0 引言

    當前LTE-Advanced系統(tǒng)架構(gòu)趨于扁平化，以往的幀定時同步方案已不再適合LTE-Advanced系統(tǒng)，因此，需要尋找一種新的幀定時同步實現(xiàn)方案。本文將該算法分成3個步驟：粗定時同步和小區(qū)組內(nèi)ID號檢測、精定時同步、幀同步和小區(qū)組ID號檢測。由于定時同步需進行FFT運算以及相關(guān)運算，這樣劃分能夠利用粗定時同步迅速地找到PSS的大致位置，縮小精定時同步的檢測范圍，很大程度上減少了精定時同步的計算量，并且加快幀定時同步過程的完成。

    本文通過ASIC設(shè)計方案與傳統(tǒng)的FPGA處理相比，得出ASIC設(shè)計更適合于對實時性和可靠性要求高的大規(guī)模復(fù)雜的信號處理系統(tǒng)，并且在面積和功耗上也有很大優(yōu)勢，可保證良好地適用于LTE_A用戶終端。

1 相關(guān)算法研究

1.1 粗定時同步和小區(qū)組內(nèi)ID號檢測

    粗定時同步是為了迅速地找到主同步信號(Primary Synchronization Signal，PSS)的大致位置并獲得小區(qū)組內(nèi)標識(Identity，ID)號以便確定PSS的滑動范圍，因此從減少計算量、方便實現(xiàn)等因素考慮，決定采用基于接收PSS對稱性相關(guān)的粗定時同步方案[1]。

PSS在時頻域均具有對稱性，能夠在接收端利用該特性檢測PSS。該方案的具體步驟是：接收半幀的數(shù)據(jù)（假設(shè)這半幀的數(shù)據(jù)中含有一個完整的PSS），以第1個數(shù)據(jù)點為起點，依次取出長度為2 048的數(shù)據(jù)，用r(n)表示，并將r(n)分成兩個部分。對這兩部分數(shù)據(jù)做滑動相關(guān)運算，運算結(jié)果的最大值所在位置就是PSS的大致位置，如式(1)所示^[2]：

其中，N表示相關(guān)窗長度，即半個OFDM符號長度，當降采樣率設(shè)成1/16時，N取64。獲得的PSS大致位置為：

    對該粗定時同步方案進行Matlab仿真，設(shè)置的仿真條件為：高斯白噪聲信道，信噪比為-10 dB，普通CP，定時偏移設(shè)為0，頻偏設(shè)為2 000 Hz，發(fā)送信號中PSS采用的為1。仿真圖如圖1所示。

    從上圖可看出，最大值的橫坐標是2 333，通過換算得到在接收數(shù)據(jù)中的位置是35 280。PSS的實際位置為35 265，仿真結(jié)果與它差了15個點。由于進行了降采樣處理，采樣率為1/16，15個點的誤差可以接受。

    該方案在找到PSS的大致位置后，最大值所在的組所對應(yīng)的即為接收PSS的根指數(shù)，通過u與的一一對應(yīng)關(guān)系^[2]，可以得到的值。

1.2 精定時同步

    為滿足同步精度要求，需要在粗定時同步的基礎(chǔ)上進行精定時同步來縮小查找范圍。本文采用基于接收PSS與本地PSS相關(guān)的算法^[3]進行精定時同步。首先，由粗定時同步得到的在本地生成頻域PSS，再通過快速傅里葉反變換運算(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)變換到時域上。然后在d的左右各64個點范圍內(nèi)，即[d×16-64，d×16+63]，直接與降采樣前的時域接收數(shù)據(jù)進行滑動相關(guān)，最大值所在的位置即精定時同步的位置。相關(guān)函數(shù)由下式所示^[3]：

    對精定時同步進行Matlab仿真，設(shè)置的仿真條件為：高斯白噪聲信道，信噪比為-10 dB，普通CP，定時偏移設(shè)為0，頻偏設(shè)為2 000 Hz，發(fā)送信號中PSS采用的為1。仿真圖如圖2所示。

