IS-95 CDMA系統(tǒng)信道編碼的FPGA實現(xiàn)

2019-11-03 09:25:37

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供稿：網(wǎng)友

宣麗萍1, 高玉龍2

（1.黑龍江科技學院，黑龍江哈爾濱150027;

2.哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱150001）

　　摘　要：信道編碼是擴頻通信系統(tǒng)的關健技術之一，本文針對IS-95碼分多址峰窩通信系統(tǒng)標準，介紹了一種適合于反向業(yè)務信道的信道編碼的FPGA實現(xiàn)方案，并給出了具體的設計方法。

　　關鍵詞：擴頻通信；碼分多址；信道編碼； FPGA

一、引言

　　本文的任務來自于一個家庭智能化中的CDMA無線接入系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，一路用來傳送語音，一路用來傳送家庭用電設備的控制信息，各路信息經(jīng)過CRC校驗、（3.1.9）卷積編碼后，再進行擴頻、調(diào)制、無線傳輸?shù)取Ｏ到y(tǒng)采用的是IS-95標準，是1993年7月美國通過的基于CDMA的雙模式移動通信系統(tǒng)標準，其信道位于800 MHz的AMPS系統(tǒng)的頻帶內(nèi)。它是數(shù)字移動通信發(fā)展的里程碑，系統(tǒng)的碼分多址采用FD/CDMA技術，實現(xiàn)了數(shù)字和模擬通信的兼容，并且成為擴頻系統(tǒng)商業(yè)化的光輝典范，開辟了擴頻無線通信非軍事應用的新紀元。在IS-95系統(tǒng)中，信道編碼是其關鍵技術之一，但傳統(tǒng)的實現(xiàn)技術都是采用分離元件，根據(jù)PLD的發(fā)展狀況，我們采用Alter公司的FPGA 芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的所有的信道編碼，實現(xiàn)了設計的模塊化和獨立化。 

二、IS-95 CDMA系統(tǒng)原理

　　CDMA是在擴頻通信的基礎上發(fā)展起來的。所謂擴頻通信，就是將要傳送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原始數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼對接收到的信號作相關處理，把寬帶信號轉(zhuǎn)換成原始信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(即解擴)，以實現(xiàn)信息通信。它通常采取的擴頻方案有2種，一是直接序列(Direct Sequence)擴頻技術，另一種是跳頻(Frequency Hopping)擴頻技術。IS-95CDMA系統(tǒng)采用的是直接序列擴頻方式（DS/CDMA）。

三、FPGA及其選用

　　FPGA(Field PRogrammable Gate Array )是近幾年出現(xiàn)的新型可編程邏輯器件，它不僅具有很高的速度和可靠性，而且具有用戶重復定義的邏輯功能，即具有可編程的特點。它的出現(xiàn)不僅使數(shù)字電路系統(tǒng)的設計非常靈活，而且大大縮短了系統(tǒng)研制周期，縮小了數(shù)字電路系統(tǒng)的體積和所用芯片的種類。因此，利用FPGA器件設計IS-95系統(tǒng)中的信道編碼不僅使電路設計大大簡化，而且具有相當高的精度。Altera公司生產(chǎn)的FLEX 10K系列的FPGA，具有規(guī)模覆蓋范圍廣、布線資源豐富、時間可預測性好的優(yōu)點，在數(shù)字通信系統(tǒng)設計中得到了廣泛的應用。由于在信道編碼中，沒有過多存儲器的要求，它只是需要很多的D觸發(fā)器和一些常用的門電路，而FLEX 10K芯片有一定的片內(nèi)EAB資源，另外實現(xiàn)信道編碼的時序控制邏輯不太復雜，大概需要2萬門左右的資源就夠了，再加上系統(tǒng)其它功能塊也不過幾萬門。考慮到方案的性價比以及將來的功能的增加，本方案的FPGA選用FLEX 10K50芯片，實現(xiàn)了系統(tǒng)的單片設計，從而大大減小電路的復雜度和體積。

四、IS-95系統(tǒng)的信道編碼原理及其框圖

　　數(shù)字通信中經(jīng)常用信道編碼來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕贗S-95系統(tǒng)中，進入信道編碼的數(shù)據(jù)是由聲碼器產(chǎn)生的以20 ms為一幀的速率可變的數(shù)字語音信號，它的速度分為8 600 bps（全速率）、4000 bps（半速率）、2 000 bps（1/4速率）、800 bps（1/8速率），分別對應每幀172、80、40、16 bit。根據(jù)數(shù)據(jù)速率的不同，分別對數(shù)據(jù)幀速率為8.6 kbit/s和4.0 kbit/s進行CRC校驗編碼，以便在接受時可以判斷有沒有接收到誤幀，一個8 bit的尾加在每幀的后面以保證后面進行卷積編碼時，每幀的末尾復位為全零狀態(tài)。然后每幀進行碼率為1/3的卷積編碼。最后根據(jù)語音速率的不同進行符號重復，使每幀輸出的數(shù)目一樣即576個符號，達到28.8 kbps，以便后面進行交織。整個過程如圖1所示。

