（通信与信息系统专业论文）tdscdma无线接口物理层帧处理技术的研究与dsp实现.pdf

摘要 自从2 0 0 0 年5 月，t d s c d m a 被i t u 接受为第三代移动通信标准以来， t d s c d m a 技术在我国得到了政府和产业界的高度重视。本文首先介绍了 t d s c d m a 标准的通信协议规范，然后在以微控制器a r m 和1 m s 3 2 0 c 6 4 1 6 及 t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 为核心的硬件开发板上，对t d s c d m a 无线接口物理层帧处理技 术进行了详细的研究，从软件和硬件两个方面设计了具体的实现方案。利用d s p 完成了基带信号处理过程，包括信道编解码、复用等比特级处理和调制、扩频、 加扰等码片级处理工作，上下交频和同步等在f p g a 中实现；并设计了p c 机与 a r m 、a r m 与d s p 、d s p 与d s p 、d s p 与f p g a 的接口，最终双板对通，实现 了物理层间数据帧的时分双工对等通信。软件仿真和硬件实测结果与协议标准相 符合。 关键词：t d - s c d m a 物理层d s p 比特级码片级 a b s t r a c t s i n c et h et d - s c d m ai sa c c e p t e db yt h en u t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di nm a y2 0 0 0 ，t h et e c h n o l o g yo ft d - s c d m ah a v eg o th i g h v a l u eo fo u rg o v e r n m e n ta n dt h ei n d u s t r yf i e l d a f t e rb r i e f l yi n t r o d u c t i o no ft h e t d s c d m aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no f t h ef n u n e st r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fp h y s i c a ll a y e r0 1 1t d - s c d m a w i r e l e s si n t e r f a c e , w h i c hi sb a s e d 伽c c ss o f t w a r e1 , 1 a t f o r ma n dh a r d w 躺p l a t f o r m w i t ht m s 3 2 0 c 6 4 1 6a n dt m s 3 2 0 c 6 4 1 4a st h eo o i td e s i g n sc o n c r e t es c h e m et o r e a l i z bf r o ms o f t w a r ea n dh a r d w a r e n 蟛d s p ic a l l e dt m s 3 2 0 c 6 4 1 6c o m p l e t e sb i t p r o c e s s i n gs u c ha sc h a n n e lc o d i n g 、i n t e r l e a v i n ga n dt r c hm u l t i p l e x i n g , a n dt h ed s p 2 c a l l e dt m s 3 2 0 c 6 4 1 4c o m p l e t e sc o d ep r o c e s s i n gs u c ha sq p s k 、m o d u l a t i o na n d s p r e a d i n g s u b s e q u e n t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h ei n t e r f a c e sb e t w o f f ap ca n da r m 、a r ma n dd s p 、t w od s p 、d s pa n df p g at os u p p o r t t i m e - d i v i s i o na n df u l l d u p l e xc o r r e s p o n d e n c eb e t w e e ne q u a le n t i t yo i lp h y s i c a ll a y e r f i n a l l y , t w ob o a r d sc a nc o n e a p o n dt oe a c ho t h e xa n dt h i sp a