0 引言

    當(dāng)前LTE-Advanced系統(tǒng)架構(gòu)趨于扁平化，以往的幀定時(shí)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(shí)同步實(shí)現(xiàn)方案。本文將該算法分成3個(gè)步驟：粗定時(shí)同步和小區(qū)組內(nèi)ID號(hào)檢測(cè)、精定時(shí)同步、幀同步和小區(qū)組ID號(hào)檢測(cè)。由于定時(shí)同步需進(jìn)行FFT運(yùn)算以及相關(guān)運(yùn)算，這樣劃分能夠利用粗定時(shí)同步迅速地找到PSS的大致位置，縮小精定時(shí)同步的檢測(cè)范圍，很大程度上減少了精定時(shí)同步的計(jì)算量，并且加快幀定時(shí)同步過(guò)程的完成。

    本文通過(guò)ASIC設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的FPGA處理相比，得出ASIC設(shè)計(jì)更適合于對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求高的大規(guī)模復(fù)雜的信號(hào)處理系統(tǒng)，并且在面積和功耗上也有很大優(yōu)勢(shì)，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(shí)同步和小區(qū)組內(nèi)ID號(hào)檢測(cè)

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

PSS在時(shí)頻域均具有對(duì)稱性，能夠在接收端利用該特性檢測(cè)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(gè)完整的PSS），以第1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為起點(diǎn)，依次取出長(zhǎng)度為2 048的數(shù)據(jù)，用r(n)表示，并將r(n)分成兩個(gè)部分。對(duì)這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)做滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)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(zhǎng)度，即半個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度，當(dāng)降采樣率設(shè)成1/16時(shí)，N取64。獲得的PSS大致位置為：

    對(duì)該粗定時(shí)同步方案進(jìn)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(shí)偏移設(shè)為0，頻偏設(shè)為2 000 Hz，發(fā)送信號(hào)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(biāo)是2 333，通過(guò)換算得到在接收數(shù)據(jù)中的位置是35 280。PSS的實(shí)際位置為35 265，仿真結(jié)果與它差了15個(gè)點(diǎn)。由于進(jìn)行了降采樣處理，采樣率為1/16，15個(gè)點(diǎn)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(duì)應(yīng)的即為接收PSS的根指數(shù)，通過(guò)u與的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系^[2]，可以得到的值。

1.2 精定時(shí)同步

    為滿足同步精度要求，需要在粗定時(shí)同步的基礎(chǔ)上進(jìn)行精定時(shí)同步來(lái)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(jìn)行精定時(shí)同步。首先，由粗定時(shí)同步得到的在本地生成頻域PSS，再通過(guò)快速傅里葉反變換運(yùn)算(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)變換到時(shí)域上。然后在d的左右各64個(gè)點(diǎn)范圍內(nèi)，即[d×16-64，d×16+63]，直接與降采樣前的時(shí)域接收數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)，最大值所在的位置即精定時(shí)同步的位置。相關(guān)函數(shù)由下式所示^[3]：

    對(duì)精定時(shí)同步進(jìn)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(shí)偏移設(shè)為0，頻偏設(shè)為2 000 Hz，發(fā)送信號(hào)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(biāo)是63，與實(shí)際的位置相符。

1.3 幀同步和小區(qū)組ID號(hào)檢測(cè)

    通過(guò)定時(shí)同步可以找到PSS的精確位置，但是不能判斷當(dāng)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(guò)檢測(cè)輔同步信號(hào)（Second Synchronization Signal，SSS）來(lái)完成幀同步，并獲得。為了降低復(fù)雜度、減少計(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，得到小區(qū)ID組號(hào)。

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

    將時(shí)域接收PSS通過(guò)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(dāng)信道的相干時(shí)間大于4個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度時(shí)，能夠算出信道沖激響應(yīng)的估計(jì)值：

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

2 ASIC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 結(jié)構(gòu)說(shuō)明

    本文所設(shè)計(jì)的幀定時(shí)同步模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，由4個(gè)部分組成：接口模塊、存儲(chǔ)器模塊、控制模塊和運(yùn)算模塊。

    圖3中，regif模塊采用通用的ZSP總線接口，對(duì)模塊相關(guān)功能所需參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并能查詢?cè)撃K的運(yùn)行狀態(tài)；mem模塊實(shí)現(xiàn)ZSP總線和運(yùn)算模塊對(duì)存儲(chǔ)器資源的讀寫，包含輸入與輸出存儲(chǔ)器。

2.2 運(yùn)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(jì)算模塊和m₀/m₁估計(jì)模塊。

