基于FPGA平台运用TDM实现WCDMA同步系统

摘要

本发明公开了一种基于FPGA平台运用TDM实现WCDMA同步系统，涉及移动通信领域中的数字信号处理技术。本系统包括现有的WCDMA目标终端（00）、WCDMA无线基站（40）；设置有TDM数据符号生成器（10）、导频能量计算器（20）、同步点位置比较器（30）和下行小区搜索器（50）；WCDMA目标终端（00）、TDM数据符号生成器（10）、导频能量计算器（20）和同步点位置比较器（30）依次连接；WCDMA无线基站（40）、下行小区搜索器（50）和导频能量计算器（20）依次连接。本发明具有下列优点和积极效果：①FPGA资源利用率高；②FPGA芯片成本降低；③FPGA芯片的面积变小。

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信领域中的数字信号处理技术，尤其涉及一种基于FPGA(现场可编程门阵列)平台运用TDM(时分复用)实现WCDMA（宽带码分多址技术）同步系统。

背景技术

随着WCDMA终端越来越普及，WCDMA通信系统设备的小型化及其低成本化成为趋势，由于FPGA芯片的制造工艺不断提升，在功耗面积及其成本方面比传统的DSP（数字信号处理器）有着很大的优势，从而在现代高速数字信号处理领域FPGA有着很好的应用前景。由于在进行WCDMA无线信号同步过程中进行搜索运算需要偏移多次的滑动窗，每滑动一次计算一次滑动窗内解扰、接扩后的导频能量值，然后从多次滑动得到的导频能量值中取其中最大的值所对应的滑动偏移位置为最后同步点所在位置；如果采用传统的FPGA实现方法则偏移多少次滑动窗的位置则需要复制多少个FPGA中的硬件资源去进行对应的计算，由于实际中偏移值可能会取32或者64，则需要32或者64个重复的FPGA中的硬件资源去进行导频能量运算，因而传统实现方法对FPGA的资源消耗量特别大，进而使FPGA的成本面积及其功耗都有很大的开销，严重影响了FPGA进行数字信号处理的效率。

可见用传统的FPGA方法去实现WCDMA同步系统局限性很大，在对FPGA的资源消耗上面有很大的劣势，使FPGA不利于进行同步搜索或者在运算中存在类似的同步搜索的应用场景，严重影响了FPGA的应用范围，需要改进。

发明内容

本发的明目的就在于克服现有的在FPGA平台上实现WCDMA同步搜索过程中对FPGA的硬件资源消耗特别大的问题，提供了一种基于FPGA平台运用TDM实现WCDMA同步系统。

实现本发明目的技术方案是：

根据3GPP标准WCDMA的码片速率是3.84Msps，假设实际需求上行导频信道同步点精确搜索的滑动偏移值为32，设定选定的FPGA平台为普通的CYCLONE3类型芯片，速度等级为C8，本发明中采用的TDM设计方法首先将FPGA的CYCLONE3芯片的时钟频率升到32×3.84MHz=122.88MHz，然后根据时钟频率为码片速率的32倍来运用TDM的方式利用FPGA多余的时钟资源达到用时间换空间的设计方法，从而使32次滑动偏移所需要32个FPGA导频能量计算所需要硬件资源合并到只需要1个FPGA导频能量计算所需要硬件资源，进而大大提升了FPGA的资源利用率。

具体地说，本系统包括现有的WCDMA目标终端、WCDMA无线基站；

设置有TDM数据符号生成器、导频能量计算器、同步点位置比较器和下行小区搜索器；

WCDMA目标终端、TDM数据符号生成器、导频能量计算器和同步点位置比较器依次连接；

WCDMA无线基站、下行小区搜索器和导频能量计算器依次连接；

所述的导频能量计算器包括依次交互的解扰模块、解扩模块、导频归一化模块、时隙内导频相加模块、求模平方运算模块和15个时隙模平方相加模块。

本发明具有下列优点和积极效果：

①FPGA资源利用率高：通过TDM设计方法进行WCDMA上行同步点的搜索运算可以将FPGA的资源利用率提升32倍以上，如果FPGA芯片更好则资源利用率可以提升的更多；

②FPGA芯片成本降低：FPGA芯片的成本是和其片内的资源成正比的，通过引入TDM的设计方法可以使FPGA消耗的资源大幅度降低，从而有效地控制芯片成本，提升产品的竞争力；

③FPGA芯片的面积变小：FPGA消耗的资源降低最直接的变化是FPGA芯片的体积会变小很多，从而有利于设备的小型化。

附图说明

图1是本系统的结构方框图；

图2是TDM数据符号生成器的结构方框图；

图3是TDM数据符号生成器的信号时序图；

图4是同步系统的工作流程图；

图中：

00—WCDMA目标终端；

10—TDM数据符号生成器；

    11—地址产生器，

    12—选择器，

    13—寄存器，13-1—第1寄存器，13-2—第2寄存器，……

                13-N—第N寄存器，N为自然数，≤64；

20—导频能量计算器，

21—解扰模块，

22—解扩模块，

23—导频归一化模块，

24—时隙内导频相加模块，

25—求模平方运算模块，

26—15个时隙模平方相加模块；

30—同步点位置比较器；

40—WCDMA无线基站；

50—下行小区搜索器。

英译汉

1、FPGA：Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列；

2、WCDMA：Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址技术；

3、TDM：Timing-Division Multiplexing，时分复用。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明。

