WiMAX信道估計(jì)插值研究與DSP實(shí)現(xiàn)*

魏國(guó)慶，逯玉宏，楊 凡

（重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030）

0 引 言

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)具有抗多徑干擾、頻譜利用率高等特點(diǎn)，在寬帶無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。OFDM信號(hào)雖然消除了信道間干擾，但不能有效利用寶貴的頻率資源，在衰落信道中傳輸時(shí)，其幅度和相位會(huì)發(fā)生變化。信道估計(jì)是為了消除信道對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響。所以，在OFDM系統(tǒng)中，信道估計(jì)是決定系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵技術(shù)之一。下面主要討論在得到信道參數(shù)結(jié)果后，如何在DSP平臺(tái)進(jìn)行插值運(yùn)算。根據(jù)WiAMX導(dǎo)頻信號(hào)的位置和DSP硬件平臺(tái)的特點(diǎn)，使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言2種方法實(shí)現(xiàn)。然后，通過(guò)比較2種方法的插值結(jié)果和指令周期統(tǒng)計(jì)，得出DSP平臺(tái)效率高的結(jié)論[1]。

1 硬件平臺(tái)描述

MSC8156是Freescale公司針對(duì)基站設(shè)計(jì)的一款多核DSP芯片，其中SC3850作為內(nèi)核有著高效的代碼編譯性能和優(yōu)異的分級(jí)存儲(chǔ)體系，且運(yùn)算能力也獲得了提高，主頻高達(dá)1.2 GHz，擁有優(yōu)良的性能和功耗節(jié)約能力，提高了無(wú)線(xiàn)寬帶設(shè)備的性能，將幫助設(shè)備制造商解決下一代無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，如3G-LTE、WiAMX、HSPA+ 和 TDD-LTE[2-3]。

2 信道估計(jì)插值實(shí)現(xiàn)

每個(gè)OFDMA符號(hào)按簇插入導(dǎo)頻子載波。偶數(shù)符號(hào)每個(gè)簇的導(dǎo)頻位置為第5和第9個(gè)子載波位置；奇數(shù)符號(hào)每個(gè)簇的導(dǎo)頻位置為第1和第13個(gè)子載波位置。時(shí)域插值處理完成相同導(dǎo)頻子載波位置上前后符號(hào)對(duì)當(dāng)前符號(hào)的線(xiàn)性插值，以獲得更豐富的信道信息。頻域插值在每個(gè)簇內(nèi)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)相鄰導(dǎo)頻進(jìn)行線(xiàn)性擬合，獲取導(dǎo)頻間的數(shù)據(jù)子載波信道估計(jì)信息。圖1為時(shí)頻二維插值方式[4-6]。

圖1 時(shí)頻二維插值

在插值算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，按照先時(shí)域插值，后頻域插值的順序。根據(jù)接收的數(shù)據(jù)符號(hào)奇偶、中間和邊緣不同位置來(lái)判斷插值方式，接收數(shù)據(jù)符號(hào)索引為0,1,…N。中間符號(hào)索引為i，進(jìn)行時(shí)域線(xiàn)性插值，其插值結(jié)果由前一個(gè)符號(hào)，索引為i-1，后一個(gè)符號(hào)，索引i+1，取平均得出；對(duì)于頻域插值，由時(shí)域插值得出的導(dǎo)頻信息和本身存在的導(dǎo)頻信息進(jìn)行線(xiàn)性插值，符號(hào)邊緣插值處理，索引為0、N的數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行拷貝處理，即將索引為1和N-1的插值結(jié)果賦給索引為0和N的數(shù)據(jù)位置上，作為該符號(hào)的插值結(jié)果。

其中，α、β為時(shí)域插值系數(shù)；c0、c1、c2是頻域插值系數(shù)。psym[n]是當(dāng)前時(shí)域信道系數(shù)，pf[n]當(dāng)前頻域信道系數(shù)，p0、p1是發(fā)端導(dǎo)頻。圖2為時(shí)頻二維線(xiàn)性插值流程圖。插值過(guò)程中，包含求和平均、指數(shù)平均和一階/二階線(xiàn)性插值等。

圖2 時(shí)頻二維插值流程

3 DSP優(yōu)化

WiMAX收端信道估計(jì)插值算法功能實(shí)現(xiàn)后，需要對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，分別通過(guò)C語(yǔ)言和線(xiàn)性匯編語(yǔ)言編寫(xiě)代碼進(jìn)行優(yōu)化說(shuō)明。

C語(yǔ)言?xún)?yōu)化方式：

數(shù)組數(shù)據(jù)按字節(jié)對(duì)齊，將數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存M2中，屬性為cache，提高DSP存取數(shù)據(jù)速度；

（2）DSP編譯器提供的優(yōu)化，#pragma opt_level="O3"，同時(shí)使用C語(yǔ)言的內(nèi)聯(lián)函數(shù)、關(guān)鍵字const等優(yōu)化方式。

