TD-SCDMA終端探測(cè)設(shè)備的DSP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

周 非，亓英杰，劉永康，田增山

（重慶郵電大學(xué) 無(wú)線定位與空間測(cè)量研究所，重慶400065）

在一些特殊情況下(如災(zāi)害搜救、警用安全和國(guó)防安全領(lǐng)域)，基于通信網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)探測(cè)及定位技術(shù)具有很高的研究和利用價(jià)值[1]。目前，手機(jī)探測(cè)技術(shù)大致分為三類(lèi)：(1)在有限范圍內(nèi)通過(guò)檢測(cè)手機(jī)信號(hào)強(qiáng)弱，定位到手機(jī)。缺點(diǎn)是容易受干擾,不具備辨別能力；(2)在目標(biāo)正在通信時(shí)，利用通信網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)出目標(biāo)手機(jī)所在基站[2]，定位到目標(biāo)所在小區(qū)。該方法主動(dòng)性和精確度不足；(3)在目標(biāo)手機(jī)上安裝手機(jī)定位卡等追蹤器或者智能追蹤軟件，然后利用特殊裝置搜索和定位目標(biāo)手機(jī)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，同樣缺乏主動(dòng)性和靈活性。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于通信網(wǎng)絡(luò)基帶數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的手機(jī)終端探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在對(duì)基站進(jìn)行下行同步后，利用啞呼功能，誘使目標(biāo)手機(jī)產(chǎn)生上行鏈接，系統(tǒng)對(duì)這一上行鏈接進(jìn)行同步、解碼和發(fā)射功率檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的探測(cè)、捕獲和跟蹤?？紤]到TD-SCDMA移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)良好的發(fā)展前景和研究環(huán)境，首先設(shè)計(jì)出的是基于TDSCDMA的終端探測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠靈活、主動(dòng)地對(duì)TD手機(jī)用戶進(jìn)行探測(cè)和定位。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于對(duì)基站下行信號(hào)和手機(jī)上行信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，例如對(duì)同步、解碼和解幀等復(fù)雜算法的處理都需要高性能的芯片支持。為此，系統(tǒng)選用高速數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C6416作為核心處理器，以增強(qiáng)系統(tǒng)的處理速度。此外，對(duì)探測(cè)算法進(jìn)行代碼級(jí)的優(yōu)化，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力。探測(cè)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示，以DSP模塊為信號(hào)處理核心，輔以射頻處理模塊、FPGA模塊、ARM模塊、啞呼模塊等。

1.1 系統(tǒng)各模塊功能設(shè)計(jì)

(1)啞呼模塊：?jiǎn)『裟K采用中興公司的 MC8630模塊，利用MC8630的CDMA呼叫功能，對(duì)目標(biāo)手機(jī)進(jìn)行啞呼，誘使目標(biāo)手機(jī)產(chǎn)生上行鏈接信號(hào)。

(2)射頻模塊：射頻模塊采用TD-SCDMA射頻收發(fā)芯片 RDA8206，RDA8206接收 TD-SCDMA空中射頻信號(hào)，并在其內(nèi)部把射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為基帶數(shù)字信號(hào)，然后送至FPGA。

(3)FPGA模塊：該模塊采用Altera公司的EP3C25E144芯片，用于初始化射頻模塊、提供10.24 MHz采樣時(shí)鐘以及對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FIFO緩存控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

(4)DSP模塊：此模塊為系統(tǒng)的核心模塊，選用TI公司的TMS3220C6416芯片，片內(nèi)RAM和片外SDRAM、Flash作為數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器。對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)TD-SCDMA探測(cè)系統(tǒng)的算法部分，包括搜索、檢測(cè)目標(biāo)手機(jī)信號(hào)和對(duì)目標(biāo)手機(jī)信號(hào)進(jìn)行跟蹤定位。

(5)ARM模塊：采用三星公司的S3C2440A芯片，提供系統(tǒng)的可視化操作和信息顯示。

1.2 系統(tǒng)工作流程

TD-SCDMA探測(cè)系統(tǒng)的主要工作流程為：系統(tǒng)的FPGA模塊初始化射頻模塊；射頻模塊持續(xù)地對(duì)TDSCDMA空中射頻信號(hào)進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)化為基帶信號(hào)傳給FPGA；基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)FPGA的FIFO緩沖后傳輸?shù)紻SP的存儲(chǔ)器；DSP對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理后(完成下行同步、解廣播信道等)，確定目標(biāo)手機(jī)接入的小區(qū)，觸發(fā)中斷，提醒啞呼模塊對(duì)目標(biāo)手機(jī)進(jìn)行啞呼；DSP對(duì)此時(shí)刻及以后采到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（上行同步、解隨機(jī)接入信道等）；DSP解出目標(biāo)手機(jī)的功率信息；DSP將相關(guān)信息和數(shù)據(jù)傳送給ARM端，LCD觸摸屏顯示需要的數(shù)據(jù)和信息；最后，系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)手機(jī)的功率變化，實(shí)現(xiàn)定位。

