利用TMS320C62x DSP 來實作WCDMA Rake接收機

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利用TMS320C62x DSP 來實作WCDMA Rake接收機
编辑：德州儀器無線通訊事業部
一 、 CDMA 理 論


這 份 應 用 報 告 中 所 介 紹 的 系 統 是 以 「 歐 洲 電 訊 標 準 機 構 」 （ ETSI ； European Telecommunications Standards Institute ） 早 期 版 本 的 「 通 用 行 動 電 訊 系 統 」 （ UMTS ； Universal Mobile Telecommunications Systems ） 標 準 為 基 礎 ， 雖 然 它 的 概 念 與 新 標 準 完 全 一 樣 ， 但 是 部 份 的 數 字 卻 會 有 所 不 同 。   


1 、 展 頻 與 擾 碼 （ Spreading and Scrambling ）

CDMA 通 訊 系 統 使 用 了 「 正 交 」 （ orthogonal ） 「 展 頻 碼 」 （ spreading codes ） 或 是 「 資 料 樣 式 」 （ patterns ） ， 這 種 技 術 可 以 在 同 樣 的 頻 率 範 圍 內 ， 將 不 同 頻 道 的 資 料 廣 播 出 去 。 由 於 這 些 資 料 樣 式 都 具 有 正 交 性 ， 因 此 能 以 「 參 考 樣 式 」 （ reference pattern ） 為 基 礎 ， 計 算 它 與 接 收 資 料 之 間 的 「 相 關 性 」 （ correlated ） ： 如 果 計 算 的 結 果 等 於 0 ， 就 表 示 所 接 收 的 資 料 是 其 它 無 關 的 信 號 ； 如 果 計 算 的 結 果 不 等 於 0 ， 那 麼 就 是 我 們 所 要 接 收 的 資 料 ， 而 且 計 算 結 果 的 符 號 就 代 表 了 傳 送 的 位 元 值 ， 它 可 能 是 0 或 是 1 。 在 表 1 當 中 ， 列 出 了 每 一 個 正 交 向 量 和 每 一 個 參 考 向 量 的 相 乘 結 果 ， 這 些 資 料 的 「 展 頻 因 素 」 （ spreading factor ） 都 等 於 4 ； 所 謂 「 展 頻 因 素 等 於 4 」 是 指 每 一 個 傳 送 位 元 或 接 收 位 元 都 是 由 4 個 「 基 片 」 （ chips ） 來 代 表 。

表1：CDMA正交碼
          （1, 1, 1, 1）        （1, 1, -1, -1）        （1, -1, 1, -1）        （1, -1, -1, 1）
（1, 1, 1, 1）        4        0        0        0
（1, 1, -1, -1）        0        4        0        0
（1, -1, 1, -1）        0        0        4        0
（1, -1, -1, 1）        0        0        0        4

  

要 提 供 良 好 的 通 訊 能 力 ， 只 靠 展 頻 碼 是 不 夠 的 ， 因 為 系 統 可 能 會 產 生 一 長 串 的 1 或 是 - 1 ， 這 會 影 響 到 時 脈 信 號 的 還 原 或 是 傳 輸 功 率 的 水 準 ； 此 外 ， 如 果 相 鄰 的 「 通 訊 區 域 」 （ cell ） 使 用 了 同 樣 的 展 頻 樣 式 ， 它 們 可 能 發 生 衝 突 。 為 了 避 免 這 兩 個 問 題 ， 系 統 會 利 用 一 種 「 虛 擬 隨 機 擾 碼 」 （ pseudo-random scrambling code ） 來 擾 動 資 料 的 內 容 ， 它 不 但 能 讓 相 鄰 的 通 信 區 域 產 生 不 同 的 展 頻 樣 式 ， 也 可 避 免 資 料 出 現 一 長 串 的 0 或 1 。 對 於 兩 塊 相 鄰 的 通 訊 區 域 來 說 ， 它 們 的 擾 碼 永 遠 不 會 相 同 ； 不 但 如 此 ， 如 果 最 大 延 遲 路 徑 （ 延 遲 擴 展 ） 超 過 了 一 個 位 元 的 時 間 ， 那 麼 只 要 同 時 利 用 展 頻 與 擾 碼 技 術 ， 接 收 機 就 能 對 位 元 的 同 步 情 形 做 出 更 準 確 的 判 斷 。   


