（通信与信息系统专业论文）基于picochip+pc203的lte系统基站物理层api的设计与实现.pdf

乙 。 7 ； t ，j，j，111j1i-，1_l1 北京邮电大学硕士学位论文 = 纛一嘲5 9 3 4 7 独创性( 或创新性) 声明 t l 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：墨媛一一 日期： 纠2 牟龇一 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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：雄隆丑幽 日期：麴皿，! 篁 北京邮电大学硕士学位论文基于p i c o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p ! 的设计和实现 北京邮电大学硕士学位论文基于p i c o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 基于p i c o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计与 实现 摘要 在“移动宽带化”的趋势下，为对抗w i m a x 系统的竞争3 g p p 启 动t l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ，l t e ) 系统的研究。l t e 系统的标准采用 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd e v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，o f d m ) 、 m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 等先进的无线传输技 术、扁平网络结构和全i p 系统架构，支持最大2 0 m h z 的系统带宽、 1 0 0 m b i f f s 的峰值速率和更短的传输延时，频谱效率达到3 g p pr 6 标准 的3 5 倍，是一项重大的革新。 本论文所涉及的项目是l t e f d d 系统基站物理层基带处理的设 计与实现，项目的设计包括以下三个部分：m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ， m a c ) 层与物理层之间的接口- - a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ， a p i ) 、下行发送链路和上行接收链路。本文主要从工程实现的角度详 细论述了m a c 层与物理层之间的接口一a p i 一的设计和实现。其中详 细论述了a p i 的架构和功能设计、a p i 各个子模块的功能和工作流程、 a p i 对m t p ( m e s s a g et r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，m t p ) 消息的处理以及 a p i 对上下行链路的各个业务信道及控制信道的调度等。本文所涉及 的开发项目是基于p i c o c h i p 平台进行设计和开发，因此主要针对 p i c o c h i p 芯片的特点，给出模块的详细设计。其中，a p i 所有的设计 以v h d l 和c 语言的形式进行实现。 本论文的内容主要分为四个部分：第一章介绍了l t e 技术的发 展背景和关键技术；第二章介绍了项目所基于的硬件平台p i c o c h i p 芯片及其相关的开发流程；第三章结合l t e 系统基站物理层基带处 理的数据链路的设计，介绍了a p i 与物理链路的接口；第四章详细的 介绍了a p i 的设计和实现。 最后，已经将所开发的a p i 代码下载到硬件开发环境中与l t e 测试终端进行了上下行链路的联合测试，结果证明，本文的设计和实 现是完全可行的。 关键词：l t e ，a p i ，p i c o c h i p ，m t p ，数据链路 系统基站物理层a p i 的设计和实现 1 北京邮电大学硕士学位论文 基于# e o c 瓢pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a p io fp h y s i c a ll a y e ro fl t e s y s t e mo np i c o c h i pp c 2 0 3 a b s t r a c t u n d e rt h et r o do f “m o b i l eb r o a d b a n d ，i no r d e rt oc o m p e t ew i t h w i m a x3 g p ps t a r t e dl t es y s t e m t h i s s y s t e ma d o p t s a d v a n c e d w i r e l e s st r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g i e s s u c ha s o f d m ( o r t h o g o n a l 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 ，o f d m ) ，m i m o ( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) ，e t c f l a tn e t w o r ks t r u c t u r ea n da l li ps y s t e m a r c h i t e c t u r e i tc a l ls u p p o r tm a x i m u m2 0m h z s y s t e mb a n d w i d t h ，i t sp e a k d a t ar a t ei s10 0 m b i t sa n di t st r a n s m i s s i o nd e l a yi sm u c hs h o r t e r s p e c t r a l e f f i c i e n c yo fl t es y s t e mi s3t o5t i m e so f3 g p pr 6 s ot h el t es y s t e m i sam a j o ri n n o v a t i o n t h ep r o j e c tw h i c ht h i s p a p e r i sb a s e do ni sad e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h ep h y s i c a ll a y e ro ft h eb a s es t a t i o ni nt h el t e s y s t e m t h i sp r o j e c ti n c l u d e st h r e ep a r t s ：a p lw h i c hi st h ei n t e r f a c e b e t w e e nm a cl a y e ra n dt h ep h y s i c a ll a y e r , t h ed o w n l i n kt r a n s m i t t e ra n d t h eu p l i n kr e c e i v e r t h i s p a p e rm a i n l y d i s c u s s e st h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no fa p if r o mt h ee n g i n e e r i n ga s p e c t ，w h i c hi n c l u d e st h e d e s i g no f s t r u c t u r ea n df u n c t i o n so ft h ea p i ，t h ef u n c t i o n sa n dw o r kf l o w 一 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i c o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p l 的设计和实现 o fe a c hm o d u l eo ft h ea p i ，p r o c e s s i n go nm t pm e s s a g e sa n dt h e s c h e d u l i n go nt h ep h y s i c a ll a y e r t h ep r o j e c td i s c u s s e di nt h i sp a p e ri s b a s e do nt h ep i c o c h i pp l a t f o r m ，s ot h ed e s i g ni sa l s oc o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i co ft h i sc h i p a tl a s t ，c o d i n go ft h ea p id e s i g ni sb a s e dca n d d l t h ec o n t e n t so ft h i s p a p e rm a i n l yi n c l u d ef o u rp a r t s ：i nt h ef i r s t c h a p t e ri t i n t r o d u c e sd e v e l o p m e n tb a c k g r o u n da n dk e yt e c h n o l o g i e so f t h el t es y s t e m ；i nt h es e c o n dc h a p t e ri ti n t r o d u c e st h ep i c o c h i pw h i c h t h i sp r o j e c ti sb a s e do na n di t sd e v e l o p m e n tf l o w ；i nt h et 1 1 i r dc h a p t e r c o m b i n i n gw i t ht h ed e s i g no fd a t a - p a t h ，i ti n t r o d u c e si n t e r f a c e sb e t w e e n a p ia n dt h ed a t a - p a t h ；i nt h ef o r t hc h a p t e ri ti n t r o d u c