GSM多功能基站中信道估計(jì)與均衡的設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

張?jiān)曝S 萬(wàn)國(guó)金 黃云鯤

摘 ?要： 為消除移動(dòng)信道中因多徑效應(yīng)導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間干擾（ISI）的影響，設(shè)計(jì)適用于GSM多功能基站的信道估計(jì)與均衡的FPGA實(shí)現(xiàn)方案。該設(shè)計(jì)包含信道估計(jì)、匹配濾波及信道均衡三個(gè)子模塊，提出在均衡模塊前使用信道沖激響應(yīng)總能量的5%作為匹配濾波器抽頭系數(shù)的判決門限，可減少信道估計(jì)的誤差，提升均衡效率。通過(guò)對(duì)某企業(yè)采集的實(shí)際空中信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行FPGA的時(shí)序仿真及板級(jí)驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能很好地克服碼間干擾的問(wèn)題，并在Xilinx公司的7K325T開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，將其接入GSM多功能基站，系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地偵聽(tīng)手機(jī)的語(yǔ)音信號(hào)。

關(guān)鍵詞： ISI; 信道估計(jì); 匹配濾波; 信道均衡; 時(shí)序仿真; 板級(jí)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN929.5?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）13?0001?04

Design of channel estimation and equilibrium applied to GSM multi?functional base station and its implementation based on FPGA

ZHANG Yunfeng， WAN Guojin， HUANG Yunkun

（School of Information Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031， China）

Abstract： In order to eliminate the impact of serious inter?symbol interference （ISI） caused by multipath effect in the mobile channel， an FPGA?based implementation scheme of channel estimation and equilibrium is designed， which is suitable for GSM multi?functional base station. The module design includes the sub?modules of channel estimation， matched filtering and channel equalization. 5% of the total energy of channel impulse response used in front of equalization module is taken as the decision threshold of the matched filter tap coefficient， which can reduce the channel estimation error and improve the equalization efficiency. The time sequence simulation and board level verification of FPGA are performed for real air signal data collected from a company. The results show that the design can overcome the ISI effectively， and be implemented on 7K325T development board made in Xilinx Company. If the equalizer is connected to a GSM multi?functional base station， the multi?functional base station can quickly and accurately monitor the voice signal of mobile phones.

Keywords： inter?symbol interference; channel estimation; matched filtering; channel equalization; time sequence simulation; board level verification

0 ?引 ?言

GSM多功能基站是一種基于手機(jī)信號(hào)主動(dòng)誘發(fā)探測(cè)技術(shù)的虛擬基站[1]，能在區(qū)域安全、災(zāi)后救援以及信號(hào)偵查等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用[2]。當(dāng)其工作時(shí)，被偵聽(tīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)同步處理后，在理想情況下，僅需對(duì)信號(hào)解旋轉(zhuǎn)[3]處理消除載波相位影響，即可進(jìn)行譯碼操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的偵聽(tīng)。但GSM信號(hào)在實(shí)際空中信道傳輸過(guò)程中受多徑效應(yīng)引起的時(shí)延擴(kuò)展的影響，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾[4]（ISI），而自適應(yīng)均衡器可有效地消除碼間干擾。由于多功能基站對(duì)同時(shí)偵聽(tīng)的用戶數(shù)量、偵聽(tīng)速度及質(zhì)量有較高的要求，因此相對(duì)于DSP有更強(qiáng)的并行處理能力、靈活性及可擴(kuò)展性的FPGA成為更好的選擇。本文給出適用于GSM多功能基站的自適應(yīng)均衡器的FPGA實(shí)現(xiàn)方案，并在Xilinx公司的7K325T開(kāi)發(fā)板上調(diào)試成功，將均衡器接入GSM多功能基站后能成功偵聽(tīng)手機(jī)的語(yǔ)音信號(hào)，這對(duì)多功能基站的投入運(yùn)行有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

GSM系統(tǒng)包含多個(gè)信道，在對(duì)信號(hào)完成同步之后，首先對(duì)SCH信道的SB（同步突發(fā)脈沖序列）進(jìn)行信道估計(jì)與均衡，譯碼出TDMA幀號(hào)以及BSIC（基站識(shí)別碼），得到NB（正常突發(fā)脈沖序列）的訓(xùn)練序列信息，然后將NB送入均衡器再進(jìn)行譯碼，即完成了對(duì)信號(hào)的接收。并進(jìn)行多路復(fù)用，最后發(fā)送給PC機(jī)做后續(xù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路GSM信號(hào)的偵聽(tīng)。整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 ?方案整體架構(gòu)