p e rl i s t so u tt h es o f t w a r e i m i t a t i o na n dp r a c t i c a lr e s u l to ns y s t e mp e r f o r m a n c e , w h i c hi sa c c o r d e dw i t hp r o t o c o l s t a n d a r d k e y w o r d ：t d - s c d m ap h y s i c a ll a y e rd s pb i tp r o c e s s i n gc o d ep r o c e s s i n g 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 何贡献均己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：阚颗 日期2 耐、工d 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。 本人签名：闻茱夏 日期z p 、，加 导师签名：日期2 卵p 。罗、ij 第一章绪论 第一章绪论 1 1t d s c d m a 发展概况 t d s c d m a 的中文含义为时分同步码分多址接入，它是第一个由中国提出的， 具有自主知识产权的无线通信国际标准，独具的技术优势能够解决高人口密度地 区频率资源紧张等问题，并在互联网浏览等非对称移动数据和视频点播等多媒体 业务方面具有一定优势。 1 9 9 8 年6 月3 0 日，大唐电信集团的前身电信科学技术研究院，代表中国提出 的t d s c d m a 标准提交给国际电联。 2 0 0 0 年5 月，大唐集团代表中国政府提交的t d s c d m a 技术，被国际电联 批准为第三代移动通信国际标准( 3 g ) ，这是百年来中国电信发展史上的重大 突破。 2 0 0 2 年3 月，大唐移动通信设备有限公司挂牌成立，拉开中国t d s c d m a 技术全面产业化的序幕。 2 0 0 2 年1 0 月3 0 日，t d s c d m a 产业联盟成立。 2 0 0 4 年3 月，t d s c d m a 第二阶段测试启动，9 月完成测试和总结。 2 0 0 6 年1 月2 0 日，信产部颁布3 g 三大国际标准之的“中国标准 t d s c d m a 为我国通信行业标准，这意味着这一标准技术方案已经成熟，能够指导企业 进行制造生产。 2 0 0 6 年2 月，t d 启动室外测试。 2 0 0 6 年1 1 月中旬，t d 在青岛、厦门、保定三大城市对友好用户进行放号， 放号规模约为2 万户。 2 0 0 7 年3 月份开始，t d 试验扩大到1 0 个城市，这1 0 个城市除了六大奥运 城市，即北京，天津、上海、青岛、秦皇岛、沈阳之外，还新增加了广州和 深圳。2 0 0 7 年l o 月全部t d 网络已完成8 0 ，年底之前完成1 0 0 。 当前，我国正处在建设和运营第三代移动通信网络的前夕，3 g 的运行需要提 供更高速率、更大带宽的业务，以及支持这些业务的增强型技术。将h s d p a 引 入t d s c d m a 将能够进一步发挥t d s c d m a 系统的优势，使其能提供更高速、 可靠的业务。目前，需要进一步对t d s c d m a 的继续演进开展研究，并推动相 关标准的制定。我们相信，t d s c d m a 技术和产品在实际应用中将不断发展， t d s c d m a 在未来仍将是国际通信的主流标准之一。 2t d s c d m a 无线接口物理层帧处理技术的研究与d s p 实现 1 2 项目来源及研究意义 本文题目名为 t d s c d m a 无线接口物理层帧处理技术的研究”，是为研究 t d s c d m a 无线接口物理层通信技术而拟定的科研题目。 t d s c d m a 作为我国自主研发的第三代移动通信国际技术标准，其具有极其 重要的战略价值。对于我国探索具有自主特色的自主创新道路做出了重要的贡献 t d s c d m a 实现了我国移动通信产业由技术跟迸到技术创新的彻底变革，有望使 我国移动运营业彻底摆脱对于国外技术和产品路径的依赖。 无论从国家层面还是企业层面，t d s c d m a 都将带来巨大的自主经济收益。 t d - s c d m a 具有频谱利用率高的显著特点哪，同时采用了多项先进技术，使得 t d s c d m a 相比于w c d m a 而言，网络建设和维护的成本都大大的降低。根据初 步估算，建设并运营一张完善的全国3 0 网络，t d s c d m a 将比w c d m a 至少 节约3 0 0 - 5 0 0 亿元，将极大地缓解国家和运营企业的投资压力。