2 、 多 路 徑 信 號

在 行 動 通 信 的 環 境 中 ， 不 但 需 要 「 行 動 台 收 發 器 」 （ MT ） ， 也 需 要 「 基 地 台 收 發 器 」 （ BTS ） ， 因 此 無 論 MT 在 通 信 區 域 內 的 那 一 個 位 置 ， 系 統 都 能 提 供 一 條 高 品 質 的 通 信 線 路 。 對 於 窄 頻 系 統 來 說 ， 由 於 在 傳 送 一 個 「 符 碼 」 （ symbol ） 的 時 間 內 ， 總 會 有 一 小 部 份 功 率 較 強 的 多 路 徑 信 號 出 現 在 接 收 機 ， 因 此 系 統 會 執 行 軟 體 的 頻 道 等 化 功 能 ， 以 便 更 正 「 符 碼 之 間 的 干 擾 現 象 」 （ ISI ； Inter - Symbol Interference ） 。   

由 於 CDMA 系 統 具 有 寬 頻 的 特 性 （ 也 就 是 很 高 的 基 片 速 率 ） ， 因 此 這 些 路 徑 可 能 會 超 過 一 個 CDMA 位 元 （ 基 片 ） 的 寬 度 ； 在 這 種 情 形 下 ， 傳 統 的 等 化 功 能 將 不 再 適 用 ， 我 們 需 要 一 種 新 的 技 術 ， 它 必 須 能 接 收 所 有 路 徑 的 信 號 ， 然 後 組 成 一 個 完 整 的 信 號 。 rake 接 收 機 就 擁 有 這 類 的 接 收 功 能 ， 它 可 以 收 到 所 有 可 能 路 徑 的 信 號 ， 然 後 再 將 這 些 路 徑 上 的 信 號 組 合 成 一 個 非 常 清 晰 的 信 號 ， 強 度 遠 超 過 個 別 路 徑 上 的 信 號 ； 基 本 上 ， rake 接 收 機 會 計 算 參 考 樣 式 與 接 收 信 號 之 間 的 相 關 性 ， 然 後 找 出 個 別 信 號 的 傳 送 路 徑 。
  

二 、 基 本 系 統


在 最 基 本 的 WCDMA DSP 接 收 機 中 ， 包 含 了 控 制 與 資 料 頻 道 、 rake 能 量 的 相 關 性 計 算 、 路 徑 的 選 擇 、 rake 解 碼 以 及 廣 播 回 饋 。   


1 、 控 制 與 資 料 頻 道

在 資 料 與 控 制 頻 道 的 傳 送 過 程 中 ， CDMA 技 術 主 要 是 透 過 廣 播 系 統 中 的 「 同 相 位 信 號 」 （ in-phase ， 此 處 以 I 代 表 ） 以 及 「 正 交 相 位 信 號 」 （ quadrature ， 此 處 以 Q 代 表 ） ， 它 們 可 以 表 示 成 DI + jDQ 。 此 外 ， 系 統 還 會 用 一 個 複 數 擾 動 碼 CI + jCQ 來 擾 動 這 些 信 號 ， 當 這 些 信 號 混 合 之 後 ， 就 會 產 生 一 個 CI DI + jCQ DQ 的 結 果 ， 所 有 其 它 的 信 號 成 份 都 會 消 失 ， 因 為 I 信 號 中 並 沒 有 Q 的 成 份 ， Q 信 號 中 也 未 包 含 任 何 的 I 成 份 。 在 這 個 標 準 中 ， 系 統 會 利 用 控 制 頻 道 的 前 6 個 位 元 來 傳 送 一 個 已 知 的 資 料 樣 式 ， 只 要 將 參 考 信 號 、 擾 碼 、 還 有 已 知 的 資 料 樣 式 混 合 在 一 起 ， 就 可 得 到 一 個 比 較 長 的 「 參 考 相 關 性 模 型 」 （ reference correlation model ） ； 接 著 ， 就 可 利 用 這 個 模 型 來 搜 尋 一 個 特 定 的 頻 道 。   


