TD-LTE系统中基于FPGA的解调与解扰的仿真和实现

LTE系统将最大系统带宽从5 MHz扩展到20 MHz，能够在20 MHz带宽内实现50 Mb/s上行瞬间峰值速率和100 Mb/s下行瞬间峰值速率[1]。
    为了提高数据的传输速率和系统的吞吐量，采用正交振幅调制技术[2]，在LTE系统中主要有QPSK、16QAM、64QAM三种调制方案。在解调与解扰模块之后要进行解信道交织，从而得到数据信息、ACK信息、RI信息和CQI信息[3]。之后就要对各个信息进行译码。为了保证译码的可靠行，在解调时使用软解调的方式，采用一种低复杂度的max-log-map算法进行解调。最后再进行解扰，从而能够满足LTE系统对译码性能的要求，使译码的数据更加可靠。
    FPGA芯片内部有丰富的LUT资源和大量的固核资源，其处理过程是并行的，在使用FPGA进行解调与解扰时能够充分发挥其内在的优势。在Virtex-6芯片进行板级验证，对结果进行分析可知，在FPGA中对解调与解扰的处理速度更快，可靠性更高。


2 解调与解扰在FPGA中的实现
    由于解调与解扰的数据来自于解传输预编码之后的数据，所以在实现时，解完预编码之后才能进行解调和解扰。在PUSCH信道中一个子帧含有14个OFDM符号，其中本地参考信号要占用2个OFDM符号，由于本地参考信号不参与解调与解扰过程，所以对一个子帧只需要做12次解调与解扰。解预编码模块以后要给解调模块一个标志位，作为解调模块的开始；同样，对于解调模块在做完解调以后也要给解扰模块一个标志位，作为解扰模块的开始。这样，各个模块才能协调统一地完成解调与解扰过程。同时，也能够体现FPGA的并行处理的过程，上面的流程看似是顺序的过程，实际上是并行处理的过程，因为要做12个OFDM符号，在每次处理解扰的过程中，都可以同时处理下一个OFDM符号的解调过程。因此基于FPGA实现时速度能够得到极大的提高，更能够满足TD_LTE系统性能的要求。
    本文针对上行共享信道QPSK的解调进行分析，对16QAM以及64QAM的处理过程相类似。使用软解调的方式，采用max-lop-map算法，由于在FPGA中处理的数据都是经过量化的，所以预编码的输出都是32 bit的数据，其中高16位为数据的实部，低16位为数据的虚部。QPSK的max-log-map表达式如式(5)所示。其中在解调模块中d要进行Q15的量化。然后分别对数据的实部和虚部同时乘以4d，在做乘法时使用FPGA内部的固核DSP48乘法器，同时对于进入乘法器的两路数据和输入数据都要缓存一个时钟周期，从而使数据的可靠性和稳定性得到保证。在FPGA中实现乘以-1是把DSP48输出的数据进行取反加一。对每个数据的实部和虚部都是同时进行乘法，这样做处理速度也能够提高。处理完以后把实部和虚部分开存储在一个深度为2 400、位宽为16 bit的双端口RAM中。等到一个OFDM符号处理完成以后就给解扰模块一个标志位，作为解扰模块的开始。
    解扰模块也是针对上行共享信道进行分析，其他信道的解扰过程相类似。在解扰模块实现中，首先产生伪随机序列，根据高层配置的子帧号、小区ID等信息，再由上面的递推公式(8)和(9)，一直递推到x1(1 600)，x2(1 600)，从而可以求得c(0)；再依次递推，求得c(0)，c(1)，…，c(28 799)。把这些伪随机序列数据存储在一个深度为28 800、位宽为1 bit的RAM中，在递推算法中每次都能够递推出32个伪随机数。这样随机序列产生的速度也很快，从而保证了解扰的处理速度。每次要做解扰时都可以从这个RAM中取出数据。同时，在收到解调模块的标志位时就开始进行解扰过程，其本质也就是根据伪随机序列再进行一次加扰，在c(i)为1时就对解调模块的数据进行取反加一，在c(i)为0时使解扰的数据保持不变。在整个解调与解扰设计过程中每个OFDM符号都要进行解扰，所以每次做完解调与解扰后的数据都放在一个RAM中，从而使设计更加模块化，且更加灵活，对于代码的维护和不同芯片之间的移植也更加方便。图1为解调解扰模块设计总体框架图。
3 FPGA仿真与实现结果分析
    图2、图3分别是解调模块Modelsim仿真图和基于Virtex-6板级实现的Chipscope截图。在实现时，芯片外部提供的时钟是200 MHz的差分时钟，这个时钟连接到FPGA的数字时钟管理模块(DCM)并倍频到300 MHz，以保证时钟的稳定性和可靠性。其中flag_from_idft来自解预编码模块，其为高电平时表明预编码模块处理完成，可以进行计算解调模块了。这时解调模块就通过addr_to_idft地址信号发送给解预编码模块，此时存储在RAM中的预编码数据通过data_to_demodulation数据线传给解调模块。之后解调模块按照上面的分析过程进行计算，在处理完数据时拉高wea_modulate和web_modulate信号存储数据，在做完解调模块时拉高flag_to_scrable，在解扰模块收到这个标志位时就可以进行解扰模块的处理了。
    图4、图5分别是解扰模块Modelsim仿真图和基于Virtex-6板级实现的Chipscope截图。在解扰模块中，收到flag_from_demodulate信号为高电平时就进行解扰过程的处理。其中data_from_demodulate是来自以上解调模块处理完的数据，data_from_random是来自伪随机序列产生模块产生的数据。根据产生的随机序列进行解扰处理，最后把处理后的数据dina_scramble也存储在一个双端口的RAM中，这样使得各个模块之间的独立性更强，也便于给需要此数据的不同模块提供数据。从FPGA的仿真图和实现图中可以看出，实现过程和仿真过程完全一致，从而保证了代码的可靠行。

4 结论及分析
    解调与解扰算法的Verliog[5，6]程序已通过Xilinx ISE13.4的编译、仿真验证及板级验证。其结果和理论值一致，其精确度可以满足TD_LTE射频一致性测试仪表项目的要求。在FPGA中速度和面积总是相矛盾，在追求速度的同时，也要考虑芯片资源的问题。在资源充足的情况下，可以采用多级流水线的结构和并行运算来提高速度。本文采用此方法极大地提高了处理速度，三种调制与解扰处理的周期数如表1所示。可以看到，在FPGA(Virtex-6芯片)中的处理速度非常快，为后面译码工作节省了更多时间，更能够满足项目上的要求，故该方案已应用于国家重大科技专项“TD-LTE射频一致性测试仪表”的开发中。

参考文献
[1] 沈嘉，索士强，全海洋，等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电大学出版社，2008.
[2] 陈发堂，李小文，王丹，等.移动通信接收机设计理论与实现[M].北京：科学出版社，2011.
[3] 3GPP TS 36.211 v10.0.0:Scramble and Modulation (Release 10)[S].2010.
[4] 陈发堂，梁涛涛，李小文.LTE-A系统软解调算法仿真及DSP实现[J].计算机应用研究，2011(12)：4095－4096.
[5] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程(第二版)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[6] TOSATO F，BISAGLIA P,Simplifed soft-output demapper  for binary interleaved COFDM with application to HIPERLAN/2[J].Proc.IEEE ICC’，2002，2(2)：664-668.