魏靜文，常 俊，鄭 宇

(云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650091)

基于TMS320TCI6618 FFTC的LTE基帶信號(hào)設(shè)計(jì)測(cè)試

魏靜文，常 俊，鄭 宇

(云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650091)

針對(duì)LTE系統(tǒng)中OFDM算法緩慢的問題，給出了一種基于DSP的高效基帶信號(hào)處理的設(shè)計(jì)。對(duì)TI公司的TMS320TCI6618中的FFTC進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，詳細(xì)介紹了如何在TMS320TCI6618上使用FFTC實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換(FFT)，并結(jié)合LTE系統(tǒng)對(duì)FFTC的應(yīng)用進(jìn)行了測(cè)試，完成了數(shù)據(jù)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了FFTC在算法上的高效性和實(shí)用性，并能簡(jiǎn)化FFT算法實(shí)現(xiàn)、加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)和縮短開發(fā)時(shí)間，提升FFT算法性能，為L(zhǎng)TE系統(tǒng)提供了一種很好的解決方案。

TMS320TCI6618；FFTC；快速傅里葉變換；DSP

0 引言

快速傅里葉變換(FFT)是信號(hào)頻域分析的常用工具，日益成為現(xiàn)代電子與通信的重要技術(shù)。傳統(tǒng)的傅里葉算法已無法滿足快速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理需求，新一代處理器將面對(duì)功能和性能的挑戰(zhàn)，TI公司采用多核并行架構(gòu)和專用高速協(xié)處理器等新技術(shù)，研發(fā)了基于KeyStone架構(gòu)[1]的以優(yōu)化通信算法性能和降低開發(fā)成本為目的的新一代處理器。本文介紹的TMS320TCI6618[2]正是KeyStone家族系列之一，其強(qiáng)大的處理器內(nèi)部集成了BCP、FFTC和VCP等協(xié)處理器，并實(shí)現(xiàn)了通信系統(tǒng)中常用的各種算法，如Turbo編譯碼和FFT快速傅里葉算法等，利用DSP內(nèi)部集成的協(xié)處理器[3]即可完成高效快速的通信系統(tǒng)算法的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了FFTC在算法上的高效性和實(shí)用性，并能簡(jiǎn)化FFT算法實(shí)現(xiàn)，加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)和縮短開發(fā)時(shí)間，提升FFT算法性能，為L(zhǎng)TE系統(tǒng)提供了一種很好的解決方案。

1 FFTC

FFTC在DSP6618內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 FFTC模塊結(jié)構(gòu)

本文介紹的FFTC[3]是DSP6618內(nèi)部集成的一個(gè)加速器，它適用于所有多核DSP C66xx系列[1]。DSP6618內(nèi)部集成了3個(gè)FFTC協(xié)處理器，并且支持并行運(yùn)算，F(xiàn)FTC內(nèi)部可編程，每個(gè)FFTC內(nèi)部?jī)?nèi)存被劃分為3個(gè)banks，每個(gè)bank最大支持4 096個(gè)采樣點(diǎn)的輸入，同時(shí)也支持小于4 096個(gè)采樣點(diǎn)的乒乓緩存輸入。FFTC可以用來計(jì)算FFT或者IFFT，最大支持8 192個(gè)采樣點(diǎn)的運(yùn)算，其中以2 048個(gè)采樣點(diǎn)的輸入效率最高，速度最快，4.8 μs即可完成一次2 048點(diǎn)的FFT運(yùn)算。

FFTC內(nèi)部一共包含4組配置寄存器，每組寄存器包含5個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器課單獨(dú)進(jìn)行配置。DSP給FFTC分配了4個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列是用來將數(shù)據(jù)包發(fā)送給FFTC的，每組寄存器分別用來配置相應(yīng)的傳輸隊(duì)列。每組寄存器包含5個(gè)寄存器：沖突檢測(cè)寄存器、目的隊(duì)列寄存器、縮放和移位寄存器、循環(huán)前綴寄存器和LTE頻偏參數(shù)寄存器。

FFTC的核心是FFT引擎，用來計(jì)算FFT或IFFT。FFTC內(nèi)部采用“頻域抽取”的方式實(shí)現(xiàn)FFT運(yùn)算。FFTC可支持8 192個(gè)采樣點(diǎn)的輸入，每個(gè)FFT的復(fù)數(shù)采樣點(diǎn)分成16位虛部和16位實(shí)部，并且按地址從高到低，虛部在前，實(shí)部在后。對(duì)于小于4 096個(gè)點(diǎn)的輸入，內(nèi)部可進(jìn)行乒乓緩存[3]加速運(yùn)算。

