（信号与信息处理专业论文）宽带无线接入系统上行业务接收机算法及dsp实现.pdf

北京邮电大学硕士研究生学位论文 宽带无线接入系统上行业务接收机算法及d s p 实现 摘要 随着社会信息化的不断推进及通信技术快速发展，用户对信息业 务的需求日益丰富，以互联网业务为代表的宽带多媒体数据业务正成 为网络业务发展的主流。因此，构建宽带化、全业务、智能化的现代 通信网络已成为大势所趋。而通信网络的宽带化不仅需要拓展广域干 线网、城域网的带宽，而且也要解决好接入网的带宽问题。目前广域 网、城域网的建设发展呈现出良好的趋势，并颇具规模。而作为网络 建设的投资重点，传统的接入方式已成为网络进一步发展的瓶颈。实 现接入网的数字化、光纤化、宽带化和综合化，满足用户对宽带多媒 体通信接入的需求，已成为各方共同关注的热点课题。 无线接入是指从交换节点到用户终端部分或全部采用无线手段 接入技术。无线接入可分为移动接入与固定接入两种。本文主要讨论 固定宽带接入，它实际上是电路或分组网的无线延伸。其目标是为用 户提供透明的电路或分组业务，固定无线接入系统的终端不含或仅含 有限的移动性。接入方式有微波一点多址、蜂窝区移动接入的固定应 用、无线用户环路( w l l ) 及卫星v s a t 网等等。在目前如光纤接入、 x d s l 、以太网接入和无线接入等新兴接入技术中，无线接入技术以投 资少、建网周期短、提供业务快等优势已逐渐成为非常重要的接入方 式。在无线接入领域中，固定无线接入正日益走向成熟，其应用步伐 不断加快。而其中固定宽带无线接入技术又以其提供多媒体宽带业务 北京邮电大学硕士研究生学位论文 等优势，倍受瞩目。随着0 f d m 等新技术进入应用，i e e e s 0 2 x x 等协 议标准不断的被完善和发展，各种相关产品的推出，使得在这一领域 的研究和开发成为了新的热点。 本文对无线接入特别是固定宽带无线接入的技术特点做简要概 述。首先介绍同定宽带无线接入系统的通信环境，包括其无线信道的 主要特点及对无线接入系统产生的影响，然后对固定宽带无线接入系 统的系统模型和物理层技术做概括的介绍。最后详细讨论物理层技术 中上行业务接收机算法，包括信道估计补偿算法，上行同步跟踪算法 和上行功控算法。本人同时完成了系统物理层模块程序的编写和系统 联合调试的工作，论文中也包含了相关部分的内容。 关键字：用户终端设备( c p e ) ，数字信号处理器( d s p ) ，通用处理 器( g p p ) 。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 u p l i n kt r a f f i cr e c e i v e ra l g o r i t h m s r e s e a r c ha n dd s pi m p l e m e n r 】 ：a t i o no n ab r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e e v o l u t i o no fs o c i a li n f o r m a t i o n e x c h a n g e a n d d e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，i n f o r m a t i o ns e r v i c e sa r e m o r ea n dm o r ea b u n d a n t l yr e q u i r e d a n db r o a d b a n dm u l t i m e d i as e r v i c e s s u c ha si n t e r n e th a v eb e c o m em a i n s t r e a mo fn e t w o r ks e r v i c e s e v o l v e m e n t t h eb a n d w i d t hs p r e a d i n go fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd o e s n o to n l yr e f e rt oc o r en e t w o r ka n dm a n ，b u ta l s ot oa c c e s sn e t w o r k a t p r e s e n t ，t h ec o r en e t w o r ka n dm a na r ew e l ld e v e l o p e d ，b u ta c c e s s n e t w o r ki sl e f tb e h i n da n dh a sb e c o m eab o t t l e n e c ko fm o d e m c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a sar e s u l t ，ad i g i t a l ，o p t i c a l ，b r o a d b a n da n d i n t e g r a t e da c c e s sn e t w o r kb e c o m e sar e a lh o t s p o tn o w a d a y s w i r e l e s sa c c e s s ，w h i c hm e a n st oc o n d u c tc o n n e c t i o n sb e t w e e ne x c h a n g e n o d e sa n dt e r m i n a l sw i t hw i r e l e s st e c h