i m ep r o g r a n m l b l e p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k v i i 可擦除可编程逻辑器件 演进型分组系统 演进型全球地面无线接入网 频分双工 频分多址接入 快速傅立叶变换 先入先出 现场可编程门阵列 通用阵列逻辑 g s m e d g e 无线接入网 保护间隔 通用分组无线业务 全球移动通信系统 硬件描述语言 高速下行分组接入 高速上行分组接入 集成电路 离散傅里叶逆变换 国际移动通信 知识产权 国际电信联盟 查找表 乘累加单元 多媒体广播和多播业务 移动台 移动业务交换中心 移动性管理实体 正交频分复用 一次性编程 可编程阵列逻辑 峰均比 公共陆地移动网络 重庆邮电大学硕士论文 缩略表 p r a c h p u o c h p u s c h q o s q p s k r a m r a n s a e s c 阳m a s f s f n s - g w s o p c s r a m t a c s t d d t d m a t d s c d m a t d s 旬f d m t s r n t t l u e u l u m 丌s u p p t s i 1 r a n w 弧似 w c d m a p h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l p h y s i c a lu p l i i l l 【c o n t r o lc h a n n e l p h y s i c a lv p l i r l l 【s h a r e dc h a n n e l q u a n t i t yo fs c r v i c 圮 q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g r a n d o ma c c e s sm e m o r y r a d i oa c c e s sn e t w o r l 【 s y e t e m a r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n s i n g l e c a r r i e r - f r e q u e n c y d i v i s i o n a d d r e s s s p r e a d i n gf a c t o r s y s t e mf r a m en u m b e r s e r v i n g - c r a t ew a y s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p s t a t i cr a m t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 物理随机接入信道 物理上行控制信道 物理上行共享信道 服务质量 正交相移键控 随机存储器 无线接入网 系统架构演进 m u l t i p l e 单载波频分多址 t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n i z a t i o nc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n i z a t i o n - o f d m t i m es l o t t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l t r a n s i s t o r t r a n s i s t o rl o g i c u s e re q m p m e n t u p l i n k u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m u p l i n kp i l o tt i m es l o t u i l i v e r s i a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l 卸l ea c c e s s v i i i 扩频因子 系统帧号 业务网管 可编程片上系统 静态随机存储器 总访问通信系统 时分双工 时分多址接入 时分同步码分多址接入 时域同步正交频分复用 时隙 传送时间间隔 逻辑门电路 用户设备 上行链路 通用移动通信系统 上行引导时隙 全球地面无线接入网 全球微波接入互操作 宽带码分多址 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信系统的发展与现状 1 1 1 移动通信系统的发展 移动通信系统的发展经历了三代如图1 1 所示，从第一代模拟移动通信系统 ( 1 g ) ，到第二代数字通信系统( 2 g ) ，再到第三代多媒体移动通信系统( 3 g ) ，正 向后三代或第四代宽带移动通信系统( b 3 g m g ) 发展。 