另外，t d s c d m a 的建设和商用，将使1 5 0 0 - 1 8 0 0 亿元的价值转而留在国内企业，如果加上终端以 及其它相关产品，由于采用t d s c d m a 而给国内企业带来的增收将超过5 0 0 0 亿 元。 1 3 本文主要内容 本文内容可分为五部分： 第一章介绍了t d s c d m a 发展概况、题目来源及研究意义。 第二章介绍了t d s c d m a 的技术特点，系统的描述了t d s c d m a 系统的协 议结构，物理层功能和信道类型及信道结构。 第三章对t d s c d m a 无线接口基带信号在传输信道上的编码复用、q p s k 映射、扩频、加扰等关键技术及各自的编程实现分模块进行了详细的阐述。 第四章详细描述了t d s c d m a 物理层数据流程的实现。利用 t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 1 6d s p 芯片，在c c s 开发环境下，给出了系统的总体设计和实现 方案、硬件资源安排和各模块的具体功能；并介绍了d s p 与f p g a 接口，双d s p 通信，p c 机与a r m , a r m 与d s p 接口的设计及实现。 第五章给出了实现结果，验证了物理层技术实现的正确性。对受限因素作了 简要分析。 第六章给出了系统需要进一步完善的部分。 第二章t d - s c d m a 标准概述 3 第二章t d s c d m a 标准概述 2 1t d - s c d m a 介绍n 1 t d s c d m a 是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的结合，是中国无线通信 标准组织提出并得到i t u 通过的3 g 无线通信标准“”。在3 g p p 内部，它也被称 为低码片速率t d d 工作方式，系统的无线接口参数见表2 1 。 表2 1t d s c d m a 空中接口参数 空中接口参数参数内容 复用方式 t i ) d 基本带宽 1 6 l m z 每载波时隙数1 0 ( 其中7 个时隙被用作业务时隙) 码片速率 1 - 2 s m c h l p s 无线帧长1 0 m s ( 每个1 0 m s 的无线帧被分为2 个5 m s 的子帧) 信道编码卷积编码、t u r b o 码等 数据调制 q p s k 和8 p s k ( 高速率) 扩频方式 q p s k 功率控制开环+ 闭环功率控制控制步长1 d b 、2 d b 或3 d b 功率控制速率 2 0 0 次，搴 智能天线 在基站端由s 个天线组成天线阵 基站间同步关系 同步 多用户检测使用 业务特性对称和非对称业务 支持的核心同g s m m a p t d s c d m a 系统特别适合于在城市人口密集区提供高密度大容量话音、数据 和多媒体业务。系统可以单独运营，以满足e t s i u m t s 和i m t - 2 0 0 0 的要求，也 可与其他无线按入技术配合使用。例如，在城市人口密集区，使用t d s c d m a 技术，而在非人口密集区，则使用g s m 、w c d m a 或卫星通信等来实现大区或 全球的覆盖m 。t d s c d m a 系统的主要特点如下： ( 1 ) t d d 方式便于提供非对称业务 ( 2 ) 智能天线 ( 3 ) 联合检测 ( 4 ) 同步c d m a ( 5 ) 软件无线电 4 t d - s c d m a 无线接口物理层帧处理技术的研究与d s p 实现 2 2 1 网络结构 2 2 系统的协议结构”儿埔1 通用移动通信系统( u m t s 。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 ) 是 i m t - 2 0 0 0 的一种，它的网络结构由核心网( c n ，c o r e n e t w o r k ) 、u m t s 陆地无线 接入网( u t r a n ，u m t st 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 ) 和用户设备( u e , u 8 e r e q u i p m e n t ) 3 部分组成。其结构如图2 1 所示。c n 和u t r a n 之问的接1 3 称为 i u 接口，u t r a n 和u e 之间的接口称为u u 接口( 也称为无线接口) 。 2 2 2u u 接口协议结构 图2 1 u m t s 的结构 图2 2 无线协议的分层结构“ 第二章t d s c d m a 标准概述 5 在u m 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 e r1 ) 、数据链路层( l 2 ，l a y e r2 ) 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 ，m e d i a a c c e s s c o n t r 0 1 ) 、无线链路控制( r l c , r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 、分组数据汇聚协议( p d c 玲 p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) 和广播多播控制( b m c , b r o a d c a s t m u l t i c a s t c o n t r 0 1 ) 等四个子层。 