何登平，江曹勇，李小文，步清明

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

LTE系統(tǒng)將最大系統(tǒng)帶寬從5 MHz擴(kuò)展到20 MHz，能夠在20 MHz帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)50 Mb/s上行瞬間峰值速率和100 Mb/s下行瞬間峰值速率[1]。

為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速率和系統(tǒng)的吞吐量，采用正交振幅調(diào)制技術(shù)[2]，在 LTE系統(tǒng)中主要有 QPSK、16QAM、64QAM三種調(diào)制方案。在解調(diào)與解擾模塊之后要進(jìn)行解信道交織，從而得到數(shù)據(jù)信息、ACK信息、RI信息和CQI信息[3]。之后就要對(duì)各個(gè)信息進(jìn)行譯碼。為了保證譯碼的可靠行，在解調(diào)時(shí)使用軟解調(diào)的方式，采用一種低復(fù)雜度的max-log-map算法進(jìn)行解調(diào)。最后再進(jìn)行解擾，從而能夠滿足LTE系統(tǒng)對(duì)譯碼性能的要求，使譯碼的數(shù)據(jù)更加可靠。

FPGA芯片內(nèi)部有豐富的LUT資源和大量的固核資源，其處理過程是并行的，在使用FPGA進(jìn)行解調(diào)與解擾時(shí)能夠充分發(fā)揮其內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)。在Virtex-6芯片進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知，在FPGA中對(duì)解調(diào)與解擾的處理速度更快，可靠性更高。

1 解調(diào)與解擾算法簡介

1.1 解調(diào)以及max-lop-map算法

在LTE系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的整體性能，在接收端采用軟解調(diào)的方式，即解調(diào)輸出的軟信息是似然比，軟解調(diào)算法主要是采用max-log-map算法[4]。

設(shè)調(diào)制星座圖上M=22n個(gè)星座點(diǎn)，調(diào)制以后的復(fù)值符號(hào)w=wI+wQj，經(jīng)過信道后，在接收端輸入的復(fù)值符號(hào)w對(duì)應(yīng)的軟信息為λ1，wIλ1，wQ，… ，λn，wIλn，wQ，其中λi，wIλi，wQ為輸入 bi，Ibi，Q對(duì)應(yīng)的后驗(yàn)概率比，軟信息由以下公式?jīng)Q定：

其中，n與調(diào)制方式有關(guān)系，n∈(2，4，6)分別對(duì)應(yīng)于 PUSCH信道的QPSK、16QAM、64QAM三種調(diào)制。由輸入比特和調(diào)制符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及高斯信道的特性，從式(1)可以進(jìn)一步推導(dǎo)出下式：

由于式(2)在工程中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度太高，因此運(yùn)用如下近似函數(shù)(也就是把對(duì)數(shù)函數(shù)用max函數(shù)來代替)：

根據(jù)式(3)可以把式(2)簡化為：

(1)QPSK：

1.2 解擾過程分析

在TD_LET各信道中，解擾過程本質(zhì)上是再進(jìn)行一次加擾。解擾過程的主要任務(wù)是生成偽隨機(jī)序列（Gold序列）。各個(gè)信道產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列并不相同。輸出的偽隨機(jī)序列為：c(n)=x1(n+Nc)+x2(n+Nc)，其中 x1，x2分別為：

其中，Nc=1 600；第一個(gè)m序列的初始化為x1(0)=1，x1(n)=0，n=1，2，…，30；第二個(gè)m序列的初始化為2i，各個(gè)信道主要區(qū)別是cinit的初始化不一樣，其中上行共享信道是無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)示，ns是子幀號(hào)，NcellID是小區(qū)ID號(hào)。產(chǎn)生出偽隨機(jī)序列之后，再對(duì)偽隨機(jī)序列的數(shù)據(jù)和解調(diào)以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾過程。

2 解調(diào)與解擾在FPGA中的實(shí)現(xiàn)

