適合中國(guó)3G TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字前端解決方案

摘要：本文的重點(diǎn)基于FPGA的成本經(jīng)濟(jì)的TD-SCDMA數(shù)字前端(DFE)解決方案。波束成形需要在基站使用多個(gè)天線(通常為六至八個(gè)天線)。在下行鏈路，一個(gè)小區(qū)中的每個(gè)載波在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)南辔缓头燃訖?quán)以及上轉(zhuǎn)換以后，傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的天線。在上行鏈路，每個(gè)天線接收到的信號(hào)需要下變頻轉(zhuǎn)換到基帶。上變頻和下變頻功能分為模擬和數(shù)字兩個(gè)部分。在數(shù)字部分，這些功能采用數(shù)字上變頻器(Digital Up Conversion)和數(shù)字下變頻器(Digital Down Conversion)完成，兩者共同構(gòu)成數(shù)字前端(DFE)。

??? 時(shí)分同步碼分多址(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)是中國(guó)自主研發(fā)的第三代蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)，也是兩個(gè)3GPP時(shí)分蜂窩標(biāo)準(zhǔn)之一(另一個(gè)是TD-CDMA)。TD-SCDMA與同類標(biāo)準(zhǔn)不同之處在于碼片速率低，并且上行鏈路提供時(shí)間同步傳輸能力。中國(guó)目前在這一標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)方面已經(jīng)進(jìn)行了大量投資，到目前為止已經(jīng)成功建設(shè)了多個(gè)測(cè)試和試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。一旦中國(guó)頒發(fā)3G牌照，相信TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)會(huì)很快實(shí)現(xiàn)部署。?

??? TD-SCDMA的突出系統(tǒng)特點(diǎn)

??? TD-SCDMA系統(tǒng)有兩大突出特點(diǎn)：首先，考慮到其上行傳輸(手機(jī)到基站)的時(shí)間同步特點(diǎn)，被稱為聯(lián)合檢測(cè)(joint-detection)的高級(jí)信號(hào)處理技巧在基站恢復(fù)每個(gè)用戶的傳輸。在理想情況下，利用聯(lián)合檢測(cè)可以完全消除同一小區(qū)內(nèi)來(lái)自其它用戶的干擾，因此與其它異步匹配檢測(cè)技術(shù)相比，可以提高系統(tǒng)容量。第二個(gè)突出特點(diǎn)是使用自適應(yīng)波束成形(beam forming)來(lái)提高信噪比并減輕干擾。

??? 利用賽靈思FPGA可以高效實(shí)現(xiàn)聯(lián)合檢測(cè)功能，但本文的重點(diǎn)基于FPGA的成本經(jīng)濟(jì)的TD-SCDMA數(shù)字前端(DFE)解決方案。波束成形需要在基站使用多個(gè)天線(通常為六至八個(gè)天線)。在下行鏈路，一個(gè)小區(qū)中的每個(gè)載波在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)南辔缓头燃訖?quán)以及上轉(zhuǎn)換以后，傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的天線。在上行鏈路，每個(gè)天線接收到的信號(hào)需要下變頻轉(zhuǎn)換到基帶。上變頻和下變頻功能分為模擬和數(shù)字兩個(gè)部分。在數(shù)字部分，這些功能采用數(shù)字上變頻器(Digital Up Conversion)和數(shù)字下變頻器(Digital Down Conversion)完成，兩者共同構(gòu)成數(shù)字前端(DFE)。圖1是一個(gè)基站模擬和數(shù)字前端的通用示意圖。

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圖 1: 具有數(shù)字前端的無(wú)線電卡

??? 對(duì)于每個(gè)小區(qū)使用六個(gè)天線和六個(gè)載波的情況，共需要36個(gè)通道，通常這意味著需要大量專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)芯片。無(wú)論是從功耗方面，還是從PCB面積方面，這都意味著昂貴的成本，更不用提還有可靠性問(wèn)題。本文描述了一種基于FPGA的DFE解決方案。該方案使用了Multiple Access Communications (MAC)Limited公司為賽靈思公司開(kāi)發(fā)的經(jīng)過(guò)預(yù)先驗(yàn)證和優(yōu)化的Xilinx(r) System Generator for DSP TD-SCDMA DFE IP庫(kù)。MAC公司是一家咨詢公司，位于英國(guó)南安普敦市(Southampton)。