FFTC數(shù)據(jù)的傳遞以PacketDMA的方式進(jìn)行，通過多核導(dǎo)航[4]對(duì)包和隊(duì)列進(jìn)行管理，并且數(shù)據(jù)的傳遞不需要CPU的干涉。PktDMA有2種包：monolithic和host。PktDMA數(shù)據(jù)包存放著FFT數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量的多少可以通過寄存器進(jìn)行配置。

連接PktDMA和FFTC引擎的是FFTC流接口。對(duì)于傳輸?shù)紽FTC的流數(shù)據(jù)，F(xiàn)FTC流接口對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)的指示，并提供握手信號(hào)。

FFTC調(diào)度器用來決定隊(duì)列的優(yōu)先順序，采用round-robin算法策略對(duì)隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行管理、調(diào)度，決定哪一個(gè)隊(duì)列應(yīng)該被優(yōu)先處理。

2 FFTC寄存器說明

測(cè)試以CCS5.3為平臺(tái)，TI提供的FFTC庫，并以LTE系統(tǒng)[1]為例，介紹FFTC寄存器的配置。

狀態(tài)寄存器：用來查詢FFTC的運(yùn)行狀態(tài)，0表示啟動(dòng)狀態(tài)，1表示暫停狀態(tài)。

目的隊(duì)列和移位寄存器：用來配置FFTC傳輸數(shù)據(jù)使用的目的隊(duì)列，默認(rèn)配置為0x3FFF，采用自動(dòng)配置，即系統(tǒng)隨機(jī)選擇一個(gè)可用的隊(duì)列作為目的隊(duì)列。

FFTC有2種移位方式：向左/右移位[3]和可變移位[3]。LTE系統(tǒng)采用可變移位，可變移位是用來處理輸入數(shù)據(jù)有直流信號(hào)的情況，將輸入序列先進(jìn)行0填充，補(bǔ)足采樣的個(gè)數(shù)，然后再進(jìn)行循環(huán)移位。這里需要注意的是，填充0的個(gè)數(shù)必須滿足4的倍數(shù)，如對(duì)1 200個(gè)子載波進(jìn)行移位運(yùn)算，按2 048個(gè)采樣點(diǎn)的FFT，就是2 048-1 200-1=847，不滿足4的倍數(shù)，因此要在原有的子載波[4]基礎(chǔ)上添加3個(gè)0變成1 204個(gè)子載波，移位因子就變成2 048-1 204=844，滿足4的倍數(shù)。LTE系統(tǒng)中的處理如圖2所示。

圖2 移位方式圖解

以上是ADD模式下的配置，另外Mutiply模式可在隊(duì)列控制寄存器中進(jìn)行配置。

FFTC數(shù)據(jù)scaling寄存器：FFTC引擎計(jì)算FFT時(shí)，每一步蝶形運(yùn)算都會(huì)保留一個(gè)中間值，中間值的大小取決于內(nèi)存空間的大小。因此為了防止蝶形運(yùn)算的中間結(jié)果超出范圍而發(fā)生溢出，都會(huì)對(duì)中間結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，即用一個(gè)乘積因子乘以中間結(jié)果以縮小數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，達(dá)到防止數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。FFTC的scaling寄存器就是用來配置這個(gè)乘積因子的，可以配置成動(dòng)態(tài)調(diào)整，也可以配置成手動(dòng)調(diào)整。

隊(duì)列循環(huán)前綴寄存器：根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，可以對(duì)序列進(jìn)行添加CP[3]和移除CP[3]操作，是否需要去CP可通過使能位進(jìn)行配置。這里需要注意的是，去CP的長(zhǎng)度不是直接進(jìn)行配置，而是通過配置數(shù)據(jù)的偏移量來進(jìn)行的，F(xiàn)FTC通過配置的偏移量的多少和FFT包的大小來確定去CP的位置和長(zhǎng)度。

隊(duì)列控制寄存器：FFT數(shù)據(jù)都是通過隊(duì)列來傳送的，通過配置隊(duì)列控制寄存器可以對(duì)隊(duì)列的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。FFTC的隊(duì)列控制寄存器可以用來配置FFT中的參數(shù)屬性，屬性值如下：