線(xiàn)性匯編優(yōu)化方法：

（1）SC3850有自帶匯編優(yōu)化方式，DSP地址總線(xiàn)是64位，數(shù)據(jù)總線(xiàn)是128位，并行指令（VLES）最大數(shù)目為6，每個(gè)時(shí)鐘可并行4條數(shù)據(jù)運(yùn)算指令（DALU）和2條地址運(yùn)算指令（AGU）。與此同時(shí)，減少堆棧壓棧語(yǔ)句。若輸入數(shù)據(jù)量不大，可把數(shù)據(jù)放在片上RAM緩存區(qū)，增快讀取數(shù)據(jù)速度，減少總運(yùn)行時(shí)間。

（2）循環(huán)指令loopstart0…loopend0之間盡量不使用跳轉(zhuǎn)指令jf/jt，容易導(dǎo)致死循環(huán)。使用指令ift group1（2條指令并行）和iff group2（2條指令并行），同時(shí)存取數(shù)據(jù)使用指令MOVE.2L，而輸入輸出數(shù)據(jù)按字節(jié)對(duì)齊。

（3）插值、信道估計(jì)等代碼執(zhí)行的模塊放入核1上執(zhí)行，釋放核0的CPU，群延遲一段時(shí)間譯碼，提高系統(tǒng)效率，如圖3所示。

圖3 雙核處理

4 仿真結(jié)果分析

為了比較DSP實(shí)現(xiàn)結(jié)果的方式，仿真采樣單發(fā)單收的系統(tǒng)，采樣率11.2 MHz，OFDM有效子載波數(shù)為840，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn)，CP長(zhǎng)度為128兩種，幀長(zhǎng)2.5 ms，符號(hào)個(gè)數(shù)為24，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 兩種編程方式插值比較

圖5 兩種插值方法比較

從圖4可以看出，匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言進(jìn)行的時(shí)頻二維插值效果一致，唯一區(qū)別是浮點(diǎn)和定點(diǎn)數(shù)據(jù)處理不同，匯編效率要提高30%左右。從圖5可見(jiàn)，分別使用求和平均和指數(shù)平均計(jì)算的信道系數(shù)效果一致，但求和平均指令簡(jiǎn)單，一次運(yùn)算包含一個(gè)加法和一個(gè)移位指令，指數(shù)平均一次運(yùn)算包含兩個(gè)乘法和一個(gè)加法指令，一個(gè)符號(hào)840個(gè)子載波就要多出840個(gè)指令乘法運(yùn)算的時(shí)間。因此，相同的插值效果，選擇求和平均更容易實(shí)現(xiàn)。

圖6顯示的信道系數(shù)在時(shí)域加窗處理后的比較。時(shí)域加窗后進(jìn)行FFT運(yùn)算、信道系數(shù)平滑，波動(dòng)小，更接近真實(shí)信道特性。但是，這樣處理后，從頻域到時(shí)域、時(shí)域再到頻域兩次域的變換，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。綜合以上幾點(diǎn)因素，在設(shè)計(jì)插值DSP實(shí)現(xiàn)方法上，可以選擇一階線(xiàn)性插值和求和平均，不進(jìn)行變換域加窗處理，工程上易于實(shí)現(xiàn)。

DSP平臺(tái)上使用的兩種語(yǔ)言，其單個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)所消耗的指令周期，使用DSP自帶函數(shù)osTickTIme()統(tǒng)計(jì)，比較結(jié)果如表1所示。

從表1的統(tǒng)計(jì)指令周期來(lái)看，單個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)插值計(jì)算，匯編比C語(yǔ)言要快4 065 cycles。一幀長(zhǎng)度20個(gè)符號(hào)，一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間102 μs，10 MHz帶寬匯編計(jì)算可以節(jié)省時(shí)間79.4%，達(dá)到81 300 cycles，20 MHz帶寬節(jié)省時(shí)間94.1%，達(dá)到96 720 cycles。可見(jiàn)，充分釋放了操作系統(tǒng)，可執(zhí)行其他線(xiàn)程任務(wù)，提高運(yùn)算效率。對(duì)于小型基站，低帶寬、單核就滿(mǎn)足信號(hào)處理能力；對(duì)于大型基站，高帶寬、單核處理能力有些不足。

圖6 變換域加窗比較

表1 單個(gè)符號(hào)插值指令周期統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 語(yǔ)

從理論分析出發(fā)，結(jié)合硬件平臺(tái)特性，研究了WiMAX信道估計(jì)插值的DSP實(shí)現(xiàn)方法，選擇了一階線(xiàn)性插值方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明：從算法復(fù)雜度來(lái)看，一階線(xiàn)性插值方法算法簡(jiǎn)單，耗費(fèi)的DSP指令周期少，匯編指令執(zhí)行時(shí)間滿(mǎn)足信道和系統(tǒng)性能要求，雙核執(zhí)行效率高；從插值效果來(lái)看，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中比較容易實(shí)現(xiàn)。