n o l o g i e s ，c a nb ec l a s s i f i e di n t ot w o c a t e g o r i e s ，m o b i l ea c c e s sa n df i x e da c c e s s i nt h i sp a p e r , im a i n l yf o c u s o nf i x e dw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s ss y s t e m ，w h i c hi st h ee x t e n s i o no f c i r c u i to rp a c k e t s w i t c h i n gn e t w o r ka n d a i m st op r o v i d et r a n s p a r e n t c i r c u i to rp a c k e ts e r v i c et os u b s c r i b e r s t h e s es y s t e m sh a v en oo rl i t t l e 北京邮电大学硕士研究生学位论文 m o b i l i t ya n dh a v ev a r i o u sa c c e s sm e t h o d s ，s u c ha sm i c r o w a v ep 2 pa c c e s s ， f i x e da p p l i c a t i o n so fc e l lm o b i l ea c c e s s ，w l l ，v s a t n o w , a t t e n t i o n s f r o ma l lo v e rt h ew o r l df o c u so nt h et e c h n o l o g i e so ff i x e dw i r e l e s sa c c e s s ， e s p e c i a l l yo ff i x e dw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s sf o rm u l t i m e d i a i nt h i s p a p e r , if i r s t i n t r o d u c et h ec h a n n e le n v i r o n m e n to ft h ef i x e d b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m ，i n c l u d i n gt h em a i nc h a r a c t e r so ft h e w i r e l e s sc h a n n e la n dt h e i ri n f l u e n c e st ot h ew i r e l e s sa c c e s ss y s t e m t h e n ， t h es y s t e mm o d e l i n ga n di m p l e m e n t a t i o nw i l lb ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g h a r d w a r ep l a t f o r m ，s t r u c t u r eo ff u n c t i o n a lm o d u l e s ，a l g o r i t h m sa n a l y s i s a n di m p l e m e n t a t i o n t h e ni s p e c i f i c a l l yi n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n d a l g o r i t h m so ft h eu p l i n kt r a f f i cr e c e i v e re s p e c i a l l yt h ea l g o r i t h m so ft h e c h a n n e le s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o n ，u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n t r a c k i n g a n d u p l i n k p o w e rc o n t r 0 1 a l o n g w i t ht h e a n a l y s i s ，d e s i g n ， i m p l e m e n t a t i o n ，d e b u g g i n go ft h es y s t e m ，il e a r n e dal o t ，s p e c u l a t eal o t a n da l s of o u n ds o m ei s s u e su n s e t t l e d i nt h ee n d o ft h e p a p e rs o m e r e f l e c t i o n sa r el i s t e dt od r a wac o n c l u s i o n k e yw o r d s ：c u s t o mp r e m i s e se q u i p m e n t ( c p e ) ，d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) ，g e n e r a lp u r p o s ep r o c e s s o r ( g p p ) 北京邮电大学硕士研究生学位论文 声明 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，论文巾不包含其他人 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 位或证书丽使用过的材料。