① 0填充模式：ADD Mode[3]和Mutiply Mode[3]；

② 0填充數(shù)量：0～8 191，配置成0時(shí)表示禁止0填充；

③ Suppress Side Info：0表示禁止輸出，1表示使能輸出；

④ DFT/IDFT選擇：配置FFT運(yùn)算模式為FFT/IFFT；

⑤ DFT Size：配置DFT采樣點(diǎn)數(shù)。

隊(duì)列控制寄存器：對(duì)于每個(gè)為FFTC分配的隊(duì)列，可以給每一個(gè)隊(duì)列配置相應(yīng)的LTE頻移，配置完以后就直接應(yīng)用到相應(yīng)FFT數(shù)據(jù)中。

3 設(shè)計(jì)過程

3.1 系統(tǒng)功能

本文設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)IFFT運(yùn)算，并將DSP計(jì)算得到的結(jié)果與Matlab[5]計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得出結(jié)論。在DSP上實(shí)現(xiàn)如下功能：

① IFFT運(yùn)算；

② Multiply模式下的補(bǔ)零操作；

③ 添加CP；

④ 輸入循環(huán)移位；

⑤ 0 kHz頻偏；

⑥ 動(dòng)態(tài)蝶形縮放因子；

⑦ 與Matlab結(jié)果對(duì)比；

⑧ FFTC速率測(cè)試。

3.2 模塊構(gòu)成

程序設(shè)計(jì)基于以下模塊：

① Sys/bios：用于管理系統(tǒng)任務(wù)、啟動(dòng)/停止和系統(tǒng)初始化等；

② CPPI：數(shù)據(jù)包的傳輸需要用到CPPI傳輸通道，使用時(shí)可通過相關(guān)寄存器對(duì)CPPI進(jìn)行配置；

③ QMSS：隊(duì)列管理系統(tǒng)，用于管理入隊(duì)/出隊(duì)，隊(duì)列的分配等，DSP6618為FFTC分配了4個(gè)隊(duì)列，可以對(duì)每個(gè)隊(duì)列進(jìn)行配置；

④ PktDMA：基于包的DMA，隊(duì)列中的數(shù)據(jù)都是以包的形式傳輸?shù)模虼薖ktDMA為數(shù)據(jù)的傳輸提供了便捷的方式。

3.3 系統(tǒng)配置

DSP6618有3個(gè)FFTC：FFTCA、FFTCB和FFTCC，3個(gè)FFTC可并行處理提高FFT的運(yùn)算效率。程序使用核0來啟動(dòng)FFTC，其余核暫時(shí)不用，發(fā)送隊(duì)列號(hào)采用0號(hào)queue[2]，接收隊(duì)列號(hào)使用系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行配置，flow[1,3]使用系統(tǒng)指定一個(gè)free flow，接收結(jié)果不采用中斷的方式而是輪詢結(jié)果寄存器。描述符[2]的使用情況如下：描述符個(gè)數(shù)為1；描述符大小為64 bytes(包含PS信息)；描述符類型為host；描述符位置為memory region0。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試流程

LTE系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸分為4部分：下行發(fā)送(BSTX)、下行接收(BSRX)、上行發(fā)送(UETX)和上行接收(UERX)，這里以下行發(fā)送為例說明。測(cè)試平臺(tái)均基于TI公司的CCS開發(fā)平臺(tái)，版本v5.3，測(cè)試環(huán)境為Windows7，TMS320TCI6618為核心的基帶板卡。測(cè)試數(shù)據(jù)采用LTE-C模型提供的數(shù)據(jù)(注：僅為數(shù)據(jù)，可自行定義，對(duì)結(jié)果無影響)。測(cè)試流程如圖3所示。

圖3 測(cè)試流程

4.2 寄存器配置

基于FFTC的測(cè)試均已封裝成函數(shù)，啟動(dòng)FFTC之前先要對(duì)寄存器進(jìn)行配置，以初始化數(shù)據(jù)，F(xiàn)FTC的配置均通過數(shù)組的方式進(jìn)行，即將寄存器的配置封裝到一個(gè)數(shù)組，并由FFTC的API函數(shù)對(duì)數(shù)組讀取即可完成配置，詳細(xì)的參數(shù)配置如表1所示。

