GSM多功能基站中信道估计与均衡的设计及FPGA实现

张云丰 万国金 黄云鲲

摘  要： 为消除移动信道中因多径效应导致严重的码间干扰（ISI）的影响，设计适用于GSM多功能基站的信道估计与均衡的FPGA实现方案。该设计包含信道估计、匹配滤波及信道均衡三个子模块，提出在均衡模块前使用信道冲激响应总能量的5%作为匹配滤波器抽头系数的判决门限，可减少信道估计的误差，提升均衡效率。通过对某企业采集的实际空中信号数据进行FPGA的时序仿真及板级验证，结果表明该设计能很好地克服码间干扰的问题，并在Xilinx公司的7K325T开发板上实现，将其接入GSM多功能基站，系统能够快速准确地侦听手机的语音信号。

关键词： ISI; 信道估计; 匹配滤波; 信道均衡; 时序仿真; 板级验证

中图分类号： TN929.5?34                        文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2019）13?0001?04

Design of channel estimation and equilibrium applied to GSM multi?functional base station and its implementation based on FPGA

ZHANG Yunfeng， WAN Guojin， HUANG Yunkun

（School of Information Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031， China）

Abstract： In order to eliminate the impact of serious inter?symbol interference （ISI） caused by multipath effect in the mobile channel， an FPGA?based implementation scheme of channel estimation and equilibrium is designed， which is suitable for GSM multi?functional base station. The module design includes the sub?modules of channel estimation， matched filtering and channel equalization. 5% of the total energy of channel impulse response used in front of equalization module is taken as the decision threshold of the matched filter tap coefficient， which can reduce the channel estimation error and improve the equalization efficiency. The time sequence simulation and board level verification of FPGA are performed for real air signal data collected from a company. The results show that the design can overcome the ISI effectively， and be implemented on 7K325T development board made in Xilinx Company. If the equalizer is connected to a GSM multi?functional base station， the multi?functional base station can quickly and accurately monitor the voice signal of mobile phones.

Keywords： inter?symbol interference; channel estimation; matched filtering; channel equalization; time sequence simulation; board level verification

0  引  言

GSM多功能基站是一种基于手机信号主动诱发探测技术的虚拟基站[1]，能在区域安全、灾后救援以及信号侦查等领域中发挥重要作用[2]。当其工作时，被侦听信号经过同步处理后，在理想情况下，仅需对信号解旋转[3]处理消除载波相位影响，即可进行译码操作，实现对信号的侦听。但GSM信号在实际空中信道传输过程中受多径效应引起的时延扩展的影响，会产生严重的码间干扰[4]（ISI），而自适应均衡器可有效地消除码间干扰。由于多功能基站对同时侦听的用户数量、侦听速度及质量有较高的要求，因此相对于DSP有更强的并行处理能力、灵活性及可扩展性的FPGA成为更好的选择。本文给出适用于GSM多功能基站的自适应均衡器的FPGA实现方案，并在Xilinx公司的7K325T开发板上调试成功，将均衡器接入GSM多功能基站后能成功侦听手机的语音信号，这对多功能基站的投入运行有重要的现实意义。

1  整体架构设计

GSM系统包含多个信道，在对信号完成同步之后，首先对SCH信道的SB（同步突发脉冲序列）进行信道估计与均衡，译码出TDMA帧号以及BSIC（基站识别码），得到NB（正常突发脉冲序列）的训练序列信息，然后将NB送入均衡器再进行译码，即完成了对信号的接收。并进行多路复用，最后发送给PC机做后续处理，实现对多路GSM信号的侦听。整体架构设计如图1所示。

图1  方案整体架构

2  模块设计及FPGA实现

2.1  信道估计模块

信道估计的实质是求取信道的冲激响应以获取信道的特征。在GSM系统中，所有信息都是以突发形式传输的，在每个NB中含有26 bit的训练序列，共有8种[5]，通过对SB译码可获得NB的训练序列信息， NB中26 bit训练序列的中间16 bit具有良好的自相关特性，它的前5 bit和16 bit的后5 bit相同，后5 bit与16 bit的前5 bit相同，前后的5 bit起保护作用。将同步后的I，Q两路数据与已知的16 bit训练序列滑动相关，由相关值即可得到信道估计值[6]，实现方法与FIR滤波器结构类似[7]。但最后的16次求和操作需在单个时钟内完成，因此将其改进为图2的流水型架构，每个时钟只需进行一次求和操作，不断累加，I，Q两路数据操作相同。NB训练序列有8种，只需输入设定好的训练序列编号NB_num来判断累加时的正负符号变化，即可实现滑动相关，节省了FPGA资源。

