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        TD-LTE綜合測試儀表關(guān)鍵模塊的研究與實現(xiàn)*

        2011-06-03 09:14:40陳發(fā)堂楊林雨
        電子技術(shù)應(yīng)用 2011年10期
        關(guān)鍵詞:基帶載波鏈路

        陳發(fā)堂,楊林雨

        (重慶郵電大學(xué),重慶400065)

        正交頻分復(fù)用技術(shù)[1](OFDM)由于頻譜利用率高、易于實現(xiàn)等優(yōu)點,在現(xiàn)代無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在TD-LTE中,下行鏈路采用的就是OFDM技術(shù)。

        TD-LTE物理下行鏈路需要進行一系列的算法操作,其中IFFT變換是必不可少的。由于做FFT和IFFT變換會占用較多的資源,從目前的硬件處理速度來看,不可能完全靠DSP完成這些算法,所以在設(shè)計中一般采用DSP+FPGA的信號處理核心[2]。其中由DSP完成靈活多變和計算量不大的運算,由FPGA完成快速和固定的較大計算量的運算[3],這樣就可以同時發(fā)揮DSP和FPGA的優(yōu)點。本文基于TD-LTE無線終端綜合測試儀表項目的開發(fā),提出了使用FPGA實現(xiàn)基帶信號發(fā)送的方案,并進行了相關(guān)的研究。

        1 OFDM調(diào)制原理

        TD-LTE系統(tǒng)采用OFDMA作為下行鏈路的多址方式,如圖1所示。

        1.1 子載波映射

        子載波映射形式有集中式(Localized)[3]和分布式(Dis-

        tributed)兩種。下行鏈路使用的是集中式映射形式。

        在物理層下行鏈路中,經(jīng)過加擾、調(diào)制、層映射預(yù)編碼以及資源映射后,數(shù)據(jù)被映射到資源柵格中。從資源柵格讀取數(shù)據(jù)時,假定數(shù)據(jù)從資源柵格中由下向上輸出為Data[],Data[-1]……Data[1],Data[0]。由于最終在中頻中要進行IQ調(diào)制,在頻域上獲得相應(yīng)的帶寬,因此子載波的映射要滿足一定的方式。TD-LTE綜合測試儀中采用的子載波映射方式如圖2所示。圖中的子載波映射方式,保證了直流子載波Data[/2]的位置位于子載波映射的最底部,從而可滿足最終的頻域帶寬。

        1.2 基帶信號生成

        圖2 子載波映射方式

        其中,0≤t<(NCP,l+N)×Ts,k(-)=k+/2」,k(+)=k+/2」-1,變量N等于 2 048在 Δf=15 kHz子載波間隔上,等于4 096在Δf=7.5 kHz子載波間隔。

        式(1)可以看出,中間少了一個k=0的子載波,將k=0的直流子載波加進去,但不發(fā)射信號,資源元素為0。此時資源粒子序列發(fā)生變化,在中間添加了元素0,則式(1)可化為:

        與標(biāo)準(zhǔn)IFFT函數(shù)公式比較,可將式(2)化為:

        此時是沒有加CP的,但在做IFFT變換后需要加CP,根據(jù)不同的子載波間隔和不同的循環(huán)前綴類型,如表1所示。

        表 1 循環(huán)前綴(CP)類型

        2 硬件實現(xiàn)與優(yōu)化方案

        2.1 基帶信號發(fā)送模塊的硬件實現(xiàn)

        基帶信號發(fā)送在基帶板中最關(guān)鍵的部分是做IFFT變換,在硬件實現(xiàn)過程中涉及到與DSP以及中頻、射頻的接口問題,所以圍繞IFFT變換,周圍還要增加一些必需的模塊。TD-LTE無線終端綜合測試儀表中基帶信號發(fā)送模塊的硬件實現(xiàn)如圖3所示。

        2.1.1 McBSP接口設(shè)計

        多通道緩沖串口(McBSP)提供了強大的同步串口通信機制,因此本設(shè)計McBSP用于DSP和FPGA間的通信。FPGA通過McBSP接口從DSP接收數(shù)據(jù)的基本時序,如圖4所示。

        McBSP接口間傳輸?shù)男盘柺菐叫盘?fsx)和32 bit的數(shù)據(jù)信號(dx)以及時鐘信號(clkx)。在本系統(tǒng)中采用的fsx和dx的延遲是兩個時鐘。FPGA中的McBSP接口通過移位寄存器和緩沖寄存器完成數(shù)據(jù)的接收,將串行的比特流轉(zhuǎn)換成32 bit寬的并行數(shù)據(jù)。

        將McBSP接口接收的數(shù)據(jù)導(dǎo)入McBSP_READ模塊,在控制信息的控制下,對數(shù)據(jù)完成相應(yīng)的子載波映射后,存入兩片形成乒乓操作的RAM。

        2.1.2 I2C接口設(shè)計

        I2C總線協(xié)議規(guī)定,在 SDA上發(fā)送數(shù)據(jù),每個字節(jié)必須為 8 bit,首先傳輸?shù)氖亲止?jié)的最高位(MSB),每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)不受限制。主機發(fā)送起始條件后,首先發(fā)送一個7 bit的從機地址,緊接著發(fā)送1 bit的數(shù)據(jù)傳輸方向位(R/W)以指示是由從器件讀取數(shù)據(jù)還是把數(shù)據(jù)寫入從器件。數(shù)據(jù)傳輸由主機產(chǎn)生的停止條件結(jié)束,完整的數(shù)據(jù)傳輸時序如圖5所示。