    從上圖可看出，最大值的橫坐標是63，與實際的位置相符。

1.3 幀同步和小區(qū)組ID號檢測

    通過定時同步可以找到PSS的精確位置，但是不能判斷當前接收數(shù)據(jù)屬于前半幀還是后半幀（子幀0或者子幀5）^[5]。因此需要通過檢測輔同步信號（Second Synchronization Signal，SSS）來完成幀同步，并獲得。為了降低復(fù)雜度、減少計算量，決定采用解擾的辦法獲取SSS生成式^[1]中的參數(shù)m₀和m₁，根據(jù)m₀和m₁與的一一對應(yīng)關(guān)系，得到小區(qū)ID組號。

    常用的解擾檢測算法有相干檢測算法與非相干檢測算法，本文采用相干檢測算法^[4]。此算法的原理如下：

    將時域接收PSS通過FFT變換成頻域PSS，用R_pss(k)表示，并生成本地頻域PSS，用T_pss(k)表示。當信道的相干時間大于4個OFDM符號長度時，能夠算出信道沖激響應(yīng)的估計值：

其中，i=0，1，…，30，M表示分段相關(guān)時的分段數(shù)，N_M表示每段中的數(shù)據(jù)長度，這里假設(shè)M=4。

2 ASIC設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 結(jié)構(gòu)說明

    本文所設(shè)計的幀定時同步模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，由4個部分組成：接口模塊、存儲器模塊、控制模塊和運算模塊。

    圖3中，regif模塊采用通用的ZSP總線接口，對模塊相關(guān)功能所需參數(shù)進行設(shè)置，并能查詢該模塊的運行狀態(tài)；mem模塊實現(xiàn)ZSP總線和運算模塊對存儲器資源的讀寫，包含輸入與輸出存儲器。

2.2 運算(core)模塊

    本模塊主要分為FFT模塊、產(chǎn)生本地PSS或SSS序列模塊、最大值查找模塊、PSS沖激響應(yīng)計算模塊和m₀/m₁估計模塊。

2.2.1 FFT模塊

    本模塊支持的運算點數(shù)分為128點、256點、512點、1 024點和2 048點。FFT運算完成后，找出最大值以及歸一化因子并輸出。同時采用八路并行的方式來設(shè)計。八路并行結(jié)構(gòu)就是在并行迭代結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，把并行迭代結(jié)構(gòu)中每一級的全并行改成八路并行，減少了并行單元的數(shù)量，從而降低芯片的面積^[6]。

2.2.2 產(chǎn)生本地PSS或SSS序列模塊

    本模塊能夠根據(jù)不同的需要產(chǎn)生本地頻域或時域同步序列。首先根據(jù)配置的小區(qū)ID組號和小區(qū)組內(nèi)ID號，和PSS序列或者SSS序列生成公式，產(chǎn)生62點頻域的PSS或SSS序列。

2.2.3 最大值查找模塊

    本模塊能夠查找到輸入數(shù)據(jù)中的主峰值以及兩個次主峰值，并能夠查找到每個主峰值周圍的3個輔助峰值。每個主峰值至少間隔128個點。以輸入數(shù)據(jù)長度為2 048點為例，首先找出第1個點到第2 048個點的最大值和所在的位置并記錄。然后，取當前峰值左右共128個（可配）長度位置之后開始讀取，左右各讀取18個（可配）數(shù)據(jù)進行對比，找出3個最大值作為輔峰值，記錄這3個輔峰值的大小及位置。接下來，將該主峰值以及左右各128點數(shù)據(jù)清零，開始查找第二個主峰值，后續(xù)以此類推。

2.2.4 PSS沖擊響應(yīng)計算模塊

    本模塊輸入數(shù)據(jù)長度固定為128點，為接收到的時域PSS序列，每點數(shù)據(jù)虛實各占16 b。輸入數(shù)據(jù)首先進行FFT運算，得到頻域的128點PSS序列，并提取出其中的62點PSS序列。根據(jù)配置的小區(qū)組內(nèi)ID號和PSS序列生成公式，產(chǎn)生62點本地的頻域PSS序列。將接收的PSS序列與本地PSS序列進行相關(guān)運算，得到PSS序列的沖激響應(yīng)。此沖激響應(yīng)信號為62點32 b數(shù)據(jù)，實部16 b，虛部16 b。