第一代( 2 0 世纪8 0 年代) 第二代( 2 0 世纪9 0 年代)第三代( 2 0 世纪9 0 年代) b 3 g 4 g 模拟 数字 i m t 2 0 0 0 图1 1 移动通信系统的发展 第一代移动通信系统是指最初的模拟、仅支持语音业务的蜂窝电话标准，制定 于2 0 世纪8 0 年代，主要代表包括美国的a m p s ，英国的t a c s 。第一代移动通信 系统由于频谱利用率低、不能漫游、各系统间难以互联互通等缺点，很快被淘汰。 第二代移动通信系统主要采用的数字的时分多址技术和码分多址技术。主要业 务是语音，其主要特征是提供数字化的语音业务及低速数据业务。它克服了模拟通 信系统的弱点，话音质量、保密性得到了很大的提高，并可进行国内外自动漫游。 但由于2 g 采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范 围内漫游，因而无法全球漫游。同时带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实 现如移动多媒体业务等的高速率业务。目前，第二代移动通信系统在容量和业务能 力方面均不能满足用户的需求，发展第三代移动通信成为了历史的必然选择。 第三代移动通信系统于1 9 8 5 年由国际电信联盟提出。3 g 技术标准化工作的主 要目标是制定一个通用的网络架构，能够支持现有和将来的服务。3 g 标准制定者经 过多年努力，最终制定出第三代移动通信网络架构标准。被公认的且在世界各国商 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 用的三大标准为欧洲提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的 t d s c d m a 三种。w l m a x 的8 0 2 1 6 e 在2 0 0 7 年1 0 月被r r u 接纳为3 g 标准之一， 因此，到现在3 g 标准方面有4 大主流标准在进行商用或者准商用【l j 。 在3 g 技术4 大标准中w c d m a 和t d s c d m a 标准是属于3 g p p 系统，也称 为u m t s 。3 g p p 系统架构是g p r s 技术上的延伸，与1 g 和2 g 相比，3 g 将具有 5 m h z 以上更宽的带宽，传输速率最低为3 8 4 k b i t s ，最高可达2 m b i t s 。它不仅能传 输语音，还能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应用。3 g 另一个主要特点是实 现高速数据传输和宽带多媒体服务。3 g 网络能将高速移动接入和基于p 的服务结 合起来，提高无线频率利用率，提供包括卫星在内的全球覆盖，并实现有线和无线 以及不同无线网络之间业务的无缝连接，满足多媒体业务的要求，从而为用户提供 更经济、内容更丰富的无线通信服务。 1 1 2 移动通信系统的现状 从全球的移动通信发展来看，虽说只有短短的2 0 多年，但可用日新月异来概括 其发展的迅猛程度。可从以下几点看出： 用户数量的激增 自2 0 0 0 年以来，移动通信呈现更加高速的增长态势如图1 2 所示，截至2 0 0 8 年6 月底，全球移动用户3 7 2 亿户，比2 0 0 7 年底新增4 4 亿户，普及率达到5 5 7 ； 固定用户累计达到1 3 8 亿户，比2 0 0 7 年底仅新增2 4 1 7 万户，普及率为2 0 6 。在 2 0 0 2 年全球有1 6 6 多个国家移动用户超过固定，移动通信成为最大的通信手段而且 已经成为未来的发展趋势。 伞威移动窜用户抽 姜a 0 0 0 0 0 | _ 2 5 0 0 0 0 。 ；2 0 0 0 0 0 图1 2 全球移动用户高速增长 我国的移动通信用户也是取得了爆发式的发展：截至2 0 0 8 年6 月底，我国固定 用户累计达到3 5 6 亿户，移动用户达到6 亿户，普及率达到4 5 4 ；我国互联网用 户达到2 5 3 亿户，普及率为1 9 1 ，其中宽带网民达2 1 4 亿，手机网民达到7 3 0 5 万( 学生占3 9 7 ) 。 2 一钥 。灌淫量| + ，灌疆1 黜一眸 ；灌灌1猢 一年 - _ - 一瞒l誊j复，i一2 一佯 !