TD―SCDMA终端综合测试仪物理层的设计与实现

摘要：本文介绍了TD-SCDMA终端综合测试仪在产业链中的位置，并且详细、全面地阐述了测试仪物理层设

计与实现方案，包括硬件平台、FPGA和DSP软件程序，该方案具有运行效率高，可扩展性强等优点。

关键词：TD-SCDMA；综合测试仪；物理层

TD―SCDMA产业链规模发展迅速。随着3G牌照发放日益临近，摆在终端制造商面前的难题是如何保证量产后终端的质量，所以，终端生产线在线测试问题亟待解决。

TD―SCDMA终端综合测试仪提供了解决方案。它的主要功能是测试生产线上每台终端能否支持特定的业务。TD-SCDMA终端综合测试仪的实现十分复杂，它必须实现3GPP空中接口中物理层、部分MAC、RLC和RRC层功能以及模拟部分CS域或PS域核心网功能。由于物理层是实现终端综合测试仪系统的重点和难点，本文将解决关键的物理层设计与实现问题。

物理层的主要功能是完成3GPP协议25．221-25．224规定的功能，包括传输信道向物理信道映射、编码与复用、调制和扩频以及物理层过程。不同于一般NodeB的物理层，终端综合测试仪的物理层还要完成射频数据采集任务，它是测量算法测试终端射频指标的依据。

硬件平台设计与实现方案

物理层硬件架构

TD―SCDMA物理层采用通用DSP加FPGA架构，如1所示。

TD-SCDMA物理层硬件架构，一般有两种选择，使用ASIC芯片或者采用通用FPGA+DSP。硬件架构决定了设计与实现周期、系统的可扩展性等因素。基于ASIC的实现方案具有低功耗、低成本的特点，但开发周期长、灵活性差，适合生产批量大的系统。基于通用FPGA+DSP软件的实现方案具有开发周期短、可扩展性好等优点，但硬件成本高，适合小批量产品。

考虑到本系统的市场定位，第二种方案更加合适。同时选用高性能DSP处理芯片，用来完成一般用FPGA完成的操作，如扩频。DSP芯片选择德州仪器的TMS320C6416处理器，其参数如下：主频1GHz，二级缓存2MB，配备维特比协处理器(VCP)和Turbo码译码协处理器(TCP)。

物理层接口设计

图1所示的硬件架构在一块标准尺寸为1U的12层印刷电路板(基带板)上实现。与物理层接口的L2、L3协议栈，核心网络部分以及射频测量算法在标准尺寸为3U的NI嵌入式控制器中实现(图1未标出)。另外与物理层接口的是AeroFlex射频单元(图1未标出)。物理上，它们三者通过PCI-X,总线连接。逻辑上，基带板和嵌入式控制器的通信使用自定义数据结构――命令。命令分为两大类：一类是3GPP协议规定的物理层与高层通信的原语，另一类是综合测试仪特有的命令。后一类命令主要包括：

1．把特定时隙的信号报告给测量算法

2．根据测量模块指示调整物理层参数

3．根据测量模块指示向终端发送测量命令

4．其他测量命令

FPGA电路设计与实现方案

图1中FPGA选用Xilinx Vetex芯片，采用VHDL语言描述。

FPGA内部包括下行和上行两条数据通路。下行是指基带板上FPGA的高速数字信号流向通用射频发射单元AeroFlex 3020，上行是指通用射频接收单元AeroFlex3030的高速数字信号流向基带板上的FPGA。

下行部分的数字信号处理包括：接收单倍速的DSP输出的数字信号，根据3GPP协议，实现根升余弦滤波，采用内插方法，把单倍速的数字信号变为24倍速信号，通过LVDS模块发送给AeroFlex 3020。

上行部分的数字信号处理流程与下行类似，但是它输出两路数字信号给DSP。一路4倍速信号用于解调TD―SCDMA信号，另外一路12倍速信号用于测量，可以提高测量的精度。

从以上描述可以看出，一般用FPGA完成的操作，如扩频，都移到了DSP中用软件程序实现。这样做是为了最大限度地缩短开发周期。

DSP软件的设计与实现方案

图1中DSP的主要功能是根据3GPP协议接收高层传输的信息，生成TD-SCDMA信号，传输给FPGA以及接收FPGA 4倍速数字信号，之后解调TD-SCDMA信号，把解调后的信号传给高层。我们称前半部分的功能为下行处理功能，后半部分的功能为上行处理功能。由于DSP软件上行处理方案与下行处理有很强的相似性，除去多用户检测，实现相对简单，所以只阐述DSP下行处理部分。它包括如下模块：Mod―TrCH2PhyCH、Mod―Encode―Mux、Mod―Schedule。

