（信号与信息处理专业论文）固定宽带无线接入系统多径搜索和载波同步算法研究及dsp实现.pdf

北京邮i 乜人学彬! | j 倒f 究生学位论义摘要 固定宽带无线接入系统多径搜索和载波同步 算法研究及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、城域嘲的带宽，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等优势，倍受瞩目。随着o f d m 等新技术进入 应用，i e e e 8 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。 本文将要介绍的是一种固定无线接入系统的物理层结构和算 法，详细描述多径搜索和载波同步算法，文章将介绍固定无线接入 特别是宽带固定无线接入的技术特点。首先介绍固定宽带无线接入 系统的通信环境，包括无线信道的主要特点及其对通信产生的影响， 然后对一种固定宽带无线接入系统的系统模型和物理层技术实现做 北京邮l 也人学硕l ：研究生学位论文摘要 概括的介绍，包括系统硬件平台、功能模块结构、算法分析和实现。 最后详细讨论物理层技术中的多径处理和载波同步问题，作者的工 作包括了系统物理层构架设计、算法分析、程序编码、单元测试和 系统调试，论文中将详细介绍这砦内容。 通过对系统的分析、设计、实现、调试，作者学到了很多的东 西，也发现了一些问题，做出了很多思考。论文最后给出了作者在 开发过程中的一些心得和体会。 关键词：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 ) ，固定宽带无线接入( f b w a ) ，实时数据交换( r t d x ) 北京邮l 乜入学硕卜研究生学位论文 a b s t r a c t m u l t i p a t hs e a r c h s e l e c t i o na n dc a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sr e s e a r c ha n d d s pi m p l e m e n t a t i o no naf b w as y s t e m a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ee v o l u t i o no fs o c i a ii 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 s a 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 e c 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 s l 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 s ar 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 n o f c i r c u i to rp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r ka n da 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 m o b ili 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 工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 sp a p e r , t h ep h y s i c a ll a y e ra r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h m so fac e r t a i n f i x e dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e ma r ep r e s e n t e da n dt w oa l g o r i t h m s ，m u l t i p a t h s e a r c h & s e l e c t i o na n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i l f i r s to fa l l ，t h ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n to ff b w as y s t e m s ，i n c l u d i n g c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e i ri m p a c t st ot h es y s t e m si sg i v e n t h e n ， i 北京邮电人学硕十研究生学位论文a b s t r a c t 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 a tt h ee n d ，t w oi s s u e s ，m u l t i p a t hs e a r c h & s e l e c t i