疆澶咖量 j、0_it=l 2 一律 滢滢咖 一年 | 1 l i 一年 量| i_ i 埘 一年 l ； 淼一。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 g s m 系统牢牢占据主导地位 在截至2 0 0 8 年6 月底，全球移动用户3 7 2 亿户当中，全球主要不同通信技术 标准的市场份额为：全球w c d m a 用户市场份额从2 0 0 7 年底的4 4 迅速上升到 2 0 0 8 年6 月底的6 8 ；c d m a 2 0 0 0 用户数保持增长，但其用户市场份额从2 0 0 7 年 底的1 2 3 下降到1 2 1 ：g s m 用户的市场份额占据绝对的优势，2 0 0 8 年6 月底达 到7 9 6 ，远远高出其他技术标准 第三代移动通信处在起步发展阶段，它的比例在增加。而3 g 从近几年进入市 场逐渐占据越来越多的份额，在2 g 庞大基础上发展3 g ，在今后几年内2 g 和3 g 将是共存的态势。中国政府于2 0 0 9 年1 月正式对国内三大运营商发放3 g 牌照：中 国电信采用c d m a 2 0 0 0 技术1 8 9 号段，于2 0 0 9 年5 月开始正式商用3 g 业务；中 国联通采用国际通用的w c d m a 技术1 8 6 号段，于2 0 0 9 年1 0 月开始正式商用；中 国移动拥有我国自有知识产权的t d s c d m a 技术1 8 8 号段，且在2 0 0 8 年奥运会时 已经试商用。 通信新业务的蓬勃发展 在移动通信领域，业务本身已经发生质的变化，已经由过去单一的通话变成业 务越来越丰富，除了大家熟知的短信以4 0 多的速率在增长。彩铃也变得越来越普 及，现在打电话里面9 0 以上的人都使用了彩铃。以数据为基础的各种各样业务渗 透到工作和生活方方面面如图1 3 所示。这些业务已经引入产生巨大的价值。一些 其他国家包括日本都把手机邮件作为商务应用，推出自己的品牌，对竞争对手构成 强有力的竞争。 j j 图1 3 全球移动数据业务的发展 总之，在移动通信本身市场已经启动，用户在增长，业务在丰富的同时；移动 通信新技术不断更新换代发展，在移动通信领域呈现移动化、宽带化、p 化、移动 要宽带化、宽带移动化的发展趋势。由于采用o f d m 有更高的传输能力，下行达到 1 0 0 m b p s 到1 g b p s ，上行也可达到5 0 1 0 0 m b p s ，所以移动通信基本上沿着w c d m a 、 t d - s c d m a 、h s d p a 、h s u p a 和长期演进的l t e 方向发展【2 】，如图1 4 所示。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 移动性 移动宽带化、宽带移动化 高 中 低 l o k b p s2 0 0 k b p s 3 0 0 k b p s l o m b p s n ) 变换获得频域 信号，然后插入零符号在频域进行子载波映射，映射后的信号再通过i f f t 转换为 时域信号。这样做的目的是能使上行链路各个用户之间能在频域相互正交，并且在 接收机一侧进行有效的频域均衡。在接收端一侧首先把时域信号通过f f r 变换为 频域信号，通过频域均衡消除频率选择性信道的影响。 传输预编码的d f t 变换长度n 取决于为指定用户的上行链路数据发送分配的 子信道数量，由m 掣s c h = m 掣删皑= 2 啦3 码5 吩1 2 = 2 屹+ 2 3 吩+ 1 5 呜决定， 其中m 攀跏是子载波的数量，a ，、如、a ；大于等于0 的整数。传输预编码的变换长 度不是2 n 形式的d f t ，n 可以分解成若干个小素数因子的乘积，可以通过素因子分 解法p f a 、w i n o g r a df f t 方法等先计算小点数的d f t ，然后通过一系列复杂步骤的 处理得到最终的n 点d f t 。 目前，f r e e s c a l e 、p i c o c h i p 等公司推出的d s p 都有专门处理l t ed f t 的硬件加 速模块，x i l i n x 和a l t c r a 等出卖f p g a 的公司也都有专门针对l t ed f t 的i p c o r e 出售，且这些都是具有产权保护的，都是要收费的。此外还有一些业界同行基于个 人的自主知识产权，开发出了相应的d f t i d f t 参考设计的第一代产品。 迄今为止还没有免费的，用f p g a a s i c 易于实现，且其速度、功耗和面积都 在可接受的范围，并且满足l t e 传输预编码的不定点变换长度的d f t 的解决方案。 