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標題：TD-SCDMA系統(tǒng)基帶處理的DSP+FPGA實現方案
1樓
胡小芳 發(fā)表于：2010-12-18 16:27:20摘要：本文在分析TD-SCDMA系統(tǒng)基帶處理方案的基礎上，提出了一種在性能、靈活性和性價比方面都比較理想的DSP+FPGA基帶發(fā)送的實現方案。
關鍵詞：TD-SCDMA；基帶處理；DSP；FPGA
引言移動通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網絡優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單 {4g1F+m Y F%y&K$h
和傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)相比，第三代移動通信的最大特點在于能支持多種速率的業(yè)務，從話音到分組數據，再到多媒體業(yè)務，并能根據具體的業(yè)務需要，提供必要的帶寬，數據處理量非常大。然而，對不同速率業(yè)務的基帶處理，所需的存儲量、運算量以及處理延時差異很大。因此，采用何種硬件結構才能有效地處理各種業(yè)務是本文所要探討的問題。 mscbsc 移動通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術資料，是國內領先專注于通信技術和通信人生活的社區(qū)。%?5v){/j$|#R9q
本文首先介紹TD-SCDMA系統(tǒng)無線信道的基帶發(fā)送方案，說明其對多媒體業(yè)務的支持及實現的復雜性。然后，從硬件實現角度，進行了DSP和FPGA的性能比較，提出DSP+FPGA基帶發(fā)送的實現方案，并以基站分系統(tǒng)(BTS)的發(fā)送單元為例，具體給出了該實現方案在下行無線信道基帶發(fā)送單元中的應用。
TD-SCDMA基帶發(fā)送方案8n*[7X0o'j4}9X3r+N
TD-SCDMA系統(tǒng)的基帶處理流程如圖1所示。其中，傳輸信道編碼復用包括以下一些處理步驟：CRC校驗、傳輸塊級聯(lián)/分割、信道編碼、無線幀均衡、第1次交織、無線幀分割、速率匹配、傳輸信道復用、比特擾碼、物理信道分割、第2次交織、子幀分割、物理信道映射等，如圖2所示。
實現方案 移動通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網絡優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單$\5T S.|2m
本文提出了DSP＋FPGA線性流水陣列結構的實現方案：使用DSP與大規(guī)模FPGA協(xié)同處理基帶發(fā)送數據。該處理單元以DPS芯片為核心，構造一個小的DSP系統(tǒng)。
在基帶處理單元中，低層的信號預處理算法處理的數據量大，對處理速度的要求高，但運算結構相對比較簡單，因而適于用FPGA進行硬件實現，這樣能同時兼顧速度及靈活性。相比之下，高層處理算法的特點是所處理的數據量較低層算法少，但算法的控制結構復雜，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP芯片來實現。 mscbsc 移動通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術資料，是國內領先專注于通信技術和通信人生活的社區(qū)。'p2s-L(T7i(^'O9U9s*W
DSP處理器利用其強大的I/O功能實現單元電路內部和各個單元之間的通信。從DSP的角度來看，FPGA相當于它的協(xié)處理器。DSP通過本地總線對FPGA進行配置、參數設置及數據交互，實現軟硬件之間的協(xié)同處理。DSP和FPGA各自帶有RAM，用于存放處理過程所需要的數據及中間結果。除了DSP芯片和FPGA外，硬件設計還包括一些外圍的輔助電路，如Flash EEPROM、外部存儲器等。其中，Flash EEPROM中存儲了DSP的執(zhí)行程序；外部存儲器則作為FPGA的外部RAM擴展，用于存放數據處理過程中所需的映射圖樣。 | 國內領先的通信技術論壇#\9[ S3V!b5g9v
基帶處理單元的需求估計 mscbsc 移動通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術資料，是國內領先專注于通信技術和通信人生活的社區(qū)。$}6p;Q,c1~ x5P2`%f
基帶處理單元的需求估計主要包含以下兩個方面：
1.各個業(yè)務傳輸通道的數據處理：以對稱情況下無線信道承載的最高業(yè)務速率384kbps為例進行分析。傳輸塊大小為336bit，24塊級聯(lián)，加上CRC，系統(tǒng)在1個10ms幀內所要處理的最大數據量為8448bit：根據3GPP協(xié)議TS 25.222規(guī)定的下行數據基帶處理流程(見圖2)，并按固定位置復用的方式進行處理，每個數據位必須經過最多13個環(huán)節(jié)的處理過程，估算平均每環(huán)節(jié)上每比特的處理要求為23條指令。則10ms內必須完成的處理指令數是：8448×13×23=2525952條。對應的處理能力要求是252MIPS。 3w$M5q!L8U0R6{"t%L%y
2.消息處理：包含消息的解釋、對應控制參數的計算、發(fā)給對應的FPGA。估計不超過一條承載64kbps業(yè)務的無線信道的基帶數據處理的需求。 3N1]8|1E+l
綜合考慮上述兩個方面，則整個基帶數據處理的等效需求是： )p*u%_ g/l2w)~
(8448+2400)×13×23/10ms=324MIPS
以TMS320C5510為例，其主時鐘能工作在160MHz或200MHz，運算速度達400MIPS。基于C的軟件開發(fā)環(huán)境和匯編級并行處理的優(yōu)化程序，優(yōu)化后的并行執(zhí)行效率一般為80%，等效的處理能力為320MIPS。可見，若將整個基帶數據處理交給該DSP芯片完成，其處理能力無法滿足整個處理單元的需求，而且，隨著視頻電話、手機電視等大數據量業(yè)務的應用，數據處理需求量將更大。因此，在基帶處理的實現方案中，數據量小的業(yè)務，如隨路信令、AMR語音業(yè)務可由DSP處理；而數據量大的業(yè)務，如64kbps、144kbps和384kbps速率的業(yè)務，大部分處理環(huán)節(jié)由FPGA完成。具體實現如下：
?DSP作為主控單元，完成數據提取、消息解析和部分基帶數據處理功能，如第二次交織和成幀等；
?FPGA則在DSP的調度下完成基帶數據處理環(huán)節(jié)中大部分比較耗時的處理功能，如：CRC校驗、信道編碼、速率匹配等，在接收端可用于Viterbi譯碼、聯(lián)合檢測等。 移動通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網絡優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單.k"i9~!]*?:j*R"?