o n a n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ，w illb ed i s c u s s e di nd e t a il m y jo bc o v e r s t h ew h o l ep r o c e s so ft h es y s t e md e v e l o p m e n ti n c l u d i n gp h y s i c a ll a y e r a r c h i t e c t u r e d e s i g n ，a l g o r i t h ms i m u l a t i o n ，p r o g r a m m i n g ，u n i tt e s ta n d s y s t e md e b u g g i n g a n dt h i sp a p e rw i l lo n l yf o c u so np a r to ft h e s ejo b s a l o n gw i t ht h ea 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 ta 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 e e n do ft h ep a p e rs o m er 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 s e q u i p m e n t ( c p e ) ，d i g i t a ls 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 ) ，f i x e db r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s s ( f b w a ) ，r e a lt i m ed a t ae x c h a n g e ( r t d x ) 2 北京邮l 乜人学颁十研究生学位论文 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，也不包含为获得北京邮电大学或 其他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作了明确的说明并表示了谓 意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：趔! ：三：三! 一 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： 研究生在校攻读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羔年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期： 日期： 妒s - 3 ；o 北京邮l 也人学坝i ：研究生学位论文第章绪论 1 1 论文的意义 第一章绪论 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 同益丰富，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。其中移动接入又可分为高速和低速 两种。高速移动接入一般可用蜂窝系统、卫星移动通信系统、集群系统等。低 速接入系统可用p g n 的微小区和毫微小区，如c d m a 的w i l l 、p a c s 、p h s 等。固定接入是从交换节点到固定用户终端采用无线接入，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等优势，倍受瞩目。随 着o f d m 等新技术进入应用，i e e e 8 0 2 ) ( 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。这篇论 文是在某固定宽带接入系统的开发过程中积累起来的，体现了上文提到的研究 方向，总结了得失，以期能对更进一步的研究提供帮助 1 2 论文的内容及结构 作者在研究生阶段在某公司实习，参与了某固定宽带无线接入系统的研究 北京邮i u 人学坝i ：研究生学位论义 第章绪论 和丌发工作，本文是在这一基础上完成的，主要涵盖了作者这阶段学习、研 究、实现、调试的部分内容。 论文的结构如f ： 第一章 绪论。介绍了论文的写作意义，论文的主要内容和结构，以及作者 做的工作。 第二章 固定宽带无线接入系统的通信环境。主要从无线通信的信道特点出 发，结合宽带技术，讨论f b w a 系统通信的物理层技术难点，提 出论文的研究指向和意义。 第三章 固定宽带无线接入系统物理层模型。在系统开发过程中，作者在系 统结构设计上做了部分工作，对物理层功能结构比较熟悉，这一张 总结了物理层主要算法和核心的码字技术。 第四章多径搜索。详细讨论了f b w a 系统的多径处理问题，包括算法分 析，仿真，程序设计，d s p 资源分配和调试。 第五章初始载波捕获。详细讨论了f b w a 系统丌机过程中b s 与c p e 的 频率同步问题。并提出、分析、实现了一种可行的频率粗同步算法。 第六章 载波跟踪。详细讨论了f b w a 系统待机或业务交互过程中的频率 同步问题。并提出、分析、实现了一种可行的频率细同步算法，完 成了载波的跟踪问题。 