基于fpga平臺運用tdm實現(xiàn)wcdma同步系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于FPGA平臺運用TDM實現(xiàn)WCDMA同步系統(tǒng)，涉及移動通信領域中的數(shù)字信號處理技術(shù)。本系統(tǒng)包括現(xiàn)有的WCDMA目標終端（00）、WCDMA無線基站（40）；設置有TDM數(shù)據(jù)符號生成器（10）、導頻能量計算器（20）、同步點位置比較器（30）和下行小區(qū)搜索器（50）；WCDMA目標終端（00）、TDM數(shù)據(jù)符號生成器（10）、導頻能量計算器（20）和同步點位置比較器（30）依次連接；WCDMA無線基站（40）、下行小區(qū)搜索器（50）和導頻能量計算器（20）依次連接。本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果：①FPGA資源利用率高；②FPGA芯片成本降低；③FPGA芯片的面積變小。
【專利說明】基于FPGA平臺運用TDM實現(xiàn)WCDMA同步系統(tǒng)

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及移動通信領域中的數(shù)字信號處理技術(shù)，尤其涉及一種基于FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)平臺運用TDM(時分復用)實現(xiàn)WCDMA (寬帶碼分多址技術(shù))同步系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著WCDMA終端越來越普及，WCDMA通信系統(tǒng)設備的小型化及其低成本化成為趨勢，由于FPGA芯片的制造工藝不斷提升，在功耗面積及其成本方面比傳統(tǒng)的DSP(數(shù)字信號處理器)有著很大的優(yōu)勢，從而在現(xiàn)代高速數(shù)字信號處理領域FPGA有著很好的應用前景。由于在進行WCDMA無線信號同步過程中進行搜索運算需要偏移多次的滑動窗，每滑動一次計算一次滑動窗內(nèi)解擾、接擴后的導頻能量值，然后從多次滑動得到的導頻能量值中取其中最大的值所對應的滑動偏移位置為最后同步點所在位置；如果采用傳統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)方法則偏移多少次滑動窗的位置則需要復制多少個FPGA中的硬件資源去進行對應的計算，由于實際中偏移值可能會取32或者64，則需要32或者64個重復的FPGA中的硬件資源去進行導頻能量運算，因而傳統(tǒng)實現(xiàn)方法對FPGA的資源消耗量特別大，進而使FPGA的成本面積及其功耗都有很大的開銷，嚴重影響了 FPGA進行數(shù)字信號處理的效率。
[0003]可見用傳統(tǒng)的FPGA方法去實現(xiàn)WCDMA同步系統(tǒng)局限性很大，在對FPGA的資源消耗上面有很大的劣勢，使FPGA不利于進行同步搜索或者在運算中存在類似的同步搜索的應用場景，嚴重影響了 FPGA的應用范圍，需要改進。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)的明目的就在于克服現(xiàn)有的在FPGA平臺上實現(xiàn)WCDMA同步搜索過程中對FPGA的硬件資源消耗特別大的問題，提供了一種基于FPGA平臺運用TDM實現(xiàn)WCDMA同步系統(tǒng)。
[0005]實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案是:
根據(jù)3GPP標準WCDMA的碼片速率是3.84Msps,假設實際需求上行導頻信道同步點精確搜索的滑動偏移值為32，設定選定的FPGA平臺為普通的CYCL0NE3類型芯片，速度等級為C8，本發(fā)明中采用的TDM設計方法首先將FPGA的CYCL0NE3芯片的時鐘頻率升到32X3.84MHz=122.88MHz，然后根據(jù)時鐘頻率為碼片速率的32倍來運用TDM的方式利用FPGA多余的時鐘資源達到用時間換空間的設計方法，從而使32次滑動偏移所需要32個FPGA導頻能量計算所需要硬件資源合并到只需要I個FPGA導頻能量計算所需要硬件資源，進而大大提升了 FPGA的資源利用率。