2 ?模塊設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 ?信道估計(jì)模塊

信道估計(jì)的實(shí)質(zhì)是求取信道的沖激響應(yīng)以獲取信道的特征。在GSM系統(tǒng)中，所有信息都是以突發(fā)形式傳輸?shù)?，在每個(gè)NB中含有26 bit的訓(xùn)練序列，共有8種[5]，通過(guò)對(duì)SB譯碼可獲得NB的訓(xùn)練序列信息， NB中26 bit訓(xùn)練序列的中間16 bit具有良好的自相關(guān)特性，它的前5 bit和16 bit的后5 bit相同，后5 bit與16 bit的前5 bit相同，前后的5 bit起保護(hù)作用。將同步后的I，Q兩路數(shù)據(jù)與已知的16 bit訓(xùn)練序列滑動(dòng)相關(guān)，由相關(guān)值即可得到信道估計(jì)值[6]，實(shí)現(xiàn)方法與FIR濾波器結(jié)構(gòu)類似[7]。但最后的16次求和操作需在單個(gè)時(shí)鐘內(nèi)完成，因此將其改進(jìn)為圖2的流水型架構(gòu)，每個(gè)時(shí)鐘只需進(jìn)行一次求和操作，不斷累加，I，Q兩路數(shù)據(jù)操作相同。NB訓(xùn)練序列有8種，只需輸入設(shè)定好的訓(xùn)練序列編號(hào)NB_num來(lái)判斷累加時(shí)的正負(fù)符號(hào)變化，即可實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)相關(guān)，節(jié)省了FPGA資源。

但實(shí)際信道含有噪聲，相關(guān)值可能存在一定偏差，零值點(diǎn)也可能出現(xiàn)一些較小的數(shù)值，因此，使用滑動(dòng)能量窗的方法來(lái)降低其帶來(lái)的影響。實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)得到的I，Q兩組相關(guān)值output_[I]和output_[Q]求能量，即兩組相關(guān)值對(duì)應(yīng)平方相加，再用長(zhǎng)度為[L]的滑動(dòng)窗得到信道估計(jì)值，并求取峰值窗得到匹配濾波器的抽頭。由于GSM協(xié)議規(guī)定均衡需在16 μs內(nèi)完成，信道估計(jì)得到的抽頭數(shù)為3～6個(gè)，信道彌散長(zhǎng)度為[2≤L≤5]。依據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，[L=5]時(shí)，效果最佳，因此取滑動(dòng)窗長(zhǎng)[L]為5，則峰值窗口內(nèi)的數(shù)組即為下一級(jí)匹配濾波器抽頭系數(shù)。SB的信道估計(jì)與NB大致相同，不同之處是訓(xùn)練序列為64位。

圖2 ?NB滑動(dòng)相關(guān)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

圖3為對(duì)某企業(yè)采集的實(shí)際數(shù)據(jù)用ISE軟件進(jìn)行信道估計(jì)模塊的時(shí)序仿真結(jié)果，在標(biāo)尺處找到最大能量窗值。由于時(shí)序仿真為布局布線后仿真，因此仿真圖中信號(hào)的跳變有一定時(shí)延[8]。

圖3 ?信道估計(jì)模塊時(shí)序仿真結(jié)果

2.2 ?匹配濾波模塊

匹配濾波模塊是為了獲得最大信噪比的信號(hào)[9]，以提升均衡效果。若信道估計(jì)為[hk]，則匹配濾波模塊的沖激響應(yīng)[mk]就是它的復(fù)共軛，即：