第七章小结。作者在研究丌发过程中的一些心得特会，希望对进一步的研 究有指导意义。 在论文中，第三至六章的内容是作者的主要工作所在，由于篇幅所限和论 文的组织，第三章的内容没有在后面的章节全部详细展开，而是着重讨论了物 理层的三个算法和丌发过程中的d s p 使用问题。 北京邮i 乜人学帧i ：彬f 究生学位论文第二章f b w a 系统的丁作环境 2 1 引言 第二章f b w a 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，在足够长的时间内，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环境而发生较大的变化，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。固定无线接入系统的c p e ( 用户终 端设备) 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l - 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l o 15 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 北京邮i 乜人学颂i ：研究生学位论文第二章f b w a 系统的t 作环境 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丌阔的农村 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施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。 2 2 无线信道的主要特点 1 ) 传播的开放性： 一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传播的。 2 ) 接收点地理环境的复杂性与多样性： 一般可将地理环境划分为下列三类典型区域： - 高楼林立的城市中心繁华区： _ 以一般性建筑物为主的近郊小城镇区； - 以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。 3 ) 通信用户的随机移动性： - 慢速步行时的通信； 一 高速车载时的不间断通信。 本文研究的是固定无线宽带接入系统的传输环境，主要包括以下几个特点： - 大多为城市繁华区； _ 终端设备固定或低速移动； _ 由于周围物体的运动和环境的变化，衰落情况相当严重； - 系统的大范围覆盖，电磁波的传播经过的信道比较复杂。 北京邮l u 人学坝l ：研究生学位论义第二章f b w a 系统的工作环境 2 - 3 无线通信信道中电磁波传播的特点 由于上述的无线通信信道特点，电磁波传播也将产生相应的特点。由基站 或c p e 发射的f 乜磁波，会产生如下的传播方式： 1 ) 直射波：它指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。 由于无线固定接入系统主要利用2 g 至6 6 g 频段，电磁波传播损耗非常大， 直射是这一频段的主要传播方式。 2 ) 多径反射波：指从不同建筑物、地面或其他物体反射后到达接收点的传 播信号，其信号强度次之。 3 ) 绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度 与反射波相当。 4 ) 散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的漫反射后到达接收点的 传播信号，其信号强度最弱。 2 4 无线通信系统中信号的损耗 上述无线通信的主要特点及其带来的传播上的特点，对接收点的信号也会 产生相应的影响，在传播上产生三类不同的损耗。 2 4 1 路径传播损耗 又称衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观大 范围( 即公罩量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。一个全向 天线发送的无线电波在传输时是以球面波的形式向四周扩散。所以当假设在自 由空间中传播时，我们可以有： l = ( 4 ；r d f c ) 2 式( 2 一1 ) l 代表路径损耗，d 代表收发端的距离，f 代表无线电波频率，c 代表光速。 由上述说明可知无线电波由于传输方向上的不集中，绝大多数能量都没有达到 接收端。这和固定通信的情况有很大不同。 北京邮i 乜人学硕j ：研究生学位论文 第二章f b w a 系统的t 作环境 2 4 2 慢衰落损耗 它是由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应 而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生 的损耗，其变化率较慢故又称为慢衰落，由于慢衰落表示接收信号的长期变化， 所以又称长期衰落( 1 0 n g t e r m f a d i n g ) 。 一般认为慢衰落符合对数正态分布： p ( 聊) = ( 2 z c r 2 ) 。0 一e x p 一( 肌一m ) 2 ( 2 0 - ，2 ) 】 式( 2 2 ) 式中ol 为基于位置函数的标准方差，r n 代表场强中值，单位是d b ，m 代 表m 的均值。 