[0006]具體地說，本系統(tǒng)包括現(xiàn)有的WCDMA目標終端、WCDMA無線基站；
設置有TDM數(shù)據(jù)符號生成器、導頻能量計算器、同步點位置比較器和下行小區(qū)搜索器； WCDMA目標終端、TDM數(shù)據(jù)符號生成器、導頻能量計算器和同步點位置比較器依次連接;
WCDMA無線基站、下行小區(qū)搜索器和導頻能量計算器依次連接； 所述的導頻能量計算器包括依次交互的解擾模塊、解擴模塊、導頻歸一化模塊、時隙內(nèi)導頻相加模塊、求模平方運算模塊和15個時隙模平方相加模塊。
[0007]本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果:
①FPGA資源利用率高:通過TDM設計方法進行WCDMA上行同步點的搜索運算可以將FPGA的資源利用率提升32倍以上，如果FPGA芯片更好則資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內(nèi)的資源成正比的，通過引入TDM的設計方法可以使FPGA消耗的資源大幅度降低，從而有效地控制芯片成本，提升產(chǎn)品的競爭力；
③FPGA芯片的面積變小:FPGA消耗的資源降低最直接的變化是FPGA芯片的體積會變小很多，從而有利于設備的小型化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2是TDM數(shù)據(jù)符號生成器的結(jié)構(gòu)方框圖；
圖3是TDM數(shù)據(jù)符號生成器的信號時序圖；
圖4是同步系統(tǒng)的工作流程圖；
圖中:
00—WCDMA目標終端；
10—TDM數(shù)據(jù)符號生成器；
11一地址產(chǎn)生器，
12—選擇器，
13—寄存器，13-1—第I寄存器，13-2—第2寄存器，……
13-N—第N寄存器，N為自然數(shù)，(64 ；
20—導頻能量計算器，
21 一解擾模塊，
22—解擴模塊，
23—導頻歸一化模塊，
24—時隙內(nèi)導頻相加模塊，
25—求模平方運算模塊，
26—15個時隙模平方相加模塊；
30—同步點位置比較器；
40—W⑶MA無線基站；
50—下行小區(qū)搜索器。
[0009]英譯漢
l、FPGA:Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列；
2> WCDMA:ffideband Code Divis1n Multiple Access,寬帶碼分多址技術(shù);
3、TDM:Timing-Divis1n Multiplexing,時分復用。

【具體實施方式】
[0010]以下結(jié)合附圖和實施例詳細說明。
[0011]一、系統(tǒng)
1、總體
如圖1，本系統(tǒng)包括現(xiàn)有的WCDMA目標終端00、WCDMA無線基站40 ；
設置有TDM數(shù)據(jù)符號生成器10、導頻能量計算器20、同步點位置比較器30和下行小區(qū)搜索器50 ；
WCDMA目標終端00、TDM數(shù)據(jù)符號生成器10、導頻能量計算器20和同步點位置比較器30依次連接；
WCDMA無線基站40、下行小區(qū)搜索器50和導頻能量計算器20依次連接；
2、功能部件
I) WCDMA目標終端00
WCDMA目標終端00是基于國際3GPP標準的WCDMA制式的終端，是需要進行目標上行導頻信道同步的終端。
[0012]2) TDM數(shù)據(jù)符號生成器10
TDM數(shù)據(jù)符號生成器10是在基于CYCL0NE3系列的FPGA硬件平臺上實現(xiàn)的，主要是用FPGA上面的LEs (邏輯單元)和Registers (寄存器)搭建起來的硬件電路。
[0013]具體地說，如圖2，TDM數(shù)據(jù)符號生成器10由地址產(chǎn)生器11、選擇器12和寄存器組13組成；
其連接關系是:地址產(chǎn)生器11分別與選擇器12和寄存器組13連接，選擇器12和寄存器組13連接。
