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--  作者：wangxinxin
--  發(fā)布時(shí)間：2010-11-12 13:25:56
--  WCDMA速率適配算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

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<strong>引言</strong> 隨著因特網(wǎng)爆炸性的增長(zhǎng)以及各種<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%CE%DE%CF%DF">無(wú)線</span><span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%D2%B5%CE%F1">業(yè)務(wù)</span>需求的增加，傳統(tǒng)的無(wú)線<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%CD%A8%D0%C5">通信</span>網(wǎng)已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)人們的需要。因此，以大容量、高數(shù)據(jù)率和承載多媒體業(yè)務(wù)為目的的第三代<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%D2%C6%B6%AF%CD%A8%D0%C5">移動(dòng)通信</span><span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%CF%B5%CD%B3">系統(tǒng)</span>(IMT-2000)應(yīng)運(yùn)而生。碼分多址(<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=CDMA">CDMA</span>)由于其良好的抗噪性、保密性和簡(jiǎn)單性等優(yōu)點(diǎn)而成為第三代<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%D2%C6%B6%AF">移動(dòng)</span>通信的主流。主要<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%B7%BD%B0%B8">方案</span>包括歐洲<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%B1%EA%D7%BC">標(biāo)準(zhǔn)</span><span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=WCDMA">WCDMA</span>，<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%C3%C0%B9%FA">美國(guó)</span>標(biāo)準(zhǔn)CDMA-2000和<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%D6%D0%B9%FA">中國(guó)</span>標(biāo)準(zhǔn)<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=TD-SCDMA">TD-SCDMA</span>。和傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)相比，第三代移動(dòng)通信的最大特點(diǎn)在于可支持具有不同QoS的變速率的多種業(yè)務(wù)，這便要求其具有將各種無(wú)線媒體業(yè)務(wù)復(fù)接在一起傳輸?shù)哪芰Α榱诉_(dá)到這一目標(biāo)，WCDMA采用了一種比較完善的業(yè)務(wù)復(fù)接方案，各種業(yè)務(wù)須經(jīng)過(guò)一套復(fù)雜的編碼復(fù)接<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%C1%F7%B3%CC">流程</span>才能進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，占用盡可能少的碼道以恒定的功率發(fā)送。這樣就最大限度地減少了碼道間串?dāng)_，降低了對(duì)功放線性程度的要求。圖1所示的是WCDMA下行鏈路編碼復(fù)接方案流程圖。