2 4 3 快衰落损耗 它主要由于多径传播而产生的衰落，出于固定无线接入系统周围有许多散 射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合 成信号幅度表现为快速的起伏变化，它反映微观小范围内数十波长量级接收电 平的均值变化而产生的损耗，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快 衰落表示接收信号的短期变化，所以又称短期衰落( s h o r t t e r m f a d i n g ) 。 仔细划分快衰落又可分为以下三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落、 时间选择性衰落。所谓选择性是指在不同的空间，不同的频率和不同的时间其 衰落特性是不一样的。由于快衰落是由多径传播引起的，所以先介绍多径的概 念，再分别介绍三种快衰落。 - 可彼此分离的径 假设现在有两路信号分别是： x ( ，一f 1 ) = 厨。一l 1 ) c o s a ) 。o 一1 1 ) + 妒】 x o 一1 2 ) = 厨。一1 2 ) c o s o ) 。( ，一r 2 ) + 妒】 式( 2 3 ) 式( 2 4 ) 式中，p l 和p 2 是信号功率，t1 和t2 是多径时延，由是在( o ，2 ) 间均 匀分布的随机相位，c ( t ) 和d ( t ) 代表扩频序列和发送的数据。假设全相关的情况 下，扩频码的相关性十分尖锐： 北京1 1 5 1 l ! 1 人学顺l ：研究生学位论文第二章f b w a 系统的工作环境 即) ：jl 一掣牡一吖z 陋 i o ；h f 2i q v a l u e l ，则p a t h 2 _ p o s 即为从径位置。否则，认为 从径不存在。q 设为0 3 。如果要考虑一码片内的次径位置，则需要考虑脉 冲成型滤波器的影响，在主径位置确定后，需要消除主径相关值对次径相关 值的影响，就应该按照发送符号相关波形，在主径位置3 样值内减去主径 相关值。 ( 6 ) 如果需要或者分集接收能够满足需要的话，还可以算出第三径的位置。 4 2 3 相关器 上图中的相关器可由多种算法实现，如匹配滤波器，f f t 。同时也可以由 不同硬件平台实现，如f p g a ，d s p 等。这里使用的实现平台为d s p ，语言为 c 和t i 6 4 1 6d s p 汇编。下面讨论f f t 算法和滑动相关算法的性能比较。 一f f t 算法 d f t ( 离散傅立叶变换) 是为了便于在计算机上处理数字信号时频域变换 所提出的数学方法。而f f t 是它的快速算法。d f t 的运算量为2 ，而f f t 为： n l o g2n 式( 4 一1 ) 为了在时域上做相关，就等同于翻转本地码子与接收信号做卷积，这个过程相 当于两信号在频域上做乘积，再通过i f f t 变换到时域的过程。图4 3 为算法 北京邮电人学硕j 二研究生学位论文 第p q 章多径搜索算法原理及实现 框图： 图4 3f f t 相关器算法框图 参照图4 3 ，算法的流程如下所示： 1 ) 每帧中输入相关器的i 、q 两路接收数据长度为9 6 ( 码长) 4 ( 采样率) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 7 ) 8 ( 时隙数) + 6 4 ( 滑动长度) ，前面添加1 个0 后，分成长度为6 4 0 的5 个数据块( 最后一块长度为5 7 7 ) ，每块取其后面相邻的数据块前面的3 8 4 个数据组成长度为1 0 2 4 的数据块( 最后一块补上4 4 7 个o ) ，计算其f f t 。 长度为9 6 的本地码字经过4 倍重复采样后生成9 6 4 的数据，数据顺序翻 转后，在后面添加6 4 0 个0 后组成长度为1 0 2 4 的数据块，做f f t 变换后的 数据存放在r a m 里，在搜索过程中无需每次计算。 将两者f f t 变换后的信号进行复乘，复乘的结果进行1 0 2 4 点i f f t 变换， 并删除前面3 8 4 个数据，即可得到接收数据和本地下行同步码的相关结果。 窗口截取。从输出的每9 6 奉4 个相关结果中取前6 4 个值，即每时隙取其前 “个相关值。 计算实部和虚部的平方和，8 个时隙做累积。 选取最大值位置作为主径值。 除去主径位置相关值的影响，搜索次径位置。 滑动相关 o 两路长度为9 6 x4x1 6 + 6 4 的接收数据输入到6 4 个并行的滑动相关器 北京邮也人学硕i ：研究生学位论文 第l j q 章- 多径搜索算法原理及实现 中。各路相关器之问相隔一个样值，相关器进行相乘累加运算。 i q 算法框图如图4 4 ： 惮算二：一 i l o c a l lc o d ec + 累加 l 复秉卜 2 4x4 1 1 厂 ：t 翠4 8 * 4 ；善刚i 。u e s g d l芦加。仙 7 l 复秉 4 署0 j 7 i 一一i 一；2 4 4 厂 r 刊 _ 一也l i 图4 4 滑动相关器的算法框图 算法比较 两种算法的本质都是计算接收信号和本地下行同步码的相关，它们的性 能是一样的。下面比较它们的运算复杂度。 