2 3 传输信道嘲 传输信道位于m a c 子层和物理层之间，使用p h y 原语来提供层间数据传输 服务。m a c 子层与物理层之间可并行存在多条传输信道。通过传输信道交换的 内容多涉及对等层实体之间的通信。所有的传输信道按其性质将它们分为两类： 公共传输信道和专有传输信道。目前被3 g p p 定义工作在t d d 方式下的专有传输 信道只有一种：d c h 。在专有传输信道上，所有的u e 可被所分配的物理信道唯 一她标识。传输信道及其性质可见表2 2 。 表2 2 传输信道 信道名方向性质描述 r a c i t ：随机接入信道 f 公共u e 使用r 姗来完成上行同步的建立或传输一些数 据量有限的用户数据 f a c 麓：前向接入信道 | r 公共一般用于嗣络响应从j l a c ! i 信道上接收到的信息 b 傩：广播信道 i 公共用来承载系统广播信息 p a l ：寻呼信道 l 公共用来携带用户的寻呼信息 d s c i i ：下行共享信道l 公共用于为一个或多个用户传送数据 u s c h ：上行共享信道t公共 可由多个用户分时共享 d a l ：专有信道 f 专有用于携带归用户专有的实时和非实时数据，信道 已经配置，就由用户独占使用 2 4 1 帧结构 2 4 物理信道【2 】 t d s c d m a 系统的物理信道采用4 层结构：系统帧号、无线帧、子帧、时隙 码。系统使用时隙和扩频码来在时域和码域上区分不同的用户信号。物理信道用 4 层结构：超帧、无线帧、子帧和时隙码，其帧结构如图2 3 。 6 t d s c d m a 无线接口物理层帧处理技术的研究与d s p 实现 一个超帧长7 2 0 m s ，由7 2 个无线帧组成，每个无线帧长1 0 m s ，并分成两个 5 m s 的子帧，每个子帧由长度6 7 5 u s 的7 个常规时隙和3 个特殊时隙组成，如图 2 4 所示。3 个特殊时隙分别是下行导频时隙( d w p t s ，7 5 u s ) 、上行导频时隙 ( u p p t s 。1 2 5 u s ) 和保护时隙( g ，7 5 u s ) 。7 个常规时隙中，t s o 总是分配给下 行链路，t s l 总是分配给上行链路。 超帧( 7 2 0 m s ) “”“” 帧# o j 帧# l帧# 7 1 _ 子帧( 5 m s ) ， - 、 子帧# o i 子帧# i i 哇昧( o ，6 7 删| 时隙# oi 图 i 时隙# ll 时隙# 2i 时隙# 6 脚嗍# 龠漪 数据域 l l li 簟幢长序列ll l i 数据壤 i g p l 8 6 桕蜩i 图2 3 物理信道帧结构 8 6 蚰i p 子帧5 m “6 4 0 0 出p ) + 纠转换点 l t s 0 隧圜t s i t s 2t s 3刚 t s 5t s 6 d w p t s ( 9 6 c h i p ) 7 5 u s g p u p p t s转换点 ( 9 6 c h i p ) ( 1 6 0 曲i p ) 7 5 l h1 2 5 u s 图2 4 系统子帧结构 上行时隙和下行时隙之间由转换点分开。每个5 m s 的子帧有两个转换点( u l 到d l 和d l 到u l ) 。通过灵活配置上行时隙的个数，使t d s c d m a 适用于上下 行对称及非对称的业务。图2 5 分别给出了对称分配和不对称分配的例子。 ( m ：j l 对称分配) 第二章t d - s c d m a 标准概述 7 切换点 切换点 2 4 2 时隙结构 ( t x 亿r l 不对称分配) 图2 5t d s c d m a 子帧结构 ( 1 ) 下行导频对隙( d w p t s ) d w p t s 时隙用来发送下行同步码( s y n c d l ) ，其时隙长度为9 6 c h i p ，其中 同步码长为6 4 c h i p ，前面有3 2 c h i p 用作t s o 时隙的拖尾保护。 l r g p ( 3 2 c h i p )s y n c - d l ( 6 4 c h i p ) 图2 6d w p t s 的时隙结构 ( 2 ) 上行导频时隙( u p p t s ) u p p t s 时隙被u e 用来发送上行同步码( s y n c - u l ) ，以建立和n o d eb 的上 行同步。u p p t s 时隙长度为1 6 0 c h i p ，其中同步码长为1 2 8 c h i p ，另有3 2 c h i p 用作 拖尾保护。 