基于PC101處理器的CDMA2000接收機設(shè)計

基于PC101處理器的CDMA2000接收機設(shè)計
清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國家重點實驗室   曲晶  鄭宇  王京

摘要:本文用PC101芯片作為軟件無線電硬件平臺, 用軟件實現(xiàn)CDMA2000接收機基帶信號處理。軟件片上系統(tǒng)可使基帶的所有功能完全由軟件來實現(xiàn)，并且可實現(xiàn)產(chǎn)品現(xiàn)場升級和多種制式兼容等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：SSoC；PicoArray；AE；軟件無線電

引言
傳統(tǒng)的3G移動臺接收機采用專用基帶芯片的設(shè)計方案，基帶芯片的設(shè)計是一個非常復(fù)雜的過程，在芯片設(shè)計階段需要投入大量的研發(fā)人員，每次流片都需要非常昂貴的費用，開發(fā)出一個真正能商用化的產(chǎn)品至少要花費兩年的時間，導(dǎo)致在激烈的市場環(huán)境中落后與競爭對手。芯片應(yīng)用到設(shè)備中一旦發(fā)現(xiàn)缺陷，其損失更是不可估量。如果未來需要在此設(shè)備上增加新的特性也無法實現(xiàn)，只能更換硬件。PicoChip公司開發(fā)的PicoArray高速并行處理架構(gòu)的PC101處理器完全解決了上述問題，它是一個“軟件片上系統(tǒng)（SSoC）”，編程輕松靈活，運算速度快,完全可取代現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）或?qū)Ｓ眉呻娐罚ˋSIC）。PicoArray本身是整體并行的處理器陣列，由高速互連結(jié)構(gòu)所鏈接，在一個芯片中集中了400多個處理器核心,由于每個核心都能并行操作或相互連接，以及芯片總線的巨大帶寬，PicoArray可以提供超強的處理能力，每秒鐘運算速度超過1000億次。本文論述了以PC101為軟件無線電硬件平臺，用軟件方式實現(xiàn)CDMA2000移動臺基帶信號處理的方法。

PC101芯片介紹
PC101是一個無線通信處理器,專門用于無線通信基帶信號處理的優(yōu)化設(shè)計。PC101芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,系統(tǒng)由處理器陣列和一系列的外圍接口構(gòu)成, 下面對各個接口的用途和處理器陣列作詳細的介紹。
圖1  PC101芯片結(jié)構(gòu)框圖
接口的說明
鎖相環(huán)(PLL)：模塊將輸入的時鐘進行四倍頻，倍頻后的時鐘作為芯片內(nèi)的工作時鐘。
主機接口：用來與外部CPU相連,對芯片進行配置，與外部CPU進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?。?shù)據(jù)傳輸可以有兩種方式,一種是通過寄存器進行數(shù)據(jù)傳輸,另一種是直接采用DMA的方式進行快速大量的數(shù)據(jù)傳輸。
可配置的接口：PC101有四個可以配置的接口,這四個接口可以配置成下面兩種模式之一,芯片間互連(IPI)接口和異步數(shù)據(jù)傳輸接口(ADI),各個端口可以進行獨立配置。
控制和同步接口：完成對PC101的復(fù)位、啟動停止等操作,通過此接口也可實現(xiàn)多個PC101間的同步工作。
外部SRAM接口：每個處理單元(AE)都有一定數(shù)量的數(shù)據(jù)和指令的存儲器,外部SRAM接口是對片上存儲器的一個擴充, 用于對存儲空間要求比較大的場合,比如維特比譯碼。
JTAG接口：遵從IEEE1149.1-2001規(guī)范,為系統(tǒng)調(diào)試所用。
處理器陣列核心
處理器陣列是PC101的核心部分,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,一個PC101處理陣列由430處理器單元(AE)構(gòu)成,AE是一個16b位的RISC微處理器,各個處理單元之間由一條32位的總線和一些可編程的交換矩陣進行互連。處理器單元間的通信是基于時分復(fù)用的策略，處理器間傳送的數(shù)據(jù)在不同的時隙進行，對高速的信號傳送就分配更長時隙。每個AE的指令集都是一樣的,但是為了使基帶處理中各個處理單元都能很好的發(fā)揮性能,不同的AE之間又有一定的差別,主要表現(xiàn)為存儲器的數(shù)量和一些特殊指令上，這430個AE可分為四類:
圖2 PC101處理陣列結(jié)構(gòu)示意圖
標(biāo)準(zhǔn)(STAN)型：標(biāo)準(zhǔn)AE類型是為CDMA的擴頻、解擴和其他的基帶信號處理進行優(yōu)化設(shè)計的，共有240個STAN型的AE。
乘累加(MAC)型：乘累加型AE含有一乘累加協(xié)處理器,多了條乘累加指令,一共有120個MAC型的AE。
存儲(MEM)型：存儲型比其他類型有更多的程序和數(shù)據(jù)存儲器，一共有68個MEM型號的AE。
控制(CTRL)型：控制型含有更多的存儲數(shù)據(jù)和程序的存儲器，是實現(xiàn)控制功能的AE，共有2個CTRL型的AE。