2 探測(cè)算法的DSP設(shè)計(jì)

探測(cè)算法對(duì)硬件的數(shù)字信號(hào)處理能力要求非常高，為此采用性能強(qiáng)大的TMS320C6416數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)探測(cè)算法。

2.1 TMS320C6416信號(hào)處理芯片

TMS320C6416是TI公司推出的C6000系列高端芯片，系統(tǒng)采用600 MHz的版本，最大處理能力為4 800 MIPS。除了擁有C6000系列芯片共同特性以外，TMS320C6416片上擁有16 KB的一級(jí)程序cache，16 KB的一級(jí)數(shù)據(jù)cache，1 024 KB的二級(jí)cache和SRAM共享存儲(chǔ)器；擁有64個(gè)EDMA通道，由于其出色的并行性能，能夠處理KMB/s的數(shù)據(jù)傳輸；集成了Turbo協(xié)處理器(TCP)和Viterbi協(xié)處理器(VCP)[3]。因此，TMS320C6416被廣泛應(yīng)用于3G無(wú)線通信設(shè)計(jì)和高速信號(hào)處理領(lǐng)域。

2.2 探測(cè)算法的DSP設(shè)計(jì)

DSP通過(guò)EMIF接口接收由FPGA傳輸?shù)幕鶐?shù)據(jù)，放入乒乓緩存中。CPU讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行算法處理。探測(cè)算法流程如圖2所示，主要包括：同步基站下行導(dǎo)頻信道，確定小區(qū)配置信息等參數(shù)；廣播信道解碼，解碼過(guò)程包含解擾、解擴(kuò)、解調(diào)、反物理信道映射、去交織、反打孔、卷積譯碼和CRC校驗(yàn)；檢測(cè)小區(qū)內(nèi)的上行同步鏈接，確定目標(biāo)手機(jī)的上行同步過(guò)程；檢測(cè)上行接入信道，對(duì)上行隨機(jī)接入信道進(jìn)行解碼，隨機(jī)接入信道的解碼步驟類(lèi)似廣播信道解碼過(guò)程；對(duì)隨機(jī)接入信道解幀，獲取TMSI等信息；最后解出接入信道的Midamble的接收信號(hào)強(qiáng)度指示 RSSI(Received Signal Strength Indicator)，計(jì)算出目標(biāo)手機(jī)RSSI的值。

圖2 探測(cè)算法流程

3 算法的實(shí)時(shí)性處理及實(shí)現(xiàn)

提高算法的實(shí)時(shí)性能、加快系統(tǒng)的處理速度、減少因時(shí)間延遲帶來(lái)的誤差，使系統(tǒng)更快更精確地探測(cè)到目標(biāo)位置。

3.1 使用Viterbi譯碼協(xié)處理器（VCP）

TMS320C6416片上的 Viterbi譯碼協(xié)處理器（VCP）是專門(mén)針對(duì)3G無(wú)線通信中的卷積碼譯碼設(shè)計(jì)的。由于采用硬件解碼，效率比軟件編寫(xiě)的譯碼算法高得多[4]，并且VCP不干擾CPU的運(yùn)行，充分釋放CPU以進(jìn)行其他工作，縮短了整體時(shí)間。在終端探測(cè)算法中，解廣播信道（BCCH）用的譯碼對(duì)象是（3，1，9）卷積碼，解隨機(jī)接入信道（RACH）用的譯碼對(duì)象是（2，1，9）卷積碼。以 TMS-320C6416的時(shí)鐘周期作為代碼效率指標(biāo)，對(duì)BCCH和RACH進(jìn)行譯碼測(cè)試，其中，BCCH測(cè)試用的原始數(shù)據(jù)是unsigned char類(lèi)型，RACH測(cè)試用的原始數(shù)據(jù)是int類(lèi)型，軟件算法均已做充分優(yōu)化，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 VCP譯碼和軟件算法譯碼效率測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，即使把軟件譯碼算法做了充分優(yōu)化，在處理 810 bit的BCCH數(shù)據(jù)時(shí)，使用 VCP譯碼的效率比使用軟件譯碼的效率提高了近19倍；而處理388 bit的RACH數(shù)據(jù)時(shí)，使用VCP譯碼的效率比使用軟件譯碼的效率提高了34倍。所以，只需掌握VCP譯碼技術(shù)，就能實(shí)現(xiàn)各種規(guī)則的Viterbi譯碼，不僅縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且很大程度上提高了譯碼效率，使工程更能滿足實(shí)時(shí)處理的要求。