但实际信道含有噪声，相关值可能存在一定偏差，零值点也可能出现一些较小的数值，因此，使用滑动能量窗的方法来降低其带来的影响。实现方法是对得到的I，Q两组相关值output_[I]和output_[Q]求能量，即两组相关值对应平方相加，再用长度为[L]的滑动窗得到信道估计值，并求取峰值窗得到匹配滤波器的抽头。由于GSM协议规定均衡需在16 μs内完成，信道估计得到的抽头数为3～6个，信道弥散长度为[2≤L≤5]。依据实际测试结果，[L=5]时，效果最佳，因此取滑动窗长[L]为5，则峰值窗口内的数组即为下一级匹配滤波器抽头系数。SB的信道估计与NB大致相同，不同之处是训练序列为64位。

图2  NB滑动相关实现架构

图3为对某企业采集的实际数据用ISE软件进行信道估计模块的时序仿真结果，在标尺处找到最大能量窗值。由于时序仿真为布局布线后仿真，因此仿真图中信号的跳变有一定时延[8]。

图3  信道估计模塊时序仿真结果

2.2  匹配滤波模块

匹配滤波模块是为了获得最大信噪比的信号[9]，以提升均衡效果。若信道估计为[hk]，则匹配滤波模块的冲激响应[mk]就是它的复共轭，即：

上文提到，由于实际信道含有噪声导致相关零点值出现一些较小数值，会引起一定误差。因此需要一个门限值对峰值窗内的数值进行判决，大于门限值则保留，小于则归零，并将判决后的两个数组作为匹配滤波器的抽头系数，可有效减小误差。为得到该门限值，分别使用无门限及相关值总能量的1%～10%作为门限，各进行10次呼叫运营商客服热线的侦听测试。结果表明，使用相关值总能量的5%作为判决门限，侦听的语音最清晰，即抗噪声效果最佳。

图4  匹配滤波实现架构

图4中cir_[I]即为I路经过判决后的抽头系数，将I，Q两路匹配滤波后的数组filter_[I][[n]]和filter_[Q][[n]]对应相加得到一个数组filter_out[[n]]，作为下一级均衡模块的输入。该模块对SB帧操作基本一致，由于引出了抽头引脚，可以进行模块复用。

图5  匹配滤波模块时序仿真

2.3   信道均衡模块

均衡模块使用带有软输出功能的改进型维特比均衡器，不仅能输出已判决码元（硬判决输出），还能进行软判决给出该码元的可靠信息[10?12]。该模块的实现包含加比选和回溯两个步骤：

1） 加比选：根据初始状态计算到达下一状态的可能路径度量，相加后选取累加值较大的一个作为幸存路径度量值，同时更新当前路径，不断进行迭代更新，并将幸存度量存入度量值列表作为软值表输出。

2） 回溯：用度量值列表中最大值对应的末状态作为模块回溯的起始状态，并根据生成的16个状态表进行回溯，回溯得到的二进制序列作为硬判决输出发送给后续模块进行译码。

图6  信道均衡模块架构

图7  幸存路径判决模块架构

图8  均衡器时序仿真图

3  板级验证及实际工作情况

对相同的实际采集数据进行Chipscope板级验证，硬判决和软判决输出结果与时序仿真一致，如图9所示。

图9  Chipscope板级验证

圖10为均衡器烧录进7K325T开发板后接入多功能基站中对手机信号的实时侦听界面。侦听到的运营商客服语音清晰，质量较高，验证了该设计满足消除ISI的功能要求，且具有良好的稳定性。

图10  实时侦听界面

4  结  语

本文设计了一种基于FPGA的GSM多功能基站中的自适应均衡器，并给出具体的硬件实现方案。相较于传统基于DSP的自适应均衡器的运行速度更快，且在不增加原有硬件体积和复杂度的情况下，能够同时侦听更多用户;并对一些模块进行多路复用，节省了FPGA资源，同时对匹配滤波模块进行优化，减小了因信道噪声带来的误差，提升了系统的均衡效果。通过对实际空中信号数据的板级验证并接入多功能基站对手机的实际侦听试验表明，多功能基站能快速准确地侦听多路语音信号，验证了本文FPGA实现方案的可行性。

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