与我一同1 ：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，本人承担切相关责任。 本人签名：专叫；毛 e l 期：立葩殳盟一 。jn 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 在校攻渎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。非保密论文注释： ) 雌壁 b 吐1 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 无线接入技术发展现状和趋势 伴随着通信的飞速发展和电话普及率的日益提高，在入口密集的城市或位置偏 远的山区安装电话，在铺设最后一段用户线的时候面j 缶着一系列难以解决的问题： 铜线和双绞线的长度在4 5 公里的时候出现高环阻问题，通信质量难以保证：山 区、岛屿以及城市用户密度较大而管线紧张的地区用户线架设困难而导致耗时、费 力、成本居高不下。为了解决这个所谓的“最后一英( 公) 里”的问题，达到安装 迅速、价格低廉的目的，作为接入网技术中的一个重要部分一一无线接人技术便应 运而生了。 无线接人是指从交换节点到用户终端之问，部分或全部采用了无线手段。典型 的无线接人系统主要由控制器、操作维护中心、基站、固定用户单元和移动终端等 几个部分组成。 无线接人技术在一些环境的应用中有着有线手段无法比拟的 荛越性，无线接人 系统的系统结构决定了系统组网灵活、适应性强，由于采用无线方式，不需要对用 户的精确定位，可以克服一些地理环境的限制( 如山区和多湖泊地区) 进行网络覆 盖，因此网络规划难度不大、网络建设速度快，可以在很短的时间内为用户开通服 ， 务。 由于无线接人系统的扩容非常容易，因此在建网初期用户较少时只需要较小的 投资规模，在用户量增加的时候随时进行扩容，可以有效利用运营商的投资，更快 地收回成本并开始赢利。同时无线传输的方式，减少了维护人员的数量，设备的操 作维护、监控及软件升级均可通过操作维护中心进行，极大地降低了运营成本。 在信息技术飞速发展的今天，无线接人技术也不再满足于只提供基本的话音业 务，而向着为用户提供高速数据、多媒体业务的宽带无线接人技术发展，新的接人 手段不断出现。宽带化将是无线接人技术未来发展的个主要方向。近年来，宽带 无线接人技术的发展极为迅速，各种微波、无线通信领域的先进技术不断引入，使 用频段从2 4 g h z 开始向上直至3 8 g h z 仍在不断扩展。方面这些技术充分利用过去 米被开发，或者应用不是很多的频率资源( 扶2 ，4 g l - l z 到3 5 g h z 到5 7 6 h z 再到2 6 z ， 2 8 g h z 甚至到3 0 g h 7 ，6 0 g h z 等等) ，另。方面它们融合了在其它通信领域成功应用的 先进技术如6 4 q a m ，a t m ，o f d m 等，以实现更高的频谱利用率、更丰富的业务接人能 力、更灵活的带宽分配策略。总之，无线接入系统己经从最毫u 基于电话接人方式的 窄带系统演变为面向宽带数据业务为主的宽带无线接人系统。而且随着接入网建设 的持续升温以及各种新技术不断引入，宽带无线接人系统仍是未来几年内通信市场 北京邮电大学硕士研究生学位论文 发展的一个热点。 1 2 实时数字信号处理与d s p 器件 1 2 1 实时数字信号处理 自从2 0 世纪7 0 年代末第一片数字信号处理器芯片( d i g i t a ls i g n a lp r o c e ss o r s ， d s p s ) 问世以来，d s p s 就以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集成，特 别是可编程性高和易于实现自适应处理等特点，给数字信号处理( d i g i t 8 ls i g n a l p r o c e ssi n g ，d s p ) 的发展带来了巨大机遇，并使信号处理手段更灵活，功能更复杂， 其应用领域也拓展到国民经济生活的各个方面。近年来，随着半导体制造工艺的发 展和计算机体系结构等方面的改进，d s p s 芯片的功能越来越强大，使信号处理系统 的研究重点又重新回到软件算法上，而不再像过去那样过多地考虑硬件可实现性。 而且随着d s p s 运算能力地不断提高，能够实时处理地信号带宽也大大增加，数字信 号处理的研究重点也由最初的非实时应用转向高速实时应用。 信号处理的实质是对信号迸行变换，目的是获取信号中包含的有用信息，并用 更直观的方式进行表述。数字信号处理就是用数字的方法对信号进行变换来获取有 用信息，如离散傅立叶变换( d f t ) 就是最常用的d s p 算法。 实时数字信号处理中的实时指的是必须在有限的时间内对外部输入信号完成指 定的处理，即信号处理的速度必须大于等于输入信号更新的速度，而且从信号输入 到处理后输出的延迟必须足够小，如一个制导心痛的输出延迟就要求在几毫秒以内。 目前单片d s p s 的处理能力已达到每秒4 8 亿条指令( 4 8 0 0 m i p s ) 和每秒1 0 亿次浮点操 作( 1 g f l p o s ) 的水平，使实时信号处理的应用空间越来越广阔。 