3.2 終端探測(cè)算法的代碼級(jí)優(yōu)化

由于探測(cè)算法以C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)為主，在算法定版后，通過(guò)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。

TMS320C6416內(nèi)部具有8個(gè)獨(dú)立的功能單元，在一個(gè)周期內(nèi)可以最多并行執(zhí)行8條32 bit指令。針對(duì)這一特點(diǎn)，代碼優(yōu)化的主要思路就是盡量提高指令的并行能力。采用的優(yōu)化方法主要有以下幾種[5]：

(1)修改編譯器選項(xiàng)，給編譯器反饋相關(guān)操作信息

編譯器的options里面包含很多與性能相關(guān)的選項(xiàng)(如-o3、-pm、-mt等優(yōu)化使能選項(xiàng))，擇優(yōu)選取能提高代碼運(yùn)行效率的選項(xiàng)。

(2)CACHE優(yōu)化

增加CACHE的支配空間可以提高代碼的運(yùn)算速度，可用CSL函數(shù)將片內(nèi)L2層存儲(chǔ)器中的128 KB設(shè)置為CACHE模式，使DSP在運(yùn)算時(shí)擁有更大的CACHE容量。

(3)降低存儲(chǔ)器相關(guān)性

編譯器只能安排不相關(guān)的指令并行執(zhí)行，如果編譯器不能確定訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令是否相關(guān)，則默認(rèn)指令是相關(guān)的，安排串行執(zhí)行。所以，要盡可能地去除指令相關(guān)性，可使用關(guān)鍵字const來(lái)實(shí)現(xiàn)。const告知編譯器被指定的變量或者變量指向的存儲(chǔ)器是不變的（即訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令是不相關(guān)的），編譯器就可以安排這些指令并行執(zhí)行，以提高效率。

(4)調(diào)用內(nèi)聯(lián)函數(shù)（intrinsics）

intrinsics是C6000編譯器提供的在線函數(shù)，直接調(diào)用intrinsics代替對(duì)應(yīng)的運(yùn)算指令，能最高效率地實(shí)現(xiàn)代碼功能。例如，C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)飽和加法需要多行代碼，而調(diào)用intrinsics只用一條_sadd()指令就夠了。

(5)數(shù)據(jù)打包處理技術(shù)

TMS320C6416訪問(wèn)存儲(chǔ)器要消耗大量的時(shí)鐘周期，要提高數(shù)據(jù)處理效率，就要盡可能使一條存（或?。┲噶钅茉L問(wèn)多個(gè)數(shù)據(jù)。例如，若使用64 bit指令操作訪問(wèn)2個(gè)32 bit或者4個(gè)16 bit數(shù)據(jù)等，不僅提高了數(shù)據(jù)存取的操作效率，而且可以更充分地使用TMS320C6416內(nèi)核的8個(gè)功能單元進(jìn)行并行運(yùn)算。

(6)邏輯運(yùn)算替代算術(shù)運(yùn)算

由于DSP處理邏輯運(yùn)算的指令要比處理乘除運(yùn)算的指令快得多，所以，在源程序中要盡可能地用移位運(yùn)算替代乘除運(yùn)算，以縮短運(yùn)算時(shí)間。

(7)時(shí)空轉(zhuǎn)換技術(shù)

為了減少手持探測(cè)算法源程序中不必要的壓棧和出棧帶來(lái)的操作指令，用內(nèi)聯(lián)函數(shù)代替一些子函數(shù)寫(xiě)入主函數(shù)內(nèi)，或者把一些調(diào)用不多的小函數(shù)直接寫(xiě)入主函數(shù)內(nèi)，雖然代碼長(zhǎng)度增加了，但是提高了效率，即用空間的增加換取時(shí)間上的減少。

(8)優(yōu)化源程序中的循環(huán)，充分使用軟件流水技術(shù)

軟件流水技術(shù)是優(yōu)化過(guò)程中非常重要的一個(gè)步驟，能極大程度地提高源程序中循環(huán)的執(zhí)行速度，例如執(zhí)行下面這段源程序：

LDH

LDH

MPY

ADD

對(duì)它執(zhí)行5次循環(huán)（不考慮指令延遲）。圖3為不使用軟件流水時(shí)的執(zhí)行效果，圖4為使用軟件流水時(shí)的執(zhí)行效果。經(jīng)對(duì)比可見(jiàn)，使用軟件流水技術(shù)有效地減少了指令周期數(shù)。為了最充分地利用軟件流水技術(shù)，對(duì)于程序中的各種循環(huán)采用了以下措施：