为了阐述方便，考虑没有智能天线的情况。如果实现智能天线，只需要稍加扩展。

Mod TrCH2PhyCH设计

Mod_TrCH2PhyCH实现3GPP25．221规定的功能――将传输信道映射到物理信道，如：把BCH映射到PCCPCH。

Mod_TrCH2PhyCH模块由多个函数组成，如PROC_PCCPCH()和PROC SCCPCH()等。每个函数对应3GPP协议中所支持的物理信道。

Mod_Encode_Mux设计

它实现3GPP 25．222规定的编码和复用功能，包括CRC校验、信道编码(卷积码和Turbo码)、第1次交织、速率匹配、传输信道复用、第2次交织、比特加扰、第2次交织和物理信道映射。同时，3GPP25．223规定的调制和扩频也在该模块中实现。

Mod Encode_Mux由一些算法模块组成。每个算法模块封装成一个函数。每个函数对应3GPP25．222、25．223中规定的编码复用和调制扩频的一个步骤。

以上算法的实现采用近几年开发的DSP快速算法，如查表法实现CRC校验，块XOR法实现卷积编码，三阶段法实现Turbo编码，快速速率匹配算法等。

通过以上函数定义，每个算法都成为一个独立的模块，便于反复调用，使程序结构清晰。以上关系可以形象地由图2表示。

Mod_TrCH2PhyCH模块中其他函数与PROC_PCCPCH()相似。

3GPP协议25．22 1-25．224采用自然语言，必须把它映射成程序可实现的方式。这就要求在对协议有全面把握的基础上，重新加工组合。图2给出的结构是本测试仪的一大特点。它具有以下优点：满足3GPP所有规范，而且后向兼容TD―SCDMA演进系统，满足实时性要求，系统开销小等。

Mod Schedule设计

Mod_Schedule根据高层命令，调用Mod_TrCH 2PhyCH模块函数，实现3GPP 25．224规定的物理层过程。这部分设计也是本系统的一个特点。

本部分包含一个函数PROC_COM_PARSE和两个数据结构SET_Sem、SET_Para。SET_Sem是一系列以SEM_开头命名的全局变量，分布在程序的各个部分，其作用是控制某些程序段是否执行。我们把协议中定义的逻辑映射到一组组对应的信号量，然后把各组信号量组成一个集合，统称为SET_Sem。这样，定义了这些信号量就等于实现了协议，所以Mod_Schedule就间接地实现了3GPP25．224规定的物理层过程。

SET_Para提供参数集合。程序运行时所需要的各种参数都从这里获得。

SET_Sem和SET_Para都由PR0c―c0M―PARsE管理。PROC_COM_PARSE的输入就是高层传输给物理层的命令。

DSP软件设计方案优点

协议一致性

该方案全面实现了3GPP25．221-25．224，通过了物理层协议一致性测试。实现了CS AMR业务(MO和MT)以及12．2K、64K、384KRMC参考测量信道、CELL_FACH和Ps域业务。同时，物理层可以支持HSDPA业务，最大吞吐量可达2．8Mbps。与TD-SCDMA联盟内所有的芯片厂商和终端厂商都做到了互联互通。

运行效率

在协议一致性前提下，该方案在很大程度上降低了实现复杂度。由此，DSP程序占用存储空间小，运行速度快。

表1给出了统计数据，数据表示每个TD-SCDMA子帧，即5ms时间内，各个模块运行占用的DSP周期数。

主频为720MHz的TMS320C6416处理器，每5ms一个处理器的处理周期数为：

5×10-3×720×106=360×106个周期

由测试数据可见，每5ms的Mod―TrCH2PhyCH与ModSchedule运行的时间统计平均大约为5500个周期。它们的空间和时间复杂度与物理层处理负荷无关。Mod TrcH2PhyCH和ModSchedule开销只占总开销的很小比重，比采用实时嵌入式操作系统效率更高，而实现和调试的难度更小。同时，由于采用快速算法，Mod_Encode_Mux充分利用了DSP并行结构，运行效率更高。

可扩展性

从程序设计方法角度看，本文的方案实际是把一个物理信道作为单独的对象对待。在更大的范围内，把整个物理层看做一个对象，这样做便于把协议的所有规定映射到可实现代码。TD-SCDMA LTE口将启动，即使协议修改，Mod―TrCH2PhyCH和Mod―Schedule基本不用修改。只需要增加Mod Encode―Mux中的相应算法即可，如增强性OFDM和MIMO。物理层与高层通过命令交互，使物理层只需要和原语交互，增加功能更为方便。

结语

TD．SCDMA终端测试仪得到国家863计划的大力支持。它已经被无线电管理委员会和MTNET采用，并且得到众多国内外芯片、终端厂商的认同。