2 、 Rake 能 量 相 關 性

只 有 控 制 頻 道 的 前 導 位 元 是 已 知 的 資 料 ， 它 們 是 透 過 Q 頻 道 來 傳 送 ， 但 卻 不 知 道 接 收 信 號 與 發 射 信 號 之 間 的 相 位 關 係 ； 因 此 ， 必 須 同 時 對 I 頻 道 與 Q 頻 道 執 行 相 互 關 聯 性 （ cross - correlation ） 的 計 算 ， 請 參 考 圖 1 以 及 方 程 式 （ 1 ） 與 （ 2 ） 。   

圖 1 ： 相 位 旋 轉




  

我 們 已 經 知 道 ， 系 統 所 傳 送 的 I 頻 道 必 然 正 交 於 它 所 傳 送 的 Q 頻 道 ， 我 們 也 對 Q 頻 道 參 考 樣 式 進 行 了 相 關 性 的 計 算 ， 並 且 發 現 Q 頻 道 的 關 聯 值 是 ±1 ， I 頻 道 的 關 聯 值 則 是 0 ； 於 是 ， 前 述 的 方 程 式 就 可 以 寫 成 ：   


  

因 為 對 於 任 何 的  ， 都 有 cos 2  + sin 2  = 1 ； 所 以 只 要 將 上 面 兩 個 式 子 平 方 後 加 在 一 起 ， 我 們 就 可 以 得 到 r 2 。   

計 算 這 些 相 關 性 的 主 要 目 的 ， 是 為 了 找 出 最 大 路 徑 ， 而 且 在 比 較 平 方 值 的 時 候 ， 也 等 於 同 時 比 較 了 它 們 的 實 數 部 份 ， 因 此 不 必 為 了 得 到 實 數 值 r 而 去 計 算 平 方 根 。   

如 果 這 個 路 徑 是 一 個 有 效 的 路 徑 ， 若 將 I 頻 道 和 Q 頻 道 組 合 在 一 起 ， 以 便 執 行 後 續 的 資 料 摘 取 時 ， 就 可 以 利 用 IRX 與 QRX 來 計 算 I 頻 道 和 Q 頻 道 的 權 值 。 由 於 每 個 頻 道 會 根 據 它 們 的 重 要 性 來 加 權 ， 因 此 剛 開 始 的 時 候 ， 只 須 執 行 初 步 的 正 規 化 （ normalization ） ， 之 後 ， 將 透 過 加 權 數 的 收 斂 來 修 正 前 面 所 留 下 的 小 誤 差 。


3 、 路 徑 選 擇

利 用 一 次 的 相 關 性 計 算 ， 可 能 會 同 時 選 出 有 效 和 無 效 的 路 徑 ， 因 此 還 必 須 使 用 一 種 好 的 搜 尋 策 略 。 可 能 會 出 現 下 列 兩 種 情 形 ：   
•  追 蹤 （ tracking ） 要 追 蹤 有 效 的 路 徑 ， 很 重 要 的 一 點 就 是 充 份 運 用 已 知 的 資 訊 ； 系 統 應 該 檢 視 每 一 條 路 徑 ， 並 且 與 前 一 次 「 過 度 取 樣 期 間 」 （ oversampling period ） 以 及 下 一 次 過 度 取 樣 期 間 的 相 關 值 做 比 較 。

