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基带信号发生器的FPGA+DSP实现

2008-06-10来源: 现代电子技术 关键字:分组  基带  信道  物理  控制  编码  串并  映射
  1 引言

  第三代移动通信系统是为满足人们对宽带移动通信的要求而产生的,他除能提供传统的电路数据业务(语音和低速数据业务)以外还能提供最高达2 Mb/s的分组数据业务。CDMA2000技术是第三代移动通信系统的主要标准之一。本文主要探讨基带信号源中CDMA2000下行基带信号模块的实现方案。

  CDMA2000下行链路物理信道分为2类:一类是公共物理信道,一类是专用物理信道。其中公用物理信道包括:导频信道、同步信道、寻呼信道、广播信道、快速寻呼信道、公共功率控制信道、前向公共控制信道、公共指配信道。专用物理信道包括:前向专用辅助导频信道、专用控制信道、前向基本信道、前向补充码分信道(RC1,RC2),前向补充信道(RC3~RC9)。CDMA2000下行信道基带处理过程如图1所示。



  基本信息比特进行信道编码和交织处理后进行长码加扰以区分用户,然后数据流进行符号映射即将0变为+1,1变为1,经变换后的数据流再进行串并转换,即将串行数据变为并行数据,再经WALSH码扩频(区分信道),最后数据经基带滤波形成前向基带信号。

  其中的信道编码和交织进行的处理又包括加1位的保留位或标志位,加帧质量指示(CRC),加8位尾比特或保留位,卷积/Turbo编码和速率匹配等一系列操作。如图2所示。



  信道编码和交织处理过程如图2所示。在信息比特流加入了帧质量指示(循环冗余校验比特)和纠错比特,实现检错。对数据进行卷积/Turbo编码是为了对抗传输信道中的随机误差,提高信道传输性能。为了适应多种速率传输,信道编码方案中还增加了速率匹配功能。速率匹配是将传输信道上的数据比特打孔或重复,以便达到信道映射时传输格式要求的比特速率。在信道编码中,采用交织技术可分散突发连续错误,减少信道编码需要校正的连续错误,使连续误码离散化成随机错误以便利用前面的信道编码手段纠正。

  2CDMA2000下行链路基带处理的关键技术

  2.1卷积/Turbo编码

  卷积编码属于信道编码,主要用来纠正码元的随机误差,他以牺牲效率换取可靠性,利用增加监督位进行检错和纠错,这对数字移动通信十分必要。如图3所示是编码效率R=1 /2,约束长度K=9的卷积码的原理框图。



  Turbo编码是近年来倍受瞩目的一项新技术,他是在卷积编码、级联码和最大后验功率译码基础上的一种推广和创新,Turbo编码后的误码率(BER)近似为10-5,接近Shannon极限的性能,他不仅在信噪比较低的高噪声环境下性能优越,而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力。Turb o码的优良性能受到移动通信领域特别是第三代移动通信体制的重视,所有的第三代无线接口标准都采用了Turbo编码。但因为Turbo编码实现复杂,所以他主要用于高速率数据信道,而卷积编码用于低速率话音信道。如图4为Turbo编码的原理框图。



  2.2交织

  对输入的数据进行交织可以改善码距分布。交织就是用某种一一对应的确定性方法重新排列二进制和非二进制序列顺序的过程,以此来随机化突发错误的统计特性,使得信道无记忆。交织技术是为了抵抗无线信道的噪声以及衰落的影响而采取的时间分集技术,他在接收技术中具有重要的作用,在编码过程中采用交织算法是为了对信息流进行纠错控制。交织技术分散了随机错误和突发错误,采用交织技术使成群错误趋向更随机地分布,改善了码组的误码率性能。下面仅给出对于前向同步和寻呼信道以及业务信道在RC1和RC2配置下的交织器数据输出地址的计算公式:
  
  其中:Ai表示被读出符号的地址,i=1,2,…,N1,N表示交织器长度;[x]表示向下取整;imod j表示i对j取模;BROm表示y的m位比特反转值;m与j为交织器参数可查表得到。

