【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路，重點(diǎn)考慮各個(gè)子模塊自身處理的特點(diǎn)去進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于通用處理器有自身的運(yùn)行特點(diǎn)，在做相關(guān)設(shè)計(jì)、代碼編寫工作時(shí)，需要充分將這些因素考慮在內(nèi)，形成科學(xué)的設(shè)計(jì)思路。這樣才能充分發(fā)揮出通用處理器的強(qiáng)大處理能力，并能將最終的實(shí)現(xiàn)盡可能優(yōu)化，以較低的成本完成目標(biāo)功能。以前的研究都是在芯片等硬件上直接做設(shè)計(jì)的，而本課題中基于通用處理器平臺(tái)的設(shè)計(jì)，指的就是通過電腦用戶界面，在CPU（中央處理器）上，用軟件進(jìn)行的設(shè)計(jì)。 課題的主要內(nèi)容 軟解調(diào)模塊 軟判決與硬判決在接收端的解調(diào)和譯碼過程中，根據(jù)對(duì)接收碼元處理方式的不同，可以分為硬判決譯碼和軟判決譯碼兩種。傳統(tǒng)上一般認(rèn)為最佳接收機(jī)應(yīng)設(shè)計(jì)為：解調(diào)器首先對(duì)調(diào)制輸入符號(hào)做出最佳判決，然后將此硬判決結(jié)果送給譯碼器，譯碼器再對(duì)其做一個(gè)最佳判決，以糾正解調(diào)器可能發(fā)生的錯(cuò)誤判決，這樣得到的就是硬判決譯碼。單獨(dú)的解調(diào)操作（即硬解調(diào)操作）是根據(jù)當(dāng)前接收信號(hào)，判決發(fā)送信號(hào)中的某一個(gè)元素。硬解調(diào)操作的輸出是某個(gè)元素或者是該元素對(duì)應(yīng)的比特序列。在這樣的硬判決譯碼方案中，調(diào)制解調(diào)與信道編碼是獨(dú)立的。但事實(shí)上如果解調(diào)器能送給譯碼器一個(gè)關(guān)于“調(diào)制器不同輸入符號(hào)可能性”的似然信息序列，或未量化的輸出，讓譯碼器將這些信息與編碼信息綜合在一起作出判決，則系統(tǒng)性能可以得到較大提高。這樣的譯碼方式就是軟判決譯碼。兩種解調(diào)過程大同小異，基本思想就是采用相關(guān)解調(diào)。兩種判決檢測(cè)方式各具優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)強(qiáng)干擾存在，且發(fā)送有用信號(hào)功率保持不變的條件下，硬判決檢測(cè)(Hard Decision Detection)可獲得比軟判決檢測(cè)(Soft Decision Detection)更好的誤碼率性能。但是現(xiàn)在廣泛使用的Turbo碼和LDPC碼的譯碼器需要的輸入是對(duì)應(yīng)每個(gè)比特取值為0（或?yàn)?）的概率或者該概率的單調(diào)函數(shù)。一般為簡(jiǎn)化譯碼器操作，使用對(duì)數(shù)似然比LLR，這就需要解調(diào)操作的輸出不是二進(jìn)制序列而是每個(gè)比特取值為1(或?yàn)?)的概率，這就是軟解調(diào)。LTE系統(tǒng)PUSCH信道中，解調(diào)模塊傳輸?shù)氖擒浶畔ⅲ瑸榱吮ＷC譯碼的準(zhǔn)確性，譯碼采用logmap算法，其入口參數(shù)為似然比值（軟信息），所以在調(diào)制時(shí)采用軟解調(diào)，而不是傳統(tǒng)的硬判決。 LogMAP LLR算法軟解調(diào)模塊涉及到的主要算法為L(zhǎng)ogMAP（對(duì)數(shù)最大后驗(yàn)概率）Log Likelihood Ratios (LLRs)，即計(jì)算對(duì)數(shù)似然比，也就是LLR值。對(duì)數(shù)似然比的公式為： （式21）其中，是接收到的星座點(diǎn)是“0”的概率之和，是接收到的星座點(diǎn)是“1”的概率和。這里， （式22）其中，是接收到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，是基準(zhǔn)星座點(diǎn)，是信號(hào)的噪聲功率。所以，LLR等式也變換為： （式23）其中 是星座圖中待定比特判為“1”的點(diǎn)的位置，而是待定比特為“0”的點(diǎn)在星座圖中的位置。這種算法稱為最優(yōu)算法，即為L(zhǎng)ogMAP算法。由于原始符號(hào)映射的關(guān)系，可以利用一個(gè)最佳的簡(jiǎn)化式，即計(jì)算每個(gè)比特的LLR值時(shí)，只需要考慮包含其相關(guān)比特信息的那條軸。即每一位的判決都只由星座圖中的一條軸決定。這項(xiàng)措施大大減少了執(zhí)行過程的復(fù)雜性，大概達(dá)到了50%，并且?guī)缀鯖]有性能損耗和誤差。另一個(gè)最佳簡(jiǎn)化式是算法Jacobian（雅克比算法），即： （式24）Jacobian算法用于迭代計(jì)算三個(gè)或者更多數(shù)據(jù)的指數(shù)之和，利用它，代入式（23）LLR原始公式中，即可得到計(jì)算LLR值的一種簡(jiǎn)化算法。