TD-LTE系統(tǒng)中Zadoff-Chu序列的研究與DSP實(shí)現(xiàn)*

陳發(fā)堂，吳增順

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065）

TD-LTE系統(tǒng)中Zadoff-Chu序列的研究與DSP實(shí)現(xiàn)*

陳發(fā)堂，吳增順

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065）

通過(guò)對(duì)Zadoff-Chu(ZC)序列生成算法的分析及理論推導(dǎo)，提出了一種快速、有效的Zadoff-Chu序列生成的DSP實(shí)現(xiàn)方案。該方案已經(jīng)在TMS320C64xDSP中實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在CCS3.3中運(yùn)行程序，驗(yàn)證了方案的可行性和高效性。該方案在LTE-TDD無(wú)線綜合測(cè)試儀表的開(kāi)發(fā)中已經(jīng)得到應(yīng)用。

LTE系統(tǒng)；Zadoff-Chu序列；DSP實(shí)現(xiàn)

在TD-LTE系統(tǒng)中，Zadoff-Chu(ZC)序列主要應(yīng)用于上行RS序列生成、PRACH前導(dǎo)序列生成以及主同步信號(hào)生成等[3]，它在整個(gè)TD-LTE系統(tǒng)中扮演著重要的角色，是建立上下行鏈路同步以及信道估計(jì)中不可或缺的一部分。Zadoff-Chu序列具有良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，這有利于減少不同前導(dǎo)之間的相互干擾，而且其本身具有對(duì)稱性，這有利于減少序列生成的復(fù)雜度。同時(shí)LTE系統(tǒng)選擇了素?cái)?shù)長(zhǎng)度的Zadoff-Chu序列，保證序列檢測(cè)性能的提高。

本文通過(guò)對(duì)ZC序列生成的分析以及自身的特性，結(jié)合理論推導(dǎo)，提出了一種簡(jiǎn)化的ZC生成算法的DSP實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)仿真與比較，驗(yàn)證了該方案的可行性，能夠滿足LTE系統(tǒng)性能的要求。

1 Zadoff-Chu算法分析

其中 n=0，1，2…Nzc-1，u 為正整數(shù)。

參數(shù)為u，序列長(zhǎng)度為Nzc的ZC序列定義為：

每計(jì)算一次Xu(n)的值，在求x的計(jì)算上就需要3次乘法和一次除法運(yùn)算。對(duì)于長(zhǎng)度為Nzc的序列而言，計(jì)算所有Xu(n)的指數(shù)x需要3×Nzc次的乘法和 Nzc次的除法運(yùn)算，然后利用式（2）計(jì)算每一個(gè)Xu(n)的值。

用式(2)計(jì)算Zadoff-Chu序列的生成存在兩點(diǎn)不足：(1)余弦和正弦運(yùn)算屬于一種非線性的運(yùn)算，多次運(yùn)算的復(fù)雜度很高，耗時(shí)很長(zhǎng)，不利于滿足LTE系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求；(2)MS320C6000系列DSP在軟件的實(shí)現(xiàn)中只能處理定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，無(wú)法直接對(duì)浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行處理。因而要利用式(2)計(jì)算必須對(duì)正弦和余弦進(jìn)行量化處理。

在定點(diǎn)DSP芯片中，采用定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，其操作數(shù)一般采用整型數(shù)表示。一個(gè)整型數(shù)的最大表示范圍取決于DSP芯片所給定的字長(zhǎng)，一般為16 bit或32 bit。對(duì)DSP芯片而言，參與數(shù)值運(yùn)算的數(shù)就是16 bit的整型數(shù)。通過(guò)設(shè)定小數(shù)點(diǎn)在16 bit數(shù)中的不同位置，就可以表示不同大小和不同精度的小數(shù)。數(shù)的定標(biāo)有Q表示法和S表示法兩種，如表1所示。

表1 Q表示和S表示及數(shù)值范圍

從表1可以看出，不同的Q所表示的數(shù)不僅范圍不同，而且精度也不相同。Q越大，數(shù)值范圍越小，但精度越高；相反，Q越小，數(shù)值范圍越大，但精度就越低。本文采用Q量化方法，浮點(diǎn)數(shù)與定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為：浮點(diǎn)數(shù)(x)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)(xq)：xq=(int)x×2q

式中int表示下取整。由正弦和余弦的范圍，結(jié)合表1可知，可以采用Q15進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)到定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)化。為了減少正弦和余弦由于非線性造成的復(fù)雜運(yùn)算，可以采用查表的方法。首先對(duì) sin(x)的 0～π的值進(jìn)行量化處理，根據(jù)sin(x)本身的對(duì)稱性可以通過(guò)0～π的量化值取反得到；其次，根據(jù)正弦和余弦之間的關(guān)系cos(x)=sin(x+π/2)，可以將余弦值的求法轉(zhuǎn)化到求正弦上。由于量化存在著誤差，因而量化的點(diǎn)數(shù)越多，所求的值越接近理論上的值，但量化點(diǎn)數(shù)越大占用的內(nèi)存空間也越大。在0～π在之間進(jìn)行2 048點(diǎn)量化時(shí)，已十分接近理論值。因此采用0～π在之間進(jìn)行2 048點(diǎn)量化。進(jìn)一步對(duì)式（1）推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)：