五、信道編碼的FPGA實現(xiàn)

1. 實現(xiàn)原理模型圖

　　如圖2所示，開始的時候通過握手控制信號實現(xiàn)聲碼器與FPGA之間的數(shù)據(jù)的順利傳輸，系統(tǒng)接到數(shù)據(jù)后，進入FIFO,為了實現(xiàn)實時處理，F(xiàn)IFO采用了雙時鐘即它的輸入輸出采用不同的時鐘,然后在幀控制信號的控制下完成對輸入的各種速率數(shù)據(jù)進行按幀的信號處理。因為聲碼器對聲音的處理是以20 ms為一幀,所以幀控制模塊主要包括一個20 ms的定時器以及其他的一些輸出控制信號，它是整個信道編碼的核心，整個編碼系統(tǒng)在它的控制下完成對聲碼器輸出的數(shù)據(jù)進行各種處理。

2. 速率為8.6 kbit/s的CRC校驗

　　本方案中速率為8.6 kbit/s的CRC校驗如圖3所示，其中F（FQI）代表幀質(zhì)量指示器，T是編碼器拖尾比特。

　　速率為8.6 kbit/s的CRC校驗實質(zhì)是(184,172)循環(huán)碼，它的生成多項式是

　

　　根據(jù)它的生成多項式在用FPGA實現(xiàn)時可以用2種方法來實現(xiàn)，一種就是以除法程序為核心來完成，它需要編很復雜的程序；另一種就是用12級寄存器來實現(xiàn)，它可以采用圖形輸入的方式來實現(xiàn)，方法簡單，我們采用的就是這種方法。它的輸出控制電路以一個184進制的計數(shù)器為核心來產(chǎn)生控制信號，其本身受系統(tǒng)的幀控制模塊的控制。其實現(xiàn)的圖形輸入圖如圖4（在0拍時，對移位寄存器狀態(tài)清零，前面10級寄存器省略）。

3. 速率為4.8 kbit/s 的CRC校驗

　　速率為4.8 kbit/s CRC校驗如圖5所示。

　　其生成多項式為

　

其它的同速率8.6 kbit/s。

4. 卷積編碼實現(xiàn)

　　卷積碼采用（3 .1.9）卷積碼，卷積碼的碼速為1/3，約束長度為9，卷積編碼和譯碼的初始狀態(tài)位為全0，以后每輸入一個數(shù)據(jù)符號則產(chǎn)生3個編碼符號，編碼的生成多項式為

　

　　其中x為時延算子,在每個20 ms幀結(jié)束時由編碼器尾比特將其初始化為全0狀態(tài)。在用FPGA實現(xiàn)時采用8級移位寄存器來實現(xiàn)，實現(xiàn)的關鍵是編碼輸出濾波和控制電路。圖6是沒有濾波的仿真圖。

　　由圖6可知，編碼輸出的三路信號并不符合傳輸?shù)男枰M行進一步的處理才能得到理想的信號，在這里主要是濾波，然后進行并串轉(zhuǎn)換，根據(jù)編碼原理依次輸出c1、c2、c3。

六、方案所達到的效果

　　該方案用一個FPGA芯片實現(xiàn)了IS-95系統(tǒng)的信道編碼，并且在設計中，盡可能采用圖形輸入，這樣既節(jié)省設計時間，避免了復雜的編程，縮小電路體積，速度又快，調(diào)試也大大簡化。通過軟件仿真和硬件實現(xiàn)，各種參數(shù)和關鍵點的波形都和理論比較接近，達到了預期的效果。

七、結(jié)束語

　　本文著重介紹了用FPGA實現(xiàn)數(shù)字通信中的信道編碼的一種比較通用的方案。其它種類的，只需更換觸發(fā)器的級數(shù)和按多項式構(gòu)成組合邏輯即可。在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA的應用相當廣泛。尤其是在對基帶信號的處理和整個系統(tǒng)的控制中，F(xiàn)PGA不但能大大縮減電路的體積，提高電路的穩(wěn)定性，而且先進的開發(fā)工具使整個系統(tǒng)的設計調(diào)試周期大大縮短。

參考文獻

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摘自　電訊技術

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