一、系统

1、总体

如图1，本系统包括现有的WCDMA目标终端00、WCDMA无线基站40；

设置有TDM数据符号生成器10、导频能量计算器20、同步点位置比较器30和下行小区搜索器50；

WCDMA目标终端00、TDM数据符号生成器10、导频能量计算器20和同步点位置比较器30依次连接；

WCDMA无线基站40、下行小区搜索器50和导频能量计算器20依次连接；

2、功能部件

1）WCDMA目标终端00

WCDMA目标终端00是基于国际3GPP标准的WCDMA制式的终端，是需要进行目标上行导频信道同步的终端。

2）TDM数据符号生成器10

TDM数据符号生成器10是在基于CYCLONE3系列的FPGA硬件平台上实现的，主要是用FPGA上面的LEs(逻辑单元)和Registers(寄存器)搭建起来的硬件电路。

具体地说，如图2，TDM数据符号生成器10由地址产生器11、选择器12和寄存器组13组成；

其连接关系是：地址产生器11分别与选择器12和寄存器组13连接，选择器12和寄存器组13连接。

地址产生器11输出地址选择信号给选择器12，输入到TDM数据符号生成器10的输入信号data_in输出到寄存器组13，寄存器组13内的13-1、13-2、…、13-N的输出端口Q和输入端口D依次相连，寄存器组13内的13-1、13-2、…、13-N的输出端口Q都输出到选择器12的输入口，data_in_en为data_in的使能信号输出到寄存器组13内的13-1、13-2、…、13-N以及地址产生器11的使能输入口，data_out为最终的TDM数据符号生成器10的输出结果。

TDM数据符号生成器10的设计时序图如图3所示，假设导频能量运算所需要的偏移数为N=4，为了用时间换空间的模式进行TDM方式去进行硬件资源的时分复用，将时钟速率设定为基带符号速率的4倍，图中clk1为经过4倍倍频的时钟，data_in为基带数据输入，data_in_en为基带数据输入的使能信号，因为后续的导频能量计算是按照一帧为一个单元进行的，相关窗偏移多少次就需要多少个导频能量计算器20进行导频能量计算，第一次是从x0开始取一帧进行计算，第二次则从x1开始取一帧进行计算，依次类推，如果用传统方法进行FPGA实现则偏移多少次就需要多少个导频能量计算器20去进行计算，从而FPGA需要很多重复资源去进行数字信号处理，而TDM数据符号生成器10的目的是生成图3所示的data_out信号，data_out信号最终输出格式从图3可以看出为：

data_out: x3 x2 x1 x0 x4 x3 x2 x1 x5 x4 x3 x2 x6 x5 x4 x3 x7 x6 x5 x4

ch_index: 3  2  1   0  3  2  1  0  3  2  1  0  3  2  1  0  3  2  1  0 

其中ch_index为data_out输出对应的信道标号，信道标号0的输出从左到右依次为x0,x1,x2,x3,x4依次类推，信道标号1的输出从左到右依次为x1,x2,x3,x4,x5依次类推，从而通过TDM数据符号产生器10后的数据信道的编号对应的数据即为偏移数对应所需要的输入数据，进而可以将TDM数据符号产生器后的数据输入到导频能量计算器20中进行时分复用。结合图2的结构框图，输入到TDM数据符号生成器10的基带数据data_in在输入的使能信号data_in_en的驱动下依次输入到后续寄存器组13中的4个寄存器，从而实现了移位寄存器的功能，假设data_in的输入数据为x0,x1,x2…,寄存器组内的4个寄存器的输出的值在输入data_in和data_in_en的驱动下变化规律如下：

输入次数 PRE13-1输出  PRE13-2输出  PRE13-3输出    PRE13-4输出

0           x0           0            0               0

1           x1           x0           0               0

2           x2           x1           x0              0

3           x3           x2           x1              x0

4           x4           x3           x2              x1

    从上面的寄存器的变化规律可以看出为了得到时分复用的数据，只需要在输入data_in_en使能信号后的四个节拍中通过地址产生器11产生给13-1、13-2、…、13-N输出的地址，从而通过选择器12将结果输出，从而产生最终的时分复用信号输出。

TDM数据符号生成器10的主要功能是将输入的基带数据转换成TDM格式的基带数据输出，从而有利用后面的导频能量计算器20进行多次导频能量运算的资源复用。

3）导频能量计算器20

导频能量计算器20是在基于CYCLONE3系列的FPGA硬件平台上实现的，主要用FPGA的LEs(逻辑单元)、Registers(寄存器)以及M9K(存储器)进行搭建的硬件电路。