1 滑动相关每帧的运算量： 滑动相关复乘：9 6 * 4 * 8 * 6 4 加法：( 2 4 木4 1 ) 宰8 6 4 ( c 部) 2 q - 6 4 * 8 ( c 部、s 部相加) + 6 4 * 8 ( 平方和加 法) + 6 4 车( 8 一1 ) ( 时隙累加) 平方所需复乘：6 4 8 幸( 1 2 1 北京邮电人学顺j j 研究生学位论文第四章多径搜索算法原理及实现 2 f f t 每一帧所须完成的运算量： 复乘次数为：( 5 宰1 0 2 4 2 ) 木1 0 9 2 ( 1 0 2 4 ) ( f f t ) + 1 0 2 4 枣5 ( 频域乘法次数) + ( 5 牛1 0 2 4 2 ) 幸l 0 9 2 ( 1 0 2 4 ) ( i f f t ) + 6 4 木8 ( 1 2 ) ( 平方运算所需复乘个数) 加法次数：5 宰【1 0 2 4 率1 0 9 2 ( 1 0 2 4 ) ( f f t ) + 1 0 2 4 1 0 9 2 ( 1 0 2 4 ) ( i f f t ) + 6 4 0 ( 平 方和所需加法个数) 】+ 9 6 半( 8 一1 ) ( 时隙累加) 表4 一if f t 相关器和滑动相关器复杂度比较 ， ， 算法复乘次数帧“：实加次数帧 滑动相关1 9 6 8 6 49 8 7 5 2 f f t5 6 5 7 61 0 6 2 7 2 可见，f f t 算法的运算量乘法比滑动相关法的运算量小，加法两者相当。 系统可以考虑使用f f t 算法做相关，下面章节的设计和实现都是按照这一思路 来做的。 4 3 定点设计 4 3 1f f t 相关器 算法的定点设计见表4 一l ，信号位置参照图4 3 中的标志位置( 如a 为进入f f t 运算前的样值数据) ，其中格式的表示方法为( x ，y ) ，x 为数据有 效比特长度，y 为其中的整数位长度( 如( 8 ，1 ) 表示a 点数据有8 位有效位， 其中第一位为整数位) 。 表4 2 多径搜索算法定点设计( 1 ) u， 信号位置 ： 。输入格式7 ，。：重组方式，+ 。“。输入模式，j a ( 8 ，1 ) b ( 1 4 ，8 ) c ( 8 ，7 ) 切掉高3 位b i t 和低8 d ( 2 3 ，1 6 )( t z ，1 2 ) 位b i t e ( 1 0 ，7 ) 北京邮i u 人学硕l j 研究生学位论文 第四章多径搜索算法原理及实现 切掉高2 位b i t 和低7 f ( 2 0 2 0 ) ( 1 i ，1 1 ) 位b i t g( 1 2 ，1 2 ) 4 3 2 累加器 i f f t 之后得到的相关值要经过d s s f 的8 时隙累加，其定点设计如图4 5 ： g r - l 累加器 - 。 图4 5 累加器框图 g ( i f f t 后的相关值) ：( 1 2 ，1 2 ) r ( 8 时隙累积后的相关值) ：( 1 5 ，1 5 ) 4 3 3 减主径相关值 在主径位置找到以后，需要在相关值波形中消除主径波形的影响，他主要 依赖于发送滤波器和接收滤波器的特性，用主径波形乘以对应的系数，其定点 设计如图4 6 和表4 3 ： 图4 6 消除主径波形影响框图 北京邮i 乜人学颂1 j 研究生学位论文 第f n i 章多径搜索算法原理及实现 表4 3 多径搜索算法定点设计( 2 ) 信号位置输入格式 重组模式输出格式 h ( 8 ，0 ) i ( 1 5 ，1 5 ) 切掉高1 位b i t 和低8 j ( 2 3 ，1 5 )( 1 4 ，1 4 ) 位b i t k ( 1 6 ，1 6 ) l ( 1 6 ，1 6 ) 4 。3 4 门限值 有时候次径位置并不存在，或者在离很远的地方，或者能量值很小，这样 的次径对于分集接收来说没有什么意义，所以算法设计了一个门限值口，当次 径相关值低于口乘以主径相关值的时候，认为没有次径，其定点设计如图4 8 和表4 4 。 相关值 a l f a m p m u l n 图4 7 门限值比较框图 表4 4 多径搜索算法定点设计( 3 ) 、4 二i 7 ；，。& 二7 1 ，薹，输茁藉式蔓善霪 信号位置“ 一输入格式 ，j 。i 重组模式，：一，? m ( 1 5 ，1 5 ) n ( 8 ，1 ) 切掉高l 位b i t 和低7 p( 2 3 ，1 6 ) 位b i t ( 1 5 ，1 5 ) 北京邮电人学烦i j 研究生学位论义 第四章多径搜索算法原理及实现 4 4 算法实现 4 4 1 功能模块结构 - 1 2 3 4 下行多径搜索算法应包括下列主要功能模块 f f t 和i f f t 相关运算器( 1 0 2 4 点) ：计算本地同步l s 码和下行同步信道样 值的相关值 累积器：将相关器的运算结果累积 运算器：将累积器的值累加，找出主次两径 样值合并解扩 - 各个模块之问的交互关系如图4 8 图4 - 8 下行多径搜索算法模块交互关系 - 模块问的调用关系( 条件) 见表4 5 ： 北京邮电火学硕1 二研究生学位论义第四章多径搜索算法原理及实现 。卜行同步信道样值d s p 硬件中断和 传送完成 e d m a 多径搜索 函数调用 卜行同步信道解扩 任务调度 4 a 2 数据结构设计 在算法在d s p 的实现程序中，需要定义响应的宏和变量，这些变量一些是 局部的，仅供算法内部使用，另一些是全局的，是这个算法和外部的数据接口。 _ 宏定义 多径搜索算法实现需要定义下列宏4 ： 表4 6 多径搜索算法宏定义 描述名称值 频偏估计f f t d m u l t i p a t hc o r rf f tp o i n tn u m1 0 2 4 点数 - 数据变量定义 表4 7 是多径搜索算法需定义的数据变量5 ： 表4 7 下行多径搜索算法数据变量 ，r 一 ：，7 ” 。