??? TD-SCDMA DFE解決方案

??? 使用賽靈思芯片器件(FPGA)能夠以極高的資源利用率實(shí)現(xiàn)一個(gè)符合采樣速率和調(diào)節(jié)范圍要求、同時(shí)包括DUC和DDC模塊的數(shù)字前端(DFE)解決方案。基于Xilinx System Generator for DSP工具的DFE庫(kù)支持針對(duì)不同天線和載波配置實(shí)現(xiàn)快速方便的重新配置、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，不需要重新設(shè)計(jì)或修改DUC和DDC鏈路上的基本模塊，因此用戶可以從容應(yīng)對(duì)基站DFE設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

??? TD-SCDMA DFE庫(kù)中包含了創(chuàng)建DUC和DDC鏈路所需要的所有System Generator IP塊，包括濾波器、本地振蕩器和混頻模塊以及不同的輸入和輸出格式模塊。DFE庫(kù)是參考設(shè)計(jì)包的一部分。該參考設(shè)計(jì)包還包括一個(gè)用于硬件協(xié)同仿真的18通道設(shè)計(jì)實(shí)例、用于實(shí)現(xiàn)3GPP兼容性測(cè)試的MatLab測(cè)試腳本以及一個(gè)運(yùn)行在Nallatech V4 XtremeDSP套件上的全速演示解決方案。根據(jù)客戶要求，賽靈思公司可向客戶提供這一參考設(shè)計(jì)包(請(qǐng)參閱網(wǎng)址http://china.xilinx.com/esp/wireless/index.htm)。

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圖 2: 數(shù)字上變頻信號(hào)鏈路

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圖 3: 數(shù)字下變頻信號(hào)鏈路

??? 圖2和圖3給出了利用TD-SCDMA DFE庫(kù)中的IP模塊實(shí)現(xiàn)的DUC和DDC信號(hào)路徑細(xì)節(jié)。庫(kù)中的基本模塊是優(yōu)化的六通道DUC和DDC模塊，調(diào)諧范圍均為9.6MHz，中頻(IF)采用速率為76.8Msps，即TD-SCDMA 1.28Mcps碼片速率的60倍。基帶數(shù)據(jù)以碼片速率輸入和輸出。信號(hào)路徑經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的資源效率，并使用307.2MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。這一高性能是充分發(fā)揮V4 SX FPGA中集成的DSP48功能的結(jié)果。

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圖 4: 單一天線6信道數(shù)字?jǐn)?shù)字上變頻例證圖

??? 圖4所示為使用DFE資料庫(kù)模塊構(gòu)建的六通道DUC。信號(hào)處理的大多數(shù)操作都是在六通道"TD-SCDMA DUC"模塊中完成的。添加"本地振蕩器"和"DUC混頻器"資料庫(kù)模塊是為了將DUC的復(fù)合輸出從零轉(zhuǎn)換成一個(gè)更為實(shí)用的中頻。這一子系統(tǒng)生成是針對(duì)單天線輸出的。只需簡(jiǎn)單地復(fù)制這一子系統(tǒng)，就可以支持多單元天線系統(tǒng)。

??? 這樣，支持任意數(shù)量的天線就變得相對(duì)簡(jiǎn)單了。那么，對(duì)于需要的載波器少于六個(gè)時(shí)，又該怎么設(shè)計(jì)呢？在這種情況下，如果使用"完整的"六載波器設(shè)計(jì)，盡管也不失為完全可行的解決方案，但會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的FPGA設(shè)計(jì)。最壞的情況下，可能導(dǎo)致難以使用較小的器件，因而大大增加解決方案的成本。

??? 如果解決方案要求用戶手動(dòng)刪除任何不需要的邏輯，或涉及實(shí)現(xiàn)和提供一整套預(yù)定義的變量，這無(wú)疑與“讓用戶不必掌握設(shè)計(jì)的復(fù)雜細(xì)節(jié)”這一使用資料庫(kù)的初衷背道而馳。相反，DFE庫(kù)提供了一些精巧的附加邏輯，可幫助下游設(shè)計(jì)工具在構(gòu)建時(shí)將未使用的邏輯優(yōu)化掉。這樣，用戶只需要使用適當(dāng)?shù)膸?kù)模塊，并終止未使用的輸入就可以了。三通道DUC設(shè)計(jì)的例子如圖5所示。其中，利用"未使用的BB輸入"模塊將通道3到6阻斷，同時(shí)這些通道的控制輸入也被固定了恒定值?，F(xiàn)在，盡管此設(shè)計(jì)使用的是六通道DUC子系統(tǒng)構(gòu)造，但那些專為未使用通道預(yù)備的所有邏輯、Block RAM和DSP48都會(huì)在構(gòu)建時(shí)被刪除。