表1 FFTC寄存器配置

4.3 下行發(fā)送數(shù)據(jù)測(cè)試

下行發(fā)送數(shù)據(jù)的測(cè)試是在LTE協(xié)議[6-7]中定義的一個(gè)子幀的數(shù)據(jù)，下行物理層[8,9]信道定義了14個(gè)OFDM[10-11]符號(hào)[6-7]，一共1 200×14個(gè)采樣數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)分為實(shí)部和虛部2部分。利用DSP計(jì)算IFFT，結(jié)果如圖4所示。然后，利用Matlab計(jì)算相應(yīng)的IFFT，并將FFTC計(jì)算得到的IFFT與用Matlab計(jì)算得到的IFFT進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖4 DSP6618計(jì)算IFFT

圖5 FFTC結(jié)果與Matlab結(jié)果對(duì)比

cplxScaling(a,b)是用Matlab編寫的腳本函數(shù)[5]，功能是分別將a和b的實(shí)部與虛部進(jìn)行除法運(yùn)算。從結(jié)果可以看出，用FFTC計(jì)算得到的IFFT和用Matlab計(jì)算得到的IFFT存在一個(gè)比例關(guān)系，根本原因在于蝶形運(yùn)算過程中對(duì)數(shù)據(jù)的處理方式不一致，導(dǎo)致結(jié)果存在比例差異，理論上是正確的。

4.4 FFTC效率分析

利用CCS5.3[12]自帶的工具，可以測(cè)試FFTC運(yùn)行時(shí)間，并將實(shí)際得到的與官方給出的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證FFTC的有效性。在CCS5.3環(huán)境下，對(duì)程序中的fftc_core函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其執(zhí)行時(shí)間為280 951個(gè)cycles。這里的fftc_core函數(shù)是FFTC核心調(diào)用函數(shù)，其執(zhí)行時(shí)間已經(jīng)優(yōu)化成FFTC的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間。測(cè)試的數(shù)據(jù)為14個(gè)OFDM符號(hào)，兩天線端口數(shù)據(jù)的測(cè)試時(shí)間為280 951個(gè)cycles，約為285.81 μs 。TI官方給出的測(cè)試是基于6 670，其他參數(shù)均保持一致，發(fā)送10個(gè)packet，每個(gè)packet配置為3個(gè)block，用時(shí)約0.15 ms，基本接近官方提供的理論值。

5 結(jié)束語

本文通過使用FFTC實(shí)現(xiàn)LTE物理層的FFT算法，該算法是利用LTE協(xié)議系統(tǒng)參數(shù)并基于LTE系統(tǒng)模型上的仿真實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上評(píng)估了其算法的效率，與傳統(tǒng)FFT運(yùn)算效率相比，性能得到大大的提高，為L(zhǎng)TE系統(tǒng)物理層實(shí)現(xiàn)高效的OFDM提供了新的解決思路，這也充分證明了使用FFTC替代軟件實(shí)現(xiàn)的FFT將是必然趨勢(shì)，相信在新一代5G技術(shù)中會(huì)得到充分的運(yùn)用。

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魏靜文 男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：無線通信。

常 俊 男，(1970—)，副教授。主要研究方向：無線通信、寬帶無線通信與軟件無線電技術(shù)、新一代移動(dòng)通信組網(wǎng)與優(yōu)化、信息系統(tǒng)開發(fā)與數(shù)據(jù)工程。

Design and Test of LTE Baseband Signal Based on TMS320TCI6618 FFTC

WEI Jing-wen,CHANG Jun,ZHENG Yu

(SchoolofInformationScienceandEngineeringofYunnanUniversity,KunmingYunnan650091,China)

This paper mainly aims at the problem of slow OFDM algorithm in current LTE systems,and gives a design of efficient baseband signal processing based on DSP.This paper first introduces the FFTC of TI TMS320TCI6618 in brief,and then details how to use FFTC on TMS320TCI6618 for realization of Fast Fourier Transform (FFT).And the application of FFTC system is tested in combination with LTE systems.Data validation is also achieved.Test data proved the efficiency and practicality of FFTC,which can simplify algorithm implementation,accelerate system design,shorten development time for LTE system,enhance system performance of FFT algorithm,and provide a good solution for LTE.

TMS320TCI6618;FFTC;FFT;DSP

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.04

魏靜文,常 俊,鄭 宇.基于TMS320TCI6618 FFTC的LTE基帶信號(hào)設(shè)計(jì)測(cè)試[J].無線電工程,2017,47(3):15-18.

2016-12-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61162004)。

TN911.6

A

1003-3106(2017)03-0015-04