在384kbps業(yè)務信道加隨路信令的處理中，384Rbps業(yè)務數據由DSP通過同步高速接口，以DMA方式遞交給FPGA，在FPGA中處理；而隨路信令因其數據量小，在FPGA處理384kbps業(yè)務數據時，隨路信令數據在DSP中同時處理。此方法減少了數據處理時間，提高了處理速度。
結語 'x'A,A6?(H/T;}
本文介紹了一個軟硬件結合的設計方案。硬件電路的實際測試表明，該結構不僅在高速率業(yè)務的處理時延上符合規(guī)范要求，而且對不同類型的業(yè)務處理有較強的適應能力，滿足TD-SCDMA系統(tǒng)對多媒體業(yè)務傳輸的支持。移動通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網絡優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單$X8C+S;h9p5|
參考文獻：
1. 李小文，李貴勇，陳賢亮等.第三代移動通信系統(tǒng)、信令及實現. 北京：人民郵電出版社，2003-1www.mscbsc.com#l%H0z)S:V/o%R5` C0s(I
2. 3GPP TS 25.221 : "Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels ".[EB/OL]. [2002-12]
3. 張宗橙. 糾錯編碼原理和應用. 北京：電子工業(yè)出版社，2003-4
關鍵詞：TD-SCDMA；基帶處理；DSP；FPGA
引言移動通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網絡優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單 {4g1F+m Y F%y&K$h
和傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)相比，第三代移動通信的最大特點在于能支持多種速率的業(yè)務，從話音到分組數據，再到多媒體業(yè)務，并能根據具體的業(yè)務需要，提供必要的帶寬，數據處理量非常大。然而，對不同速率業(yè)務的基帶處理，所需的存儲量、運算量以及處理延時差異很大。因此，采用何種硬件結構才能有效地處理各種業(yè)務是本文所要探討的問題。 mscbsc 移動通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術資料，是國內領先專注于通信技術和通信人生活的社區(qū)。%?5v){/j$|#R9q
本文首先介紹TD-SCDMA系統(tǒng)無線信道的基帶發(fā)送方案，說明其對多媒體業(yè)務的支持及實現的復雜性。然后，從硬件實現角度，進行了DSP和FPGA的性能比較，提出DSP+FPGA基帶發(fā)送的實現方案，并以基站分系統(tǒng)(BTS)的發(fā)送單元為例，具體給出了該實現方案在下行無線信道基帶發(fā)送單元中的應用。
TD-SCDMA基帶發(fā)送方案8n*[7X0o'j4}9X3r+N
TD-SCDMA系統(tǒng)的基帶處理流程如圖1所示。其中，傳輸信道編碼復用包括以下一些處理步驟：CRC校驗、傳輸塊級聯(lián)/分割、信道編碼、無線幀均衡、第1次交織、無線幀分割、速率匹配、傳輸信道復用、比特擾碼、物理信道分割、第2次交織、子幀分割、物理信道映射等，如圖2所示。
圖1 TD-SCDMA基帶處理框圖
圖2 傳輸信道編碼復用結構
在圖2中，每個傳輸信道(TrCH)對應一個業(yè)務，由于各種業(yè)務對時延的要求不同，所以其傳輸時間間隔(TTI)是不同的，TTI可以是10ms、20ms、40ms或80ms。 | 國內領先的通信技術論壇&D'a&d0S2i4B'z實現方案 移動通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網絡優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單$\5T S.|2m
本文提出了DSP＋FPGA線性流水陣列結構的實現方案：使用DSP與大規(guī)模FPGA協(xié)同處理基帶發(fā)送數據。該處理單元以DPS芯片為核心，構造一個小的DSP系統(tǒng)。
在基帶處理單元中，低層的信號預處理算法處理的數據量大，對處理速度的要求高，但運算結構相對比較簡單，因而適于用FPGA進行硬件實現，這樣能同時兼顧速度及靈活性。相比之下，高層處理算法的特點是所處理的數據量較低層算法少，但算法的控制結構復雜，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP芯片來實現。 mscbsc 移動通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術資料，是國內領先專注于通信技術和通信人生活的社區(qū)。'p2s-L(T7i(^'O9U9s*W