而速率適配算法是業(yè)務(wù)復(fù)用方案的核心算法，如何<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%C9%E8%BC%C6">設(shè)計(jì)</span>有效的算法實(shí)現(xiàn)方案，是業(yè)務(wù)復(fù)用方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 <table class="t_table" cellspacing="0"> <tbody> <tr> <td> <tr> <td><img height="324" alt="" src="http://www.52rd.com/upload/2006_5/File200652610242779956.gif" width="320"/></td></tr></tbody></table> <p align="center">圖1 下行鏈路編碼復(fù)接方案 <strong>速率適配算法描述 </strong> 一條傳輸信道上不同的傳輸<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%CA%B1%BC%E4">時(shí)間</span>間隔中的比特?cái)?shù)有可能不一樣，但是上下行鏈路都對(duì)傳輸?shù)谋忍芈视幸欢ǖ囊螅合滦墟溌分腥绻忍財(cái)?shù)低于最小值的就會(huì)被中斷；上行鏈路中各傳輸時(shí)間間隔的比特?cái)?shù)不同，但需要保證第二次交織后的總比特率等于所分配的專(zhuān)用物理信道的總比特率。因此需要重復(fù)或者鑿去傳輸信道上的一些比特。速率適配就是指在傳輸信道上的數(shù)據(jù)比特被鑿孔(Puncturing)或重復(fù)(Repeating)，以便使信道映射時(shí)達(dá)到傳輸<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%B8%F1%CA%BD">格式</span>所要求的比特速率。“鑿孔”是按照一定的算法鑿去某些位置的比特；“重復(fù)”則按照一定的算法在某些位置插入重復(fù)比特。速率匹配前的比特記為：xi1,xi2,xi3,k,xixi 其中 i 為 TrCH 號(hào)，速率匹配參數(shù)為Xi, eini, eplus, 和eminus。 eini：初始化誤差，算法中誤差e的初始值； eminus：相減誤差，算法中誤差e的相減值； eplus：相加誤差，算法中誤差e的相加值； N：數(shù)據(jù)量，即速率適配前的數(shù)據(jù)量。速率匹配的規(guī)則如下： if 要執(zhí)行“鑿孔”操作 e=eini 初始化目前的與要求的鑿孔比例之間的偏差 m=1 當(dāng)前比特索引序號(hào) do while m <= N e=e-eminus 修改誤差 if e <= 0 then 檢查m是否是應(yīng)該鑿掉的比特序號(hào) 鑿掉該比特xi,m e=e+eplus 更改誤差 end if m=m+1 進(jìn)行下一個(gè)比特的判斷 end do else e = eini 初始化目前的與要求的鑿孔比例之間的偏差 m = 1 當(dāng)前比特索引序號(hào) do while m <= N e = e - eminus 修改誤差 do while e <= 0 檢查比特m 是否是應(yīng)被重復(fù)的比特序號(hào) 重復(fù)比特 xi,m e = e + eplus 更改誤差 end do m = m + 1 進(jìn)行下一個(gè)比特的判斷 end do end if 該適配算法對(duì)于上行鏈路和下行鏈路都是適用的。3GPP<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%D0%AD%D2%E9">協(xié)議</span>中規(guī)定了“鑿孔”和“重復(fù)”算法的使用對(duì)象與范圍。Turbo編碼后的系統(tǒng)比特不允許鑿去，因此如果對(duì)Turbo編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行“鑿”操作，則首先應(yīng)將系統(tǒng)比特和校驗(yàn)比特區(qū)分開(kāi)，僅對(duì)其中的校驗(yàn)比特進(jìn)行“鑿”操作；然而Turbo編碼后的數(shù)據(jù)如果進(jìn)行“重復(fù)”以及卷積編碼后數(shù)據(jù)進(jìn)行“鑿”或“重復(fù)”都不區(qū)分系統(tǒng)比特與校驗(yàn)比特。上述情況的速率匹配見(jiàn)圖2及圖3。 <table class="t_table" cellspacing="0"> <tbody> <tr> <td> <tr> <td><img height="136" alt="" src="http://www.52rd.com/upload/2006_5/File200652610245883884.gif" width="320"/></td></tr></tbody></table> <p align="center">圖2 下行鏈路Turbo編碼比特鑿孔時(shí)TrCH的速率適配 <table class="t_table" cellspacing="0"> <tbody> <tr> <td> <tr> <td><img height="137" alt="" src="http://www.52rd.com/upload/2006_5/File200652610252825722.gif" width="320"/></td></tr></tbody></table> <p align="center">圖3 下行未編碼和卷積編碼以及重復(fù)的Turbo編碼的TrCH的速率匹配另外，協(xié)議給出的確定參數(shù)的算法依編碼方式及鏈路的不同而不同。也就是說(shuō)，Turbo編碼與卷積編碼、下行鏈路與上行鏈路在確定適配參數(shù)的算法上有區(qū)別。具體的確定算法可以參考3G相應(yīng)的協(xié)議。