[0014]地址產(chǎn)生器11輸出地址選擇信號給選擇器12，輸入到TDM數(shù)據(jù)符號生成器10的輸入信號data_in輸出到寄存器組13，寄存器組13內(nèi)的13_1、13_2、…、13-N的輸出端口 Q和輸入端口 D依次相連，寄存器組13內(nèi)的13-1、13-2、…、13-N的輸出端口 Q都輸出到選擇器12的輸入口，data_in_en為data_in的使能信號輸出到寄存器組13內(nèi)的13-1、13-2、…、13-N以及地址產(chǎn)生器11的使能輸入口，data_out為最終的TDM數(shù)據(jù)符號生成器10的輸出結(jié)果。
[0015]TDM數(shù)據(jù)符號生成器10的設計時序圖如圖3所示，假設導頻能量運算所需要的偏移數(shù)為N=4，為了用時間換空間的模式進行TDM方式去進行硬件資源的時分復用，將時鐘速率設定為基帶符號速率的4倍，圖中clkl為經(jīng)過4倍倍頻的時鐘，data_in為基帶數(shù)據(jù)輸入，data_in_en為基帶數(shù)據(jù)輸入的使能信號，因為后續(xù)的導頻能量計算是按照一幀為一個單元進行的，相關窗偏移多少次就需要多少個導頻能量計算器20進行導頻能量計算，第一次是從xO開始取一幀進行計算，第二次則從Xl開始取一幀進行計算，依次類推，如果用傳統(tǒng)方法進行FPGA實現(xiàn)則偏移多少次就需要多少個導頻能量計算器20去進行計算，從而FPGA需要很多重復資源去進行數(shù)字信號處理，而TDM數(shù)據(jù)符號生成器10的目的是生成圖3所示的data_out信號，data_out信號最終輸出格式從圖3可以看出為:
data—out: x3 x2 xl xO x4 x3 x2 xl x5 x4 x3 x2 x6 x5 x4 x3 x7 x6 x5 x4ch—index: 321 03210321032103210其中ch_index為data_out輸出對應的信道標號，信道標號O的輸出從左到右依次為xO, xl, x2, x3, x4依次類推,信道標號I的輸出從左到右依次為xl, x2, x3, x4, x5依次類推，從而通過TDM數(shù)據(jù)符號產(chǎn)生器10后的數(shù)據(jù)信道的編號對應的數(shù)據(jù)即為偏移數(shù)對應所需要的輸入數(shù)據(jù)，進而可以將TDM數(shù)據(jù)符號產(chǎn)生器后的數(shù)據(jù)輸入到導頻能量計算器20中進行時分復用。結(jié)合圖2的結(jié)構(gòu)框圖，輸入到TDM數(shù)據(jù)符號生成器10的基帶數(shù)據(jù)data_in在輸入的使能信號data_in_en的驅(qū)動下依次輸入到后續(xù)寄存器組13中的4個寄存器，從而實現(xiàn)了移位寄存器的功能，假設data_in的輸入數(shù)據(jù)為x0，xl, x2…，寄存器組內(nèi)的4個寄存器的輸出的值在輸入data_in和data_in_en的驅(qū)動下變化規(guī)律如下:
輸入次數(shù)PRE13-1輸出 PRE13-2輸出 PRE13-3輸出 PRE13-4輸出
0xOOOO
1xlxOOO
2x2xlxO0
3x3x2xlxO
4x4x3x2xl
從上面的寄存器的變化規(guī)律可以看出為了得到時分復用的數(shù)據(jù)，只需要在輸入data_in_en使能信號后的四個節(jié)拍中通過地址產(chǎn)生器11產(chǎn)生給13_1、13_2、…、13-N輸出的地址，從而通過選擇器12將結(jié)果輸出，從而產(chǎn)生最終的時分復用信號輸出。
[0016]TDM數(shù)據(jù)符號生成器10的主要功能是將輸入的基帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TDM格式的基帶數(shù)據(jù)輸出，從而有利用后面的導頻能量計算器20進行多次導頻能量運算的資源復用。
[0017]3)導頻能量計算器20
導頻能量計算器20是在基于CYCL0NE3系列的FPGA硬件平臺上實現(xiàn)的，主要用FPGA的LEs (邏輯單元)、Registers (寄存器)以及M9K(存儲器)進行搭建的硬件電路。
[0018]嵌入的模塊包括依次交互的解擾模塊21、解擴模塊22、導頻歸一化模塊23、時隙內(nèi)導頻相加模塊24、求模平方運算模塊25和15個時隙模平方相加模塊26。