图2 7 u p p t s 的时隙结构 ( 3 ) 保护间隔( g p ) 在n o d eb 侧，由t x 向r x 转换的保护间隔为7 5 u s ( 9 6 c h i p s ) 。 ( 4 ) 常规时隙( t s t s 6 ) t s 0 , - - t s 6 共7 个常规时隙被用作用户数据或控制信息的传输，它们具有完全 相同的时隙结构( 如图2 8 所示) 每个时隙被分成了4 个域：两个数据域、一个 训练序列域( m i d a m b l e ) 和一个用作时隙保护的空域( g p ) 。 数据域对称地分布于m i d a m b l e 码的两端，每域的长度为3 5 2 c h i p ，所能承载 的数据符号( s y m b o l e ) 数取决于所使用的扩频因子。每一数据域所能容纳的数 据符号数s 与扩频因子s f 的关系为：s s f = 3 5 2 。数据域用于承载来自传输信道 的用户数据或高层控制信息，除此之外，在专有信道和部分公共信道上t 数据域 的部分数据符号还被用来承载物理层信令。 8 t d - s c d m a 无线接口物理层帧处理技术的研究与d s p 实现 864chip - 数据域 训练序列数据域g p ( 3 5 2 c h i p ) ( 1 4 4 c h i p ) ( 3 5 2 c h i p ) 1 6 c h i p 图2 8 常规时隙结构 训练序列( t r a i n i n gs e q u e n c e ) 在信道解码时被用来作为信道估计，不携带用 户信息。m i d a m b l e 码长1 4 4 c h i p ，传输时不进行基带处理和扩频，直接与经基带处 理和扩频的数据一起发送。 2 4 3 物理信道的分类 1 专用物理信道( d p c r 0 d p c h 用于承载来自专用传输信道( d c h ) 的数据。 2 公共物理信道 公共物理信道是一类信道的总称，根据所承载传输信道的类型，它们又可进 一步划分为一系列的控制信道和业务信道。 3 ，信道的映射及组合 传输信道的数据通过物理信道来承载，除f a c h 和p c h 两者都映射到物理 信道s - c c p c h 外，其他传输信道映射到物理信道都有一一对应的映射关系。表 2 3 给出了t d s c d m a 系统中传输信道和物理信道的这种映射关系。 表2 3 传输信道与物理信道的映射关系 传输信道 物理信道 传输信道 物理信道 d c h 专用物理信道( d p c h ) u s c h 物理上行共享信道( p t r s c r 0 b c h 主公共控制信道( p c c p c h ) d s c h 物理下行共享信道( p d s c m p c h 辅公共控制信道( s - c c p c h )下行导频对隙( d w p c h ) f a c h 辅公共控制信道( s c 口a i ) 上行导频时隙( u p p c h 寻呼指示信道( p i c h )快速物理接入信道( f p a c r 0 r a c h 物理随机接入信道( p r a c h ) 第三章t d - s c d m a 无线接口物理层帧处理技术分析 9 第三章t d s c d m a 无线接口物理层帧处理技术分析 3 1 信道的编码与复用 为保证数据在无线链路上的可靠传输，来自，送至m a c 和高层的数据流( 传 送块4 # 送块集) 将被编解码，如图3 1 ，从而在无线传输链路上提供传输服务。 p h c h l ，p h c h 2 ，p h c h 3 ，p h o f l t 图3 1 传输信道编码与复用结构 信道编码与复用、扩频与调制等过程合称为基带信号处理。作为3 g p p 家族 的一员，t d s c d m a 系统的基带信号处理过程与w - c d m a 和3 8 4 m h z 的t d d 1 0 t d - s c d m a 无线接口物理层帧处理技术的研究与d s p 实现 系统大同小异。对于每个传输时间间隔t t i ，物理层以传输块集的形式接收来自 m a c 子层的数据流，这些数据流在物理层经基带处理后，在无线链路上提供传 输服务。t d s c d m a 系统的信道编码与复用过程由若干处理流程( 或数据单元) 组成，每个流程提供不同的服务。将这些流程串联起来，就形成了系统的信道编 码与复用过程，如图3 1 所示。图中每一个方框代表处理数据的处理流程，方框 旁边为进出处理单元的数据流下面仅对其关键模：毖一信道编码和解码的算法 和实现给予介绍。 3 1 1 信道编码晗1 为了提高信息在无线信道传输的可靠性，提高数据在信道上的抗干扰能力， t d s c d m a 系统采用了3 种信道编码方案：卷积编码、t u r b o 编码和不编码。不 同类型的传输信道所使用的编码方案和编码率见表3 1 。 