速率適配的FPGA實(shí)現(xiàn) 通過(guò)對(duì)編碼復(fù)接的方案研究發(fā)現(xiàn)，直接根據(jù)協(xié)議流程對(duì)數(shù)據(jù)流各個(gè)步驟(一共大約11個(gè)步驟)直接進(jìn)行處理將會(huì)大大增加系統(tǒng)復(fù)雜度，這樣每個(gè)步驟之間都需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，而移動(dòng)環(huán)境下系統(tǒng)支持的最高速率可達(dá)384Kbps，對(duì)于TTI＝20ms的業(yè)務(wù)，平均每步需要的緩存為7.68K，所需要的總存儲(chǔ)量是巨大的。而且這中間，數(shù)據(jù)流頻繁的寫(xiě)入讀出所導(dǎo)致的處理時(shí)延也是難以忍受的。因此，如果將某些步驟合并起來(lái)，就能減少不必要的數(shù)據(jù)存取工作，從而節(jié)省存儲(chǔ)量，縮短處理延時(shí)。上行鏈路的速率匹配按10ms數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行，而下行鏈路則是以TTI為單位針對(duì)一個(gè)無(wú)線幀的數(shù)據(jù)比特進(jìn)行的。雖然算法上一致，但是考慮到上下行各自的步驟合并情況，在實(shí)際處理上還是有很大區(qū)別的。下面以下行144Kb/s速率適配為例介紹一下其FPGA的實(shí)現(xiàn)方法。 144Kb/s速率適配過(guò)程大致分為兩個(gè)<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%C4%A3%BF%E9">模塊</span>：鑿圖樣產(chǎn)生模塊和保留比特搬移轉(zhuǎn)換模塊。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，用到的存儲(chǔ)資源是兩個(gè)RAM—一個(gè)用來(lái)存“鑿”圖樣、另一個(gè)用來(lái)存原來(lái)的數(shù)據(jù)，兩個(gè)DCFIFO(雙時(shí)鐘FIFO)用來(lái)存比特收集后的兩幀數(shù)據(jù)。鑿孔圖樣產(chǎn)生模塊由于144Kb/s業(yè)務(wù)信道編碼用的是Turbo編碼，鑿孔時(shí)只針對(duì)兩個(gè)分量編碼器輸出的校驗(yàn)比特，因此需先進(jìn)行比特分離再分塊進(jìn)行鑿孔操作(系統(tǒng)比特塊自動(dòng)保留不進(jìn)行鑿孔操作)。我們采用了一種鑿孔圖樣控制方式，所有待速率適配比特都對(duì)應(yīng)一個(gè)P比特，P＝1表示鑿去，P=0表示保留，以此種方式產(chǎn)生鑿孔圖樣來(lái)控制保留比特的搬移。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。主要硬件結(jié)構(gòu)包括一個(gè)加法器、一個(gè)減法器、一個(gè)數(shù)值比較器、一個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)選通控制模塊及參數(shù)初始化模塊。 <table class="t_table" cellspacing="0"> <tbody> <tr> <td> <tr> <td><img height="164" alt="" src="http://www.52rd.com/upload/2006_5/File200652610254858725.gif" width="320"/></td></tr></tbody></table> <p align="center">圖4 鑿孔圖樣產(chǎn)生 <p align="left">該結(jié)構(gòu)工作過(guò)程如下：首先，比特分離和參數(shù)初始化模塊主要完成模塊計(jì)數(shù)和eini、eminus、eplus等參數(shù)的初始化<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%C9%E8%D6%C3">設(shè)置</span>。在減法器端，當(dāng)前誤差值e減去eminus，該數(shù)值同時(shí)送給數(shù)值比較器和選通控制模塊。減法器的輸出結(jié)果和0值作比較，如果結(jié)果小于零則記P比特為1；如果結(jié)果大于零則記P比特為0，同時(shí)將減法器的輸出結(jié)構(gòu)作為當(dāng)前加法器的A端輸入值。P比特則在選通控制模塊產(chǎn)生的讀寫(xiě)使能、地址<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%D0%C5%BA%C5">信號(hào)</span>線的驅(qū)動(dòng)下寫(xiě)入Punc_ram。另外用一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)比特?cái)?shù)進(jìn)行記錄，以控制整個(gè)流程的結(jié)束時(shí)刻。系統(tǒng)時(shí)鐘為8倍碼片時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器和Punc_ram都采用同步控制，加法器、減法器及比較器都不采用同步時(shí)鐘延時(shí)。 <p align="left"><strong>保留比特搬移轉(zhuǎn)換模塊 </strong> <p align="left">鑿圖樣產(chǎn)生以后，接下來(lái)的操作就是保留比特的搬移和轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行第一次交織和無(wú)線幀分段。按照3GPP協(xié)議，對(duì)于TTI=20ms的144Kb/s業(yè)務(wù)，其交織模式是<0,1>，亦即順序輸出。 <table class="t_table" cellspacing="0"> <tbody> <tr> <td> <tr> <td><img height="188" alt="" src="http://www.52rd.com/upload/2006_5/File200652610261912571.gif" width="320"/></td></tr></tbody></table> <p align="center">圖5 保留比特搬移轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖5。假定TURBO編碼后待速率適配的比特流存在out_ram中，這里進(jìn)行的操作關(guān)鍵是鑿孔圖樣的讀出和out_ram的讀出應(yīng)該是同步一致進(jìn)行(在同一個(gè)時(shí)鐘上升沿開(kāi)始)，用Punc_ram的輸出來(lái)作為積攢比特的使能信號(hào)。用移位寄存器組和計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)比特積攢，每等到滿(mǎn)16bit時(shí)，就進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)fifo寫(xiě)使能脈沖，把一個(gè)字的內(nèi)容寫(xiě)入fifo；等到滿(mǎn)一幀(復(fù)接前的數(shù)據(jù)幀)的時(shí)候，轉(zhuǎn)向?qū)ο乱粋€(gè)fifo進(jìn)行寫(xiě)操作。到一個(gè)數(shù)據(jù)幀4205bit結(jié)束時(shí)，積攢比特不滿(mǎn)16的補(bǔ)零表示，串并轉(zhuǎn)換為一個(gè)字寫(xiě)入fifo。 <p align="left"><strong>資源使用和時(shí)延分析 </strong> 按照上面的實(shí)現(xiàn)方式，主要占用的是存儲(chǔ)資源，現(xiàn)代FPGA中的ESB(嵌入式系統(tǒng)塊)可以很容易地實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型的存儲(chǔ)模塊，包括雙端口RAM、ROM、FIFO及CAM塊。下面主要進(jìn)行的是時(shí)延分析。按照上面的流程可以大致估算一個(gè)比特從“鑿孔”圖樣產(chǎn)生到比特搬移完成所用的時(shí)間。所選工作時(shí)鐘速率為8倍碼片速率3.84MHz，一個(gè)時(shí)鐘周期約為32.4ns。鑿孔圖樣模塊中的加法器、減法器、選通控制大概需要3個(gè)時(shí)鐘周期，9516個(gè)鑿孔圖樣的產(chǎn)生需要大致925ns；保留比特搬移模塊主要是數(shù)據(jù)比特的直接搬移，對(duì)于最后一個(gè)比特而言，假定它是保留比特，從搬移開(kāi)始到最終寫(xiě)入FIFO，經(jīng)過(guò)了大致9516＋16＝9532個(gè)時(shí)鐘周期，耗時(shí)大約308ns。對(duì)整個(gè)流程用MAXPUSII仿真，總共耗時(shí)1.336ms，考慮到中間的緩沖控制和使能控制延遲，仿真結(jié)果和計(jì)算值大致吻合。對(duì)于TTI＝20ms的業(yè)務(wù)，完全滿(mǎn)足處理要求。 <p align="left"><strong>結(jié)語(yǔ) </strong> <p align="left">WCDMA系統(tǒng)的電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(64K)和分組型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(144K、384K)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體業(yè)務(wù)的承載，但由于基帶數(shù)據(jù)處理量大、比特搬移操作明顯，編碼復(fù)接中的核心算法之一速率適配算法我們采用了FPGA實(shí)現(xiàn)，并且適當(dāng)合并了前后步驟，大大縮短了處理時(shí)間，使系統(tǒng)達(dá)到了很高的吞吐量和處理速度，完全滿(mǎn)足3GPP協(xié)議<span class="t_tag" onclick="tagshow(event)" href="tag.php?name=%B9%E6%B7%B6">規(guī)范</span>的要求。在實(shí)際實(shí)施中被證明是可行的。此外，文中提出的模塊合并、產(chǎn)生鑿孔圖樣進(jìn)行比特積攢搬移的思想同樣可以適合未來(lái)更復(fù)雜的編碼復(fù)接方案。 [align=right][color=#000066][此貼子已經(jīng)被作者于2010-11-17 12:07:01編輯過(guò)][/color][/align]
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