[0019]*解擾模塊21:主要實現(xiàn)將輸入的基帶數(shù)據(jù)進行解擾，WCDMA終端發(fā)送的基帶信號都是經(jīng)過加擾處理后的數(shù)據(jù)，解擾模塊21即將加擾后的數(shù)據(jù)進行解擾操作；
*解擴模塊22:主要實現(xiàn)將碼分多址中的導頻信道數(shù)據(jù)進行提取，WCDMA協(xié)議中發(fā)送的各個子信道的數(shù)據(jù)是用碼分多址的方式進行發(fā)送的，為了提取其中的導頻信道數(shù)據(jù)必須進行解擴操作；
*導頻歸一化模塊23:主要將解擴后的導頻數(shù)據(jù)進行歸一化處理，歸一化的目的是使接收到的導頻數(shù)據(jù)為正數(shù)數(shù)據(jù)，從而利于后續(xù)的時隙內(nèi)導頻相加模塊24進行正數(shù)的累加；*時隙內(nèi)導頻相加模塊24:主要是將WCDMA每個時隙內(nèi)的歸一化后的導頻數(shù)據(jù)進行累加運算；
*求模平方運算模塊25:主要是將每個時隙內(nèi)導頻相加后的數(shù)據(jù)進行求模平方；
* 15個時隙模平方相加模塊26:主要是將15個時隙得到的求模平方相加后的結(jié)果進行累加，從而得到最終的導頻能量運算的能量值。
[0020]導頻能量計算器20的主要功能為對輸入的TDM數(shù)據(jù)進行導頻能量的計算，從而計算出各個偏移位置對應的導頻能量值，從而為后續(xù)的同步點位置比較器30去比較出同步點偏移位置做準備。
[0021]4)同步點位置比較器30
同步點位置比較器30是用在基于CYCL0NE3系列的FPGA硬件平臺上實現(xiàn)的，主要功能是將32次滑動偏移所得到的導頻能量值計算結(jié)果進行比較從而得到最大導頻能量值所對應的偏移值，進而得到同步點位置偏移點，最終實現(xiàn)了 WCDMA的同步操作。
[0022]5 ) WCDMA 無線基站 40
WCDMA無線基站00是基于國際3GPP標準的通用發(fā)射基站，基站的制式是WCDMA標準。
[0023]6)下行小區(qū)搜索器50
下行小區(qū)搜索器50主要是對基站的下行信號進行小區(qū)搜索及其同步，從而得到WCDMA的同步點大致的位置給導頻能量計算器20。
[0024]3、本系統(tǒng)的工作機理:
在WCDMA同步過程中，通過下行小區(qū)搜索器50搜索出大致的同步位置是不夠的，實際通信系統(tǒng)中會存在設備間晶振不同步、信號傳輸?shù)难訒r以及信號處理的延時等因素，從而必須用碼片偏移的方式進行導頻能量計算來得到精確的同步點位置。
[0025]當用FPGA實現(xiàn)WCDMA同步過程中導頻能量計算的時候，運用傳統(tǒng)FPGA方法實現(xiàn)同步過程滑動窗偏移多少次就需要重復多少硬件資源去進行導頻能量計算，從而給FPGA資源利用率帶來很大的挑戰(zhàn)；本發(fā)明提出的方法是基于TDM(時分復用)方式，首先將FPGA的時鐘頻率倍頻到3.84MspsX偏移次數(shù)，然后將輸入的基帶數(shù)據(jù)3.84Msps通過TDM數(shù)據(jù)符號生成器10進行TDM數(shù)據(jù)的生成，其后將生成的TDM數(shù)據(jù)輸入到導頻能量計算器20進行TDM數(shù)據(jù)的導頻能量的計算，從而只需要單個的導頻能量計算器20所消耗FPGA硬件資源就可以計算出N次偏移所需N個導頻能量計算器計算所需的FPGA硬件資源，最后將經(jīng)過TDM過程的導頻能量計算器20的結(jié)果輸出給同步點位置比較器30得到最終的偏移點的最大值，從而得到同步點的具體位置。
[0026]本發(fā)明的核心就是通過將輸入的基帶數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的重新組合構(gòu)造出適合于后續(xù)導頻能量計算器進行TDM復用的TDM數(shù)據(jù)格式，從而利用了空閑的時鐘資源進行硬件的時分復用，進而大幅度節(jié)省了 FPGA進行導頻能量計算所需要的硬件資源，提高了 FPGA的硬件資源的使用效率。