r 1 ： i o g 一一二接口对象 一 一名称一描述类型一大小 m 6c 7 g _ s 3 2 d m u t i p a t h _ d s 下行同步信道 y n c _ s a m p l e _ b u f f s a m p l e 数据 i n t 3 22 幸1 0 2 4ig 下行同步信道s a m p l e 值d m a 通道 目的地址 b u f - f e r 4 所有下行数据搜索算法相关宏均以d m u l t i p a t h 为标缀 5 所有载波捕获算法相关变量均以d m u l t i p a t h 为前缀。 6 i o m 分别指“输入变量”、“输出变量”、“中问变量” 7 全局局部标量 2 8 北京邮l 乜人学坝j ： o d z 生学位论文第四章多径搜索算法原理及实现 u s s f5 段f f t 计 u 3 2 f f t s e c t i o n u i n t l 6lil 数 4 s a m p l e st o l s ：s 3 2 d m u t i p a t h d s y n c _ s a m p l e _ s 3 2 d m u l t i p a t h c h i p 1 s y m b o l i n t 3 2 3 2 0 0 = 2 mlb u f f b u f f l 合) f ：数据 * 6 4 0 * 5 o 3 2 d s y n c d e s p r e a d b u f f 。 b u f f e r f f t 数据输出 l ：s 3 2 d m u t i p a t h _ d s y n c _ s a m p l e _ b s 3 2 d m u t i p a t h f f t o b u “- e ru f f 。 下行同步解扩 i n t 3 22 + 1 0 2 4ml ol ：s 3 2 d m u l t i p a t hi f f tb u f f u t b u f f 0 2 ：s 3 2 d m u t i p a t ha c c u mf f tb 的时候暂存i 路 s y m b o l u 行 i f f t 输入 s 3 2 d m u l t i p a t h i f f b u f 俺r 下行同步解扩i n t 3 22 幸1 0 2 4ml i = s 3 2 d m u t i p a t h f f t o u t b u f f t b u f fo s 3 2 d m u t i p a t h f f t o u t b u f f 的时候暂存q 路s y m b o l g _ s 3 2 d s y n c d e s p r e 部分解扩后的 卜行同步信道 i n t 3 22 奉1 6mg i s 3 2 d m u t i p a t hc h i p b u f ff a d b u f fo s 3 2 d m u l t i p a t h f f t o u t b u f f 数据 s 3 2 d m u t i p a t h a c c u 累积的f f t 数 i n t 3 2 3 2 0 0 = 6 ml i s 3 2 d m u t i p a t h f f t o u t b u f f m f f t b u f f据b u f f e r 4 0 * 5 s 3 2 d m u t i p a t 龟芝v a 多径主径数值 i n t 3 2lml i ：s 3 2 d m u t i p a t h a c c u m f f t b u f f i h e g _ u 16 d m u t i p a t 垃e 多径主径位置 u n t l 6lol l ：s 3 2 d m u t i p a t h ，a c c u m ，f f t b u f f p a t h s 3 2 d m u t i p a t h s v a 多径次径数值 i f n 3 21ml l ：s 3 2 d m u t i p a t h a c c u m f f t b u f f l l i e gu 1 6 d m u t i p a t h _ s 多径次径位置 u n t l 6lol l ：s 3 2 d m u t i p a t h a c c u h - f f t b u f f p a t h 4 a 3 程序流程 每个单独算法模块功能，是要在整个系统的框架下设计实现的，这就涉及 8 变量的输入变量，表示变量s 3 2 d m u h i p a l l l c h i p b u 铘是从变量s 3 2 d m m i p a 土l l d s y n c j 蛳p l e _ b u f | 计算得 来的 2 9 北京邮i 【1 人学硕l 二研究生学位论义 第p q 章多径搜索算法原理及实现 到模块功能程序在系统中的流程。图4 - - 9 给出了多径搜索算法在d s p 子系统 中的程序流程： 中断4 标识寄打器 i n t 4 f l a g r e g 为o x l 0 ，。_ - h 。“ 。_ 。_ - h - 。- 。_ _ _ - 。_ - - _ _ _ _ _ _ _ f p g a 卜行”1 步 信道样值处理t 中断4 标识寄存器 i n t 4 f l a g ，r e g 为o x li o x 2 l o x 4 图4 9 多径搜索算法在d s p 子系统中的程序流程 - 3 0 北京邮i 乜人学硕i