LTE系統(tǒng)中解調(diào)與解擾在FPGA中的實現(xiàn)設(shè)計詳解

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 。

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) ，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 。之后就要對各個信息進(jìn)行譯碼。為了保證譯碼的可靠行，在解調(diào)時使用軟解調(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)與解擾時能夠充分發(fā)揮其內(nèi)在的優(yōu)勢。在Virtex-6芯片進(jìn)行板級驗證，對結(jié)果進(jìn)行分析可知，在FPGA中對解調(diào)與解擾的處理速度更快，可靠性更高。

2 解調(diào)與解擾在FPGA中的實現(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)，所以在實現(xiàn)時，解完預(yù)編碼之后才能進(jìn)行解調(diào)和解擾。在PUSCH信道中一個子幀含有14個OFDM符號，其中本地參考信號要占用2個OFDM符號，由于本地參考信號不參與解調(diào)與解擾過程，所以對一個子幀只需要做12次解調(diào)與解擾。解預(yù)編碼模塊以后要給解調(diào)模塊一個標(biāo)志位，作為解調(diào)模塊的開始；同樣，對于解調(diào)模塊在做完解調(diào)以后也要給解擾模塊一個標(biāo)志位，作為解擾模塊的開始。這樣，各個模塊才能協(xié)調(diào)統(tǒng)一地完成解調(diào)與解擾過程。同時，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，實際上是并行處理的過程，因為要做12個OFDM符號，在每次處理解擾的過程中，都可以同時處理下一個OFDM符號的解調(diào)過程。因此基于FPGA實現(xiàn)時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。

本文針對上行共享信道QPSK的解調(diào)進(jìn)行分析，對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。然后分別對數(shù)據(jù)的實部和虛部同時乘以4d，在做乘法時使用FPGA內(nèi)部的固核DSP48乘法器，同時對于進(jìn)入乘法器的兩路數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)都要緩存一個時鐘周期，從而使數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性得到保證。在FPGA中實現(xiàn)乘以-1是把DSP48輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行取反加一。對每個數(shù)據(jù)的實部和虛部都是同時進(jìn)行乘法，這樣做處理速度也能夠提高。處理完以后把實部和虛部分開存儲在一個深度為2 400、位寬為16 bit的雙端口RAM中。等到一個OFDM符號處理完成以后就給解擾模塊一個標(biāo)志位，作為解擾模塊的開始。

解擾模塊也是針對上行共享信道進(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、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)存儲在一個深度為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。每次要做解擾時都可以從這個RAM中取出數(shù)據(jù)。同時，在收到解調(diào)模塊的標(biāo)志位時就開始進(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時就對解調(diào)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行取反加一，在c（i）為0時使解擾的數(shù)據(jù)保持不變。在整個解調(diào)與解擾設(shè)計過程中每個OFDM符號都要進(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RAM中，從而使設(shè)計更加模塊化，且更加靈活，對于代碼的維護(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)計總體框架圖。

3 FPGA仿真與實現(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板級實現(xiàn)的Chipscope截圖。在實現(xiàn)時，芯片外部提供的時鐘是200 MHz的差分時鐘，這個時鐘連接到FPGA的數(shù)字時鐘管理模塊（DCM）并倍頻到300 MHz，以保證時鐘的穩(wěn)定性和可靠性。其中flag_from_idft來自解預(yù)編碼模塊，其為高電平時表明預(yù)編碼模塊處理完成，可以進(jìn)行計算解調(diào)模塊了。這時解調(diào)模塊就通過addr_to_idft地址信號發(fā)送給解預(yù)編碼模塊，此時存儲在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)行計算，在處理完數(shù)據(jù)時拉高wea_modulate和web_modulate信號存儲數(shù)據(jù)，在做完解調(diào)模塊時拉高flag_to_scrable，在解擾模塊收到這個標(biāo)志位時就可以進(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板級實現(xiàn)的Chipscope截圖。在解擾模塊中，收到flag_from_demodulate信號為高電平時就進(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也存儲在一個雙端口的RAM中，這樣使得各個模塊之間的獨(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的仿真圖和實現(xiàn)圖中可以看出，實現(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程序已通過Xilinx ISE13.4的編譯、仿真驗證及板級驗證。其結(jié)果和理論值一致，其精確度可以滿足TD_LTE射頻一致性測試儀表項目的要求。在FPGA中速度和面積總是相矛盾，在追求速度的同時，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。可以看到，在FPGA（Virtex-6芯片）中的處理速度非常快，為后面譯碼工作節(jié)省了更多時間，更能夠滿足項目上的要求，故該方案已應(yīng)用于國家重大科技專項“TD-LTE射頻一致性測試儀表”的開發(fā)中。