表3 1t d s c d m a 所采用的信道编码方案和编码速率 传输信道类型 编码方案 编码率 b c h 1 3 p c hl ，3 、l 忽 卷积编码 r c h l ，2 i ，l 彪 d c h ，d s ( h 、f c h 、u s c ht u r i m 编码1 3 不编码 一、1 2 、1 3 速率卷积编码 卷积编码器有记忆功能，卷积码一般记为( n ，k ，m ) 码，k 个输入端，n 个输出端，m 节移位寄存器，其约束长度( 记忆长度) k - - r n + l 。 在3 g p p 中，统一定义了约束长度为9 ，编码速率为1 3 和1 2 的卷积编码。 卷积编码器的结构如图3 2 所示。 1 3 卷积编码器的输出次序为输出0 ，输出l ，输出2 交替输出；速率为1 2 时，输出次序为输出0 ，输出1 交替输出。8 个尾比特( 值为0 ) 应在编码前加到 码块的后面。编码器移位寄存器的初值为全o ， 。 卷积编码器采用用移位寄存器结构，在用软件实现时，先设一个u n s i g n e dc h a r 类型变量r e g 作为移位寄存器，r e g 的8 个比特位代表8 个寄存器，并给r e g 赋初 值0 。以l 2 卷积编码为例，每输入一个信息位，编码器根据图3 2 ( a ) 执行相应 的模2 加操作和变量r e g 向右移位操作，并输出0 和输出l ，如此循环，直到传 第三章t d s c d m a 无线接口物理层帧处理技术分析 1 1 输块和8 个尾比特输入完为止，输出码元即为编码序列。 d t r o r 1 r 2r s r r r r 7 丁鼍r 们一叫l 期 一上1 1 一 上_ 土 一 a ) 1 1 2 卷积编码鼍 埘 一严旷”他r 帅 上1 。上 一 7 ：f| ：f 二、编码 伯) 1 3 眷积编码羹 图3 21 2 和1 ，3 卷积编码器 出0 ( o u t 0 ) g o - 5 e l ( 八迸一) 出1 ( o u t ” g ，t7 5 3 进捌) 出o ( o u t 0 ) g e = 5 5 7 ( 避制) 出1 ( o u t l ) g 1 t6 6 3 ( 八连) 出2 ( o u t 2 ) g 2 ；7 1 1 ( 八进村 3 g p p 建议使用的t u i 。o o 码是一种带有内部交织器的并行级联码( p c c c ) ， 它由两个结构相同的递归系统卷积码( r s c ) 分量码编码器并行级联丽成，其结 构如图3 3 。 图守两个船c 的生成多项式可表示为叩，= 1 ，器 ，其中逆向反馈多项 式踟( d ) = 1 + d 2 + d 3 ；g i ( d ) l + d + d 3 。 图3 31 3t 讪。码编码器结构( 虚线部分只对格型终止有效) t d - s c d m a 无线接口物理层帧处理技术的研究与d s p 实现 开始编码前，各移位寄存器的初值全部置零。每输入l b i t 码块数据，输出时 得到3 b i t 的编码数据，因而t u r b o 编码器的编码率为1 3 ，编码器的输出顺序为 砥，乙，z l 。在所有信息比特编码完成后，两个开关向下切换，通过移位寄存器 反馈信息来执行格型运算终止，尾比特填在编码信息比特之后。最先的3 个尾比 特用于终止第一个分支编码器，最后的3 个尾比特用于终止第二个分支编码，其 比特输出顺序为辄i 撕1 舶，确t ，拓幽z k + 3 ，拓i ，如l ，x x + 2 ，如h 粕。 t u r b o 码内交织器是t u r b o 编码器最具有特色同时也是最复杂的部分，它把 输入序列进行随机化处理。交织器的设计由以下几部分组成：构造交织矩阵；执 行矩阵的行内和行间交换；矩阵输出。 下面对这几个步骤进行详细描述： ( 1 ) 对输入比特进行适当填充后构成一个矩阵。 a ) 确定交织矩阵的行数r 设k 为输入比特的数目，取值范围可为4 0 = k = 5 1 1 4 ，则r 为： i5 ，i f ( 4 0 k 1 5 9 ) r 2 1 0 ，i f ( ( 1 6 0 k 2 0 0 ) o r ( 4 8 1 k s5 3 0 ) )( 式3 1 ) i2 0 ，i f ( k = 其它) 表3 2 素数p 及原根v 对应关系表 口p p 口口 7 3 4 75 1 0 1 21 5 752 2 33 l l25 321 0 351 6 322 2 72 1 325 921 0 721 6 752 2 96 1 73 6 12 1 6 1 7 322 3 33 1 926 721 1 331 7 922 3 97 2 357 17l ”31 8 122 4 l7 2 92 7 3 51 3 l21 9 l1 92 5 16 3 l37 93 1 3 7 31 9 352 5 73 3 728 321 3 921 9 72 4 168 931 4 921 9 93 4 33 9 7 51 5 1 62 1 12 b 1 确定行内交换所需素数p 以及矩阵的列数c 如果( 4 8 1 ks5 3 0 ) p ；5 3 和c = p ； 反之 在表3 2 中寻找最小素数p 使得 第三章t d - s c d m a 无线接口物理层帧处理技术分析1 3 k r x 0 + 1 ) ； i p - 1i f 足r ( p 一1 ) c = p i fr x 0 一1 ) 6 ，q i q i - 1 ) 的最小 素数。 