传输预编码是l t e 中s c - f d m a 的实现的关键模块，根据协议要求我们需要做的 是由混合基组成的不定点变换长度的d f t ，因此研究选择出可以支持不定点变换长 度的d f t 算法，且在f p g a _ i ：易于实现的方案，是本课题的重要内容。 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4 论文内容安排 第一章：简要介绍了移动通信系统的发展现状，l t e 的进展状况以及传输预编 码的研究现状，最后概括论文的内容安排。 第二章：介绍了x i l i n x 公司的v t r t e x 5 系列f p g a 的结构，并详述了f p g a 的 设计流程。 第三章：介绍l t e - t d d 系统和上行关键技术。 第四章：详细介绍了针对l t e t d d 系统中上行传输预编码的有关f f t 算法， 并根据硬件实现的要求进行算法选择。 第五章：详细介绍了l t e t d d 系统中上行传输预编码的f p g a 设计与实现， 并对最后结果进行分析。 第六章：总结本文所做工作，并探讨了未来工作的方向。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章f p g a 结构和设计应用 第二章f p g a 结构和设计应用 f p g a ，即现场可编程门阵列，它是1 9 8 5 年由美国x i l i n x 公司首家推出的一种 新型的可编程逻辑器件( 产品型号为x c 2 0 6 4 1 m ) ，是在p a l 、g a l 、e p l d 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。f p g a 作为a s i c 领域中的一种半定制 电路而出现，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺 点【4 】。 由于f p g a 需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像a s i c 那样 通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构。而查找表( u 丌) 可以很好地满足这一要求，因此，目前主流f p g a 都采用了基于s r a m 工艺的查找 表结构( 例如：f p g a 市场占有率最高的两大公司x i l i n x 和a l t e r a 生产的f p g a 都 是基于s r a m 工艺的) ，也有一些军品和宇航级f p g a 采用f l a s h 或者熔丝与反熔 丝工艺的查找表结构【5 】。本章将以x i l i n xv i r t e x 5 系列f p g a 为例，深入分析f p g a 结构特点。 2 1x i l i n x 产品简介 x i l i n x 公司目前有两大类f p g a 产品：s p a r t a n 类和v i r t e x 类。前者主要面向低 成本的中低端应用，是目前业界成本最低的一类f p g a ；后者主要是x i l i n x 的高端 产品，也是业界的顶级产品，以其v i r t e x - 2 、v i r t e x 2p r o 、v i r t e x 4 和v i r t e x 5 系列 产品引领f p g a 行业。主要面向电信基础设施、汽车工业、高端消费电子等应用。 其中v i r t e x 5 系列是x i l i n x 最新一代的f p g a 产品，它以最先进的6 5n l n 铜 工艺技术为基础，是自定义a s i c 技术的可编程替代方案。v i r t e x 5f p g a 以前所 未有的逻辑、d s p 、软硬微处理器和连接功能提供最佳解决方案，可满足高性能逻 辑设计人员、高性能d s p 设计人员和高性能嵌入式系统设计人员的需求。v i r t e x 5 系 列采用第二代高级硅片组合模块列式架构，包含l x 、l x t 、s x t 、t x t 和f x t 五种截然不同的平台，比此前任何f p g a 系列提供的选择范围都大，可提供f p g a 市场中最新最强大的功能h 。