基于通用處理器的無(wú)線(xiàn)信號(hào)處理方法研究

摘 要：移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)處理有很高的實(shí)時(shí)性要求，傳統(tǒng)的設(shè)備都是在DSP或者FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，但是隨著多線(xiàn)程技術(shù)、SIMD等技術(shù)的發(fā)展，通用處理器已經(jīng)完全達(dá)到處理無(wú)線(xiàn)信號(hào)的要求。本文主要介紹了利用LTE信號(hào)進(jìn)行信道探測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)處理算法。

關(guān)鍵詞：通用處理器；無(wú)線(xiàn)信號(hào)；處理方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92

通用處理器具有良好的向后兼容性，所以它可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的軟件向新處理器的平穩(wěn)過(guò)渡。大大方便了無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的升級(jí)工作，就目前而言通用處理器是基帶信號(hào)處理的不二選擇。

1 LTE簡(jiǎn)介

LTE于2004年正式啟動(dòng)，它是3GPP近年來(lái)進(jìn)行的最大的一項(xiàng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，是一項(xiàng)準(zhǔn)4G技術(shù)。其主要有FDD和TDD兩種不同類(lèi)型的工作制式。兩者主要在空中接口的物理層上有一些不同。其中FDD在上下行傳輸技術(shù)中運(yùn)用了一對(duì)對(duì)稱(chēng)的頻段，用來(lái)接受和發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)信息，可是TDD在上下行上卻采用了頻段相同，傳輸時(shí)隙不同的方法。

LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是扁平化的，它取消了RNC節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了化簡(jiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了全I(xiàn)P路由。它主要由核心網(wǎng)、用戶(hù)端以及基站三部分組成。

2 LTE的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 OFDM技術(shù)

通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)試以及多址技術(shù)讓系統(tǒng)性能變得更加優(yōu)良是移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要手段。所以一直以來(lái)都采用多載波方案。而OFDM是一種全新的多載波調(diào)制方案。與以前的多載波方案相比，OFDM可以有效減少子信道之間的相互干擾。

2.2 MIMO技術(shù)

它可以比較容易的實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)傳輸效率和擴(kuò)大信道容量。因?yàn)镸IMO技術(shù)可以在通信系統(tǒng)的收發(fā)兩端安裝多根天線(xiàn)，而且兩端的天線(xiàn)數(shù)量可以有所不同。在LTE系統(tǒng)中，MIMO的天線(xiàn)配置比較典型的是下行2×2，也就是2根天線(xiàn)用于發(fā)送信息，其余2根用于接收信息，還有上行1×2，就是只有1根天線(xiàn)用來(lái)發(fā)送信息，2根用來(lái)接受信息，LTE中最多可用4×4的配置[1]。

3 算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 LS估計(jì)算法

它是一種應(yīng)用非常廣泛的信道估計(jì)方法，由于它力求讓接收數(shù)據(jù)與無(wú)噪聲數(shù)據(jù)的差的平方和最小，所以又叫做迫零信道估算法，它的前提條件是完全忽略噪聲的影響。下面就進(jìn)行具體操作。

首先設(shè)其代價(jià)函數(shù)為：J= H 。其中Y表示接收端的一個(gè)OFDM符號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解基帶信號(hào)后組成的向量，換言之Y=[Y0Y1…YN-1]T。 表示輸出信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是經(jīng)過(guò)信道估計(jì)以及信號(hào)檢測(cè)處理后估計(jì)得到的， = = ，在信道估計(jì)過(guò)程中，信道沖擊響應(yīng)用向量 = … 來(lái)表示。

F為傅立葉變換矩陣，公式的表現(xiàn)形式為： 其中WNnk= 。X表示發(fā)送終端在基帶信號(hào)映射過(guò)程中，映射到一個(gè)OFDM符號(hào)上的數(shù)據(jù)形成的對(duì)角矩陣，X=diag[X0X1…XN-1][2]。

求偏導(dǎo)可得： = + =0

得到： =（FHXHXF）-1FHXHY=F-1X-1Y

化簡(jiǎn)可得： =X-1Y

由此可見(jiàn)，LS信道的估計(jì)算法的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，只需兩步運(yùn)算即可，第一步對(duì)對(duì)角矩陣求逆，第二步進(jìn)行乘法運(yùn)算。該算法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)任何通信場(chǎng)景都適用。在以上基礎(chǔ)上，我們?cè)賮?lái)分析LS估算法的均方誤差性能。由上式可得： =X-1Y=X-1（XH+N）=H+X-1N。