CDMA2000移動臺硬件設(shè)計
CDMA2000移動臺硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示,系統(tǒng)從天線接收射頻信號,經(jīng)下變頻到基帶，通過A/D變換器分別對接收到的I,Q兩路進行四倍采樣，然后送到由4個PC101互連構(gòu)成的基帶處理模塊,同時基帶處理模塊產(chǎn)生的控制信號對射頻模塊進行控制(增益控制、頻率調(diào)整、功率控制等)。基帶處理模塊與外部CPU(PowerPC)相連,由ETHERNET口連接,實現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)階段的調(diào)試,CPU實現(xiàn)對PC101的控制和數(shù)據(jù)傳輸,同時可用于上層協(xié)議的處理。
圖3 CDMA2000移動臺硬件結(jié)構(gòu)圖

CDMA2000移動臺陣列配置與軟件實現(xiàn)
接收機功能模塊介紹
CDMA2000接收機分為發(fā)送和接收兩部分，這里主要介紹接收部分，接收機基帶部分可分解為若干模塊，包括同步捕獲與跟蹤、RAKE接收機、解交織、維特比譯碼，模塊劃分如圖4所示。一個模塊可被映射到一個或多個PicoArray設(shè)備, 每個模塊的接口使用picoVHDL來定義，可使用一個或多個AE來構(gòu)造子系統(tǒng)，AE之間的通信也由picoVHDL來表示,模塊的全部功能通過使用C或匯編語言對每個AE進行編程來實現(xiàn)。各個模塊實現(xiàn)的功能如下：
圖4  CDMA2000移動臺基帶模塊劃分
同步捕獲與跟蹤：系統(tǒng)剛啟動時處于失步狀態(tài)，接收信號的PN碼相位沒有和本地PN碼相位同步,PN碼相位捕獲即粗同步，在PN序列整個周期上搜索相關(guān)峰，檢測輸入信號是否和本地參考PN序列同步；PN碼相位跟蹤即細同步，搜索粗同步附近的若干相位，使其和輸入PN碼相位一致。
RAKE接收:是接收機的核心模塊, RAKE接收模塊又分為以下三種子模塊：多徑搜索，信道估計，多徑合并。
解交織：交織是為防止信道產(chǎn)生突發(fā)的連續(xù)錯誤,解交織就是交織的逆過程。
維特比譯碼:完成信道編碼中的卷積碼和TURBO碼的譯碼。

模塊定義和軟件設(shè)計實例
下面以維特比譯碼模塊為例,對模塊的VHDL描述和內(nèi)部的C語言實現(xiàn)加以說明,程序代碼如下所示：
entity ViterbiDecode is
port (outPort: out  integer16pair@16;
inport : in integer16pair@16);
end entity ViterbiDecode;

architecture C<type> of ViterbiDecode is

begin MEM<AE type>
    CODE
int main()
{
while (1)
{ //從輸入端口讀取數(shù)據(jù)
integer16pair outputval;
integer16pair value = getinPort();
//進行維特比譯碼
............
//將譯碼結(jié)果送給輸出端口
    putoutPort(outputval);
       }
      return 0;
    }

    ENDCODE;

end architecture ViterbiDecode;
模塊的輸入輸出端口通過entity進行定義, architecture內(nèi)部描述這個模塊的行為, 但不同于傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計,其architecture內(nèi)部的行為描述采用C語言而不再是VHDL語言，對于C語言部分以“CODE”標(biāo)記作為開始，以“ENDCODE”標(biāo)記作為結(jié)束。C語言的入口點也是main函數(shù)，這和標(biāo)準(zhǔn)C是非常類似的。各個子系統(tǒng)通過編譯器件自動進行連接,并且自動完成AE的分配。
下面對描述中幾點特殊的地方加以解釋：
在端口描述中"@"數(shù)字代表系統(tǒng)需要占用總線的時隙,比如@16就表示每16個時隙總線就要分給此端口一次, <type>域指定了語言類型,這里可以是C和ASM兩種。<AE type>用來指定本子系統(tǒng)采用的AE的類型,有MAC、STAN、MEM、CTRL四種可選,或指定為 ANY（任意一種），然后由編譯器來進行分配。

結(jié)語

4 結(jié)論.
利用PC101芯片設(shè)計的無線接收機具有功能實現(xiàn)靈活,開發(fā)容易,無須修改硬件就可適應(yīng)各種標(biāo)準(zhǔn)的特點.是一種全新的設(shè)計理念, 從目前存在的第三代移動通信各種體制中看出，它們具有許多類似的算法，CDMA2000接收機中的各模塊如Rake合并、信道估計、解交織等部分能應(yīng)用于多種體制?；赑C101的軟件定義的接收機具有極大的靈活性和開放性，易于結(jié)構(gòu)化、模塊化和通用化，有利于各種通信新標(biāo)準(zhǔn)的實施和兼容。
為將來的多種制式間的互聯(lián)互通,提供了一種成本低廉的純軟件的解決方案。
參考文獻：
1.  Picochip數(shù)據(jù)手冊 Preliminary technical datasheet-PC101
2.  TIA/EIA/cdma2000．“Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spectrum Cellular System”．1995
3.  Jhong Sam Lee, Leonard E. Miller著. 許希斌 周世東等譯.CDMA系統(tǒng)工程手冊. 北京：人民郵電出版社.2001.2：343-395
4.  邱玲 ， 朱近康， 孫葆根，張磊 ．第 三 代 移 動 通 信 技 術(shù) ．北 京 ： 人 民 郵 電 出 版 社．2001年 ：90-96
5.  Man Young Rhee 著，袁超偉等譯.CDMA蜂窩移動通信與網(wǎng)絡(luò)安全.北京：電子工業(yè)出版社.2002.5:41-150