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

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(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，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(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(yùn)算，由FPGA完成快速和固定的較大計算量的運(yùn)算[3]，這樣就可以同時發(fā)揮DSP和FPGA的優(yōu)點(diǎn)。本文基于TD-LTE無線終端綜合測試儀表項(xiàng)目的開發(fā)，提出了使用FPGA實(shí)現(xiàn)基帶信號發(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(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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)與優(yōu)化方案

2.1 基帶信號發(fā)送模塊的硬件實(shí)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(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無線終端綜合測試儀表中基帶信號發(fā)送模塊的硬件實(shí)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(qiáng)大的同步串口通信機(jī)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(jī)發(fā)送起始條件后，首先發(fā)送一個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(diǎn)數(shù)N等于2 048。IFFT的實(shí)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(jìn)行控制，進(jìn)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(jìn)入中頻，在中頻進(jìn)行IQ調(diào)制，之后對IQ調(diào)制后的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(shí)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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)行實(shí)際測試結(jié)果[6]

用Verilog HDL編寫 testbench仿真驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(diǎn)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(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)基帶信號發(fā)送的正確性。

[1]沈嘉.3GPP長期演進(jìn)（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(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)計教程.北京航空航天大學(xué)出版社[M]，2003.