在 ETSI - UMTS 規 格 中 ， 最 大 移 動 速 率 是 每 小 時 800 公 里 （ 每 小 時 500 英 里 ） ， 這 等 於 是 2.2 公 尺 ／ 資 料 框 的 移 動 速 率 ， 其 中 資 料 框 的 長 度 為 10 毫 秒 。 由 於 過 度 取 樣 速 率 是 32 MHz （ 8 x 4 MHz ） ， 因 此 過 度 取 樣 點 之 間 的 距 離 等 於 是 9.15 公 尺 ； 換 言 之 ， 一 個 行 動 台 最 快 可 以 在 4 個 資 料 框 的 時 間 內 ， 從 一 個 過 度 取 樣 點 移 動 到 另 一 個 過 度 取 樣 點 。 系 統 會 對 每 一 個 資 料 框 內 第 一 個 「 時 間 槽 」 （ slot ） 的 前 導 資 料 來 進 行 追 蹤 測 試 ， 如 果 對 於 連 續 4 個 以 上 的 資 料 框 ， 系 統 都 發 現 前 一 個 時 間 槽 或 下 一 個 時 間 槽 比 較 好 ， 那 麼 系 統 就 會 將 路 徑 移 到 或 是 追 蹤 到 這 個 較 好 的 位 置 ； 透 過 這 種 方 式 ， 系 統 不 但 可 以 追 蹤 信 號 路 徑 ， 還 可 以 防 止 雜 訊 造 成 追 蹤 的 錯 誤 。

相 較 於 目 前 所 選 擇 的 路 徑 ， 也 許 有 些 新 路 徑 可 以 提 供 更 強 的 信 號 ； 因 此 ， 系 統 會 搜 尋 部 份 的 可 能 延 遲 ， 以 便 找 出 更 好 的 新 路 徑 。 根 據 廣 播 信 號 的 傳 播 理 論 ， 這 些 新 路 徑 可 能 就 在 最 強 路 徑 的 附 近 ， 或 是 就 在 它 們 的 後 面 （ 請 參 考 圖 2 ） 。


圖 2 ： 路 徑 搜 尋 順 序



在 A 前 面 的 區 域 會 被 忽 略 ， 這 是 因 為 行 動 台 的 距 離 很 遠 ， 不 會 在 這 個 區 域 中 有 反 射 信 號 ； D 後 面 的 區 域 也 會 被 忽 略 ， 因 為 這 個 區 域 的 信 號 傳 送 路 徑 太 長 ， 於 是 受 到 了 很 長 的 路 徑 距 離 以 及 很 高 反 射 角 度 的 影 響 ， 它 也 不 會 產 生 任 何 較 強 的 信 號 。 當 系 統 發 現 了 一 個 新 路 徑 之 後 ， 就 會 為 這 個 新 路 徑 指 定 一 個 初 始 的 加 權 值 ， 這 個 加 權 值 會 等 於 傳 輸 品 質 倒 數 第 二 名 的 舊 路 徑 ， 這 樣 在 下 一 次 更 新 加 權 值 以 前 ， 新 路 徑 就 有 機 會 証 明 自 己 的 表 現 要 勝 過 這 條 舊 路 徑 。 整 體 來 說 ， 相 較 於 搜 尋 所 有 路 徑 的 蠻 幹 方 式 ， 這 種 搜 尋 技 術 可 以 提 供 八 倍 的 搜 尋 效 率 ， 卻 只 會 錯 過 1 % ～ 2 % 較 少 用 的 路 徑 。

•  訓 練 （ training ）
在 第 二 種 情 形 中 ， 可 能 完 全 不 知 道 路 徑 的 資 訊 ， 或 是 因 為 行 動 台 與 基 地 台 之 間 的 障 礙 出 現 了 某 些 變 動 ， 使 得 原 來 的 路 徑 產 生 了 完 全 的 改 變 。 無 論 如 何 ， 利 用 隨 機 存 取 頻 道 的 時 間 或 是 前 一 次 的 最 小 延 遲 路 徑 ， 還 是 可 以 估 算 出 行 動 台 的 大 致 距 離 ； 此 外 ， 利 用 原 來 的 最 小 延 遲 路 徑 ， 也 可 以 對 行 動 台 的 位 置 做 一 個 粗 略 的 估 算 。 假 設 行 動 台 的 位 置 並 沒 有 移 動 的 太 遠 ， 那 麼 系 統 就 會 對 這 次 延 遲 之 前 的 區 域 做 一 次 完 整 的 搜 尋 ， 並 且 產 生 一 組 完 整 的 新 路 徑 。 圖 3 就 顯 示 了 這 個 搜 尋 路 徑 以 及 機 率 函 數 。


