摘要：在對(duì)OFDM調(diào)制以及FPGA、DSP、中頻接口進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了一種TD-LTE系統(tǒng)中下行鏈路基帶信號(hào)發(fā)送的實(shí)現(xiàn)方案，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和硬件資源上進(jìn)行了優(yōu)化。在實(shí)際的硬件環(huán)境下，通過大量測(cè)試，驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。
正交頻分復(fù)用技術(shù)[1](OFDM)由于頻譜利用率高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代無(wú)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(jìn)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(huì)占用較多的資源，從目前的硬件處理速度來(lái)看，不可能完全靠DSP完成這些算法，所以在設(shè)計(jì)中一般采用DSP+FPGA的信號(hào)處理核心[2]。其中由DSP完成靈活多變和計(jì)算量不大的運(yùn)算，由FPGA完成快速和固定的較大計(jì)算量的運(yùn)算[3]，這樣就可以同時(shí)發(fā)揮DSP和FPGA的優(yōu)點(diǎn)。本文基于TD-LTE無(wú)線終端綜合測(cè)試儀表項(xiàng)目的開發(fā)，提出了使用FPGA實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)發(fā)送的方案，并進(jìn)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(Distributed)兩種。下行鏈路使用的是集中式映射形式。
2 硬件實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化方案
2.1 基帶信號(hào)發(fā)送模塊的硬件實(shí)現(xiàn)
基帶信號(hào)發(fā)送在基帶板中最關(guān)鍵的部分是做IFFT變換，在硬件實(shí)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(wú)線終端綜合測(cè)試儀表中基帶信號(hào)發(fā)送模塊的硬件實(shí)現(xiàn)如圖3所示。
McBSP接口間傳輸?shù)男盘?hào)是幀同步信號(hào)(fsx)和32 bit的數(shù)據(jù)信號(hào)(dx)以及時(shí)鐘信號(hào)(clkx)。在本系統(tǒng)中采用的fsx和dx的延遲是兩個(gè)時(shí)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(duì)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(jì)
I2C總線協(xié)議規(guī)定，在 SDA上發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)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(jī)發(fā)送起始條件后，首先發(fā)送一個(gè)7 bit的從機(jī)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(jī)產(chǎn)生的停止條件結(jié)束，完整的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖5所示。
2.1.3 IFFT變換
IFFT變換是基帶信號(hào)發(fā)送的關(guān)鍵模塊，本系統(tǒng)使用的IFFT變換點(diǎn)數(shù)N等于2 048。IFFT的實(shí)現(xiàn)是調(diào)用IPcore[5]，通過對(duì)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(huì)比突發(fā)類型(Burst)占用更多的資源。
2.1.4 系統(tǒng)定時(shí)模塊的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)定時(shí)(TIMER)是整個(gè)系統(tǒng)重要的模塊。主要功能是以系統(tǒng)時(shí)鐘122.88MHz為基準(zhǔn)，對(duì)LTE系統(tǒng)的幀以及時(shí)隙定時(shí)。一方面通過發(fā)送子幀中斷和幀中斷信號(hào)控制DSP子幀以及幀的發(fā)送；另一方面要對(duì)FPGA中的DDR2 SDRAM進(jìn)行控制，進(jìn)而完成對(duì)TX模塊的控制，以保證基帶信號(hào)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(jìn)入中頻，在中頻進(jìn)行IQ調(diào)制，之后對(duì)IQ調(diào)制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行CIC插值，以122.88MHz的D/A采樣速率輸出，在頻域上將信號(hào)調(diào)制到中心頻率為30.72MHz，帶寬為所需的相應(yīng)帶寬。在射頻(RF)中，進(jìn)行混頻操作，將數(shù)據(jù)調(diào)到2.4GHz的載波上。之后通過天線發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.2 硬件實(shí)現(xiàn)中的優(yōu)化方案
2.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化
由于基帶信號(hào)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(huì)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(jìn)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(shí)無(wú)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(jìn)行相應(yīng)的發(fā)送控制。
2.2.2 存儲(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)，則會(huì)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(chǔ)模型如圖6所示。之后通過系統(tǒng)定時(shí)(TIMER)對(duì)DDR2 SDRAM的數(shù)據(jù)讀取進(jìn)行控制，將數(shù)據(jù)發(fā)送到TX模塊中。
3 硬件平臺(tái)搭建與測(cè)試
3.1 下載代碼到芯片中進(jìn)行實(shí)際測(cè)試結(jié)果
用Verilog HDL[6]編寫testbench仿真驗(yàn)證無(wú)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(tái)中DSP發(fā)送25個(gè)資源塊(RB)，在DSP中設(shè)置軟復(fù)位，對(duì)FPGA進(jìn)行復(fù)位控制。用chipscope觀察的從TX模塊輸出信號(hào)波形如圖7所示。
圖7中，tx_flag信號(hào)為高電平時(shí)表示輸出I_DATA_OUT和Q_DATA_OUT有效，I_DATA_OUT是IFFT變換后的實(shí)部，Q_DATA_OUT是虛部。
3.2 中頻信號(hào)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(jìn)行IQ調(diào)制，將頻譜搬移到中心頻率30.72MHz上，且?guī)捈s為5MHz，中心頻率在30.72MHz上，帶寬約為4.5MHz，幅度在-25DBm，已滿足需求。
本文介紹了TD-LTE下行鏈路OFDM調(diào)制，并重點(diǎn)介紹了子載波映射和基帶信號(hào)生成的原理。然后基于TD-LTE無(wú)線終端綜合測(cè)試儀表的開發(fā)，提出了本系統(tǒng)中的基帶信號(hào)發(fā)送設(shè)計(jì)流程。具體介紹了McBSP模塊、系統(tǒng)定時(shí)模塊、IFFT變換、DDR2 SDRAM等關(guān)鍵模塊，然后在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)際捕捉波形。最后在中頻板中通過頻譜儀分析了頻譜，進(jìn)一步驗(yàn)證了FPGA實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)發(fā)送的正確性。
參考文獻(xiàn)
[1] 沈嘉.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2008：143-154.
[2] 李小文，李貴勇，陳賢亮，等.第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、信令及實(shí)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(jì)教程.北京航空航天大學(xué)出版社[M]，2003.