由于解調(diào)與解擾的數(shù)據(jù)來自于解傳輸預(yù)編碼之后的數(shù)據(jù)，所以在實(shí)現(xiàn)時(shí)，解完預(yù)編碼之后才能進(jìn)行解調(diào)和解擾。在PUSCH信道中一個(gè)子幀含有14個(gè)OFDM符號(hào)，其中本地參考信號(hào)要占用2個(gè)OFDM符號(hào)，由于本地參考信號(hào)不參與解調(diào)與解擾過程，所以對(duì)一個(gè)子幀只需要做12次解調(diào)與解擾。解預(yù)編碼模塊以后要給解調(diào)模塊一個(gè)標(biāo)志位，作為解調(diào)模塊的開始；同樣，對(duì)于解調(diào)模塊在做完解調(diào)以后也要給解擾模塊一個(gè)標(biāo)志位，作為解擾模塊的開始。這樣，各個(gè)模塊才能協(xié)調(diào)統(tǒng)一地完成解調(diào)與解擾過程。同時(shí)，也能夠體現(xiàn)FPGA的并行處理的過程，上面的流程看似是順序的過程，實(shí)際上是并行處理的過程，因?yàn)橐?2個(gè)OFDM符號(hào)，在每次處理解擾的過程中，都可以同時(shí)處理下一個(gè)OFDM符號(hào)的解調(diào)過程。因此基于FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)速度能夠得到極大的提高，更能夠滿足TD_LTE系統(tǒng)性能的要求。

本文針對(duì)上行共享信道QPSK的解調(diào)進(jìn)行分析，對(duì)16QAM以及64QAM的處理過程相類似。使用軟解調(diào)的方式，采用max-lop-map算法，由于在FPGA中處理的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過量化的，所以預(yù)編碼的輸出都是32 bit的數(shù)據(jù)，其中高16位為數(shù)據(jù)的實(shí)部，低16位為數(shù)據(jù)的虛部。QPSK的max-log-map表達(dá)式如式(5)所示。其中在解調(diào)模塊中d要進(jìn)行Q15的量化。然后分別對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部同時(shí)乘以4d，在做乘法時(shí)使用FPGA內(nèi)部的固核DSP48乘法器，同時(shí)對(duì)于進(jìn)入乘法器的兩路數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)都要緩存一個(gè)時(shí)鐘周期，從而使數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性得到保證。在FPGA中實(shí)現(xiàn)乘以-1是把DSP48輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行取反加一。對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部都是同時(shí)進(jìn)行乘法，這樣做處理速度也能夠提高。處理完以后把實(shí)部和虛部分開存儲(chǔ)在一個(gè)深度為2 400、位寬為16 bit的雙端口RAM中。等到一個(gè)OFDM符號(hào)處理完成以后就給解擾模塊一個(gè)標(biāo)志位，作為解擾模塊的開始。

解擾模塊也是針對(duì)上行共享信道進(jìn)行分析，其他信道的解擾過程相類似。在解擾模塊實(shí)現(xiàn)中，首先產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，根據(jù)高層配置的子幀號(hào)、小區(qū)ID等信息，再由上面的遞推公式(8)和(9)，一直遞推到 x1(1 600)，x2(1 600)，從而可以求得 c(0)；再依次遞推，求得 c(0)，c(1)，…，c(28 799)。把這些偽隨機(jī)序列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)深度為28 800、位寬為1 bit的RAM中，在遞推算法中每次都能夠遞推出32個(gè)偽隨機(jī)數(shù)。這樣隨機(jī)序列產(chǎn)生的速度也很快，從而保證了解擾的處理速度。每次要做解擾時(shí)都可以從這個(gè)RAM中取出數(shù)據(jù)。同時(shí)，在收到解調(diào)模塊的標(biāo)志位時(shí)就開始進(jìn)行解擾過程，其本質(zhì)也就是根據(jù)偽隨機(jī)序列再進(jìn)行一次加擾，在c(i)為1時(shí)就對(duì)解調(diào)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行取反加一，在c(i)為0時(shí)使解擾的數(shù)據(jù)保持不變。在整個(gè)解調(diào)與解擾設(shè)計(jì)過程中每個(gè)OFDM符號(hào)都要進(jìn)行解擾，所以每次做完解調(diào)與解擾后的數(shù)據(jù)都放在一個(gè)RAM中，從而使設(shè)計(jì)更加模塊化，且更加靈活，對(duì)于代碼的維護(hù)和不同芯片之間的移植也更加方便。圖1為解調(diào)解擾模塊設(shè)計(jì)總體框架圖。