d ) 确定序列( ) 讯；叫，= 毋，i = 0 ，1 一1 。如表3 3 。 表3 3 行间置换图案 输入比特数置 行数r 行间置换图案( ，【o ) ，玎1 l t ( r 1 ) 【柏k 1 5 9 ) 5 q 3 2 i 。肛 ( 1 6 0 k 2 0 0 ) 1 0 q ，8 ，7 ，6 5 ，4 ，3 2 ，1 ，肛 或( 4 8 1 s k 5 3 0 ) ( 2 2 8 1 置s 2 4 8 0 ) 2 0 或( 3 1 6 1 置s 3 2 10 ) 置= 任何其他值 2 0 c 执行第i 行的行内置换 i f ( c = p ) u , b ) - - 4 b ) 0 一o ，1 ，p 2 ) ，1 ) = 0 ( 式3 - 4 ) e n d i f i f ( c = p + 1 ) u ( ，) = s d ) p 一0 ) l - - o , 1 ，( p 2 ) ，【，舻1 ) = 0 ，u 和) = p ( 式3 - 5 ) i f = r c ) 将【k l ( 力和【k l ( o ) 交换。 1 4 3 3 ) - s c d m a 无线接口物理层帧处理技术的研究与d s p 实现 e n d i f e n d i f f f ( c = p - 1 ) u 。u ) = s ) ( p 一1 ) ) - i 玎= 0 ，1 ，( p - 2 ) ( 式3 - 6 ) e n d i f 其中矾仂为经过第i 行行置换后的第j 行输出所对应的输入比特位置。 o 根据行间置换图案( 本) ) 阳 0 卜州 对输入矩阵进行行间置换，其中z 国 为第i 个置换行的最初行位置。 ( 3 ) 矩阵输出 交织器的输出是该矩阵按列读出的码序列。删减操作去除那些在行内和行间 交换前填补到矩阵输入中的所有虚比特( 这些比特在输入序列中是没有的) 3 1 2 信道解码“1 一、卷积译码 卷积码的译码采用维特比算法，这里仅就维特比译码的思路作一简要介绍。 在卷积码解码方法中，有一类最大似然算法，它的基本思想是：把接收序列与所 有可能的发送序列比较，选择一种码距最小的序列作为发送序列。如果发送k 位 序列，则有2 k 种可能序列，计算机应存储这些序列，以便用作比较当k 较大 时，存储量太大，受到限制。维特比对最大似然解码作了简化，使之实用化。下 面用图3 4 所示的( 2 ，1 ，2 ) 编码器所编出的卷积码为例，来说明卷积编码和维 特比解码方法的思路。 输入 姐山交 图3 4 ( 2 ，l ，2 ) 卷积慢编码器 图中，m l 与m 2 为移位寄存器，它们的起始状态均为0 ，即b l b 2 b 3 为0 0 0 。c l ， c 2 与b l ，b 2 ，b 3 的关系如下： c l - - b lo b 2e b 3( 式3 - 7 ) c 2 - - b l0 1 , 3( 式3 - 8 ) 第三章t d - $ c d m a 无线接口物理层帧处理技术分析 b l 代表当前输入信息位，而移位寄存器状态b 3 6 2 存储以前信息位。在表3 1 中列 举出了此编码器的状态，当第一位信息为1 时，即b l = l ，因b 3 6 2 = 0 0 ，故输出码 元c l c 2 = 1 1 ；第二位信息为l ，这时b 1 = l ，b 3 b 2 = 0 1 ，c i c ，2 = 0 1 ，以此类推。为保证 输入的全部信息位1 1 0 1 0 都能通过移位寄存器，还必须在信息位后加3 个0 。 表3 4 卷积编码器状态转换表 b l 1 lolo o o o 0 b 3 6 2 0 0 0 1 1 l 1 0o l 1 00 00 0 1 0 c l c 2 1 l0 1o l0 01 0“0 00 01 l 状态abdcb c a a c 表中，用a ，b ，c ，d 表示b 3 6 2 的四种可能状态：o o ，o l ，1 0 ，1 1 下面我们 用格状图来说明维特比解码算法，如图3 5 所示，实线表示信息位为0 ，虚线表示 信息位为i ，线旁数字为输出码元，节点表示状态。当发送信息序列为1 1 0 1 0 时， 为了使全部信息位能通过编码器，在发送信息序列后加上了3 个0 ，从而，使输 入编码器的信息序列变为1 1 0 1 0 0 0 0 。如表3 4 计算的结果，编码器输出序列为 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 ，移位寄存器的状态转移路线为：a b d c b c 矩，最后回到a 。假设 接收序列有错，变成0 1 0 1 0 11 0 1 0 0 1 0 0 1 。