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CDMA系统多速率判决技术  Post By：2010-12-22 10:32:32
摘 要：在CDMA移动通信系统中，由于采用了可变速率声码器，所以在接收端需要用多速率判定算法来获取速率信息，从而正确地接收数据。本文介绍了多速率判定算法，分析了信道误码计数度量(SER)、山本度量YQM(Yamamoto QualityMetric)和CRC校验度量3种判定度量的产生原理和软件无线电实现方法，同时使用DSP＋FPGA的结构对多速率判定进行了优化实现。 7f"N0m,s$X7^2S4I移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单mscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。:`7V"{"n/g;H/Q2T$s 关键词：CDMA；多速率判决；SER；山本度量 :p.^#l0W#@2}移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单www.mscbsc.com*`4w1Z)X!`2H)p 在IS-95，IS-2000系统中，语音的数据传输速率主要有4种：9 600 b/s，4 800 b/s，2 400 b/s，1 200 b/s，分别称其为全速率、1/2速率、1/4速率和1/8速率。当数据以低于全速率的速率编码时，数据比特要重复发送以“填满”整个帧。为了节省带宽，系统并不发送每帧的速率信息，因此接收机无法知道发送数据速率，只能通过提取信道质量信息，判定发送端可能发送的速率。同时，变速率也为随路信令的传输提供了方便，有些信令信息可以插入到降速帧中。 | 国内领先的通信技术论坛4n$i2X/l3[*o2`)X-W;Z$n3|'m#Y$w;p7w3J$] 接收机进行速率判定主要依据3种度量值，信道误码计数(SER)、可靠性信息——YQM(Yamamoto Quality Metric)［1］和CRC校验。其中SER度量对4种速率有效；YQM度量对较低两速率有效；而CRC度量对较高两速率有效。接收机根据8个度量值进行多速率判决算法，从而得到正确的速率信息，最终得到正确的语音数据输出。图1为整个多速率判定的示意框图。 .b1q7^$m9w-V%a!A:b0K*q,r:n!F5g!v | 国内领先的通信技术论坛
4m2^5~9D6{5Wmscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。2V+a.h,h+y1E#A:G1@!k移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单 本文将对多速率判决进行分析，分析了3种判决度量产生原理，同时引入了一种软件无线电(DSP＋FPGA)结构来实现度量值产生和多速率判决算法，采用串行实现方法和存储器分裂法，使得占用资源和处理时延大大减少。 mscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。2U#b;X m3A1oMSCBSC 移动通信论坛&M0O&[3J5E9Y0w.~ {8~ www.mscbsc.com"E9t2T5^7v9r&I!P8{ kwww.mscbsc.com:i M;}*c4]7l T)Q;f#e&v/g1 度量值计算 4v0Z%Q2m(F移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单+M%z,?,?*R.h!V9I3A移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单 接收机在对4种假设速率数据进行信道Viterbi译码［2］后，将进行多速率判定。此时，需要得到假定速率的正确性度量。在CDMA系统中，他包括3种度量，分别是SER，YQM和CRC度量。 mscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。:@8W.z&a&T1[&l'M1Qmscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。7s)d Y/e:S/N2n (1)SER是信道误码计数度量，反映的是Viterbi译码器的纠错能力和信道恶劣程度。他是指对译码后的数据再在本地进行卷积编码，然后以数据帧为单位和接收到的数据做硬判决后的结果比较。如果在信道不是很恶劣的条件下，当假设速率不正确时，SER度量将会很高，也反映了假设速率的真实程度。他对4种速率帧都有效。 *J'T2W3n+B7{'d1hMSCBSC 移动通信论坛*E"F$I3T8r7q(k (2)CRC是帧质量指示度量。CRC编码是一种使用非常广泛的循环分组码。在IS95和IS2000基带处理中，他只起检错和多速率判决作用，而没有纠错功能。在多速率判决中，CRC度量只对全速率和1/2速率数据帧起作用。在移动台调制过程中，全速率和1/2速率的帧质量指示比特的生成多项式如下： www.mscbsc.com'U4{6L)O$y0M#w!Z&D7[)H4E-{1E!J6^ | 国内领先的通信技术论坛
