针对TDMA/TDD自适应调制系统的数据帧结构的设计方法

    宽带移动通信系统的关键技术之一是自适应调制，与窄带移动通信系统的调制方式完全不同，因而系统数据帧格式也随之改变，针对采用时分双工(TDD)工作方式的时分复分系统(TDMA)，利用CPLD(复杂可编程逻辑器件)技术完成数据帧的组帧工作。

    1引言

    随着Internet技术及移动通信技术的发展，人们对宽带移动通信系统的需求越来越大，而宽带移动通信系统的关键技术之一是自适应调制技术[1，2]，即通过研究无线信道的衰落程 度、信道流量等参数动态地改变调制方式，在任何时刻都使信道容量达到最大，从而提高信道的频谱利用率，并有效地提高信息传输速率。在TDMA/TDD系统中，自适应调制是通过瞬时载噪比及瞬时时延量进行估计，从而动态地控制系统传输的调制方式，据此特殊要求，可设计系统数据帧格式如图1所示[3]。

    图1中：一帧包括4个上行突发块和4个下行突发块，共8.32 ms(一个上行或下行突发块为1.04 ms)。每个突发块由数据及前缀码、中缀码、后缀码组成。其中，R各为8个字节，为上行或 下行突发模块的同步码; P各为8个字节，为导频，用作信号的衰落补偿; G为8个字节，为保护时隙 ;W为8个字节，为符号率及调制电平选择字;CE为32个字节，为信道估计字。对以上数据帧格式，我们将用CPLD技术来实现。

    2数据帧的实现

    2.1R，P，G，W码

    帧同步是为了保证收、发各对应话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路信号，他必须在位同步的前提下实现。为了建立收、发系统的帧同步，需要在每一帧(或几帧)中的固定位置插入具有特定码型的帧同步码。这样，只要收端能正确识别出这些帧同步码，就能正确辨别出每一帧的首尾，从而正确区分出发端送来的各路信号。

    同步码的选择除了与其插入方式有关外，还跟帧同步码组长度、帧长度、帧码组的结构有关，这三个因素互相关联，合理选择这三个因数可以获得在技术和经济两方面都较合理的帧结构。如果增加帧同步码可能会提高通信的传输效率，但是会增加同步码的出错率，同时可能出现假同步码，以至于会干扰同步系统，所以同步码的选择也是比较重要的。

    导频码P作为信道估计的作用，在发送端将数据分帧，每帧中以一定的间隔插入已知的导频符号，经信道后，接收端提取这些位置的信道畸变影响。导频符号辅助下的信道估计利用这些位置的信道畸变影响做内插滤波，从而估计出一帧中每个信号畸变影响。

    Walsh函数是一种非正弦的完备正交函数系。由于仅有2种可能的取值：+1和-1(或0和1)，比较适合用来表达和处理数字信号。Walsh早在1923年提出这个函数的完整理论。在此后的40多年中，Walsh函数在电子技术中没有得到很大的发展和应用。近年来由于数字集成电路的迅速发展，由于Walsh函数具有理想的互相关特性，所以Walsh函数得到应用。在Wa lsh函数中，两两之间的互相关函数为“0”，他们之间是正交的，因而在码分多址通信中，Walsh函数可以作为地址码使用。Walsh函数可以用哈达码(Hadamard)矩阵H表示，利用递推关系很容易构成Walsh函数序列。哈达矩阵H是0和1元素构成的正交方阵，所谓正交方阵，是指他的任意两行(或两列)都是相互正交的，即任意两行(或两列)的对应相乘之和等于0，他们的相关函数为0。

    用AHDL语言在MAX+Plus II环境下将他们各自做成ROM模块。

    2.2CE码的实现

    采用4阶的M序列作为CE码，用MAX+Plus II的原理图设计方法来实现。经过编译后得到的符号文件如图2所示。

    图2中的INCLOCK是控制移位的时钟频率。CLR用于清零，当CLR=1时表示不清零，否则表示清零。ENABLE是使能端，当ENALBE=1时表示正常工作，否则表示维持现状，不能正常工作。OUTCE是输出的CE码。图3是经过仿真以后的CE4scf时序图。

    2.3速率调整和数据分离

    由于每个突发块的数据是320 b，假定输入的数据速率是400 kS/s，然而由于输出的数据是416 b，所以输出的数据速率应该为400/320×416=512 kS/s，所以数据输入与输出之间需要进行速率调整，这时就利用MAX+Plus II 中的双端口RAMALTDPR AM元件进行速率调整。由于读入的数据是320 b，所以地址线为9根，经过速率调整后进行数据分离，将分离的数据放入存储器中。要控制好每个突发块读入数据，同时还需要有一个320 b的计数器，前160 b放入数据一中，后160 b放入数据二中，他们输出的时钟频率均为速率调整后的时钟频率。如输入的数据为10111000，经过双端口RAM后的数据分别是1011和1000。

    3整个数据帧的实现与仿真结果

    经过一系列的底层模块的设计，可用顶层模块程序把各底层模块进行合成。合成时同步码 R、导频码P、W码、保护时隙的G，CE码、及分离后的数据通过计数器计数来控制缓冲器的地址。合成后整个程序经编译产生如图4所示的符号图。

    图4中的INCLOCK、OUTCLOCK分别表示帧的输入频率和输出频率，本次仿真中的输入周期为2. 5μs，而输出的周期为1.92 μs。INDATA、OUTDATE表示输入数据和输出数据。经过仿真，得到图5所示的时序图。

    由于帧的输入频率与输出频率不同，所以可能会造成数据输出时出错，因为数据输入的时 钟周期为2.5μs，数据输出的时钟周期为1.92μs，所以要想取得160 b所需要时间为16 0×2.5μs=400μs，而当缓冲器重读取数据一所需要时间为(8+8+160)×1.92μs=33 7.92 μs，小于400μs，所以输出的时钟比数据输入的时钟至少要提前400-337.92=62.08μs，数据二的读取时间需要(8+8+32+8+160)×192μs=414.72 μs，大于400μs，所以读取数据二时不会出现问题。数据帧头部的时序图如图6所示。

    4结语

    宽带无线多媒体通信系统，采用自适应调制技术能达到高质量、高速、高灵活性的通信。 本文提出了一种针对TDMA/TDD自适应调制系统的数据帧结构的设计方法，并用软件无线 电技术来实现这种数据帧结构，仿真结果表明，设计方法正确，实现结果令人满意。

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