e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f t h ea p ii nd e t a i l a tl a s t ，t h ec o d eo ft h ea p ih a sb e e nd o w n l o a d e dt ot h eh a r d w a r e ， a n dt h ei n t e g r a t i o nt e s tw i t ht h ep h y s i c a ll a y e ri ss u c c e s s f u l i tp r o v e st h a t t h ed e s i g ni sf e a s i b l e k e y w o r d ：l t e ，a p i ，p i c o c h i p ，m t p , d a t a - p a t h ， 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i e o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 l t e 的目标和需求2 1 3l t e 物理层关键技术4 1 4论文工作安排5 第二章p i e o c h i p 芯片简介6 2 1 d s p 芯片的发展一6 2 2 d s p 芯片的分类6 2 3主流d s p 芯片介绍7 2 4 p i c o c h i p 简介一8 2 4 1p i e o a r r a y 的体系结构。8 2 4 2p i c o a r r a y 的端口和外围设备一9 2 4 3p i c o a r r a y 的复用方式。lo 2 4 4p i c o c h i pa e 类型1 2 2 4 5p i c o c h i p 开发流程l2 第三章a p i 与上下行物理链路的接口设计1 4 3 1 概述1 4 3 2物理链路的设计1 4 3 2 1 物理层的功能1 4 3 2 2l t e 系统物理层的技术特点1 5 3 2 3 复用与信道编码的一般流程1 5 3 2 4 物理信道与调制1 8 3 2 5a p i 与上下行物理链路的接口设计一2 2 3 3 本章小结2 3 第四章a p i 的设计和实现2 4 4 1 概述2 4 4 2a p i 在p c 2 0 3 上的设计2 4 4 2 1p c 7 2 0 3 的硬件结构2 4 4 2 2a p i 同m a c 之间的接口设计2 5 4 3 a p i 的功能和结构设计2 6 4 3 1a p i 的功能设计2 6 4 3 2a p i 的外部端口设计2 7 4 3 3a p i 的整体结构框图设计3 1 4 3 4a p i 各个模块的设计和实现一3 3 4 4a p i 对m t p 消息处理的实现。4 5 4 4 1m t p 消息的格式定义4 5 4 4 2l t e 系统m t p 消息的内容定义4 6 一咬 【r 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i c o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 - 4 4 3a p i 对m t p 消息的处理的时序关系4 7 4 4 4 a p i 内部模块对主要m t p 消息的处理5 0 4 5a p i 对物理链路的调度5 4 4 5 1 小区建立时a p i 的调度5 4 4 5 2a p i 对下行物理链路的调度5 7 4 5 3a p i 对上行物理链路的调度一5 9 4 6 本章小结6 l 第五章工作总结及进一步工作6 2 5 1 总结6 2 5 2论文工作展望6 2 参考文献“ 感谢6 5 作者攻读学位期间发表的学术论文目录6 6 一 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i c o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 1 1 研究背景 第一章绪论 o f d m 和m i m o 技术在2 0 世纪9 0 年代就已经开始研发，但直到最近几年 才开始对l t e 这样的宽带无线移动通信系统进行标准化。l t e 系统的技术创新 有如下一系列背景【1 】： 背景一：移动互联网业务发展的需要 随着移动互联网业务逐渐成为下一代无线通信的重点。这需要在如下几个 方面进行优化： 1 ) 从话音优化到数据优化 新一代宽带无线系统优化的重点从为话音业务优化转向为数据业务优化， 因此系统除了注重窄带业务，更注重提高宽带业务的效率。 2 ) 从覆盖优化到容量优化 话音业务对系统的主要需求是保证基本业务连续覆盖，而数据业务更注重 提高某些“热区”内的业务吞吐量。 3 ) 从用户容量优化到数据率容量优 据预测，未来系统8 0 - 9 0 的数据业务容量需求将集中在室内和热区内， 这种业务容量分布的不均匀为系统均匀覆盖的要求提供了更大的灵活性，系统 并不需要像话音蜂窝系统那样追求完全的均匀覆盖，允许在“热区”内和“热区” 外有一定性能差异。 上述诸多背景决定了l t e 的技术创新方向，即选择o f d m m i m o 这种带 宽大、峰值速率高、小区内吞吐量高的技术作为核心。 背景二：宽带无线接入和宽带移动通信的融合 “宽带接入移动化”趋势表现为：由大带宽向可变带宽( 有效支持小带宽) 演 变：由固定接入向支持中低速移动演变；由孤立热点覆盖向支持切换的多小区 组网演变；由数据业务向同时支持话音业务演变；由支持以笔记本电脑为代表 的便携终端，向同时支持以手机为代表的移动终端演变。 “移动通信宽带化”表现为：由5m h z 以下带宽向2 0m h z 带宽演变；由注 重高速移动向低速移动优化演变；由电路交换分组交换并重向全分组域演变； 由蜂窝网络向兼顾热点覆盖演变；终端形态由以移动终端为主向便携、移动终 端并重演变。 正是基于通信产业对“移动通信宽带化”的认识和应对“宽带接入移动化”挑 战的需要，3 g p p 研发和标准化了l t e 技术。 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i o o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 1 2l t e 的目标和需求 l t e 包含整个无线子系统即无线接口和无线网络结构的演进，其总体目标是 减小时延、提高用户数据速率、增强系统容量和覆盖能力、减小运营商的成本。 为了满足在不同频段和不同带宽部署的可能性，将同时考虑高于和低于5 m h z 的 带宽。o f d m 、m i m o 等技术已作为主要的候选关键技术。l t e 的目标和需求主 要包括性能、部署、演进、无线资源管理、复杂性、一般性的需求和其它需求等 2 1 1 3 1 o 1 性能方面 1 ) 性能方面的一个主要目标是提高吞吐量和频谱效率。 a ) 在2 0 m h z 带宽、下行u e 采用2 根接收天线、上行u e 采用1 根发射天 线情况下，峰值速率应达到下行1 0 0 m b i t s ，上行5 0 m b i t s 。 b ) l t e 的频谱效率应i ：匕r 6 版本提高2 4 倍，还要增加小区边沿的速率。 曲每比特成本将下降2 4 倍，用户可以花更少的钱享受到无线宽带服 务。若要实现上述目标，多天线技术( 如m i m o 技术) 等一些新技 术将是l t e 中必需的技术。 2 ) 减小时延也是性能提高的一个重要方面。目前，3 g p p 系统的无线网络内 传输时延都很大，这对一些响应速度要求很高的业务很难满足。所以l t e 提出e u t r a n 用户平面内部单向传输时间低于5 m s ，控制平面从睡眠状 态到激活状态的状态迁移时间小于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的状态 迁移时间小于l o o m s ，如图1 1 所示。 图1 - 1 控制平面状态迁移例图 e u t a n 在移动性方面的性能要求是对低速移动性优化，可以支持最高 2 。 l 纽 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i e o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 3 5 0 k m p h 的移动速度。这说明用户在低速移动情况下获得高的吞吐量，而在 3 5 0 k m p h 的高速列车上也可以通信。 2 部署和演进方面 1 ) 应支持灵活的带宽和频谱。可灵活支持1 2 5 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、 1 0 m h z 、l5 m h z 、2 0 m h z 的带宽，支持成对和非成对的频谱。因为全 球不同的运营商有不同部署需求和考虑。 2 ) 应支持与3 g 系统的共存和互通。与g s m 系统的实时业务的切换时延低 于1 5 0 m s ，与u t r a n 的实时业务的切换时延低于5 0 m s e u t r n 必须可以 和g s m u t r a n 使用相邻的信道共站址，例如u t r a n 可以使用1 9 2 0 - 1 9 2 5 m h z 的5 m h z 信道，则e i r r r a n 可以使用1 9 2 5 1 9 4 0 m h z 的1 5 m h z 信道与u t r a n 共站址。 3 无线管理资源管理方面 e u r a n 应支持增强的q o s 机制，提供优化的上层业务、应用和协议到无线 资源的映射和匹配。l t e 还应优化高层协议在无线接口的高效传输，例如进行p 报头压缩等。 4 复杂性方面 应最小化协议可选项的数量和减小不必要的必选功能。目前的3 g p p 协议中 有许多可选项和太多的必选项，这些都增大了协议的复杂性。另外，减小必需的 测试例数量，减小协议的状态数量，最小化协议流程数量、参数范围和颗粒度等 都是减小复杂度方面的需求。 5 一般性的需求 主要包括成本方面的需求、后向兼容性的需求和业务相关的需求。 1 ) 减小成本是e u r a n 的一个主要目标，主要通过以下几个方面实现： a ) 优化传输技术。 b ) 最大化重用现有站址、接v i 和协议以减小网络部署成本。 c ) 开发e u r t a n 接口。 d ) 减小复杂性。 e ) 简化e u t r a n 结构和接口。 f ) 更高效和易用的网管。 2 ) 后向兼容性最好是需要的，但是要仔细考虑后向兼容性对性能提升的潜 在影响。 3 ) 在业务支持方面，e u t r a n 应支持各种业务，包括现有的各种业务以及 一些新业务，如实时视频和p u s h t o x 等业务。对于v o l p 业务，应在无 线接口效率、传输效率和时延性能方面不差于u m t s 电路域语音业务。 3 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i c o c a i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 上述需求已在2 0 0 5 年6 月的r a n 全会上批准通过。