用可編程DSP實現802.16 PHY信號處理

IEEE802.16標準的各個版本都規(guī)定了PHY(物理層)的多種選項,包括調制、信道編碼和天線分集技術。物理信道帶寬可以在1.25 MHz～20 MHz之間變化。上述所有選項都會影響基站的性能和信號處理復雜度。

　　許多客戶希望提供一種可以從802.16-2004升級到802.16e標準的方法。上述需求以及對支持互通性(成功部署新標準的關鍵)的需求,都要求基站的PHY采用可編程的信號處理器件。

　 　圖1為802.16基站基帶信號鏈路基本框圖。

　　因為802.16-2004和802.16e標準都是在OFDM基礎上建立的,所以FFT和IFFT起了很大的作用。這兩種變換都用于頻域副載波(攜帶編碼的數據位)和時域采樣(在物理通道上傳送)之間的轉換。一次IFFT的輸出被稱為一個OFDM符號。按照這種方式進行通信,OFDM系統(tǒng)可以實現抗多徑干擾,各副載波之間幾乎或者完全無干擾,并且具有相當低的復雜度。

　　與FFT密切相關的是信道均衡,它包括大量的MAC運算,還包括客戶專用的復雜算法,以便恰當地估計信道和表征結果,尤其是在具有移動性的系統(tǒng)。

　　同步模塊在測距期間起作用,基站通過此模塊獲得新用戶的信號,并且調整現有用戶的定時(通過反饋來調整)。同步通常是通過計算接收信號與已知前同步信號的相關性,或自動計算接收信號與其自身延遲信號的相關性實現的,利用該信號確定的周期性屬性,然后將得到的相關性結果通過一個檢測器,以便確定是否有信號送到,如果有,確定其精確定時。

　　同步操作既需要MAC運算,也要求具有較高的靈活性。 例如,處理一個20 MHz的信道時,在10s的窗口中計算一段有64個采樣數據的相關性則需要14,000次復數MAC運算,大約比256點FFT運算提高了一個數量級。但是,上述MAC的精度通常可以簡化為用8 bit實數和復數乘以1 bit的實數和復數。這種簡化的MAC可以在TigerSHARC處理器中實現,也可以在FPGA中實現。另一方面,檢測器可能包含比較智能的用戶專用算法,也可能需要C語言程序。

　　802.16標準支持高數據速率(70 Mbps左右),有多種信道編碼選項。必備方案是卷積碼(在802.16-2004標準中,還要結合里德-所羅門(RS)碼),卷積turbo碼、turbo乘積碼,以及802.16e標準中的低密度奇偶校驗碼都是可選的。

　　信道解碼的高數據速率超出了傳統(tǒng)DSP體系結構的能力。可能的實現方法有專用指令、硬件加速器和可編程邏輯器件。除了本身計算的高復雜度,基站體系結構必須具有相當大的數據帶寬和存儲器,以便支持更先進的解碼方案。

　　人們期望基于802.16e標準的系統(tǒng)實現多天線處理,它增加了兩級的復雜度。首先,信號鏈中的幾個模塊,特別是FFT和IFFT,必須為每個天線流都復制一份。其次,系統(tǒng)必須為不同的天線流計算出并選取適當的權重,以滿足諸如最大信號干擾比的要求。

　　在802.16e系統(tǒng)中,允許在同一個OFDM符號中復用多個子信道(因此稱為OFDMA),從而增加了對可編程性的需求。雖然802.16-2004系統(tǒng)通常不需要每次處理一個OFDM符號,但是802.16e增加了子信道、副載波和OFDM符號之間的復雜映射,包含了幾種可能的排列。這就增加了更多的總控制碼和存儲器訪問,并且提高了調度處理任務的復雜度。另外,應該有一種體系結構支持升級以便增加功能,例如混合ARQ(自動重傳請求)和MIMO(多輸入多輸出天線處理)。

　　為基站PHY提供的可編程技術包括DSP、FPGA以及可重復配置的邏輯器件。DSP的優(yōu)勢就是C程序和低功耗,但是傳統(tǒng)的DSP不具有上述一些算法所要求的計算密度。為了彌補此缺陷,現代的處理器增加了專用指令和協(xié)處理器等功能。某些最新的DSP設計還支持大容量的片內存儲器和很高的I/O存儲帶寬,這在實現諸如802.16標準的實時PHY時是至關重要的。雖然FPGA可以達到上述算法所需要的計算密度,但是如果完全采用FPGA解決方案,其編程模式可能無法完全實現復雜的控制功能?？芍貜团渲玫倪壿嬈骷噲D通過由常用的異構處理元件組成的一種結構來發(fā)揮DSP和FPGA的組合優(yōu)勢,但是其技術的成熟度和編程的易用性還存在問題。

　　考慮到上述需求和當前的處理器發(fā)展情況,適合802.16基站PHY的合理解決方案是采用雙重方法。對于基本的系統(tǒng),完全采用DSP解決方案可以提供必需的計算資源,同時提供方便的編程模式。對于具有更寬的信道帶寬或較多天線數量的高級系統(tǒng),應當采用DSP和FPGA的組合方案。采用這種方法,PHY可以保持類似的編程模式,同時將一小部分計算量大的功能分配給FPGA,例如信道編碼。這兩種體系結構都具有增加功能、升級軟件以及移植到新版本標準的靈活性。