上文提到，由于實(shí)際信道含有噪聲導(dǎo)致相關(guān)零點(diǎn)值出現(xiàn)一些較小數(shù)值，會(huì)引起一定誤差。因此需要一個(gè)門限值對(duì)峰值窗內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行判決，大于門限值則保留，小于則歸零，并將判決后的兩個(gè)數(shù)組作為匹配濾波器的抽頭系數(shù)，可有效減小誤差。為得到該門限值，分別使用無(wú)門限及相關(guān)值總能量的1%～10%作為門限，各進(jìn)行10次呼叫運(yùn)營(yíng)商客服熱線的偵聽(tīng)測(cè)試。結(jié)果表明，使用相關(guān)值總能量的5%作為判決門限，偵聽(tīng)的語(yǔ)音最清晰，即抗噪聲效果最佳。

圖4 ?匹配濾波實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

圖4中cir_[I]即為I路經(jīng)過(guò)判決后的抽頭系數(shù)，將I，Q兩路匹配濾波后的數(shù)組filter_[I][[n]]和filter_[Q][[n]]對(duì)應(yīng)相加得到一個(gè)數(shù)組filter_out[[n]]，作為下一級(jí)均衡模塊的輸入。該模塊對(duì)SB幀操作基本一致，由于引出了抽頭引腳，可以進(jìn)行模塊復(fù)用。

圖5 ?匹配濾波模塊時(shí)序仿真

2.3 ? 信道均衡模塊

均衡模塊使用帶有軟輸出功能的改進(jìn)型維特比均衡器，不僅能輸出已判決碼元（硬判決輸出），還能進(jìn)行軟判決給出該碼元的可靠信息[10?12]。該模塊的實(shí)現(xiàn)包含加比選和回溯兩個(gè)步驟：

1） 加比選：根據(jù)初始狀態(tài)計(jì)算到達(dá)下一狀態(tài)的可能路徑度量，相加后選取累加值較大的一個(gè)作為幸存路徑度量值，同時(shí)更新當(dāng)前路徑，不斷進(jìn)行迭代更新，并將幸存度量存入度量值列表作為軟值表輸出。

2） 回溯：用度量值列表中最大值對(duì)應(yīng)的末狀態(tài)作為模塊回溯的起始狀態(tài)，并根據(jù)生成的16個(gè)狀態(tài)表進(jìn)行回溯，回溯得到的二進(jìn)制序列作為硬判決輸出發(fā)送給后續(xù)模塊進(jìn)行譯碼。

圖6 ?信道均衡模塊架構(gòu)

圖7 ?幸存路徑判決模塊架構(gòu)

圖8 ?均衡器時(shí)序仿真圖

3 ?板級(jí)驗(yàn)證及實(shí)際工作情況

對(duì)相同的實(shí)際采集數(shù)據(jù)進(jìn)行Chipscope板級(jí)驗(yàn)證，硬判決和軟判決輸出結(jié)果與時(shí)序仿真一致，如圖9所示。

圖9 ?Chipscope板級(jí)驗(yàn)證

圖10為均衡器燒錄進(jìn)7K325T開(kāi)發(fā)板后接入多功能基站中對(duì)手機(jī)信號(hào)的實(shí)時(shí)偵聽(tīng)界面。偵聽(tīng)到的運(yùn)營(yíng)商客服語(yǔ)音清晰，質(zhì)量較高，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)滿足消除ISI的功能要求，且具有良好的穩(wěn)定性。

圖10 ?實(shí)時(shí)偵聽(tīng)界面

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的GSM多功能基站中的自適應(yīng)均衡器，并給出具體的硬件實(shí)現(xiàn)方案。相較于傳統(tǒng)基于DSP的自適應(yīng)均衡器的運(yùn)行速度更快，且在不增加原有硬件體積和復(fù)雜度的情況下，能夠同時(shí)偵聽(tīng)更多用戶;并對(duì)一些模塊進(jìn)行多路復(fù)用，節(jié)省了FPGA資源，同時(shí)對(duì)匹配濾波模塊進(jìn)行優(yōu)化，減小了因信道噪聲帶來(lái)的誤差，提升了系統(tǒng)的均衡效果。通過(guò)對(duì)實(shí)際空中信號(hào)數(shù)據(jù)的板級(jí)驗(yàn)證并接入多功能基站對(duì)手機(jī)的實(shí)際偵聽(tīng)試驗(yàn)表明，多功能基站能快速準(zhǔn)確地偵聽(tīng)多路語(yǔ)音信號(hào)，驗(yàn)證了本文FPGA實(shí)現(xiàn)方案的可行性。

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