从这些需求和目标中可以 看出，e u t r a n 的核心目标有两个，一个是提高吞吐量和频谱效率，二是降低成 本。这两个因素是制约无线宽度数据业务发展的瓶颈。实现了这些目标， e u t r a n 性能和能力将比h s d p a h s u p a 又有一个明显的飞跃。 1 3l t e 物理层关键技术 空中接口的物理层技术是无线通信系统的基础和标志。l t e 物理层关键技术 主要涉及以下几点【4 】【5 】。 1 o f d m 技术 o f d m 技术是l t e 系统的技术基础与主要特点，o f d m 系统参数设定对整个 系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是o f d m 系统的最基本参数。 经过理论分析与仿真比较最终确定为1 5 k h z ，上下行的最小资源块为3 7 5 k h z 。数 据到资源块的映射方式可采用集中( l o c a l i z e d ) 方式或离散( d i s t r i b u t e d ) 方式。 循环前缀c y c l i cp r e f i x ( c p ) 的长度决定了o f d m 系统的抗多径能力和覆盖 能力。长c p 利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但系统开销也会相应增加， 导致数据传输能力下降。为了达到小区半径l o o k m 的覆盖要求，l t e 系统采用长 短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：短c p 方案为基本选项，长c p 方 案用于支持l t e 大范围覆盖和多小区广播业务。 2 m i m o 技术 m i m o 技术作为提高系统传输速率的最主要手段，也受到了广泛的关注。 l t e 已确定m i m o 天线个数的基本配置是下行2 2 ，上行1 2 ，但也在考虑4 x 4 的高阶天线配置。虚拟m i m o 也被l t e 采纳为提高小区边缘数据速率和系统性能 的主要手段。另外，l t e 也在考虑采用小区干扰抑制技术来改善小区边缘的数据 速率和系统容量。 下行m i m o 方案相对较多，根据2 0 0 6 年3 月雅典会议报告，l t em i m o 下行 方案可分为两大类：发射分集和空间复用两大类。目前，考虑采用的发射分集方 案包括块状编码传送分集( s t b c ，s f b c ) 、时间( 频率) 转换发射分集( t s t d ， f s t d ) ；包括循环延迟分集( c d d ) 在内的延迟分集( 作为广播信道的基本方 案) ，以及基于预编码向量选择的预编码技术。其中预编码技术已被确认为多用 户m i m o 场景的传送方案。 3 调制技术及编码 高峰值传输速率是l t e 下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统下行 l o o m b i t s 峰值传输速率的目标，在3 g 原有的q p s k ，1 6 q a m 基础上，l t e 系统 增加t 6 4 q a m 高阶调制。 4 今 l q 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i o o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 l t e 上行方向关注的首要问题是控制峰均比，降低终端成本及功耗。l t e 除 了继续采用成熟的t u r b o 信道编码外，还在考虑使用先进的低密度奇偶校验 ( l i ) p c ) 码。 1 4 论文工作安排 本论文的主要内容共分为两部分，第一部分结合本项目所使用的开发环境 及芯片的特点，详细介绍了a p i 的结构和功能设计、a p i 各个子模块的详细功 能设计及工作流程；第二部分结合物理层下行发送链路和上行接收链路的设计 介绍了a p i 对物理层的全局控制和调度，并且分析了硬件联合测试的结果，验 证了设计的可行性。本论文的具体工作安排如下： 第一章绪论，介绍论文的研究背景，l t e 的关键技术以及论文的整体工作 安排。 第二章简要介绍了d s p 芯片的发展历程和特点，并介绍了本项目设计和 实现所采用的p i c o c h i p 芯片的特性。 第三章整个项目的整体架构介绍，从全局控制和调度的角度，简要的介绍 l t e 系统物理层上下行数据链路的特点。 第四章重点介绍a p i 的结构和功能的设计和实现。 第五章总结及下一步工作研究进展。 5 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i c o c h i pp c 2 0 3 的l i e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 第二章p i c o c h i p 芯片简介 2 1d s p 芯片的发展 d s p 芯片诞生于2 0 世纪7 0 年代末，至今已经得到了突飞猛进的发展，并经历 了以下三个阶段 6 1 。 第一阶段，d s p 的雏形阶段( 1 9 8 0 年前后) 。 1 9 7 8 年a m i 公司生产出第一片d s p 芯片$ 2 8 1 l 。