  2.3扰码

  扰码技术即用PN码与已扩频码相乘,实现对信号的加密。扰码之间必须有良好的正交性。上行链路物理信道加扰的作用是区分用户,下行链路加扰可以区分小区和信道。42位长PN码的特征多项式如下公式:
  
  15位的PN短码用于QPSK调制的I,Q支路的直接序列扩频,两支路的短PN码特征多项式分别为:
  

  2.4扩频

  扩频操作又叫信道化操作,即用一个高速数字序列(扩频码)与数字信号相乘,把数据符号转换成一系列码片,从而大大提高了数字符号的速率,增加了信号带宽。由信号理论知道,脉冲信号宽度越窄,其频谱就越宽,信号的频带宽度和脉冲宽度近似成反比,因此,越窄的脉冲序列被所传信息调制,可产生频带很宽的信号。扩频码序列就是很窄的脉冲序列。通过扩频操作信号频谱被大大拓宽了。在常规通信中,为了提高频率利用率,通常都是采用大体相当带宽的信号来传输信息,即在无线电通信中射频信号的带宽和所传信息的带宽是属于同一个数量级的,但扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达100~1 000,属于宽带通信,这样做是为了提高通信的抗干扰能力,这是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频通信系统扩展的频谱越宽,处理增益越高,抗干扰能力就越强。在接收端用与发送端完全相同的扩频码序列来进行解扩。

  2.5基带滤波

  基带部分滤波器就是脉冲成形滤波器 (LPF)。由于输出信号是带宽受限的,所以扩频调制器的输出码片流要利用脉冲成形滤波器进行滤波。

  2.6QPSK调制

  QSPK正交调制器方框图如图5所示,他可以被看成是由2个BSPK 调制器构成。输入的串行二进制信息序列经串/并变换,分成两路速率减半的序列,电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t),然后用载波分别进行调制,相加后即得到QPSK信号。QPSK调制效率高,要求传送途径的信噪比低,非常适用于CDMA移动通信系统。其原理框图如图5所示。



  3 CDMA2000下行链路处理模块的实现

  第一步在实现基带模块之前,首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、协议要求。

  第二步是根据系统的要求进行芯片的选择,可供选择的芯片包括DSP,FPGA 和单片机。其中,DSP 芯片可单独完成整个基带部分的处理,典型的以DSP为核心的基带模块的主要特点 是方便的可测量性、单个信道的低耗费以及简便的软硬件升级性。也可选择DSP与FPGA 搭配使用,FPGA+DSP结构最大的特点是结构灵活,有较强的通用性,适于模块化设计,从而能够提高算法效率,同时其开发周期较短,系统易于维护和扩展,适合于实时信号处理。采用不同的芯片进行处理,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芯片选择搭配。

  在完成第二步之后,就是总体设计确定软硬件分工。基带模块的设计包括硬件设计和软件设计2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芯片。然后设计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芯片编写相应的汇编程序,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,用手工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。

  硬件和软件设计完成后,需进行硬件和软件的调试。软件的调试一般借助于芯片开发工具,如软件模拟器、开发系统或仿真器等。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,对软硬件进行系统集成。最后,完成系统调试。实现框图如图6所示。



  4 结语

  本设计的基带信号发生器CDMA2000下行链路基带模块设计将移动通信中的各种关键技术融为一体,形成具有整体性的CDMA数字基带处理技术。在CDMA2000基带设计过程中融入了软件无线电的思想,提出了无线信号发生源CDMA2000无线传输技术的基带处理方案,设计出信号源数字基带处理的软硬件实施方案,实现时运用了FPGA+DSP这样一种灵活的现代电子技术方案。

  参考文献

[1]邬国扬.CDMA数字蜂窝网[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.
[2]王文博.时分双工CDMA移动通信技术[M]. 北京:北京邮电大学出版社,2001.
[3]杨大成,樊钢,杨鸿文,等.CDMA2000 技术[M].北京:北京邮电大学出版社, 2000.
[4]3GPP2 C.S0002A Version6.0 Physical Layer Standard for CDMA2000 S pread Spectrum Systems, Release A Virginia : Third Generation Partnership Pro ject 2,2002.

关键字:分组  基带  信道  物理  控制  编码  串并  映射

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2008/0610/article_197.html
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