圖 3 ： 路 徑 機 率 的 追 蹤

  

根 據 ETSI 標 準 機 構 的 系 統 模 型 ， 在 一 個 1 2 5 毫 秒 的 通 信 區 域 半 徑 內 ， 主 動 延 遲 時 間 （ active delay period ） 將 是 3 1 毫 秒 。

如 果 使 用 前 導 資 料 ， 那 麼 在 剛 開 始 的 時 候 ， 系 統 會 選 擇 比 實 際 需 要 還 多 的 路 徑 ， 然 後 搜 尋 1 / 2 基 片 時 間 點 上 的 所 有 延 遲 。 一 旦 系 統 找 出 了 大 致 對 應 的 路 徑 ， 就 會 在 這 些 路 徑 的 附 近 ， 用 過 度 取 樣 速 率 （ 1 / 8 個 基 片 時 間 ） 來 計 算 進 一 步 的 相 關 性 ， 以 便 找 出 最 大 的 「 眼 型 值 」 （ eye maximum ） 。 為 了 增 加 有 效 路 徑 的 能 量 ， 系 統 會 計 算 它 們 的 相 關 性 ， 並 且 把 剩 下 的 控 制 與 資 料 位 元 都 包 含 在 這 個 計 算 中 。 接 下 來 ， 系 統 會 將 相 關 性 的 計 算 結 果 平 方 ， 以 便 移 除 其 中 所 代 表 的 傳 輸 資 料 ， 然 後 再 選 出 最 後 的 信 號 路 徑 。 由 於 沒 有 任 何 的 效 能 資 訊 可 供 使 用 ， 系 統 在 替 這 些 路 徑 指 定 初 始 權 值 的 時 候 ， 就 會 以 它 們 的 接 收 能 量 做 為 參 考 依 據 。 透 過 這 種 搜 尋 策 略 ， 系 統 的 MIPS 值 會 減 少 98.25 % ， 並 且 成 為 1.75 % （ 25 % * 25 % * 30 % ） 。
•        相 較 於 完 整 的 過 度 取 樣 （ 過 度 取 樣 值 = 8 ） ， 1 / 2 基 片 時 間 會 減 少 75 %
•        路 徑 的 估 計 時 間 會 減 少 75 %
•        在 初 步 搜 尋 的 時 候 ， 如 果 使 用 了 6 位 元 前 導 信 號 ， 就 可 減 少 75 % 的 時 間 （ 如 果 使 用 3 位 元 的 前 導 信 號 ， 則 能 減 少 95 % ）
雖 然 這 裏 會 省 下 許 多 的 時 間 ， 但 因 為 系 統 必 須 重 複 某 些 不 完 整 的 相 關 性 計 算 ， 因 此 會 浪 費 部 份 的 時 間 ， 使 得 系 統 的 總 效 能 比 完 整 搜 尋 法 高 出 約 97 % ～ 98 % 。 在 頻 道 使 用 率 較 低 的 通 信 區 域 （ < 50 % ） ， 由 於 通 話 中 的 行 動 台 可 能 只 有 少 數 幾 部 ， 因 此 系 統 可 以 將 前 導 信 號 從 6 位 元 減 少 成 3 位 元 ， 這 還 能 進 一 步 降 低 系 統 的 MIP S 負 擔 。