1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布了 商用可编程d s p 器件i n t e l 2 9 2 0 ，由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运 算速度、数据处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指令周 期2 0 0 - - 2 5 0 n s ，应用领域仅局限于军事或航空航天部门。这个时期的代表性器件 主要有：i n t e l 2 9 2 0 ( i n t e l ) 、m p d 7 7 2 0 ( n e c ) 、t m s 3 2 0 1 0 ( t i ) 等。 第二阶段，d s p 的成熟阶段( 1 9 9 0 年前后) 。 这个时期的d s p 器件在硬件结构上更适合数字信号处理的要求，能进行硬件 乘法、硬件f f t 变换和单指令滤波处理，其单指令周期为8 0 - - 1 0 0 n s 。如t i 公司的 t m s 3 2 0 c 2 0 ，它是该公司的第二代d s p 器件采用了c m o s 铝i j 造工艺，其存储容 量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。2 0 世纪8 0 年代后期，以t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 0 为代表的第三代d s p 芯片问世，伴随着 运算速度的进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。这个时期的 器件主要有：t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 、3 0 、4 0 、5 0 系列等。 第三阶段，d s p 的完善阶段( 2 0 0 0 年以后) 。 这一时期各d s p 帝i j 造商不仅使信号处理能力更加完善，而且使系统开发更加 方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降。尤其是各种通 用外设集成到片上，大大地提高了数字信号处理能力。这一时期的d s p 运算速度可 达到单指令周期1 0 n s 左右，可在w i n d o w s 环境下直接用c 语言编程，使用方便灵 活，使d s p 芯片不仅在通信、计算机领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗透到人 们日常消费领域。目前，d s p 芯片的发展非常迅速。硬件方面主要是向多处理器的 并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上r a m 和r o m 、 程序加密、增力n i o 驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面发展。软件方面 主要是综合开发平台的完善，使d s p 的应用开发更加灵活方便。 2 2d 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。 6 舢 l j o 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i e o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 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 系列芯片属于这一类。 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 芯片称为一致性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1 m s 3 2 0 c 1 ) ( c 2 x 、1 m s 3 2 0 c 2 x x c 5 x 、 删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t m s 3 2 0 c 3 x c 4 x 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t 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 ， i l l m o s 公司的i m s a l 0 0 等就属于专用型d s p 芯片。 2 3 主流d s p 芯片介绍 目前生产d s p 芯片的厂家主要有t i 公司、a d 公司、m o t o r o l a 公司等。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t i 公司的一系y l j 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 ，i n m o s 公司的i m s a l 0 0 等就 属于专用型d s p 芯片。 本文d s p 模块设计是基 = p i c o c h i p 芯片。p i c o c h i p 器件已经应用在英特尔、 7 北京邮电大学硕士学位论文 基于p i c o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 爱立信、北电、等制造商的实际产品中。p i c o c h i p , 签, 片具有高性价比、易用等特 性。