LTE系統將最大系統帶寬從5 MHz擴展到20 MHz，能夠在20 MHz帶寬內實現50 Mb/s上行瞬間峰值速率和100 Mb/s下行瞬間峰值速率[1]。

    為了提高數據的傳輸速率和系統的吞吐量，采用正交振幅調制技術[2]，在LTE系統中主要有QPSK、16QAM、64QAM三種調制方案。在解調與解擾模塊之后要進行解信道交織，從而得到數據信息、ACK信息、RI信息和CQI信息[3]。之后就要對各個信息進行譯碼。為了保證譯碼的可靠行，在解調時使用軟解調的方式，采用一種低復雜度的max-log-map算法進行解調。最后再進行解擾，從而能夠滿足LTE系統對譯碼性能的要求，使譯碼的數據更加可靠。
    FPGA芯片內部有豐富的LUT資源和大量的固核資源，其處理過程是并行的，在使用FPGA進行解調與解擾時能夠充分發揮其內在的優勢。在Virtex-6芯片進行板級驗證，對結果進行分析可知，在FPGA中對解調與解擾的處理速度更快，可靠性更高。


2 解調與解擾在FPGA中的實現
    由于解調與解擾的數據來自于解傳輸預編碼之后的數據，所以在實現時，解完預編碼之后才能進行解調和解擾。在PUSCH信道中一個子幀含有14個OFDM符號，其中本地參考信號要占用2個OFDM符號，由于本地參考信號不參與解調與解擾過程，所以對一個子幀只需要做12次解調與解擾。解預編碼模塊以后要給解調模塊一個標志位，作為解調模塊的開始；同樣，對于解調模塊在做完解調以后也要給解擾模塊一個標志位，作為解擾模塊的開始。這樣，各個模塊才能協調統一地完成解調與解擾過程。同時，也能夠體現FPGA的并行處理的過程，上面的流程看似是順序的過程，實際上是并行處理的過程，因為要做12個OFDM符號，在每次處理解擾的過程中，都可以同時處理下一個OFDM符號的解調過程。因此基于FPGA實現時速度能夠得到極大的提高，更能夠滿足TD_LTE系統性能的要求。
    本文針對上行共享信道QPSK的解調進行分析，對16QAM以及64QAM的處理過程相類似。使用軟解調的方式，采用max-lop-map算法，由于在FPGA中處理的數據都是經過量化的，所以預編碼的輸出都是32 bit的數據，其中高16位為數據的實部，低16位為數據的虛部。QPSK的max-log-map表達式如式(5)所示。其中在解調模塊中d要進行Q15的量化。然后分別對數據的實部和虛部同時乘以4d，在做乘法時使用FPGA內部的固核DSP48乘法器，同時對于進入乘法器的兩路數據和輸入數據都要緩存一個時鐘周期，從而使數據的可靠性和穩定性得到保證。在FPGA中實現乘以-1是把DSP48輸出的數據進行取反加一。對每個數據的實部和虛部都是同時進行乘法，這樣做處理速度也能夠提高。處理完以后把實部和虛部分開存儲在一個深度為2 400、位寬為16 bit的雙端口RAM中。等到一個OFDM符號處理完成以后就給解擾模塊一個標志位，作為解擾模塊的開始。
    解擾模塊也是針對上行共享信道進行分析，其他信道的解擾過程相類似。在解擾模塊實現中，首先產生偽隨機序列，根據高層配置的子幀號、小區ID等信息，再由上面的遞推公式(8)和(9)，一直遞推到x1(1 600)，x2(1 600)，從而可以求得c(0)；再依次遞推，求得c(0)，c(1)，…，c(28 799)。把這些偽隨機序列數據存儲在一個深度為28 800、位寬為1 bit的RAM中，在遞推算法中每次都能夠遞推出32個偽隨機數。這樣隨機序列產生的速度也很快，從而保證了解擾的處理速度。每次要做解擾時都可以從這個RAM中取出數據。同時，在收到解調模塊的標志位時就開始進行解擾過程，其本質也就是根據偽隨機序列再進行一次加擾，在c(i)為1時就對解調模塊的數據進行取反加一，在c(i)為0時使解擾的數據保持不變。在整個解調與解擾設計過程中每個OFDM符號都要進行解擾，所以每次做完解調與解擾后的數據都放在一個RAM中，從而使設計更加模塊化，且更加靈活，對于代碼的維護和不同芯片之間的移植也更加方便。圖1為解調解擾模塊設計總體框架圖。
3 FPGA仿真與實現結果分析
    圖2、圖3分別是解調模塊Modelsim仿真圖和基于Virtex-6板級實現的Chipscope截圖。在實現時，芯片外部提供的時鐘是200 MHz的差分時鐘，這個時鐘連接到FPGA的數字時鐘管理模塊(DCM)并倍頻到300 MHz，以保證時鐘的穩定性和可靠性。其中flag_from_idft來自解預編碼模塊，其為高電平時表明預編碼模塊處理完成，可以進行計算解調模塊了。這時解調模塊就通過addr_to_idft地址信號發送給解預編碼模塊，此時存儲在RAM中的預編碼數據通過data_to_demodulation數據線傳給解調模塊。之后解調模塊按照上面的分析過程進行計算，在處理完數據時拉高wea_modulate和web_modulate信號存儲數據，在做完解調模塊時拉高flag_to_scrable，在解擾模塊收到這個標志位時就可以進行解擾模塊的處理了。
    圖4、圖5分別是解擾模塊Modelsim仿真圖和基于Virtex-6板級實現的Chipscope截圖。在解擾模塊中，收到flag_from_demodulate信號為高電平時就進行解擾過程的處理。其中data_from_demodulate是來自以上解調模塊處理完的數據，data_from_random是來自偽隨機序列產生模塊產生的數據。根據產生的隨機序列進行解擾處理，最后把處理后的數據dina_scramble也存儲在一個雙端口的RAM中，這樣使得各個模塊之間的獨立性更強，也便于給需要此數據的不同模塊提供數據。從FPGA的仿真圖和實現圖中可以看出，實現過程和仿真過程完全一致，從而保證了代碼的可靠行。

4 結論及分析
    解調與解擾算法的Verliog[5，6]程序已通過Xilinx ISE13.4的編譯、仿真驗證及板級驗證。其結果和理論值一致，其精確度可以滿足TD_LTE射頻一致性測試儀表項目的要求。在FPGA中速度和面積總是相矛盾，在追求速度的同時，也要考慮芯片資源的問題。在資源充足的情況下，可以采用多級流水線的結構和并行運算來提高速度。本文采用此方法極大地提高了處理速度，三種調制與解擾處理的周期數如表1所示。可以看到，在FPGA(Virtex-6芯片)中的處理速度非常快，為后面譯碼工作節省了更多時間，更能夠滿足項目上的要求，故該方案已應用于國家重大科技專項“TD-LTE射頻一致性測試儀表”的開發中。

參考文獻
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[2] 陳發堂，李小文，王丹，等.移動通信接收機設計理論與實現[M].北京：科學出版社，2011.
[3] 3GPP TS 36.211 v10.0.0:Scramble and Modulation (Release 10)[S].2010.
[4] 陳發堂，梁濤濤，李小文.LTE-A系統軟解調算法仿真及DSP實現[J].計算機應用研究，2011(12)：4095－4096.
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[6] TOSATO F，BISAGLIA P,Simplifed soft-output demapper  for binary interleaved COFDM with application to HIPERLAN/2[J].Proc.IEEE ICC’，2002，2(2)：664-668.