PUSCH中（物理上行共享信道）主要采用QPSK、16QAM 和64QAM三種調(diào)制方式。因?yàn)檎{(diào)制階數(shù)越高，系統(tǒng)性能越差，所以上行鏈路調(diào)制一般階數(shù)較低。解調(diào)與調(diào)制互為逆過程，所以可以根據(jù)協(xié)議中調(diào)制的過程作為參考，來完成解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)與算法實(shí)現(xiàn)。QPSK、16QAM 和64QAM三種調(diào)制方式的映射表見附表1，附表2，附表3。 解比特加擾模塊 加解擾的意義設(shè)計(jì)數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí)，通常假設(shè)信源序列是隨機(jī)序列，而實(shí)際信源發(fā)出的序列不一定滿足此條件，尤其出現(xiàn)長(zhǎng)0串時(shí)，給接收端提取定時(shí)信號(hào)帶來一定困難。通常，數(shù)字通信系統(tǒng)中接收端的碼元同步信號(hào)是從接收到的數(shù)字信號(hào)的“0”和“1”的交變時(shí)刻中提取的，如果數(shù)字信號(hào)序列中經(jīng)常出現(xiàn)長(zhǎng)游程（0或1游程），則將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間不出現(xiàn)“0”和“1”碼元的交變點(diǎn)，從而影響碼元同步的建立和保持。因此希望傳送的數(shù)字信號(hào)序列中不出現(xiàn)長(zhǎng)游程，也不存在周期性分量，因?yàn)檫@些周期分量的不同頻率的諧波會(huì)由于電路中的非線性而產(chǎn)生交調(diào)干擾[6]。為解決上述幾個(gè)問題，通常會(huì)對(duì)信源序列進(jìn)行擾碼處理，以使其隨機(jī)化。在接收端再把加擾后的序列用同樣的擾碼序列解擾處理，恢復(fù)原有的信源序列。擾碼可以減少連“0”或連“1”長(zhǎng)度，保證接收機(jī)能提取到位定時(shí)信號(hào)。使加擾后的信號(hào)頻譜更能適合基帶傳輸，有時(shí)候也是保密通信的需要。 擾碼的產(chǎn)生擾碼為寄存器長(zhǎng)度為31的隨機(jī)Golden序列，其初始狀態(tài)與小區(qū)的,用戶的及時(shí)隙號(hào)有關(guān)。，此處所求偽隨機(jī)序列長(zhǎng)度為MPN，它的生成是由以下公式定義的： （式24）其中，Nc=1600，n=0,1,……,MPN1. 第一個(gè)m序列是由下式 （式25）得到的，第二個(gè)31位長(zhǎng)的m序列則是由下式得出。 （式26）在PUSCH中，擾碼初始信息： （式27）來自上層控制信息。得出x1(n)，x2(n)，n=0,1,……30后，再根據(jù)公式（24）得出所求擾碼序列。 解擾的原理通常，系統(tǒng)中會(huì)利用加擾解擾技術(shù)。在發(fā)送端用擾碼器來改變?cè)紨?shù)字信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，而接收端用解擾器恢復(fù)出原始數(shù)字信號(hào)。按照協(xié)議的規(guī)定生成擾碼序列，并以此序列對(duì)接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解擾[7]。接收數(shù)據(jù)流通常是有符號(hào)的軟信息，因此解擾時(shí)，根據(jù)擾碼序列中的比特1或0對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行改變正負(fù)性或者不變。解擾與加擾各自都是互為逆運(yùn)算的關(guān)系，所以可根據(jù)協(xié)議中對(duì)加擾的描述來作為解擾的參考，完成比特級(jí)解擾模塊的設(shè)計(jì)與算法實(shí)現(xiàn)。第三章 模塊設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn) 軟解調(diào)模塊設(shè)計(jì)及具體實(shí)現(xiàn) 軟解調(diào)模塊具體設(shè)計(jì)思路及過程本模塊實(shí)現(xiàn)軟解調(diào)功能。支持QPSK、16QAM、64QAM三種調(diào)制方式。輸入為復(fù)數(shù)符號(hào)，來自IDFT模塊的輸出；輸出為軟比特，輸出到Descrambling（解擾）模塊。軟解調(diào)基本算法為L(zhǎng)ogMAP（對(duì)數(shù)最大后驗(yàn)概率），計(jì)算每個(gè)符號(hào)的LLR（Log Likelihood Ratio 對(duì)數(shù)似然比）。上文提到（參見式（23）），最優(yōu)算法LogMAP LLR公式如下： （式23）其中，是接收到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，是基準(zhǔn)星座點(diǎn)，是信號(hào)的噪聲功率。這里，可以查詢協(xié)議TS 、16QAM、64QAM三種調(diào)制方式的映射關(guān)系[8]，可以在VC中編寫C語言。