p i c o c h i p ：i 器件在一块硅晶片上集成了大约2 0 0 个甚至更多的独立的处理器内 核，实现了远远比各种传统单核d s p 性能高得多的1 0 0 g i p s 和2 5 g m a c 性能。 p i c o a r r a y n - 以用标准c 语言或者汇编程序实现可编程，使他们非常适合完整的软 件无线电系统，同时还提供适用于w i m a x 和w c d m a ( 包括h s d p a ，并可升级 到h s u p a ) 的完整的参考设计。 2 4 p i c o c h i p 简介 本项目所进行的开发在p i c o c h i p 的p i c o a r r a y 芯片上进行，其中p i c o c h i p 包括四个p i c o a r r a y 芯片芯片，下面介绍p i c o a n a y 芯片的结构特点及其开发流 程。 2 4 1p i c o a r r a y 的体系结构 p i c o a j r a y 采用并行结构，由大量的独立的小处理器组成。d s p 应用在逻辑上 可以被分为一系列可以互相通信的处理器，每个过程被分配给p i c o a r r a y 上一个指 定的处理器。p i c o t o o l s _ t _ 具为系统静态的分配处理器以及p i c o b u s 总线资源，因 此操作系统并是不需要的。静态分配资源的方式可以使系统的运行时间复杂度降 低。此外，它允许硬件处于节能模式，即允许大量的处理器阵列根据实际d s p 应 用情况与否决定是否分配功率。 如图2 1 所示，本图简明的展示了p i c o a n a y 的整体结构。图中每个标记为 p ”的方格代表了一个独立的处理器，也就是一个a e 。 众多的处理器按照栅格方式排列，由矩阵形式的总线保持相互通信，该总线 即称为p i c o b u s 总线。每个a e 与两条总线相连。图中处理器之间的线代表了 p i c o b u s 总线，而圆形代表了总线的交换设备。处理器之间的通信需要用信号来 实现。信号被映射到处理器之间i 拘p i c o b u s 总线的物理层每个分段之中。这些功 能是通过总线交换设备的设置实现的。图中大红色和蓝色的实线给出了特定处理 器之间连接路径的例子。 8 冷 l “ 北京邮电大学硕士学位论文基于p i c o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 。撇s w i t c h 细懈 翻p i c 岫 i n t e r l a c e 一自晓m p b s 神a a i 腑 图2 - 1p i c 0 a 册y 体系结构 每个a e 都有自己专有的指令和数据存储器，其大小与a e 类型相关。处理器 包含多个执行单元( e u ) ，每个长指令字( l r w ) 中可包含多达三个e u 的操作 指令，在一个时钟周期内可以并行执行三条指令，实现a e 内部e u 之间的并行处 理。每个a e 的时钟频率为1 6 0 m h z 。配置总线允许外部主处理器对每个a e 进行 单独编程，如加载内存和设置端口。a e 通过端口连接至l j p i e o b u s 总线，以实现相 互之间的通信，每个a e 的端口数与a e 类型相关。每个端口可以看作是一个单向 输入或输出信道，连接一个信源a e 到一个或多个信宿a e l 7 1 。 2 4 2p i c o a r r a y 的端口和外围设备 软件运行时，在a e 之间发送和接收逻辑数据所占用的精确时间可能与总线 分配的传输时间不是完全匹配。因此，在处理器和p i c o b u s 总线之间需要引入大 量的接口设备，称为端口。如图2 2 所示，这些端口为软件和总线定时提供缓冲。 软件中使用“p u t ”和“g e t ，来实现在端口之间转移数据，以及当分配给处理 器的时刻到来时发送和接收p i c o b u sl ：面的数据资源。 图2 2a e 的通信机制 除了各种类型的处理器和p i c o b u s 总线矩阵之外，每个p i c o a r r a y - 器件还具有 外部接e l ，可以和p i c o a r r a y 相连接的外围设备包括s r a m 、s d 洲以及多功能 9 北京邮电大学硕士学位论文基于p i e o c h i pp c 2 0 3 的l t e 系统基站物理层a p i 的设计和实现 主机处理器等。 一个重要的外围设备提供t p i c o a r r a y 设备之间集成连接的接口，称为i p i 。 这个接口扩t p i c o b u s , 总, 线通信协议，如图2 - 3 所示。这个功能在某种意义上使 多p i c 0 枷协同设计成为了可能【6 】。 2 4 3p i c o a r r a y 的复用方式 a e 之间的通信是p i c o b u s 总线时分复用的方式实现的，也就是说采用了资源 的共享方式。为了实现这种方式，处理器之间的逻辑信号被划分为时隙速率，时 隙速率依赖于在处理器之间传递数据时候实际需要的速率。这种速率在 p i c o v h d l 语言中用符号“ l l 表示，其中“n 表示时钟基本周期的个数。比 如，符号“ 4 ”就表示一段数据每隔四个时钟基本周期就发送一次，符号“ 2 就表示一段数据每隔两个时钟基本周期就发送一次，以此类推。 图2 _ 4 中给出了时分复用的一个例子。左侧图中d s p 系统共有五个处理器， 分别标记为“a 、“b ”、“c 、“d 和“x 。在几个处理器之间有信号 需要被传送，其时隙