嵌入的模块包括依次交互的解扰模块21、解扩模块22、导频归一化模块23、时隙内导频相加模块24、求模平方运算模块25和15个时隙模平方相加模块26。

* 解扰模块21：主要实现将输入的基带数据进行解扰，WCDMA终端发送的基带信号都是经过加扰处理后的数据，解扰模块21即将加扰后的数据进行解扰操作；

* 解扩模块22：主要实现将码分多址中的导频信道数据进行提取，WCDMA协议中发送的各个子信道的数据是用码分多址的方式进行发送的，为了提取其中的导频信道数据必须进行解扩操作；

* 导频归一化模块23：主要将解扩后的导频数据进行归一化处理，归一化的目的是使接收到的导频数据为正数数据，从而利于后续的时隙内导频相加模块24进行正数的累加；

* 时隙内导频相加模块24：主要是将WCDMA每个时隙内的归一化后的导频数据进行累加运算；

* 求模平方运算模块25：主要是将每个时隙内导频相加后的数据进行求模平方；

* 15个时隙模平方相加模块26：主要是将15个时隙得到的求模平方相加后的结果进行累加，从而得到最终的导频能量运算的能量值。

导频能量计算器20的主要功能为对输入的TDM数据进行导频能量的计算，从而计算出各个偏移位置对应的导频能量值，从而为后续的同步点位置比较器30去比较出同步点偏移位置做准备。

4）同步点位置比较器30

同步点位置比较器30是用在基于CYCLONE3系列的FPGA硬件平台上实现的，主要功能是将32次滑动偏移所得到的导频能量值计算结果进行比较从而得到最大导频能量值所对应的偏移值，进而得到同步点位置偏移点，最终实现了WCDMA的同步操作。

5）WCDMA无线基站40

WCDMA无线基站00是基于国际3GPP标准的通用发射基站，基站的制式是WCDMA标准。

6）下行小区搜索器50

    下行小区搜索器50主要是对基站的下行信号进行小区搜索及其同步，从而得到WCDMA的同步点大致的位置给导频能量计算器20。

3、本系统的工作机理：

在WCDMA同步过程中，通过下行小区搜索器50搜索出大致的同步位置是不够的，实际通信系统中会存在设备间晶振不同步、信号传输的延时以及信号处理的延时等因素，从而必须用码片偏移的方式进行导频能量计算来得到精确的同步点位置。

当用FPGA实现WCDMA同步过程中导频能量计算的时候，运用传统FPGA方法实现同步过程滑动窗偏移多少次就需要重复多少硬件资源去进行导频能量计算，从而给FPGA资源利用率带来很大的挑战；本发明提出的方法是基于TDM(时分复用)方式，首先将FPGA的时钟频率倍频到3.84Msps×偏移次数，然后将输入的基带数据3.84Msps通过TDM数据符号生成器10进行TDM数据的生成，其后将生成的TDM数据输入到导频能量计算器20进行TDM数据的导频能量的计算，从而只需要单个的导频能量计算器20所消耗FPGA硬件资源就可以计算出N次偏移所需N个导频能量计算器计算所需的FPGA硬件资源，最后将经过TDM过程的导频能量计算器20的结果输出给同步点位置比较器30得到最终的偏移点的最大值，从而得到同步点的具体位置。

本发明的核心就是通过将输入的基带数据进行数据的重新组合构造出适合于后续导频能量计算器进行TDM复用的TDM数据格式，从而利用了空闲的时钟资源进行硬件的时分复用，进而大幅度节省了FPGA进行导频能量计算所需要的硬件资源，提高了FPGA的硬件资源的使用效率。

二、运用TDM实现WCDMA同步系统的工作流程

如图4，运用TDM实现WCDMA同步系统的工作流程如下：

①下行小区搜索器50进行WCDMA小区的搜索和同步-201，

获得设备周边的小区信息以及同步点位置信息，其中获得的同步点位置信息可以推断出上行同步点位置的大致位置；

②判断下行小区搜索器50是否和WCDMA小区同步-202，

是则进入步骤③，否则跳转到步骤①；

③接收上行基带数据到TDM数据符号生成器10进行TDM数据生成并找到同步搜索偏移起始点位置-203，

其中上行导频信道同步点位置可以根据下行小区搜索器50计算出的同步点位置和3GPP的推算公式得到，不过在实际通信系统中推算得到的同步点位置是不准确的，需要后续的同步操作；

④运用TDM时分复用方式在导频能量计算器中进行导频能量计算-204，

其中导频能量计算方式是用信道编号方式在时间上对每个偏移值的导频能量进行区分，从而实现了用单个硬件单元实现多次重复的操作；

⑤同步点位置比较器将得到的导频能量进行比较得到最终的偏移点位置-205，从而最终得到精确的同步点位置。