由式（4）可知，對(duì)于給定的參數(shù) u，A(n)/A(n-1)為定值，對(duì)于初始值 A(0)=1，XU(0)=1。通過(guò)式(3)和式(4)的遞推關(guān)系就可以只通過(guò)乘法運(yùn)算計(jì)算出ZC序列，在計(jì)算時(shí)只需要計(jì)算一次正弦和余弦即可。用這種方法將正弦和余弦轉(zhuǎn)化成復(fù)數(shù)的乘法運(yùn)算，減少了正弦和余弦歸一化和量化查表的時(shí)間，進(jìn)一步降低運(yùn)算的復(fù)雜度。

由ZC序列本身所具有的性質(zhì)可知：

ZC序列是關(guān)于序列長(zhǎng)度Nzc中心點(diǎn)呈對(duì)稱性，因此可以利用此性質(zhì)進(jìn)一步減少運(yùn)算的時(shí)間。

2 Zadoff-Chu的DSP實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件

MS320C6000系列DSP是TI公司推向市場(chǎng)的高性能DSP，綜合了目前性價(jià)比高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。TMS320C64系列在TMS320C6000×DSP芯片中處于領(lǐng)先水平，它在體系結(jié)構(gòu)上采用了VelociTI甚長(zhǎng)指令集VLIW（Very Long Instruction Word）結(jié)構(gòu)[5]，芯片內(nèi)有 8個(gè)獨(dú)立功能單元的內(nèi)核，每個(gè)周期可以并行執(zhí)行8條32 bit指令，最大峰值速度為4 800 MIPS，支持8/16/32/40 bit的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。由于其出色的運(yùn)算能力、高效的指令集及大范圍的尋址能力，使其特別適用于測(cè)試儀表等對(duì)運(yùn)算能力和存儲(chǔ)量有高要求的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2 Zadoff-Chu序列的DSP實(shí)現(xiàn)

因?yàn)閆C模塊的輸入序列長(zhǎng)度不盡相同，所以本模塊是按給定參數(shù)單獨(dú)處理。ZC算法是作為一個(gè)子函數(shù)模塊，其調(diào)用格式為：ZcSequenceGen(int，int，short*)，其中，int分別有2個(gè) int表示 Nzc為輸入序列的長(zhǎng)度、u為輸入序列序列號(hào)；short*為ZC_out輸出序列的首地址。

具體實(shí)現(xiàn)流程描述如下：

(1)初始值 ej2πu/Nzc的量 化處理

由式（6）u除以Nzc，商為m，余數(shù)為 k，結(jié)合eix的周期性可知，它的值就是u除以Nzc的余數(shù)所對(duì)應(yīng)的指數(shù)的值。

如果u除以Nzc的余數(shù)大于Nzc，用它的余數(shù)減去2×Nzc，把它的商的范圍變換到（-Nzc，0）上；如果它的商小于 Nzc，則不對(duì)u進(jìn)行處理。將u歸一化到（-Nzc，Nzc）之間后，再除以 Nzc，將它變換到（-1，1）之間，因?yàn)榇鎯?chǔ)的正弦表的指數(shù)x的范圍是在（0，π）之間。正弦表的指數(shù) x在（0，π）之間進(jìn)行 2 048點(diǎn)的采樣，把采樣的值求出對(duì)應(yīng)的正弦值后用Q15進(jìn)行量化。將量化之后的值存儲(chǔ)在內(nèi)存中。x/π的范圍是在（0，1）之間，1對(duì)應(yīng)的 Q15量化為 32 768，因此，在（0，1）之間進(jìn)行2048點(diǎn)的采樣，采樣間隔為32768/2048=16。根據(jù)公式cos(x)=sin(x+π/2)可知，ej2πu/Nzc的余弦值是把量化的值加上 16 384。對(duì)量化之后的值和加上16384的值首先判斷它的正負(fù)，如果為負(fù)數(shù)，則把為負(fù)數(shù)的值進(jìn)行取反，如果是正數(shù)，則不作處理。然后再用它們處理之后的值除以16，得到商和一個(gè)余數(shù)，判斷余數(shù)是否＞8，如果＞8，則商加 1；如果商≤8，則商不變。用得到的商作為查表的偏移量，利用STH指令取出相應(yīng)量化的值，從而完成了初始值的計(jì)算。具體流程圖如圖1。