2.2.5 m₀估計模塊

    本功能模塊輸入數(shù)據(jù)長度固定為128點，為接收到的時域SSS序列，每點數(shù)據(jù)大小為32 b，虛實各占16 b。輸入數(shù)據(jù)進行FFT運算后，得到頻域的128點從END狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)。提取出其中的62點SSS序列，得到偶數(shù)位置上的數(shù)據(jù)R_sss(2k)。然后，根據(jù)配置的小區(qū)組內(nèi)ID號M=m₀-m₁，生成解擾序列c₀(k)，對進行解擾。

2.2.6 m1估計模塊

2.3 控制模塊

    本文所設(shè)計的控制模塊使用有限狀態(tài)機(Finite Status Machine，F(xiàn)SM)來進行實現(xiàn)?？刂颇K的FSM跳轉(zhuǎn)如圖4所示。

    (1)IDLE狀態(tài)：模塊未啟動時均處于該狀態(tài)，當模塊的啟動信號start有效時，從IDLE狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到PARA狀態(tài)。

    (2)PARA狀態(tài)：進入此狀態(tài)后，并且para_en有效時，模塊會從參數(shù)寄存器讀取對應(yīng)功能的參數(shù)配置值。當參數(shù)讀取完成后，拉高para_finish信號，指示參數(shù)讀取已經(jīng)完成，從PARA狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到PROC狀態(tài)。

    (3)PROC狀態(tài)：進入此狀態(tài)后，并且 meas_en有效時，進行模塊具體功能的運算。當運算完成后，拉高proc_finish信號，指示運算已經(jīng)完成，從PROC狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到END狀態(tài)。

    (4)END狀態(tài)：進入此狀態(tài)后，表明外部配置的功能任務(wù)已經(jīng)完成，拉高cell_finish信號，從END狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)。

3 實驗部分

3.1 仿真驗證

3.1.1 m0值估計功能仿真結(jié)果

    從圖5可以看出，本次仿真沒有使能中斷，因此只能不斷讀取中斷標志寄存器的值，直到中斷標志寄存器置位，才能判斷該模塊運行已經(jīng)結(jié)束，然后再從存儲器中讀取輸出數(shù)據(jù)，并比較輸出數(shù)據(jù)的正確性。對比結(jié)果表明，該功能能夠達到預(yù)期的目標。

3.1.2 m1值估計功能仿真結(jié)果

    從圖6可以看出，在運行m1值估計功能之前，首先運行了存儲器清零功能。在模塊完成了存儲器清零功能之后，將需要進行m1值估計的輸入數(shù)據(jù)存入存儲器中，然后對參數(shù)寄存器和控制寄存器進行配置，并啟動模塊工作。模塊運行結(jié)束后，正常產(chǎn)生中斷信號。仿真結(jié)束后的數(shù)據(jù)對比表明，該功能能夠達到預(yù)期的目標。

3.2 邏輯綜合

    本文采用了Design Compiler綜合工具對所設(shè)計模塊進行邏輯綜合，它能夠?qū)TL代碼轉(zhuǎn)換成門級網(wǎng)表，并且產(chǎn)生相應(yīng)的延時文件。

    從圖7和圖8能得出：本設(shè)計綜合后的邏輯面積是1 302 392.271 666 μm²，總功率是51.291 1 mW。

4 結(jié)論

    實驗表明，本文設(shè)計的實現(xiàn)方案能夠快速準確實現(xiàn)定時同步、幀同步和小區(qū)ID號檢測等功能，經(jīng)過驗證、綜合后，本設(shè)計可作為一個成熟的IP核，并可移植到含有幀定時同步功能的ASIC芯片中。

參考文獻

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