4 、 Rake 解 碼

對 於 已 知 的 每 一 條 資 料 路 徑 ， 系 統 都 會 針 對 其 中 的 每 一 筆 資 料 位 元 ， 執 行 一 次 資 料 位 元 的 關 聯 性 計 算 。 對 於 每 一 個 位 元 ， 系 統 會 利 用 舊 的 權 值 來 替 它 加 權 ， 然 後 再 將 這 些 位 元 值 加 在 一 起 。 接 著 ， 系 統 會 比 較 每 一 條 路 徑 的 結 果 與 加 權 的 結 果 ， 如 果 值 完 全 相 同 ， 系 統 就 會 增 加 這 條 路 徑 的 權 值 ， 增 加 的 幅 度 則 會 等 比 於 該 位 元 的 能 量 ； 如 果 值 不 相 同 ， 系 統 就 會 減 少 這 條 路 徑 的 權 值 。 因 此 ， 路 徑 的 權 值 就 會 以 信 號 的 強 度 和 精 確 性 為 基 礎 ， 逐 漸 收 斂 到 一 個 定 值 。

這 個 結 果 會 取 代 最 初 的 估 計 值 ， 後 者 是 僅 利 用 信 號 強 度 所 得 到 結 果 。 此 外 ， 系 統 還 會 根 據 預 期 的 I 相 位 與 Q 相 位 ， 對 I 成 份 和 Q 成 份 中 的 能 量 進 行 濾 波 處 理 ， 使 系 統 能 追 蹤 移 動 所 造 成 的 緩 慢 相 位 改 變 。


5 、 廣 播 回 饋

除 了 執 行 資 料 的 解 調 之 外 ， rake 接 收 機 還 提 供 了 「 線 上 通 訊 總 能 量 」 （ total energy in all the fingers ） 的 回 饋 參 數 ， 系 統 可 利 用 這 個 參 數 來 設 定 這 個 頻 道 或 是 其 它 頻 道 的 增 益 。


三 、 實 作


為 了 減 少 模 擬 所 須 的 時 間 ， 並 可 做 更 長 期 的 模 擬 ， 在 實 作 rake 接 收 機 的 時 候 ， 就 採 用 了 「 逐 個 時 間 槽 」 （ slot - b y - slot ） 的 處 理 方 式 ， 同 時 將 工 作 分 配 給 擔 任 主 機 的 PC 以 及 TMS320C62x DSP 評 估 模 組 （ EVM ） 。

在 PC 這 一 端 ， 則 是 由 ManyMobileCDMAs.exe 程 式 來 控 制 整 個 評 估 模 組 ， 至 於 I/O 測 試 資 料 的 傳 輸 過 程 、 rake 接 收 機 的 輸 出 與 相 關 的 控 制 旗 標 、 以 及 rake 接 收 機 初 始 值 的 設 定 ， 都 是 透 過 DSP 的 「 主 機 連 接 埠 界 面 」 （ HPI ； Host Port Interface ） 來 處 理 。 由 於 這 部 rake 接 收 機 將 採 用 「 逐 個 時 間 槽 」 的 處 理 方 式 ， 因 此 為 了 讓 它 能 連 續 的 執 行 工 作 ， 還 需 要 額 外 的 DSP 記 憶 體 緩 衝 區 。 控 制 輸 入 資 料 （ 舉 例 來 說 ， 參 考 與 輸 出 檔 案 的 名 稱 ） 會 搜 尋 頻 道 的 數 目 ， 它 是 由 ManyMobileCDMAs.exe 檔 案 所 送 出 ， 其 來 源 則 是 一 個 文 字 格 式 的 控 制 檔 案 ， 包 含 多 個 rake 接 收 機 程 序 的 控 制 資 料 和 各 種 參 數 。

圖 4 顯 示 了 ManyMobileCDMAs.exe 程 式 的 執 行 流 程 以 及 它 與 TMS320C62xTM DSP 評 估 模 組 的 溝 通 程 序 。

圖 4 ： 除 了 rake 接 收 機 的 模 擬 流 程 之 外 ， 圖 中 還 顯 示 了 PC 與 TMS320C62x 評 估 模 組 的 溝 通 過 程



