GSM多功能基站中信道估計與均衡的設計及FPGA實現

張云豐 萬國金 黃云鯤

摘 ?要： 為消除移動信道中因多徑效應導致嚴重的碼間干擾（ISI）的影響，設計適用于GSM多功能基站的信道估計與均衡的FPGA實現方案。該設計包含信道估計、匹配濾波及信道均衡三個子模塊，提出在均衡模塊前使用信道沖激響應總能量的5%作為匹配濾波器抽頭系數的判決門限，可減少信道估計的誤差，提升均衡效率。通過對某企業采集的實際空中信號數據進行FPGA的時序仿真及板級驗證，結果表明該設計能很好地克服碼間干擾的問題，并在Xilinx公司的7K325T開發板上實現，將其接入GSM多功能基站，系統能夠快速準確地偵聽手機的語音信號。

關鍵詞： ISI; 信道估計; 匹配濾波; 信道均衡; 時序仿真; 板級驗證

中圖分類號： TN929.5?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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多功能基站是一種基于手機信號主動誘發探測技術的虛擬基站[1]，能在區域安全、災后救援以及信號偵查等領域中發揮重要作用[2]。當其工作時，被偵聽信號經過同步處理后，在理想情況下，僅需對信號解旋轉[3]處理消除載波相位影響，即可進行譯碼操作，實現對信號的偵聽。但GSM信號在實際空中信道傳輸過程中受多徑效應引起的時延擴展的影響，會產生嚴重的碼間干擾[4]（ISI），而自適應均衡器可有效地消除碼間干擾。由于多功能基站對同時偵聽的用戶數量、偵聽速度及質量有較高的要求，因此相對于DSP有更強的并行處理能力、靈活性及可擴展性的FPGA成為更好的選擇。本文給出適用于GSM多功能基站的自適應均衡器的FPGA實現方案，并在Xilinx公司的7K325T開發板上調試成功，將均衡器接入GSM多功能基站后能成功偵聽手機的語音信號，這對多功能基站的投入運行有重要的現實意義。

1 ?整體架構設計

GSM系統包含多個信道，在對信號完成同步之后，首先對SCH信道的SB（同步突發脈沖序列）進行信道估計與均衡，譯碼出TDMA幀號以及BSIC（基站識別碼），得到NB（正常突發脈沖序列）的訓練序列信息，然后將NB送入均衡器再進行譯碼，即完成了對信號的接收。并進行多路復用，最后發送給PC機做后續處理，實現對多路GSM信號的偵聽。整體架構設計如圖1所示。

圖1 ?方案整體架構

2 ?模塊設計及FPGA實現

2.1 ?信道估計模塊

信道估計的實質是求取信道的沖激響應以獲取信道的特征。在GSM系統中，所有信息都是以突發形式傳輸的，在每個NB中含有26 bit的訓練序列，共有8種[5]，通過對SB譯碼可獲得NB的訓練序列信息， NB中26 bit訓練序列的中間16 bit具有良好的自相關特性，它的前5 bit和16 bit的后5 bit相同，后5 bit與16 bit的前5 bit相同，前后的5 bit起保護作用。將同步后的I，Q兩路數據與已知的16 bit訓練序列滑動相關，由相關值即可得到信道估計值[6]，實現方法與FIR濾波器結構類似[7]。但最后的16次求和操作需在單個時鐘內完成，因此將其改進為圖2的流水型架構，每個時鐘只需進行一次求和操作，不斷累加，I，Q兩路數據操作相同。NB訓練序列有8種，只需輸入設定好的訓練序列編號NB_num來判斷累加時的正負符號變化，即可實現滑動相關，節省了FPGA資源。

但實際信道含有噪聲，相關值可能存在一定偏差，零值點也可能出現一些較小的數值，因此，使用滑動能量窗的方法來降低其帶來的影響。實現方法是對得到的I，Q兩組相關值output_[I]和output_[Q]求能量，即兩組相關值對應平方相加，再用長度為[L]的滑動窗得到信道估計值，并求取峰值窗得到匹配濾波器的抽頭。由于GSM協議規定均衡需在16 μs內完成，信道估計得到的抽頭數為3～6個，信道彌散長度為[2≤L≤5]。依據實際測試結果，[L=5]時，效果最佳，因此取滑動窗長[L]為5，則峰值窗口內的數組即為下一級匹配濾波器抽頭系數。SB的信道估計與NB大致相同，不同之處是訓練序列為64位。