(1)避免循環(huán)中出現(xiàn)條件終止或者提前退出循環(huán)等指令[6]。

(2)在保證最小安全迭代循環(huán)次數(shù)的同時(shí)，要盡量減少循環(huán)次數(shù)。

(3)循環(huán)修改使用遞減計(jì)數(shù)或者使用程序指令：MUST_ITERATE以避免冗余循環(huán)。

(4)多層循環(huán)中，循環(huán)核內(nèi)的一次迭代沒(méi)有充分利用DSP資源時(shí)，采取循環(huán)展開(kāi)技術(shù)，即完全展開(kāi)執(zhí)行周期很少的內(nèi)循環(huán)(軟件流水只對(duì)內(nèi)循環(huán)有效)，使其外層循環(huán)變成一個(gè)大的內(nèi)循環(huán)，這樣不但減少了循環(huán)填充和循環(huán)排空的指令數(shù)，而且提高了內(nèi)循環(huán)指令的并行執(zhí)行能力。

4 測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 測(cè)試

測(cè)試分為兩部分，首先對(duì)設(shè)備運(yùn)行探測(cè)算法的實(shí)時(shí)效果進(jìn)行測(cè)試，使用CCS的profile功能分析DSP算法的效率；然后在外場(chǎng)環(huán)境對(duì)設(shè)備的整體功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，使設(shè)備脫離PC機(jī)，進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試，搜尋處于隨機(jī)位置的TD目標(biāo)手機(jī)。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

以TMS320C6416運(yùn)行的時(shí)鐘周期(1.67 ns)為性能指標(biāo)，測(cè)試源程序優(yōu)化前后的效率，其結(jié)果如表2所示。圖5為設(shè)備外場(chǎng)測(cè)試時(shí)LCD屏顯示的運(yùn)行結(jié)果，為了顯示清晰，系統(tǒng)設(shè)定為每隔5 s返回一次運(yùn)行結(jié)果。

表2 代碼運(yùn)行效率測(cè)試結(jié)果

表2的結(jié)果表明，優(yōu)化工作的效果是非常顯著的，程序優(yōu)化后的運(yùn)行效率比優(yōu)化之前運(yùn)行效率提高了241倍左右，極大地提高了信號(hào)處理速度，也即提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。而圖5顯示的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，探測(cè)系統(tǒng)成功地捕獲了目標(biāo)手機(jī)的TMSI信息，并且成功地檢測(cè)出目標(biāo)信號(hào)的功率值，從而證明經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)性處理的代碼運(yùn)行正確無(wú)誤，系統(tǒng)運(yùn)行正常。根據(jù)此功率值的變化，逐步接近目標(biāo)手機(jī)，并最終準(zhǔn)確地找到目標(biāo)手機(jī)，探測(cè)最大有效范圍在500 m左右。

本文介紹了基于TD-SCDMA通信網(wǎng)絡(luò)的TD終端探測(cè)系統(tǒng)，描述了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)思路；給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的DSP核心算法流程；針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)DSP代碼進(jìn)行了一系列優(yōu)化工作，并對(duì)比分析了優(yōu)化工作前后的代碼效率。最后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，能夠成功探測(cè)到目標(biāo)手機(jī)。本文設(shè)計(jì)的手機(jī)探測(cè)系統(tǒng)基于單一的TD通信網(wǎng)絡(luò)，由于國(guó)內(nèi)存在多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，如何實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)融合的手機(jī)探測(cè)系統(tǒng)是下一步研究的主要工作。

[1]田增山，茍舉，何維.手機(jī)信號(hào)采集與傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，23（2）：178-182.

[2]朱鯉，孫亞，胡小文.基于手機(jī)定位的動(dòng)態(tài)行程時(shí)間探測(cè)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（10）：244-248.

[3]Texas Instruments Incorporate.TMS320C6414T,TMS320C6415T,TMS320C6416T fixed-point digital signal processors[Z].2006.

[4]陳晨，張?zhí)?基于 VCP的DSP維特比譯碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009,25(4-2)：202-203.

[5]李方慧，王飛，何佩琨.TMS320C6000系列 DSPs原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：197-310.

[6]Li Shuhua，Tie Yong，Guo Gaizhi.The pipeline analysis of the complex algorithm adopted in the dsp based image processing[C].In Proceedings of InternationalConference on Education Technology and Computer(ICETC)，June，2010.