1 2 2d s p 器件 自从2 0 世纪8 0 年代初d s p s 投入市场以来，实时d s p 技术在国民经济和社会生活的 各个方面得到了广泛的应用。特别是随着信息技术的发展和互联网的普及，机顶盒 ( t o ps e tb o x ) 、网络电话( i n t e r n e tp h o n e ) 以及个人数字助理( p e rs o n a ld i g i t a l a s s is t a n t ) 等信息家电( i n f o r m a t i o na p p a r a t u s ) 的发展如雨后春笋。实时d s p 技术有了更广阔的消费晶市场，其发展又有了一次空前的机遇。 信号处理的复杂性盒通信协议的发展更新块决定了以可编程的d s p s 芯片为核心 组成的应用系统具有一下优点： 1 ) 能够快速制造原理样机和进行验证，加快产品上市时问。 2 ) 高度可编程性使产品能够迅速应用新算法、新标准或新协议。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 3 ) 可以通过软件更新，快速地进行产品升级。 d s p 系统结构的特点简述如下： 1 ) 采用h a r v a r d 结构，即程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据 总线，取址和读数可以同时进行，从而使数据的吞吐率提高了一倍。 2 ) 采用流水线技术以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。 3 ) 具有专用的硬件乘法器，乘法指令在单周期内完成，优化了乘法算法。乘法 运算的速度是衡量处理器运算速度的主要指标之一，一些经常使用的算法，如卷积， 数字滤波、f f t 、相关、矩阵运算等，大量使用了乘法运算。 4 ) 采用循环地址、位倒序等特殊指令，使f f t ，卷积等运算中的寻址、排序及 计算速度大大提高，计算1 0 2 4 点f f t 的时间己小于1 m 5 ) 独立的d m a 总线和控制器。具有一组或多组独立的d m a 总线，与c p u 的程序、 数据总线并行工作。目前，在不影响c p u i 作的条件下，d m a 速度己达8 0 0 m b s 以上。 6 ) 具有完全支持多处理器的结构特征，使多个处理器可以很方便地并行或串行 工作以提高处理速度。 7 ) 采用j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 标准测试接口( i e e e l l 4 9 标准接口) ， 便于对d s p 作片上的在线仿真和多d s p 条件下的测试。 总之，数字信号处理器的发展经历了采用哈佛结构代替传统的冯诺伊曼体系 结构，开发适合数字信号处理特点硬件结构，提高单片处理能力，为满足多处理系 统需要而在保留已有优点的前提下，提高了单片处理器的处理能力。基于d s p 芯片的 强实时处理能力、高精度运算能力、强大的数据通信能力、灵活的可编程性及低功 耗性，文中采用其作为核心部件用来完成信道纠错编码算法的实时实现。 t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列是目前的数字信号处理器中性能最高的产品。最新数 据表明，仅仅两年多的时间内，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列数字信号处理器就已经在总价值为 1 5 亿美元的嵌入式产品设计中被选为数字信号处理器的解决方案，是推动数字信号 处理技术发展的一个标志性产品。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章d s p 器件概述 2 1 d s p 芯片的分类 d s p 芯片可以按照下列三种方式进行分类。 1 ) 按基础特性分 这是根据d s p 芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率范围内 的任何时钟频率上，d s p 芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下 降，这类d s p 芯片一般称为静态d s p 芯片。例如，日本o k i 电气公司的d s p 芯 片、t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 x x 系列芯片属于这类。 如果有两种或两种以上的d s p 芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚结 构相互兼容，则这类d s p 芯片称为+ 致性d s p 芯片。例如，美国t i 公司的 t m s 3 2 0 c 5 4 x 就属于这一类。 2 ) 按数据格式分 这是根据d s p 芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的d s p 芯 片称为定点d s p 芯片，如t i 公司的t m s 3 2 0 c l x c 2 x 、1 m s 3 2 0 c 2 x ) ( c 5 x 、 t m s 3 2 0 c 5 4 x c 6 2 x x 系列，a d 公司的a d s p 2 1 x x 系列，a t & t 公司的d s p l 6 1 6 a ， m o t o l o r a 公司的m c 5 6 0 0 0 等。以浮点格式工作的称为浮点d s p 芯片，如t i 公司的 r m s 3 2 0 c 3 ) ( c 4 c 8 x ，a d 公司的a d s p 2 1 x x x 系列，a t & t 公司的d s p 3 2 3 2 c ， m o t o l o r a 公司的m c 9 6 0 0 2 等。 