演 算 法 的 效 能 : 程 式 碼 的 效 能 是 由 下 列 的 方 式 來 驗 証 ： 假 設 同 一 個 區 域 中 有 許 多 的 移 動 台 ， 而 且 它 們 都 使 用 相 同 的 CDMA 頻 帶 ， 然 後 模 擬 這 些 移 動 台 所 產 生 的 廣 播 信 號 。 這 些 移 動 台 在 通 信 區 域 中 的 位 置 是 利 用 Monte Carlo 模 型 來 決 定 ， 它 會 替 每 一 個 移 動 台 配 置 六 條 的 信 號 路 徑 ， 這 些 路 徑 的 延 遲 時 間 和 相 位 則 是 隨 機 設 定 ：
•  0dB±0.4dB    　 延 遲 0. . . 255 過 度 取 樣 範 圍
•  1.2dB±0.4dB  　 延 遲 0. . . 511 過 度 取 樣 範 圍
•  2.5dB±0.5dB  　 延 遲 0. . . 767 過 度 取 樣 範 圍
•  4.1dB±0.6dB  　 延 遲 0. . . 1023 過 度 取 樣 範 圍
•  6.0dB±0.8dB  　 延 遲 0. . . 1279 過 度 取 樣 範 圍
•  8.5dB±1.0dB  　 延 遲 0. . . 1535 過 度 取 樣 範 圍

圖 8 也 描 述 了 路 徑 說 明 。

圖 8 ： Monte Carlo 模 型

      (Monte Carlo Model)

如 果 利 用 Monte Carlo 模 型 來 產 生 資 料 ， 那 麼 這 些 資 料 的 延 遲 時 間 與 路 徑 特 性 都 會 類 似 於 ETSI 的 路 徑 模 型 ； 不 但 如 此 ， 路 徑 的 分 佈 也 可 以 採 用 Monte Carlo 模 型 。 接 下 來 ， 我 們 將 會 測 量 其 中 一 個 頻 道 的 接 收 與 解 碼 能 力 ； 在 表 3 當 中 ， 列 出 了 8 位 元 I/Q 資 料 的 接 收 錯 誤 速 率 。

表3：接收錯誤速率
頻道數目        容量        早期
（6位元前導）        後期
（6位元前導）        早期
（3位元前導）        後期
（3位元前導）
48        37.5%        0.2%        0.0%        0.2%        0.1%
64        50%        0.5%        0.2%        2.7%        0.3%
96        75%        3.0%        1.7%        9.6%        1.9%
128        100%        8.1%        5.1%        12.7%        4.3%


為 了 對 資 料 頻 道 提 供 錯 誤 保 護 的 功 能 ， 系 統 採 用 了 一 種 「 加 強 型 」 （ turbo ） 的 編 碼 演 算 法 ， 但 仍 無 法 更 正 所 有 的 錯 誤 ， 圖 9 顯 示 了 這 個 演 算 法 的 工 作 效 能 。 至 於 加 強 型 解 碼 過 程 中 所 使 用 的 錯 誤 ， 則 是 由 rake 接 收 機 所 產 生 。


圖 9 ： 加 強 型 解 碼 錯 誤 更 正

      (Turbo Decoding Error Correction)

針 對 廣 播 輸 入 端 不 同 的 類 比 ／ 數 位 解 析 度 ， 我 們 也 量 測 了 其 工 作 效 能 ； 在 模 擬 的 環 境 中 ， 可 隨 時 調 整 輸 入 增 益 ， 因 此 只 要 一 顆 4 位 元 或 是 6 位 元 的 ADC 轉 換 器 ， 系 統 就 可 以 接 收 到 有 效 的 資 料 。 但 是 在 真 實 的 世 界 中 ， 由 於 增 益 的 控 制 並 非 那 麼 方 便 ， 又 必 須 將 信 號 的 衰 減 列 入 考 慮 ， 因 此 需 要 一 個 8 位 元 的 ADC 轉 換 器 。 請 參 考 圖 10 。

