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1 GHz,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AeroFlex 3030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3GPP 25.221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,3GPP 25.223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３GPP 25.222 、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25.221~25.224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3GPP 25.224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PROC_COM_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3GPP 25.221~25.224,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、384K RMC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Mod_ Schedule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Mod_ Schedule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即将启动,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。