不同浮点d s p 芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的d s p 芯片采用自定义 的浮点格式，如t m s 3 2 0 c 3 x ，而有的d s p 芯片则采用i e e e 的标准浮点格式，如 m o t o r o l a 公司的m c 9 6 0 0 2 、f u j i t s u 公司的m b 8 6 2 3 2 和z o r a n 公司的z r 3 5 3 2 5 等。 3 ) 按用途分 按照d s p 的用途来分，可分为通用型d s p 芯片和专用型d s p 芯片。通用型 d s p 芯片适合普通的d s p 应用，如l 、i 公司的一系列d s p 芯片属于通用型d s p 芯 片。专用d s p 芯片是为特定的d s p 运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤 波、卷积和f f t ，如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 2 0 0 ，z o r a n 公司的z r 3 4 8 8 1 ，l n m o s 公 司的i m s a l o o 等就幅于专用型d s p 芯片。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 2d s p 芯片的选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯片的选择 应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场合、应用目的 等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应考虑 到如下诸多因素。 i d s p 芯片的运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标， 也是选择d s p 芯片时所需要考虑的一个主要因素。d s p 芯片的运算速度可以用以 下几种性能指标来衡量： ( 1 ) 指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以n s ( 纳秒) 为单位。如 t m s 3 2 0 l c 5 4 9 _ 8 0 在主频为8 0 m h z 时的指令周期为1 2 5 n s ； ( 2 ) m a c 时间：即次乘法规上一次加法的时间。大部分d s p 芯片可在个指 令周期内完成一次乘法和加法操作，如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 - 8 0 的m a c 时间就是1 2 5 n s ； ( 3 ) f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时问。由于f f t 运算涉及 的运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡量d s p 芯片运 算能力的一个指标； ( 4 ) m i p s ：即每秒执行百万条指令。如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的处理能力为8 0m i p s ， 即每秒可执行八千万条指令； ( 5 ) m o p s ：即每秒执行百万次操作。如t m s 3 2 0 c 4 0 的运算能力为2 7 5m o p s ； ( 6 ) m f l o p s ：即每秒执行百万次浮点操作。如t m s 3 2 0 c 3l 在主频为4 0 m h z 时的处理能力为4 0m f l o p s ； ( 7 ) b o p s ：即每秒执行十亿次操作。如t m s 3 2 0 c 8 0 的处理能力为2b o p s 。 2 d s p 芯片的价格。d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需考虑的一个重要 因素。如果采用价格昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受到一定 的限制，尤其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况，需确定一个价格适中的 d s p 芯片。当然，由于d s p 芯片发展迅速，d s p 芯片的价格往往下降较快，因此 在开发阶段选用某种价格稍贵的d s p 芯片，等到系统开发完毕，其价格可能已经下 降一半甚至更多， 3 ，d s p 芯片的硬件资源。不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同的，如 片内r a m 、r o m 的数量，外部口丁扩展的程序和数据空间，总线接口，i 0 接口等。 即使是同一系列的d s p 芯片( 如t i 的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列) ，系列中不同d s p 芯片 也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。 4 d s p 芯片的运算精度。一股的定点d s p 芯片的字长为1 6 位，如t m s 3 2 0 系列。但有的公司的定点芯片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等。