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5: 單一天線3信道數(shù)字?jǐn)?shù)字上變頻例證

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圖 6: 單一天線6信道數(shù)字?jǐn)?shù)字下變頻例證

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?圖 7: 單一天線3信道數(shù)字?jǐn)?shù)字下變頻例證

??? DDC的情況與此類似。圖6是六通道單天線設(shè)計(jì)的例子，而圖7是其三通道的變型。對(duì)于DDC，使用標(biāo)準(zhǔn)的Simulink Terminator模塊終止未使用的輸出，并將未使用的控制端口固定為定值，就可以將未使用的通道優(yōu)化掉。對(duì)于DUC，只需要簡(jiǎn)單地復(fù)制單天線設(shè)計(jì)，就可以支持多個(gè)天線。

??? 前面假設(shè)9.6MHz的調(diào)諧范圍是足夠的，對(duì)于需要大于9.6MHz調(diào)諧范圍的應(yīng)用，可以通過(guò)級(jí)聯(lián)兩個(gè)同樣DUC或DDC模塊的方式擴(kuò)展調(diào)諧范圍，例如，調(diào)整到15MHz的范圍。

3GPP兼容性測(cè)試和性能驗(yàn)證

??? 如上所述，TD-SCDMA DFE庫(kù)模塊組中的IP模塊設(shè)計(jì)滿足TS25.105中的3GPP要求。因此，可以確保對(duì)于任何基于該IP庫(kù)的系統(tǒng)都可以滿足相關(guān)的3GPP要求，如頻譜屏蔽和鄰近信道泄露比(ACLR)，并且有足夠的余量來(lái)彌補(bǔ)模擬器件的失真效應(yīng)。

??? 表1給出了與3GPP要求相關(guān)的性能總結(jié)，包括每個(gè)參數(shù)提供的余量。針對(duì)DUC和DDC功能的3GPP兼容性測(cè)試以MatLab腳本的方式實(shí)現(xiàn)，腳本使用了硬件協(xié)同仿真(運(yùn)行在Nallatech V4 XtremeDSP套件之上)。表1給出的性能數(shù)據(jù)就是由這些測(cè)試給出的。圖8至圖10顯示出Matlab測(cè)試腳本得到的一些測(cè)試圖，包括DUC頻譜屏蔽、DDS性能以及DDC鄰近信道選擇性和阻塞測(cè)試。

表1：3GPP兼容性測(cè)試結(jié)果。

??? 采用運(yùn)行全速12通道設(shè)計(jì)的V4 XtremeDSP套件還進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)際測(cè)試。利用V4開(kāi)發(fā)板上的14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成19.2MHz的IF輸出信號(hào)。DAC輸出被饋送到安捷倫(Agilent)頻譜分析儀中，如圖11所示。

??? 如圖12所示，這一12通道設(shè)計(jì)帶有一個(gè)圖形用戶界面(GUI)。該界面能夠支持多種功能。例如，DUC輸出可以通過(guò)DAC-ADC路徑或內(nèi)部反饋到DDC，經(jīng)過(guò)下轉(zhuǎn)換并顯示在某個(gè)圖形用戶界面窗口中。

表2：一個(gè)18通道DFE解決方案的資源利用率。

??? 實(shí)施結(jié)果

??? 綜上所述，利用TD-SCDMA DFE IP庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)和配置從單載波、單天線，直到六載波、多天線的各種不同DFE配置，唯一的限制就是可用的FPGA資源。表2和表3分別給出了實(shí)現(xiàn)一個(gè)六載波、三天線配置的半?yún)^(qū)方案，和一個(gè)三載波、四天線配置的半?yún)^(qū)方案所需要的FPGA資源。換句話說(shuō)，兩種情況下實(shí)現(xiàn)全區(qū)設(shè)計(jì)也只需要兩片SX25器件。兩個(gè)例子的中頻帶寬為9.6MHz。

表3：12通道解決方案的資源利用率。

??? 結(jié)論

??? 由于TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的波束成形(beam forming)要求，因此基站需要大量上變頻/下變頻(DUC/DDC)通道。本文表明利用賽靈思V4 SX FPGA和賽靈思TD-SCDMA DFE庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)高效快速的符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的TD-SCDMA數(shù)字前端(DFE)解決方案，從而使設(shè)備供應(yīng)商能夠集中更多精力來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化并加快產(chǎn)品的上市時(shí)間。