        2.1.3 IFFT變換

        IFFT變換是基帶信號發(fā)送的關(guān)鍵模塊,本系統(tǒng)使用的IFFT變換點數(shù)N等于2 048。IFFT的實現(xiàn)是調(diào)用IPcore[5],通過對表2中幾種算法的綜合比較,最終采用的是Pipelined stresming I/O型,可以滿足連續(xù)數(shù)據(jù)流的處理,且速度較快,但是會比突發(fā)類型(Burst)占用更多的資源。

        表2 幾種算法的評估

        2.1.4 系統(tǒng)定時模塊的設(shè)計

        系統(tǒng)定時(TIMER)是整個系統(tǒng)重要的模塊。主要功能是以系統(tǒng)時鐘122.88 MHz為基準(zhǔn),對LTE系統(tǒng)的幀以及時隙定時。一方面通過發(fā)送子幀中斷和幀中斷信號控制DSP子幀以及幀的發(fā)送;另一方面要對FPGA中的DDR2 SDRAM進行控制,進而完成對TX模塊的控制,以保證基帶信號的發(fā)送滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

        2.1.5 中頻、射頻模塊

        TX模塊后的數(shù)據(jù)進入中頻,在中頻進行IQ調(diào)制,之后對IQ調(diào)制后的數(shù)據(jù)進行CIC插值,以122.88 MHz的D/A采樣速率輸出,在頻域上將信號調(diào)制到中心頻率為30.72 MHz,帶寬為所需的相應(yīng)帶寬。在射頻(RF)中,進行混頻操作,將數(shù)據(jù)調(diào)到2.4 GHz的載波上。之后通過天線發(fā)送數(shù)據(jù)。

        2.2 硬件實現(xiàn)中的優(yōu)化方案

        2.2.1 系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

        表3 上下行配置

        由于基帶信號的發(fā)送需要滿足多種帶寬的需求,相應(yīng)的子載波數(shù)和子載波映射的位置都會不同,因此本系統(tǒng)中提出了將DSP的控制信息通過I2C總線傳到FPGA中,這樣FPGA收到控制信息后,在McBSP_READ模塊中進行相應(yīng)的子載波映射操作,并將映射后的數(shù)據(jù)送到RAM中。

        同時無線幀的發(fā)送也要滿足相應(yīng)的上下行鏈路配置,如表3所示。FPGA通過I2C總線接收DSP的控制信息后,控制TX模塊進行相應(yīng)的發(fā)送控制。

        2.2.2 存儲資源優(yōu)化

        由于IFFT連續(xù)變換后的數(shù)據(jù)量很大,如果用RAM存儲數(shù)據(jù),則會占用很多的FPGA邏輯資源,而基帶板中DDR2 SDRAM空間很大。故在本系統(tǒng)中,IFFT變換后通過MIG接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入DDR2 SDRAM中,這樣可以節(jié)省很多邏輯資源,DDR2 DRAM存儲模型如圖6所示。之后通過系統(tǒng)定時(TIMER)對DDR2 SDRAM的數(shù)據(jù)讀取進行控制,將數(shù)據(jù)發(fā)送到TX模塊中。

        3 硬件平臺搭建與測試

        3.1 下載代碼到芯片中進行實際測試結(jié)果[6]

        用Verilog HDL編寫 testbench仿真驗證無誤后,用ISE10.1將FPGA程序下載到基帶板上的XILINX XC5VSX95T芯片中,然后使用CCS軟件將DSP的相應(yīng)程序下載到TMS320C6455ZTZ芯片中。本硬件平臺中DSP發(fā)送 25個資源塊(RB),在 DSP中設(shè)置軟復(fù)位,對FPGA進行復(fù)位控制。用chipscope觀察的從TX模塊輸出信號波形如圖7所示。

        圖7中,tx_flag信號為高電平時表示輸出I_DATA_OUT和Q_DATA_OUT有效,I_DATA_OUT是IFFT變換后的實部,Q_DATA_OUT是虛部。

        3.2 中頻信號在頻譜儀中的捕捉

        基帶板的數(shù)據(jù)通過FPGA的引腳發(fā)送到中頻板中,在中頻板中進行IQ調(diào)制,將頻譜搬移到中心頻率30.72 MHz上,且?guī)捈s為 5 MHz,中心頻率在 30.72 MHz上,帶寬約為4.5 MHz,幅度在-25 DBm,已滿足需求。

        本文介紹了TD-LTE下行鏈路OFDM調(diào)制,并重點介紹了子載波映射和基帶信號生成的原理。然后基于TD-LTE無線終端綜合測試儀表的開發(fā),提出了本系統(tǒng)中的基帶信號發(fā)送設(shè)計流程。具體介紹了McBSP模塊、系統(tǒng)定時模塊、IFFT變換、DDR2 SDRAM等關(guān)鍵模塊,然后在系統(tǒng)設(shè)計思路和硬件資源上提出了優(yōu)化方案。在仿真正確后,基于基帶板和中頻板,使用chipscope實際捕捉波形。最后在中頻板中通過頻譜儀分析了頻譜,進一步驗證了FPGA實現(xiàn)基帶信號發(fā)送的正確性。

        [1]沈嘉.3GPP長期演進(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社,2008:143-154.

        [2]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(xiàn)[M].北京:人民郵電出版,2003.

        [3]3GPP TS 36.211 v8.7.0:Physical channels and modulation(release 8)[S].2009.

        [4]3GPP TS 36.212 v8.7.0:Physical channels and modulation(release 8)[S].2009.

        [5]Xilinx fast fourier transform V6.0 user guide.2008.

        [6]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程.北京航空航天大學(xué)出版社[M],2003.

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