浮点芯片 北京邮电大学硕士研究生学位论文 的字长一般为3 2 位，累加器为4 0 位。 5 d s p 芯片的歼发工具。在d s p 系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。 如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能的。如果有 功能强人的开发工具的支持，如c 语言支持，则开发的时间就会大大缩短。所以， 在选择d s p 芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发工 具。 6 d s p 芯片的功耗。在某些d s p 应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问 题。如便携式的d s p 设备、手持设备、野外应用的d s p 设备等都对功耗有特殊的 要求，目前，3 3 v 供电的低功耗高速d s p 芯片已大量使用。 7 其他。除了上述因素外，选择d s p 芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、 供货情况、生命周期等。有的d s p 芯片可能有d i p 、p g a p l c c 、p q f p 等多种封 装形式。有些d s p 系统可能最终要求的是工业级或军用级标准，在选择时就需要注 意到所选的芯片是否有工业级或军用级的同类产品。如果所设计的d s p 系统不仅仅 是一个实验系统，而是需要批量生产并可能有几年甚至十几年的生命周期，那么需 要考虑所选的d s p 芯片供货情况如何，是否也有同样甚至更长的生命周期等。 在上述诸多因素中，般而言，定点d s p 芯片的价格较便宜，功耗较低，但运 算精度稍低。而浮点d s p 芯片的优点是运算精度高，且c 语言编程调试方便，但 价格稍贵，功耗也较大。例如t i 的t m s 3 2 0 c 2 x x c 5 4 x 系列属于定点d s p 芯片， 低功耗和低成本是其主要的特点。而t m s 3 2 0 c 3 ) ( c 4 ) ( ，c 6 7 x 属于浮点d s p 芯片， 运算精度高，用c 语言编程方便，开发周期短，但问时其价格和功耗也相对较高。 d s p 应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的d s p 芯片的基础。运算 量小则可以选用处理能力不是很强的d s p 芯片，从而可以降低系统成本。相反，运 算量大的d s p 系统则必须选用处理能力强的d s p 芯片，如果d s p 芯片的处理能力 达不到系统要求，必须用多个d s p 芯片并行处理。那么如何确定d s p 系统的运 算量以选择d s p 芯片呢? 下面我们来考虑两种情况。 1 按样点处理 所谓按样点处理就是d s p 算法对每一个输入样点循环。次。数字滤波就是这种 情况。在数字滤波器中，通常需要对每一个输入样点计算一次。例如，一个采用l m s 算法的2 5 6 抽头的自适应f i r 滤波器，假定每个抽头的计算需要3 个m a c 周期， 则2 5 6 抽头计算需要2 5 6 3 = 7 6 8 个m a c 用期。如果采样频率为8 k h z ，即样点之 问的间隔为1 2 5 p s ，d s p 芯片的m a c 周期为2 0 0 n s ，则7 6 8 个m a c 周期需要1 5 3 6 p s 的时间，显然无法实时处理，需要选用速度更高的d s p 芯片。表2 1 示出了两种信 号带宽对三种d s p 芯片的处理要求，三种d s p 芯片的m a c 周期分别为2 0 0 n s 、 5 0 n s 和2 5 n s 。从表中可以看出，对话带的应用，后两种d s p 芯片可以实时实现， 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 对声频应用，只有第三种d s p 芯片能够实时处理。当然，在这个例子中，没有考虑 其他的运算量。 表2 1 用d s p 芯片实现数字滤波 采样 采样 2 5 6 抽头每样点允许 应用l m s 滤波 m a c 每样点允许每样点允许 m a cm a c 领域 fk h 周期 运算量指令数 ( 1 x s ) 指令数( 5 0 n s )指令数( 2 5 n s ) zj ( m a c 数)( 2 0 0 n s ) 话音 81 2 57 6 86 2 52 5 0 05 0 0 0 声频 4 4 1 7 77 7 6 8 1 1 34 5 3 9 0 7 2 按帧处理 有些数字信号处理算法不是每个输入样点循环一次，而是每隔一定的时问间隔 ( 通常称为帧) 循环，一次。例如，中低速语音编码算法通常以l o m s 或2 0 m s 为一帧， 每隔1 0 m s 或2 0 m s 语音编码算法循环一次。所以，选择d s p 芯片时应该比较一帧 内d s p 芯片的处理能力和d s p 算法的运算量。假设d s p 芯片的指令周期为p ( n s ) ， 一帧的时间为a t ( t l s ) ，则该d s p 芯片在一帧内所能提供的最大运算量为t ，p 条 指令。例如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 - 8 0 的指令周期为1 2 5 n s ，设帧长为2 0 m s ，则一帧内 t m s 3 2 0 l c 5 4 9 - 8 0 所能提供的最大运算量为1 6 0 万条指令。因此，只要语音编码算 法的运算量不超过1 6 0 万条指令，就可以在t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 上实时运行。 