2.2.1 FFT模塊

    本模塊支持的運(yùn)算點(diǎn)數(shù)分為128點(diǎn)、256點(diǎn)、512點(diǎn)、1 024點(diǎn)和2 048點(diǎn)。FFT運(yùn)算完成后，找出最大值以及歸一化因子并輸出。同時(shí)采用八路并行的方式來(lái)設(shè)計(jì)。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(jí)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(shí)域同步序列。首先根據(jù)配置的小區(qū)ID組號(hào)和小區(qū)組內(nèi)ID號(hào)，和PSS序列或者SSS序列生成公式，產(chǎn)生62點(diǎn)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(gè)次主峰值，并能夠查找到每個(gè)主峰值周圍的3個(gè)輔助峰值。每個(gè)主峰值至少間隔128個(gè)點(diǎn)。以輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2 048點(diǎn)為例，首先找出第1個(gè)點(diǎn)到第2 048個(gè)點(diǎn)的最大值和所在的位置并記錄。然后，取當(dāng)前峰值左右共128個(gè)（可配）長(zhǎng)度位置之后開始讀取，左右各讀取18個(gè)（可配）數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，找出3個(gè)最大值作為輔峰值，記錄這3個(gè)輔峰值的大小及位置。接下來(lái)，將該主峰值以及左右各128點(diǎn)數(shù)據(jù)清零，開始查找第二個(gè)主峰值，后續(xù)以此類推。

2.2.4 PSS沖擊響應(yīng)計(jì)算模塊

    本模塊輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定為128點(diǎn)，為接收到的時(shí)域PSS序列，每點(diǎn)數(shù)據(jù)虛實(shí)各占16 b。輸入數(shù)據(jù)首先進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到頻域的128點(diǎn)PSS序列，并提取出其中的62點(diǎn)PSS序列。根據(jù)配置的小區(qū)組內(nèi)ID號(hào)和PSS序列生成公式，產(chǎn)生62點(diǎn)本地的頻域PSS序列。將接收的PSS序列與本地PSS序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到PSS序列的沖激響應(yīng)。此沖激響應(yīng)信號(hào)為62點(diǎn)32 b數(shù)據(jù)，實(shí)部16 b，虛部16 b。

2.2.5 m₀估計(jì)模塊

    本功能模塊輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定為128點(diǎn)，為接收到的時(shí)域SSS序列，每點(diǎn)數(shù)據(jù)大小為32 b，虛實(shí)各占16 b。輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算后，得到頻域的128點(diǎn)從END狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)。提取出其中的62點(diǎn)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(hào)M=m₀-m₁，生成解擾序列c₀(k)，對(duì)進(jìn)行解擾。

2.2.6 m1估計(jì)模塊

2.3 控制模塊

    本文所設(shè)計(jì)的控制模塊使用有限狀態(tài)機(jī)(Finite Status Machine，F(xiàn)SM)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。控制模塊的FSM跳轉(zhuǎn)如圖4所示。

    (1)IDLE狀態(tài)：模塊未啟動(dòng)時(shí)均處于該狀態(tài)，當(dāng)模塊的啟動(dòng)信號(hào)start有效時(shí)，從IDLE狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到PARA狀態(tài)。

    (2)PARA狀態(tài)：進(jìn)入此狀態(tài)后，并且para_en有效時(shí)，模塊會(huì)從參數(shù)寄存器讀取對(duì)應(yīng)功能的參數(shù)配置值。當(dāng)參數(shù)讀取完成后，拉高para_finish信號(hào)，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(jìn)入此狀態(tài)后，并且 meas_en有效時(shí)，進(jìn)行模塊具體功能的運(yùn)算。當(dāng)運(yùn)算完成后，拉高proc_finish信號(hào)，指示運(yùn)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(jìn)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(hào)，從END狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 仿真驗(yàn)證

3.1.1 m0值估計(jì)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(biāo)志寄存器的值，直到中斷標(biāo)志寄存器置位，才能判斷該模塊運(yùn)行已經(jīng)結(jié)束，然后再?gòu)拇鎯?chǔ)器中讀取輸出數(shù)據(jù)，并比較輸出數(shù)據(jù)的正確性。對(duì)比結(jié)果表明，該功能能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

3.1.2 m1值估計(jì)功能仿真結(jié)果

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

3.2 邏輯綜合

    本文采用了Design Compiler綜合工具對(duì)所設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行邏輯綜合，它能夠?qū)TL代碼轉(zhuǎn)換成門級(jí)網(wǎng)表，并且產(chǎn)生相應(yīng)的延時(shí)文件。

    從圖7和圖8能得出：本設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案能夠快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步、幀同步和小區(qū)ID號(hào)檢測(cè)等功能，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證、綜合后，本設(shè)計(jì)可作為一個(gè)成熟的IP核，并可移植到含有幀定時(shí)同步功能的ASIC芯片中。

參考文獻(xiàn)

[1] ZHANG Z，LIU J，LONG K.Low-complexity cell search with fast PSS identification in LTE[J].Vehicular Technology，IEEE Transactions on，2012，61(4)：1719-1729.

[2] 張德民，朱翔，李小文.LTE系統(tǒng)中小區(qū)搜索定時(shí)同步的FPGA設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(9).

[3] SHENG Y，LUO X.Algorithm study on cell search in LTE[J].Communications Technology，2009(3)：035.

[4] PARK H G，KIM I K，KIM Y S.Efficient coherent neigh-bour cell search for synchronous 3GPP LTE system[J].Electronics Letters，2008，44(21)：1267-1268.

[5] 3GPP TS 36.211 v11.0.0.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；physical channels and modulation (Release 11)[S].2013：108-111.

[6] 李杰.低功耗可擴(kuò)展FFT專用集成電路的設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011：20-53.