现在用格状图来说明解码步骤和方法。 dd 图3 5 ( 2 ，1 ，2 ) 卷积码格状图 d 收码 0 1o lo ll o1 0o l 0 1 解码 11 0 100 00 图3 6 维特比解码方法图解 由于该卷积码的编码约束长度为3 ，故先选前三段接收序列0 1 0 1 0 1 作为标准， 与到达第三级的四个节点的8 条路径进行对照，逐步算出每条路径与作为标准的 1 6 t d - s c d m a 无线接口物理层帧处理技术的研究与d s p 实现 接收序列0 1 0 1 0 1 之间的累计码距。由图3 5 所示的格状图可知，到达第三级节点 a 的路径有两条。0 0 0 0 0 0 与1 1 1 0 0 0 ，它们与0 1 0 1 0 1 之间的码距分别是3 和4 。同 理，到达节点b 的两条路径0 0 0 0 1 l 、1 1 1 0 1 0 与0 1 0 1 0 1 之间的码距分别是3 和5 ； 到达节点c 的两条路径0 0 1 1 1 0 、1 1 0 1 0 1 与0 1 0 1 0 1 之间的码距分别是4 和1 ；到 达节点d 的两条路径0 0 1 1 0 1 、1 1 0 1 1 0 与0 1 0 1 0 1 之间的码距是2 和3 。每个节点 保留条码距较小的路径作为幸存路径，它们分别是0 0 0 0 0 0 、0 0 0 0 1 1 、1 1 0 1 0 1 和0 0 1 1 0 1 。这些路径如图3 6 所示的到达第三级节点a ，b ，c ，d 的四条路径，累 计码距分别用括号内的数字标出。若当前节点移到第四级，同样也有8 条路径。 节点a 的两条路径是：0 0 0 0 0 0 0 0 和1 1 0 1 0 1 1 1 ；节点b 的两条路径是：0 0 0 0 0 0 1 1 和1 1 0 1 0 1 0 0 ：节点c 的两条路径是：0 0 0 0 1 1 1 0 和0 0 1 1 0 1 0 1 ；节点d 的两条路径 是；0 0 1 1 0 1 1 0 和1 1 1 0 1 0 0 1 。将它们与接收序列0 1 0 1 0 1 1 0 对比求出累计码距，每 个节点仅留下一条码距较小的路径作为幸存路径，它们分别是1 1 0 1 0 1 1 1 、 1 1 0 1 0 1 0 0 、0 0 0 0 1 1 1 0 和0 0 1 1 0 1 1 0 。逐步推进筛选幸存路径，到第7 级时，只要选 出到达节点a 和c 的两条路径即可，因为到达终点a 只可能从第7 级的节点a 或 c 出发。最后到达终点a 的一条幸存路径即为解码路径，如图3 6 中实线所示。根 据这条路径可知解码结果为1 1 0 1 0 0 0 0 ，与发送信息序列一致。从解码过程中可以 看出，维特比算法的存储量仅要求2 ( ”n 。( 2 的( m + 1 ) 次方) 二、t u r b o 码译码 t u r b o 码译码采用s o v a ( s o f t - o u t p u tv i t c r b ia l g o r i t h m ) 迭代译码算法，下 面对该算法进行简要介绍。 1 s o v a 算法 s o v a 组成译码器如图3 7 所示。译码器的输入为l ( u ) 和k y ，其中l ( u ) 为 信息序列u 的“软”值序列，【加) 序列由前一个s o v a 组成译码器产生，“软”值输 出等于译码输出与m l ( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 路径上的可靠性值相乘，如果前 面没有s o v a 组成译码器，则【n ) 序列初始化为0 。k y 为加权的接收序列，y 是从信道接收到的序列，k 是信道的可靠性值，且 f 厶= 4 詈口( 式3 - 9 ) n o e b n o 是信道中每比特信噪比，a 是信道的衰落幅度，对于非衰落的高斯信道a = l 。 s o v a 组成译码器的输出序列为u 和l ( u ) ，其中u 是译码输出序列，l ( u ) 是 s o 、r a 译码器的输出“软”值序列。 第三章t d - s c d m a 无线接口物理层帧处理技术分析1 7 l ( l c u ) - r s o v a r 矗 l ( ) 图3 7s o v a 组成译码器 s o v a 算法( 伴随有可靠性值更新) 实现步骤如下： ( a ) 初始化时间卢o 。 ( b ) 对格状图中的0 状态初始化其权值卅帕= 0 ，对所有其它状态初始化 其权值为一一。 j ( a ) 设置时间h + l 。 ( b ) 计算权值彬。= 船+ “三。y f ，i + 粥l , y t + 彰“乜( q ) ( 式3 - 1 0 ) t 2 对格状图中的每一种状态，m 表明了格状图中从一种状态转移到另一种 状态所允许的2 个网格分支( m - l 、2 ) 。 m j 帕是t 时刻分支m 上的累计权值。 ! 呻是t 时刻分支m 上的系统比特( n 个比特中的第1 个