DSP處理器利用其強大的I/O功能實現單元電路內部和各個單元之間的通信。從DSP的角度來看，FPGA相當于它的協(xié)處理器。DSP通過本地總線對FPGA進行配置、參數設置及數據交互，實現軟硬件之間的協(xié)同處理。DSP和FPGA各自帶有RAM，用于存放處理過程所需要的數據及中間結果。除了DSP芯片和FPGA外，硬件設計還包括一些外圍的輔助電路，如Flash EEPROM、外部存儲器等。其中，Flash EEPROM中存儲了DSP的執(zhí)行程序；外部存儲器則作為FPGA的外部RAM擴展，用于存放數據處理過程中所需的映射圖樣。 | 國內領先的通信技術論壇#\9[ S3V!b5g9v
基帶處理單元的需求估計 mscbsc 移動通信論壇擁有30萬通信專業(yè)人員，超過50萬份GSM/3G等通信技術資料，是國內領先專注于通信技術和通信人生活的社區(qū)。$}6p;Q,c1~ x5P2`%f
基帶處理單元的需求估計主要包含以下兩個方面：
1.各個業(yè)務傳輸通道的數據處理：以對稱情況下無線信道承載的最高業(yè)務速率384kbps為例進行分析。傳輸塊大小為336bit，24塊級聯(lián)，加上CRC，系統(tǒng)在1個10ms幀內所要處理的最大數據量為8448bit：根據3GPP協(xié)議TS 25.222規(guī)定的下行數據基帶處理流程(見圖2)，并按固定位置復用的方式進行處理，每個數據位必須經過最多13個環(huán)節(jié)的處理過程，估算平均每環(huán)節(jié)上每比特的處理要求為23條指令。則10ms內必須完成的處理指令數是：8448×13×23=2525952條。對應的處理能力要求是252MIPS。 3w$M5q!L8U0R6{"t%L%y
2.消息處理：包含消息的解釋、對應控制參數的計算、發(fā)給對應的FPGA。估計不超過一條承載64kbps業(yè)務的無線信道的基帶數據處理的需求。 3N1]8|1E+l
綜合考慮上述兩個方面，則整個基帶數據處理的等效需求是： )p*u%_ g/l2w)~
(8448+2400)×13×23/10ms=324MIPS
以TMS320C5510為例，其主時鐘能工作在160MHz或200MHz，運算速度達400MIPS。基于C的軟件開發(fā)環(huán)境和匯編級并行處理的優(yōu)化程序，優(yōu)化后的并行執(zhí)行效率一般為80%，等效的處理能力為320MIPS。可見，若將整個基帶數據處理交給該DSP芯片完成，其處理能力無法滿足整個處理單元的需求，而且，隨著視頻電話、手機電視等大數據量業(yè)務的應用，數據處理需求量將更大。因此，在基帶處理的實現方案中，數據量小的業(yè)務，如隨路信令、AMR語音業(yè)務可由DSP處理；而數據量大的業(yè)務，如64kbps、144kbps和384kbps速率的業(yè)務，大部分處理環(huán)節(jié)由FPGA完成。具體實現如下：
?DSP作為主控單元，完成數據提取、消息解析和部分基帶數據處理功能，如第二次交織和成幀等；
?FPGA則在DSP的調度下完成基帶數據處理環(huán)節(jié)中大部分比較耗時的處理功能，如：CRC校驗、信道編碼、速率匹配等，在接收端可用于Viterbi譯碼、聯(lián)合檢測等。 移動通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網絡優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單.k"i9~!]*?:j*R"?
在384kbps業(yè)務信道加隨路信令的處理中，384Rbps業(yè)務數據由DSP通過同步高速接口，以DMA方式遞交給FPGA，在FPGA中處理；而隨路信令因其數據量小，在FPGA處理384kbps業(yè)務數據時，隨路信令數據在DSP中同時處理。此方法減少了數據處理時間，提高了處理速度。
結語 'x'A,A6?(H/T;}
本文介紹了一個軟硬件結合的設計方案。硬件電路的實際測試表明，該結構不僅在高速率業(yè)務的處理時延上符合規(guī)范要求，而且對不同類型的業(yè)務處理有較強的適應能力，滿足TD-SCDMA系統(tǒng)對多媒體業(yè)務傳輸的支持。移動通信,通信工程師的家園,通信人才,求職招聘,網絡優(yōu)化,通信工程,出差住宿,通信企業(yè)黑名單$X8C+S;h9p5|
參考文獻：
1. 李小文，李貴勇，陳賢亮等.第三代移動通信系統(tǒng)、信令及實現. 北京：人民郵電出版社，2003-1www.mscbsc.com#l%H0z)S:V/o%R5` C0s(I
2. 3GPP TS 25.221 : "Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels ".[EB/OL]. [2002-12]
3. 張宗橙. 糾錯編碼原理和應用. 北京：電子工業(yè)出版社，2003-4
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