3 FPGA仿真與實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析

圖2、圖3分別是解調(diào)模塊Modelsim仿真圖和基于Virtex-6板級(jí)實(shí)現(xiàn)的Chipscope截圖。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，芯片外部提供的時(shí)鐘是200 MHz的差分時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘連接到FPGA的數(shù)字時(shí)鐘管理模塊(DCM)并倍頻到300 MHz，以保證時(shí)鐘的穩(wěn)定性和可靠性。其中flag_from_idft來自解預(yù)編碼模塊，其為高電平時(shí)表明預(yù)編碼模塊處理完成，可以進(jìn)行計(jì)算解調(diào)模塊了。這時(shí)解調(diào)模塊就通過addr_to_idft地址信號(hào)發(fā)送給解預(yù)編碼模塊，此時(shí)存儲(chǔ)在RAM中的預(yù)編碼數(shù)據(jù)通過data_to_demodulation數(shù)據(jù)線傳給解調(diào)模塊。之后解調(diào)模塊按照上面的分析過程進(jìn)行計(jì)算，在處理完數(shù)據(jù)時(shí)拉高wea_modulate和web_modulate信號(hào)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在做完解調(diào)模塊時(shí)拉高flag_to_scrable，在解擾模塊收到這個(gè)標(biāo)志位時(shí)就可以進(jìn)行解擾模塊的處理了。

圖4、圖5分別是解擾模塊Modelsim仿真圖和基于Virtex-6板級(jí)實(shí)現(xiàn)的Chipscope截圖。在解擾模塊中，收到flag_from_demodulate信號(hào)為高電平時(shí)就進(jìn)行解擾過程的處理。其中data_from_demodulate是來自以上解調(diào)模塊處理完的數(shù)據(jù)，data_from_random是來自偽隨機(jī)序列產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。根據(jù)產(chǎn)生的隨機(jī)序列進(jìn)行解擾處理，最后把處理后的數(shù)據(jù)dina_scramble也存儲(chǔ)在一個(gè)雙端口的RAM中，這樣使得各個(gè)模塊之間的獨(dú)立性更強(qiáng)，也便于給需要此數(shù)據(jù)的不同模塊提供數(shù)據(jù)。從FPGA的仿真圖和實(shí)現(xiàn)圖中可以看出，實(shí)現(xiàn)過程和仿真過程完全一致，從而保證了代碼的可靠行。

4 結(jié)論及分析

解調(diào)與解擾算法的Verliog[5，6]程序已通過Xilinx ISE13.4的編譯、仿真驗(yàn)證及板級(jí)驗(yàn)證。其結(jié)果和理論值一致，其精確度可以滿足TD_LTE射頻一致性測(cè)試儀表項(xiàng)目的要求。在FPGA中速度和面積總是相矛盾，在追求速度的同時(shí)，也要考慮芯片資源的問題。在資源充足的情況下，可以采用多級(jí)流水線的結(jié)構(gòu)和并行運(yùn)算來提高速度。本文采用此方法極大地提高了處理速度，三種調(diào)制與解擾處理的周期數(shù)如表1所示?？梢钥吹剑贔PGA(Virtex-6芯片)中的處理速度非?？?，為后面譯碼工作節(jié)省了更多時(shí)間，更能夠滿足項(xiàng)目上的要求，故該方案已應(yīng)用于國家重大科技專項(xiàng)“TD-LTE射頻一致性測(cè)試儀表”的開發(fā)中。

表1 FPGA處理的周期數(shù)

[1]沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋，等.3GPP長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電大學(xué)出版社，2008.

[2]陳發(fā)堂，李小文，王丹，等.移動(dòng)通信接收機(jī)設(shè)計(jì)理論與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3]3GPP TS 36.211 v10.0.0:Scramble and Modulation(Release 10)[S].2010.

[4]陳發(fā)堂，梁濤濤，李小文.LTE-A系統(tǒng)軟解調(diào)算法仿真及DSP 實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011(12)：4095－4096.

[5]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程(第二版)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[6]TOSATO F，BISAGLIA P,Simplifed soft-output demapper for binary interleaved COFDM with application to HIPERLAN/2[J].Proc.IEEE ICC’，2002，2(2)：664-668.