QPSK對(duì)應(yīng)2個(gè)LLR值，16QAM對(duì)應(yīng)4個(gè)LLR值，64QAM對(duì)應(yīng)6個(gè)LLR值。所以程序功能重點(diǎn)在于求各調(diào)制方式下的LLR值。編程過程中，將每種方式映射值與LLR一一對(duì)應(yīng)，將解調(diào)各種情況用列舉法編入程序，進(jìn)行判決。如QPSK、16QAM方式解調(diào)主要代碼段如下：圖31 QPSK方式解調(diào)主要代碼段圖32 16QAM方式解調(diào)主要代碼段不難看出，這種方法實(shí)施十分麻煩。調(diào)制階數(shù)越高，算法越冗繁，性能越差。64QAM方式解調(diào)代碼更加繁瑣，加上一些輔助函數(shù)及判斷調(diào)制方式函數(shù)等，使得程序十分冗雜。追根究底，是由于式（23）中的LLR值計(jì)算公式運(yùn)算繁瑣造成的。故后來改變算法，利用式（24）中的公式，即Jacobian算法（雅克比算法），來簡(jiǎn)化LLR計(jì)算公式： （式24）Jacobian算法用于迭代計(jì)算三個(gè)或者更多數(shù)據(jù)的指數(shù)之和，是LogMAP的一種優(yōu)化算法，大大簡(jiǎn)化了編程工作，而且使得程序具有更好的可讀性。整體流程圖及接口結(jié)構(gòu)為：圖33 解調(diào)模塊整體流程圖圖34 模塊接口結(jié)構(gòu)圖 函數(shù)輸入輸出（1）輸入控制信息格式：demod_info *ctrl_Demod：來自上行調(diào)度控制信息的指向結(jié)構(gòu)體類型的指針，；typedef struct{ Uint16_t Type_mod。//調(diào)制方式:1 QPSK,2 16QAM,3 64QAM Uint16_t Num_symb。//子幀中符號(hào), 實(shí)部和虛部分離開(twice) Uint16_t SNR。//信噪比，siga^2}demod_info。（2）輸入數(shù)據(jù)格式：輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在全局?jǐn)?shù)組out_IDFT[N_MAX_datasym]內(nèi)，可直接對(duì)其調(diào)用、賦值等操作。數(shù)組中先放輸入復(fù)數(shù)符號(hào)的實(shí)部，再放虛部，一個(gè)復(fù)數(shù)符號(hào)占2個(gè)數(shù)組元素長(zhǎng)度。數(shù)組類型為Sint16_t，為16位有符號(hào)整型。（3）輸出數(shù)據(jù)格式：輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在全局?jǐn)?shù)組out_demod[N_MAX_databit]內(nèi)，可直接對(duì)其賦值，供下一模塊調(diào)用。數(shù)組中一個(gè)軟比特信息占一個(gè)數(shù)組元素長(zhǎng)度。數(shù)組類型為Sint8_t，為8位有符號(hào)整型。（4）函數(shù)輸入輸出：void eNbRxDemod(demod_info *ctrl_Demod)表31 解調(diào)函數(shù)接口定義名稱類型（TBD）I/O描述數(shù)據(jù)流out_IDFT[]Sint16_tI待處理數(shù)組空間out_demod[]Sint8_tO處理后的數(shù)據(jù)空間控制流Type_modUint16_tI調(diào)制方式Num_symbUint16_tI輸入的符號(hào)數(shù)SNRUint16_tI信道的信噪比 函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)流程 QPSK軟解調(diào)過程圖35 QPSK軟解調(diào)過程 16QAM軟解調(diào)過程圖36 16QAM軟解調(diào)過程 64QAM軟解調(diào)過程圖37 64QAM軟解調(diào)過程 解比特加擾模塊設(shè)計(jì)及具體實(shí)現(xiàn) 解比特加擾模塊具體設(shè)計(jì)思路及過程本模塊實(shí)現(xiàn)比特解擾功能。此模塊主要分為兩個(gè)功能函數(shù)，分別完成擾碼序列的生成和解擾的功能。首先按照協(xié)議的規(guī)定生成擾碼序列，并以此序列對(duì)接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解擾。接收數(shù)據(jù)流通常是有符號(hào)的軟信息，因此解擾時(shí)，根據(jù)擾碼序列中的比特1或0對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行改變正負(fù)性或者不變。，產(chǎn)生加擾序列。擾碼為寄存器長(zhǎng)度為31的隨機(jī)Golden序列，其初始狀態(tài)與小區(qū)的，用戶的及時(shí)隙號(hào)有關(guān)。然后按照下面規(guī)則 （式31）進(jìn)行解擾。