(2)ZC序列的計(jì)算

圖1 初始值的計(jì)算流程

首先把遞推公式的初始值A(chǔ)(0)=1和Xu（0）=1分別用MVK指令賦值到相應(yīng)的寄存器中。由遞推關(guān)系式，首先計(jì)算出 A（n），由于 A（n-1）和計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)因子 M均為復(fù)數(shù)，不能直接進(jìn)行相應(yīng)的乘法運(yùn)算，只能采用復(fù)數(shù)相乘的法則。即A(n)的實(shí)部等于A（n-1）和M的實(shí)部與虛部分別相乘后再進(jìn)行相減。為了減少指令的開(kāi)銷，可以采用DOTPN2指令，該條指令可以直接完成A(n-1)的實(shí)部和虛部與M的實(shí)部和虛部相乘之后相減，把得到的實(shí)部用SHR指令進(jìn)行右移16 bit，保證得到的結(jié)果為半字。同樣A（n）的虛部的計(jì)算，先用匯編指令PACK2交換M的實(shí)部和虛部，再用DOTP2指令完成A(n-1)和M的高16 bit和低16 bit的相乘以及A(n-1)和M的低16 bit和高16 bit的相乘之后再相加，同樣用SHR指令對(duì)虛部的計(jì)算結(jié)果右移16 bit，保證虛部在半字的范圍內(nèi)。 計(jì)算完成 A（n）后，再把 A（n）和 Xu（n-1）進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘，從而得到 Xu（n）的計(jì)算結(jié)果。由 ZC序列本身所具有的對(duì)稱性，分別將計(jì)算出的Xu（n）的實(shí)部和虛部用STH指令分別壓棧到輸出結(jié)果的第n個(gè)字和第Nzc-n-1個(gè)字中，至此ZC序列的計(jì)算全部完成。

3 性能分析與總結(jié)

通過(guò)DSP軟件實(shí)現(xiàn)得到的結(jié)果與用MATLAB搭建的鏈路得到的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖2所示。圖2雖然只是長(zhǎng)度Nzc=139點(diǎn)，但不失一般性。從圖中可以看出，雖然量化誤差的存在，但是在 2 048點(diǎn)對(duì) sin在（0，π）區(qū)間進(jìn)行量化時(shí)，得到的結(jié)果與理論數(shù)據(jù)的值相差在0.1%左右。同時(shí)在應(yīng)用DSP軟件實(shí)現(xiàn)中，盡量對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)指令并行，操作碼的合理設(shè)計(jì)以及減少或消除程序中的’NOP’指令[6]等方法進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)運(yùn)用TMS320C64×DSP芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于處理器的超高主頻一般為1 GHz，所以一個(gè)指令周期耗時(shí)為1 ns，其運(yùn)算速率非?？?，如表2所示，與直接進(jìn)行ZC序列的生成相比較大大降低了運(yùn)算時(shí)間，可以滿足LTE系統(tǒng)的快速有效性。

表2 計(jì)算量的比較

本文從理論分析出發(fā)，根據(jù)TD-LTE系統(tǒng)特性以及Zadoff-Chu序列本身的性質(zhì)，提出了一種簡(jiǎn)單有效的Zadoff-Chu算法實(shí)現(xiàn)方案，并將該算法在TMS320C64×芯片上實(shí)現(xiàn)。程序運(yùn)行結(jié)果表明，提出的算法具有可行性和高效性，能夠滿足TD-LTE系統(tǒng)的需求。該方案已在LTE-TDD無(wú)線綜合測(cè)試儀表的開(kāi)發(fā)中得到了應(yīng)用。

[1]丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[2]何方白，張德民.數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]3GPP TS 36.211 v9.0.0 Evolved universal terrest-rial radio access(E-UTRA)physical channels and modulation(release 9)[S].2009-12.

[4]SAIDI A.Decimation-in-time-frequency FFT algorithm,Manuscript，To be published.1993(8).

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320C64x/C6-4x+DSP.CPU.and.Instruction.Set.Reference.Guide[E-B/OL].Http://www.ti.com.cn,2008.

[6]Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列 DSP編程工具與指南[M].田黎育，何佩琨，朱夢(mèng)宇，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2006：32-50.

[7]馮僑，鄧娟，沈靜，等.LTE系統(tǒng)中ZC序列的實(shí)現(xiàn)方法[P]：CN 101826890 A.2010.09.08.

Research and DSP realization of Zadoff-Chu sequence in TD-LTE system

Chen Fatang，Wu Zengshun
(School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065，China)

Analysis and research on the Zadoff-Chu sequence generation algorithm Principles[3，7],a fast and effect DSP implementation approach is proposed in this paper and implemented in the TMS320C64xDSP.The running results of the ZC sequence generation program in CCS3.3 verifies that the program is feasible and effective.The program has been applied to the development of LTE-TDD wireless integrated test instrument.

TD-LTE system；Zadoff-Chu sequence；DSP realization

TN929.5

A

0258-7998(2012)03-0041-03

國(guó)家科技重大專項(xiàng),TD-LTE無(wú)線綜合測(cè)試儀表開(kāi)發(fā)（2009ZX3002-009）

2011-11-01)

陳發(fā)堂，男，1965年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：TD-LTE系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

吳增順，男，1987年生，碩士研究生，主要研究方向：TD-LTE系統(tǒng)物理層算法及DSP軟件開(kāi)發(fā)。