其主要特点如下： 采用了最新的6 5 工艺，结合低功耗妒块将动态功耗降低了3 5 ；此外，还 利用6 5 n m 三栅极氧化层技术保持低静态功耗； 利用6 5 n me x p r e s sf a b r i c 技术，实现了真正的6 输入u j r i ，并将性能提高了2 个速度级别； 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章f p g a 结构和设计应用 内置有用于构建更大型阵列的f i f o 逻辑和e c c 的增强型3 6k b i tb l o c k r a m 带有低功耗电路，可以关闭未使用的存储器； 逻辑单元多达3 3 0 ，0 0 0 个，可以实现无与伦比的高性能； 采用了第二代稀疏锯齿形s p a r s ec h e v r o n 封装，i o 引脚多达1 , 2 0 0 个，可以实 现高带宽存储器网络接口，支持1 2 5g b p s 双数据速率和8 0 0m b p s 单端信号传 输，具有更高的信号完整性，更低的系统噪声； 低功耗收发器多达2 4 个，可以实现l o o m b p s 3 7 5 g b p s 高速串行接口； 核电压为1 v ，5 5 姚系统时钟； d s p 4 8 es l i c e 内置有2 5x1 8 m a c ，能够在将资源使用率降低5 0 的情况下，实 现单精度浮点运算； 利用内置式p c ie x p r e s s 端点和以太网m a c 模块提高面积效率； 更加灵活的时钟管理技术( c m t ) 结合了用于进行精确时钟相位控制与抖动滤 除的新型p l l 和用于各种时钟综合的数字时钟管理器( d c m ) ； 增强了器件配置，支持商用f l a s h 存储器，从而降低了成本。 2 2f p g a 内部结构 v i r t e x 5 系列f p g a 的内部结构主要由7 部分构成：可编程输入输出模块 ( s e l e c tf o b ) 、可配置逻辑块( c l b ) 、时钟管理模块( c m t ) 、嵌入式块r a m ( b l o c kr a m ) 、可级联嵌入式d s p 4 8 es l i c e 、可编程布线资源( p i ) 和底层内嵌功 能单元【6 】。 2 2 1 可编程输入输出单元( s e l e c t 的b ) i o 模块提供连接封装引脚和内部可配置逻辑的接口。v i r t e x 5 系列f p g a 的 f o b 多达1 2 0 0 个，具有广泛的i o 标准选择范围从1 2 v 到3 3 v 。可将f o b 连接到非常 灵活的c h i p s y n c 逻辑，以增强源同步接口连接。源同步优化包括逐比特去歪斜( 对 于输入和输出信号) 、数据串行器解串器、时钟分频器以及专用i o 和本地时钟资 源1 7 。 此外的b 还具有极高的性能：高达8 0 0 m b p s 的h s t l 和s s t l ( 在所有单端i o 上) ，高达1 2 5 g b s 的l v d s ( 在所有差分i o 对上) ，支持输入和输出i o 同边沿 采集和广泛的存储器接口。 当外部信号既可经过f o b 模块的存储单元进入f p g a 内部时，其保持时间的 要求可以降低，通常其保持时间默认为0 。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章f p g a 结构和设计应用 2 2 2 可配置逻辑块( c l b ) 可配置逻辑块( c l b ) 是x i l i n xf p g a 的基本逻辑元件，一个v i r t e x 5f p g a c l b 资源由两个s l i c e 组成，如图2 1 所示。 c o u t c o l r r a 图2 1c l b 内的s l i c e 排列 每个s l i c e 包含四个逻辑函数发生器( 即u j l ) 、四个存储元件、多功能多路 复用器和进位逻辑。所有s l i c e 都通过这些元件进行逻辑、算术和r o m 函数运算。 函数发生器可配置为6 输入l u t 或双输出5 输入l u t 。而一个非v i n e x 5 的常 规s l i c e 只包含2 个l u t 和2 个触发器，且每个u 丌提供4 输入。因此v i r t e x 5 系列f p g a 的c l b 以真6 输入的查找表技术，可提供比前几代器件更优异的功能和性能。 除此之外，有些s l i c e 还支持两个附加功能：用6 4 位分布式r a m 存储数据和 用3 2 位寄存器( 或两个1 6 位移位寄存器) 进行数据移位。支持这些附加功能的s l i c e 称为s l i c e m ；其他s l i c e 则称为s l i c e l 。 另外，可将四个存储元件配置成边沿触发的d 型触发器或电平敏感型锁存器。 每个c l b 具有内部快速互连，并且连接到一个接入通用布线资源的开关矩阵。 2 2 3 时钟管理块( c m t ) 时钟管理模块( c m t ) 为f p g a 提供最灵活、最高性能的时钟控制。每个c m t 包含两个数字时钟管理器( c