即利用前面生成的擾碼序列對(duì)輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行判斷，若擾碼序列對(duì)應(yīng)位為1，則輸入序列取反輸出；若擾碼序列對(duì)應(yīng)位為0，則輸入序列對(duì)應(yīng)位不變輸出。整體流程圖為： NY從上層得到輸入控制信息（擾碼初始信息C_int及序列長(zhǎng)度M_bit）和輸入數(shù)據(jù)out_demod[]調(diào)用擾碼生成函數(shù)mon_gold_gen生成擾碼序列g(shù)old_seq[MPN]解擾函數(shù)eNbRxDeScrambling，根據(jù)擾碼序列對(duì)輸入數(shù)據(jù)out_demod[ ]進(jìn)行判斷，解擾對(duì)應(yīng)擾碼位為1對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)取反 out_demod[tempIdx]= out_demod[tempIdx]對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)不變out_demod[tempIdx]= out_demod[tempIdx]解擾序列out_demod生成調(diào)用C_int, M_bit結(jié)束開始圖38 解比特加擾模塊整體流程圖 函數(shù)輸入輸出（1）輸入控制信息格式：ctrl *ctrlinDescram：來自上層的指向含控制信息的結(jié)構(gòu)體的指針，具體定義見頭件；typedef struct ctrl //控制信息結(jié)構(gòu)體{ Uint32_t C_init。//輸入數(shù)據(jù)的控制信息Uint32_t M_bit。//輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度}ctrlinDescram。圖39 解擾模塊輸入控制信息格式（2）輸入數(shù)據(jù)格式：Sint8_t *out_demod：指向解擾模塊輸入數(shù)據(jù)序列的指針，其數(shù)組長(zhǎng)度為一個(gè)子幀中PUSCH占用的RE數(shù)，.N_MAX_databit圖310 解擾模塊輸入數(shù)據(jù)格式（3）輸出數(shù)據(jù)格式Sint8_t *out_demod：指向解擾模塊輸出數(shù)據(jù)的指針，其解擾序列長(zhǎng)度與輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相同，輸出數(shù)據(jù)格式：數(shù)組Sint8_t out_demod[N_MAX_databit]N_MAX_databit圖311 解擾模塊輸出數(shù)據(jù)格式與輸入數(shù)據(jù)格式不同的是：此時(shí)為經(jīng)過解擾的數(shù)據(jù)。（4）函數(shù)輸入輸出void mon_gold_gen(Uint32_t C_init,//輸入初始控制信息 Uint32_t M_bit, Uint8_t *gold_seq)。//擾碼序列void eNbRxDeScrambling(ctrlinDescram *ctrlinDescram)。//輸入控制信息解擾函數(shù)調(diào)用了擾碼生成函數(shù)，利用中間生成的擾碼對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾。表32 解擾函數(shù)接口定義名稱類型I/O描述數(shù)據(jù)流out_demod[N_MAX_databit]Sint8_tI解擾模塊輸入數(shù)據(jù)，其長(zhǎng)度為一個(gè)子幀中PUSCH占用的RE數(shù)out_demod[N_MAX_databit]Sint8_tO解擾模塊輸出數(shù)據(jù)，其長(zhǎng)度與輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相同；控制流CinitUint16_tI輸入控制信息M_bitUint16_tI 解擾模塊輸入的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 函數(shù)具體實(shí)現(xiàn) 擾碼生成函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)圖312 擾碼生成函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)程序 解擾判斷函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)圖313 解擾判斷函數(shù)部分具體實(shí)現(xiàn)程序第四章 功能測(cè)試及性能優(yōu)化 功能測(cè)試 測(cè)試基本方法為了進(jìn)行功能測(cè)試，就是要對(duì)程序進(jìn)行驗(yàn)證。通過編寫主函數(shù)，給出特定輸入信息，通過程序?qū)嶋H運(yùn)行后的結(jié)果，驗(yàn)證其正確與否來判斷程序的正確性。而最直觀的方法就是將程序運(yùn)行結(jié)果輸出生成文本，與其輸入數(shù)據(jù)應(yīng)該得到的理論結(jié)果相比較，驗(yàn)