2 3d s p 系统设计流程 总的来说，d s p 系统的设计还没有非常好的正规设计方法。图2 i 所示是d s p 系统设计的一般过程。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 d s p 应用 + 定卫系统性能指标 上 选择dsp 芯片 软什编程 硬件设计 上 被件诵试 硬件滑谨 至互 三三困 图2 1d s p 系统的设计流程 在设计d s p 系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、 信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来 描述。 第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的最 终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统 性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数字信号 处理的算法( a l g o t i t h m ) ，因此这一步也称算法模拟阶段。例如，语音压缩编码算 法就是要在确定的压缩比条件下，获得最佳的合成语音。算法模拟所用的输人数据 是实际信号经采集而获得的，通常以计算机文件的形式存储为数据文件。如语音压 缩编码算法模拟时所用的语音信号就是实际采集而获得并存储为计算机文件形式 的语音数据文件。有些算法模拟时所用的输人数据并不一定要是实际采集的信号数 据，只要能够验证算法的可行性，输入假设的数据也是可以的。 在完成第二步之后，接下来就可以设计实时d s p 系统，实时d s p 系统的设计包括硬 件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度 的要求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的o s p 芯片。然后设计d s p 芯片的外围电路及其他电路，软件设计和编程主要根据系统要求和所选的d s p 芯片 编写相应的d s p 汇编程序，若系统运算量不大且有高级语言编译器支持，也可用高 级语言( 如c 语言) 编程。由于现有的高级语言编译器的效率还比不上手工编写汇 编语言的效率，因此在实际应用系统中常常采用高级语言和汇编语言的混合编程方 法，即在算法运算量大的地方，用手i i 编写的方法编写汇编语言，而运算量不大的 地方则采用高级语言。采用这种方法，既可缩短软件开发的周期，提高程序的可读 性和可移植性，又能满足系统实时运算的要求。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 d s p 硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一般 借助于d s p 开发工具，如软件模拟器、d s p 开发系统或仿真器等。调试o s p 算法时 r 一般采用比较实时结果与模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输入相同， 则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情况进行调试。硬件调 试一般采用硬件仿真器进行调试，如果没有相应的硬件仿真器，且硬件系统不是十 分复杂，也可以借助于一般的工具进行调试。 系统的软件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用 系统上运行。当然，d s p 系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的过程， 虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上模拟环境不可能做到 与实时系统环境完全一致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能 够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行，则必须重新修改 或简化算法。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章固定宽带无线接入系统简介 3 1 固定宽带无线接入系统的工作环境 对于任何一个通信系统，信道都是必不可少的组成部分。信道按传输媒质分为 有线信道和无线信道。有线信道包括架空明线、电缆及光纤；无线信道中有中、长 波地表面波传播，短波电离层反射传播，超短波和微波直射传播以及各种散射传播。 根据信道特征参数随外界各种因素的影响而变化的情况，信道又分为恒参信道和变 参信道。恒参信道是指其传输特性的变化量机器微小，且变化速度极慢，或者说， 在足够长的时问内，其参数基本不变；变参信道是指传输特性随时问的变化较快。 无线信道为典型的变参信道。 在固定宽带无线通信中，由于周围的物体或者客户终端本身处在运动状态之中， 电波传播的条件随着移动而发生较大的变化，接收信号的场强起伏也很大，可达几 十分贝，容易出现严重的衰落现象。接收信号出现严重的衰落现象是无线通信电波 传播的一个基本特点。 不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。对工作于v h f 和u h f 频 段和更高频段的无线通信来说，电波传播的方式主要是空间波，即直射波、折射波、 散射波以及它们的合成波。