$y3c$W0V$^:z*e(U1c$EMSCBSC 移动通信论坛(S/x8u8{)u"U!v | 国内领先的通信技术论坛 通过对循环分组编码的分析，很容易得到译码电路就是一个伴随式计算电路［3］，也就是一个生成多项式除接收符号的除法电路，使用移位寄存器和反馈电路可以实现。 www.mscbsc.com0D)_*U7O1S+k!f-o&n)\%Y6q*K)g'M-T1D MSCBSC 移动通信论坛%?%f1S%R6E1W6o0c,A6x)V-O7q6v6w (3)山本度量是低速率帧的帧质量指示度量。1/4，1/8两种低速帧没有CRC比特，这时的帧质量指示度量要使用山本度量。Viterbi卷积译码是一种最大似然译码算法，也就是要在Trellis图中找到一个序列C，使得在已知接收序列R情况下，发送C的概率最大。这等价于找一个与发送序列距离最小的序列。但是如果在Trellis图中的次优序列同最优序列之间的距离较小，那么判定译码输出序列为最优序列的可信度较小。山本量度就是用于度量这一可信度的。具体的算法如下： | 国内领先的通信技术论坛.h&c z6r-t%p)f7i/Y#`3J$dwww.mscbsc.com 参照图2，设i－1时刻，所有状态均为“好”，以Ω表示，“坏”状态以X表示，路径度量(距离)以m［］()表示，A为阈值。 2o3S(m T6e#dmscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。8g0Q5|)r.I2n7J
移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单/l$G7^%\'[:?!F9S)q7a0^3V2t!G)P2h2H7C
*U,o/]#R"wmscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。9G,[,r6R%o)j-N+w0N | 国内领先的通信技术论坛 则选择路径bfs，则S0仍标为Ω；若选择路径dhf，则S0标为X，因为其路径中已有不可靠状态。此过程持续到译码结束，若2m个状态均标为X，则山本度量为“差”，否则为“好”。 MSCBSC 移动通信论坛*o-V9B5L0k0f移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单/c.s6Q%H-V2?"i:t)W 在设计中，设置了2个山本度量存储器，一个存放旧的山本度量值，一个存放新的。在译码的路径度量更新时，对每一状态同时更新山本度量值。对2个度量存储器的操作采用存储器分裂法，充分利用了FPGA的速度优势，提高了并发程度，减少了处理时延。 MSCBSC 移动通信论坛4~ \9a)E&c0e,[7m%h.@*{'i"w+Y7N!P2 多速率判决 | 国内领先的通信技术论坛1i:] y(r7f-N3T K4H/?mscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。3v8f0h$~2g/i P1w/G4R7f 在获得了度量值后，系统将通过8个量度S1(全速率SER)、S2(半速率SER)、S4(1/4速率SER)、S8(1/8速率SER)、Q1(全速率CRC校验)、Q2(半速率CRC校验)、Q4(1/4速率山本量度)、Q8(1/8速率山本量度)来判决数据速率。由于较高的2个速率有更准确的CRC校验，所以没有必要再用山本量度。速率判定后，处理器发给FPGA中的缓冲器相应信号，输出相应速率的译码数据。 (R.D4n8g+y#f'L$i#fmscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。*n0q9h)A#{www.mscbsc.com
www.mscbsc.com*s!v8|!r+y"M| 国内领先的通信技术论坛3y-v"~;c;N1y i/{$k2` 图3是速率判决算法的流程图。其中符号含义如下： www.mscbsc.com0Q!n%t*g `4p4o,u5l!A.Q#|-J,_5A7y(E(U*W6Z | 国内领先的通信技术论坛;T2W4O!D*J+a6p7|-V*].x,i.q&z"]#^移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单 1X表示全速率；2X表示1/2速率；4X表示1/4速率；8X表示1/8速率；1XL表示可能是全速率，但有误比特；E表示删除坏帧。T1～T10为判决门限，他们是通过用实际的语音数据经过大量的仿真得到的经验门限值，必须保证这些门限值是完全适用于CDMA移动通信环境。 | 国内领先的通信技术论坛'^(d3A:G7^7k!O3V/u5Y-]-^;b!J 速率判决算法包括以下几个准则： &l;M(a5T%V3r | 国内领先的通信技术论坛2]&Q$L"S&p-I (1)SER是最重要的判决变量。 (I%r3n$@9p,tmscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。,f%F5j k%R3}5J*m | 国内领先的通信技术论坛 (2)Viterbi译码的山本量度和CRC校验可以作为辅助判决变量。 www.mscbsc.com3q!E7T8[!s-v,f(r N(W(^8n8m:Z,F7[8H0H.I:? (3)着重保证全速率的判决，因为全速率占所有帧的60％，而且全速率帧用于传输随路信令。 移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单,R-p9G7z B5y p9A:f.|&b(p0B'Q9fwww.mscbsc.com (4)根据变速率声码器编码选择速率的规则，数据速率每帧只允许下降一个级别。例如，如果前一帧的速率为全速率，而当前帧根据算法为1/4和1/8，编码器仍旧选择速率1/2。 *`+e8l-g$j"E)B2~9s移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单MSCBSC 移动通信论坛8Q2m2^5]'^3 优化实现 MSCBSC 移动通信论坛$z1S.W#{6B移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单#o$o6~+G1v)R2`;o"m9I3．1 DSP＋FPGA实现结构 MSCBSC 移动通信论坛&c6u*u5r8J0A;\3k+Q'`$|#I:^'p1E)j'a 在我们的设计中，多速率判决模块采用DSP＋FPGA软件无线电结构。其中速率判定属于控制部分，放在C54DSP中完成。由于多速率判定算法实现代码相对简单，而且对时延要求不是非常严格，所以在实现中采用C代码编写。而3种度量值的产生实时性要求较高，而且和多路Viterbi译码结合紧密，因此使用Altera公司的APEXFPGA实现。FPGA和DSP的数据通过FIFO交互，控制信息通过寄存器交互。 c)Z/H6C:h2VMSCBSC 移动通信论坛www.mscbsc.com+F.M(o5f*r6v.]7Z8n9{'{7E 在度量值产生中，如果采用全并行处理，即同时并行处理四路假设速率帧，则占用FPGA逻辑资源太大，因此采用串行实现方式。在CDMA2000中，由于要求在一帧20 ms中完成4种速率帧的形成，所以模块基本时钟由原先的28．8 kb/s增加至57．6 kb/s。另外，为使共享的山本度量存储模块有充分的时间进行内部RAM复位，所以4种速率帧之间加入4个时钟周期的空闲段。 移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单&h!m$j-n3N8N*^9Wwww.mscbsc.com1a9@3S%C)T2m6]9f%_ 实验表明，此种结构实时性好，而且由于判决算法在DSP中完成以及串行度量处理，减少了对硬件逻辑单元的占用。 mscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。4v+_.n-I/j)M4h%I(e;@#U2o2t,V)`$@,Z | 国内领先的通信技术论坛3．2 存储器分裂法 -_ B2i c3a+P'N4g9K*B4R$@/s*};B*U+B | 国内领先的通信技术论坛 为了提高并发程度，充分利用FPGA的速度优势，对于山本度量的读写控制采用存储分裂方法，即逻辑RAM和物理RAM分开。这样可以在4个基本时钟内完成一次山本度量的更新运算。基本思想就是在一个时钟能同时取出i和i＋128的度量，进行运算后存入相应的存储单元，完成山本度量的更新。在物理上，存在2个独立的存储器RAM1和RAM2，各自有数据线和地址线，但在逻辑上将其均匀地分为2个子存储块，分别作为I时刻和I＋1时刻的存储单元。依据这个思想，地址产生器产生正确的地址逻辑，处理时延也将大大减少。 :I'O6u8I:?(E.y移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单 `'Z5i7b&i$C#i4 结语 | 国内领先的通信技术论坛.a.l$G1p-\#?4W*X7w6n&b5x)yMSCBSC 移动通信论坛 变速率声码器技术在移动通信中的应用非常普遍，具有降低功率、增加信道利用率等优点。在信道接收机中需要对数据速率进行检测判决。本文引入了一种多速率判决技术，他由度量值计算和判决算法两部分组成。在具体实现中，采用了DSP＋FPGA结构，在时延和资源配置上达到较好的性能。同时，采用了串行实现和存储器分裂等优化手段，减少了处理时延和资源占用。 0W3k:r3R5k,S*Amscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员，超过50万份GSM/3G等通信技术资料，是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。
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