則有： =||X-1N||2

求期望可得：

=E[（X-1N）（X-1N）H]=X-1E[NNH]（X-1）H=X-1（X-1）HσNI=σ2NI

則均方誤差為：MSE= = =

因?yàn)榇鷥r(jià)函數(shù)在求最優(yōu)解的時(shí)候并不考慮信道噪聲以及干擾的影響，所以這種估算方法的均方誤差值比較高，故LS估算法并不是最佳性能，但是由于LS估算法比較容易實(shí)現(xiàn)，所以這種方法應(yīng)用非常廣泛。

3.2 FFTW算法

在處理LTE的下行鏈路信號(hào)時(shí)，F(xiàn)FT是最占用時(shí)間的部分，所以加快FFT計(jì)算速度是實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)處理的前提條件。筆者采用的FFTW算法進(jìn)行FFT的相關(guān)計(jì)算，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通FFT算法。

FFTW是一種標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言程序庫(kù)，可以快速計(jì)算離散傅里葉變換。它能夠計(jì)算多維的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)、復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)和任意規(guī)模DFT，它還包含著共享和分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的并行變換，能夠自動(dòng)適應(yīng)主機(jī)的緩存和存儲(chǔ)器的大小。

3.3 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

下面就通過(guò)MATLAB仿真、C++平臺(tái)進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。

（1）下變頻模塊。設(shè)fc為中頻信號(hào)的中心頻點(diǎn)，TS為采樣周期。它們通過(guò)公式 進(jìn)行處理。

（2）低通濾波模塊。MATLAB中主要是利用Fdatool工具箱自動(dòng)生成采樣率fs=56Msps、截止頻率Fc=10MHz、濾波階數(shù)是269的低通濾波器進(jìn)行相應(yīng)的低通濾波。由于C++平臺(tái)沒(méi)有濾波器函數(shù)，所以要通過(guò)卷積和的方式實(shí)現(xiàn)低通濾波[3]。

（3）重采樣模板。重采樣簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是仿照一類(lèi)象元信息然后插出另一類(lèi)象元的過(guò)程。其公式為：fs= ，n= ， ， …其中寬帶B=20MHz，中頻為70MHz，所以取fL=60MHz，fH=80MHz，選取采樣率fs=56MHz。但是由于LTE規(guī)定采樣率為30.72MHz，所以該程序由原來(lái)56MHz調(diào)整為30.72MHz。

（4）同步模塊。首先依照相關(guān)規(guī)則產(chǎn)生本地PSS序列和收到的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，找出最大值點(diǎn)，并確定小區(qū)ID號(hào)，然后依據(jù)PSS和SSS的位置規(guī)則，找到SSS位置，提取出SSS序列，再生成本地的SSS序列，將兩個(gè)SSS序列進(jìn)行相關(guān)，找出最大值點(diǎn)，再確定幀頭、幀尾，如果沒(méi)有找到，則再次進(jìn)行SSS序列運(yùn)算，直到找出為止。再然后根據(jù)LTE下行鏈路信號(hào)幀的特點(diǎn)去掉前綴CP，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算變到頻域上，找到時(shí)頻網(wǎng)格上的有關(guān)數(shù)據(jù)，最后對(duì)位提取RS數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。

（5）計(jì)算PDP模塊。將上一步提取的RS數(shù)據(jù)與本地生成的RS數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積，得到相應(yīng)的信道變化函數(shù)，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的算法得出信道沖擊相應(yīng)函數(shù)，并通過(guò)取模平均運(yùn)算的方法得出功率延時(shí)的PDP。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)利用LTE信號(hào)進(jìn)行信道探測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)處理算法，向大家介紹了基于通用處理器的無(wú)線(xiàn)信號(hào)處理方法。首先對(duì)LTE系統(tǒng)的起源和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，其次對(duì)關(guān)鍵技術(shù)OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)介紹，最后通過(guò)LS估計(jì)算法和FFTW算法介紹了具體實(shí)施步驟。

參考文獻(xiàn)：

[1]董巖磊.基于通用處理器的無(wú)線(xiàn)信號(hào)處理方法研究[D].北京交通大學(xué)，2014（05）：18-36.

[2]房驥.基于多核CPU的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究[D].北京交通大學(xué)，2013（02）：20-35.

[3]孫健行.基于通用處理器的下行MIMO檢測(cè)算法研究[D].北京郵電大學(xué)，2013（07）：08-25.

[4]何海洋.LTE實(shí)時(shí)通信鏈路在基于通用處理器SDR平臺(tái)上的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué)，2012（04）：14-29.

作者單位：中南大學(xué)，長(zhǎng)沙 410000