固定无线揍人系统的c p e 处于城市建筑群落之中或处于 地形复杂的区域，其天线将接收从多条路径传来的信号，再加其本身的可能的运动， 使得c p e 和基站之间的无线信道多变且较难控制。与有线通信信道相比，无线信道 环境相对要复杂。例如，模拟有线信道中典型的信噪比约为4 6 d b ，也就是说，信号 电平要比噪声电平高4 0 0 0 0 倍。而且对有线信道来说，其传输质量是可以控制的。 通过选择合适的材料与精心加工，可以确保在有线传输系统中有一个相对稳定的电 气环境。有线传输线路中，信噪比的波动通常不超过卜2 d b 。只有当某段线路运行 了相当长一段时间后，由于线路损坏逐步带来的损耗也许可达10 - 1 5 d b ，但在这种 情况下，就需要对这段线路进行更新了。与此相对照，陆地无线信道中信号强度的 骤然降低即所谓衰落是经常发生的，在城市环境中，一秒钟之内的显著衰落可达数 十次。这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信可靠性。同时，如果需要 建立蜂窝通信，则同频干扰也是一个必须考虑的问题。当发生衰落时，要接收的信 号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在错误信号上。模拟 无线通信可多采用调频传号，调频方式的捕获效应对同频干扰有一定的抑制作用。 而衰落现象会显著改变调频信号特性，消弱其捕获效应。对于数字无线传输来说， 衰落将使比特误码率( b e r ) 大大增加。与此相对照，有线信道中能够很好工作的语 北京邮电大学硕士研究生学位论文 音编码器、调制解调器和同步装置在无线移动环境中工作性能也将会恶化。无线信 道的衰落特性取决于无线电波传播环境。不同的环境，其传播特性也不尽相同。例 如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同， 两者的信道特性也大有差异。而传播环境本身是相当复杂的，这就使得无线信道特 性也是十分复杂的。要在这样的传播条件下保持高速高质量的数据传输，就必须采 用各种技术措旗来抵消衰落的不利影响，物理层技术显得尤其重要。这就是各种抗 衰落技术，包括分集、扩频跳频、均衡、交织和纠错编码等。另外，信号传输方 式，如调制方式，对信道中的衰落也要有一定的适应能力。许多抗衰落实用技术已 成功地应用于模拟无线系统。在数字无线通信中，针对数字传输的特点又发展出许 多新技术。各种抗衰落技术和数字传输技术的研究对发展数字无线通信系统是十分 重要的。 3 1 1 无线信道的传输特性 由于前述的各种因素影响，无线信道呈现出很强的随机时变性。无线信道的这 种随机性和时变性大致可以划分为三类： 1 ) 自由空问的传播损耗，主要是距离和频率的函数； 2 ) 阴影衰落，这主要是由于传播环境的地形起伏、建筑等障碍物对电波的 遮蔽作用引起的； 3 ) 多径衰落，它是由于无线移动环境中的特有多径现象造成的。 实测表明：这三种效应表现在不同的距离范围。从无线系统工程的角度，前两种 效应属于大尺度效应( l a r g e - s c a l ee f f e c t s ) ，主要影响无线通信的距离或者无线区 的覆盖范围，通过合理的天线布局等设计可以消除或减小其不利影响：而后一种效 应属于小尺度效应( s m a n s c a l ee f f e c t s ) ，在数十个波长范围或极短时阏内呈现快 速剧烈的随机性起伏，从而严重影响信号传输质量，这是我们在通信系统中需要特 别关注的问题。 1 大尺度效应 大尺度效应描述接收信号的平均功率值随接收机与发射机之间长距离( 几百 甚至几千米) 变化的情况。无线电波在自由空间内传输，信号功率会随着传播距离的 增加丽减小。这会影响系统产生不利的影响，最简单的大尺度路径损耗的模型为： 三：妥：k 式( 3 - 1 ) pd 其中只只表示本地平均接收信号功率，p 表示发射功率，d 是发射机与接收机之间 的距离。大量的实际测量表明，当d 小于15 k m 时，y 可取3 4 ，否则取5 6 。 由此可以得到平均的信号噪声比( s n r ) 为： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 s n r ：拿：k 皂一上 式( 3 _ 2 ) p ，d 7n o b 。 其中。是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽 的常数。如果为保证可靠接收，要求s n r s n r 。，则易得如下表达式： b 堡 d 7 n o s n r o 式( 3 - 3 ) r矿p、彤 d l 二= = l i式( 3 4 ) l n o b s n r oj 可见，如果不采用其它特殊的技术，则当发射机与接收机之间的距离比较 大时，数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很大的限制。 2 小尺度效应 小尺度效应描述的是无线信号在经过短距离或是短时间传播，以至不考虑大 尺度路径损耗的情况下，接收机接收到的信号幅度剧烈起伏的现象。 在小尺度范围内，我们主要关心无线信道的两种特性。首先是信道的多径问 题，由于复杂的信道环境，使得一个发送信号经过不同路径产生多个接收信号。 当各路径有不同延时，多径信道将使接收信号产生时延扩展。其次是无线信道的 时变问题。当接收机、发射机或者通信媒介的移动，将引入d o p p l e r 频移，即无 线信道产生时变现象。 影响小尺度衰落的因素主要有四个：多径传播、移动台的运动速度、环境物体的 运动速度和信号的传输带宽。多径传播产生的时延扩展可以引起时间色散 以及频率选择性衰落，移动台和环境物体的运动产生的多普勒扩展就会引起频率 色散以及时问选择性衰落。 1 ) 多径时延和相干带宽 无线移动信道的主要持征就是多径传播，即