圖2 ?NB滑動相關實現架構

圖3為對某企業采集的實際數據用ISE軟件進行信道估計模塊的時序仿真結果，在標尺處找到最大能量窗值。由于時序仿真為布局布線后仿真，因此仿真圖中信號的跳變有一定時延[8]。

圖3 ?信道估計模塊時序仿真結果

2.2 ?匹配濾波模塊

匹配濾波模塊是為了獲得最大信噪比的信號[9]，以提升均衡效果。若信道估計為[hk]，則匹配濾波模塊的沖激響應[mk]就是它的復共軛，即：

上文提到，由于實際信道含有噪聲導致相關零點值出現一些較小數值，會引起一定誤差。因此需要一個門限值對峰值窗內的數值進行判決，大于門限值則保留，小于則歸零，并將判決后的兩個數組作為匹配濾波器的抽頭系數，可有效減小誤差。為得到該門限值，分別使用無門限及相關值總能量的1%～10%作為門限，各進行10次呼叫運營商客服熱線的偵聽測試。結果表明，使用相關值總能量的5%作為判決門限，偵聽的語音最清晰，即抗噪聲效果最佳。

圖4 ?匹配濾波實現架構

圖4中cir_[I]即為I路經過判決后的抽頭系數，將I，Q兩路匹配濾波后的數組filter_[I][[n]]和filter_[Q][[n]]對應相加得到一個數組filter_out[[n]]，作為下一級均衡模塊的輸入。該模塊對SB幀操作基本一致，由于引出了抽頭引腳，可以進行模塊復用。

圖5 ?匹配濾波模塊時序仿真

2.3 ? 信道均衡模塊

均衡模塊使用帶有軟輸出功能的改進型維特比均衡器，不僅能輸出已判決碼元（硬判決輸出），還能進行軟判決給出該碼元的可靠信息[10?12]。該模塊的實現包含加比選和回溯兩個步驟：

1） 加比選：根據初始狀態計算到達下一狀態的可能路徑度量，相加后選取累加值較大的一個作為幸存路徑度量值，同時更新當前路徑，不斷進行迭代更新，并將幸存度量存入度量值列表作為軟值表輸出。

2） 回溯：用度量值列表中最大值對應的末狀態作為模塊回溯的起始狀態，并根據生成的16個狀態表進行回溯，回溯得到的二進制序列作為硬判決輸出發送給后續模塊進行譯碼。

圖6 ?信道均衡模塊架構

圖7 ?幸存路徑判決模塊架構

圖8 ?均衡器時序仿真圖

3 ?板級驗證及實際工作情況

對相同的實際采集數據進行Chipscope板級驗證，硬判決和軟判決輸出結果與時序仿真一致，如圖9所示。

圖9 ?Chipscope板級驗證

圖10為均衡器燒錄進7K325T開發板后接入多功能基站中對手機信號的實時偵聽界面。偵聽到的運營商客服語音清晰，質量較高，驗證了該設計滿足消除ISI的功能要求，且具有良好的穩定性。

圖10 ?實時偵聽界面

4 ?結 ?語

本文設計了一種基于FPGA的GSM多功能基站中的自適應均衡器，并給出具體的硬件實現方案。相較于傳統基于DSP的自適應均衡器的運行速度更快，且在不增加原有硬件體積和復雜度的情況下，能夠同時偵聽更多用戶;并對一些模塊進行多路復用，節省了FPGA資源，同時對匹配濾波模塊進行優化，減小了因信道噪聲帶來的誤差，提升了系統的均衡效果。通過對實際空中信號數據的板級驗證并接入多功能基站對手機的實際偵聽試驗表明，多功能基站能快速準確地偵聽多路語音信號，驗證了本文FPGA實現方案的可行性。

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