[0027]二、運用TDM實現(xiàn)WCDMA同步系統(tǒng)的工作流程如圖4，運用TDM實現(xiàn)WCDMA同步系統(tǒng)的工作流程如下:
①下行小區(qū)搜索器50進行WCDMA小區(qū)的搜索和同步-201，
獲得設備周邊的小區(qū)信息以及同步點位置信息，其中獲得的同步點位置信息可以推斷出上行同步點位置的大致位置；
②判斷下行小區(qū)搜索器50是否和WCDMA小區(qū)同步-202，
是則進入步驟③，否則跳轉(zhuǎn)到步驟①；
③接收上行基帶數(shù)據(jù)到TDM數(shù)據(jù)符號生成器10進行TDM數(shù)據(jù)生成并找到同步搜索偏移起始點位置-203，
其中上行導頻信道同步點位置可以根據(jù)下行小區(qū)搜索器50計算出的同步點位置和3GPP的推算公式得到，不過在實際通信系統(tǒng)中推算得到的同步點位置是不準確的，需要后續(xù)的同步操作；
④運用TDM時分復用方式在導頻能量計算器中進行導頻能量計算-204，
其中導頻能量計算方式是用信道編號方式在時間上對每個偏移值的導頻能量進行區(qū)分，從而實現(xiàn)了用單個硬件單元實現(xiàn)多次重復的操作； ⑤同步點位置比較器將得到的導頻能量進行比較得到最終的偏移點位置-205，從而最終得到精確的同步點位置。
【權(quán)利要求】
1.一種基于FPGA平臺運用TDM實現(xiàn)WCDMA同步系統(tǒng)，包括現(xiàn)有的WCDMA目標終端(OO).WCDMA 無線基站(40)； 其特征在于: 設置有TDM數(shù)據(jù)符號生成器(10)、導頻能量計算器(20)、同步點位置比較器(30)和下行小區(qū)搜索器(50); WCDMA目標終端(00)、TDM數(shù)據(jù)符號生成器(10)、導頻能量計算器(20)和同步點位置比較器(30)依次連接； WCDMA無線基站(40)、下行小區(qū)搜索器(50)和導頻能量計算器(20)依次連接。
2.按權(quán)利要求1所述的運用TDM實現(xiàn)WCDMA同步系統(tǒng)，其特征在于: 所述的TDM數(shù)據(jù)符號生成器(10)由地址產(chǎn)生器(11)、選擇器(12)和寄存器組(13)組成； 地址產(chǎn)生器(11)分別與選擇器(12)和寄存器組(13)連接，選擇器(12)和寄存器組(13)連接。
3.按權(quán)利要求1所述的運用TDM實現(xiàn)WCDMA同步系統(tǒng)，其特征在于: 所述的導頻能量計算器(20)嵌入的模塊包括依次交互的解擾模塊(21)、解擴模塊(22)、導頻歸一化模塊(23)、時隙內(nèi)導頻相加模塊(24)、求模平方運算模塊(25)和15個時隙模平方相加模塊(26 )。
4.按權(quán)利要求1所述的運用TDM實現(xiàn)WCDMA同步系統(tǒng)的工作流程，其特征在于: ①下行小區(qū)搜索器(50)進行WCDMA小區(qū)的搜索和同步(201)， 獲得設備周邊的小區(qū)信息以及同步點位置信息，其中獲得的同步點位置信息可以推斷出上行同步點位置的大致位置； ②判斷下行小區(qū)搜索器(50)是否和WCDMA小區(qū)同步(202 )， 是則進入步驟③，否則跳轉(zhuǎn)到步驟①； ③接收上行基帶數(shù)據(jù)到TDM數(shù)據(jù)符號生成器(10)進行TDM數(shù)據(jù)生成并找到同步搜索偏移起始點位置(203)， 其中上行導頻信道同步點位置可以根據(jù)下行小區(qū)搜索器(50)計算出的同步點位置和3GPP的推算公式得到，不過在實際通信系統(tǒng)中推算得到的同步點位置是不準確的，需要后續(xù)的同步操作； ④運用TDM時分復用方式在導頻能量計算器中進行導頻能量計算(204)， 其中導頻能量計算方式是用信道編號方式在時間上對每個偏移值的導頻能量進行區(qū)分，從而實現(xiàn)了用單個硬件單元實現(xiàn)多次重復的操作； ⑤同步點位置比較器將得到的導頻能量進行比較得到最終的偏移點位置(205)，從而最終得到精確的同步點位置。
【文檔編號】H04L7/00GK104410482SQ201410750454
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】方紹 申請人:武漢虹旭信息技術(shù)有限責任公司