圖 1 0 ： ADC 轉 換 器 的 錯 誤 率 與 解 析 度 之 比 較

      (ADC Erros Versus Resolution)


四 、 TMS320C62x DSP 元 件 的 運 算 負 載


表 4 詳 細 列 出 不 同 常 式 的 CPU 運 算 負 載 ， 在 編 譯 這 些 程 式 碼 的 時 候 ， 我 們 使 用 了 3.0 Beta 版 編 譯 程 式 ， 編 譯 時 的 選 項 則 為 ： -mt -mh -o3 -mw -k -mx 。 當 展 頻 因 素 較 小 的 時 候 ， 程 式 的 外 迴 圈 就 會 造 成 較 大 的 負 擔 ， 因 此 MIP 值 就 會 增 加 。 在 執 行 完 整 搜 尋 的 時 候 ， 系 統 會 尋 找 一 組 完 整 的 新 路 徑 ； 如 果 是 快 速 搜 尋 ， 系 統 則 會 追 蹤 目 前 的 路 徑 ， 然 後 找 出 一 條 新 路 徑 ， 並 且 用 它 來 取 代 舊 路 徑 中 最 不 重 要 的 一 條 。

表4：DSP的週期負載
          前導（6）
週期數        前導（3）
週期數        重複時間        前導（6）
MHz        前導（3）
MHz
Turbo        119027                 36.5ms        3.3        3.3
擾碼        2871                 0.625ms        4.6        4.6
完整搜尋        1010278        577818        10ms        101        57.8
快速搜尋        205049        112960        10ms        20.6        11.3
接收3 finger        18125                 0.625ms        29        29.0
接收6 finger        35349                 0.625ms        56.6        56.6
總計                                   137.9
85.1        94.7
75.8


表 5 列 出 了 記 憶 體 的 使 用 ， 其 中 接 收 資 料 框 的 雙 重 緩 衝 區 會 使 用 最 多 的 記 憶 體 。

表5：DSP記憶體負載
位元組        程式        資料（全部頻道）        資料（一個頻道）
Rake        6048        0        8360
Turbo 解碼        3296        196        0
擾碼        1664        8256        152
控制        4352        189908        0
C 程式庫        44320        18412        0
總計        59680        216772        8512


如 圖 1 1 所 示 ， 若 我 們 要 用 一 顆 200 MHz 的 TMS320C62x DSP 來 即 時 處 理 3 位 元 前 導 資 料 ， 就 需 要 一 個 很 大 的 環 形 緩 衝 區 ； 事 實 上 ， 對 於 一 顆 250-MHz 的 元 件 ， 必 須 緩 衝 5 個 完 整 的 I/Q 廣 播 資 料 框 （ 或 是 409,600 個 位 元 組 ） ， 這 等 於 是 4 個 廣 播 資 料 框 。

圖 1 1 ： 200-MHz TMS320C62x DSP 元 件 的 即 時 CPU 負 載

   (Real-Time CPU Load for a 200-MHz TMS320C62XTM DSP Device)



五 、 結 論


我 們 已 証 明 了 在 TMS320C62x™ DSP 平 台 上 ， 確 實 可 利 用 軟 體 來 實 作 WCDMA 通 訊 的 rake 接 收 機 ； 但 在 真 實 世 界 的 應 用 中 ， 系 統 卻 必 須 偵 測 許 多 的 使 用 者 ， 因 此 每 位 使 用 者 可 能 都 需 要 一 顆 DSP 的 支 援 。 而 DSP 與 協 同 處 理 器 還 是 有 實 作 系 統 的 潛 力 ， 因 為 我 們 可 以 用 硬 體 來 實 作 大 部 份 複 雜 的 rake 工 作 （ 也 就 是 信 號 相 關 性 的 計 算 ） ， 然 後 用 DSP 來 執 行 需 要 臆 測 或 是 智 慧 的 功 能 。