WiMAX信道估计插值研究与DSP实现*

魏国庆，逯玉宏，杨 凡

（重庆金美通信有限责任公司，重庆 400030）

0 引 言

正交频分复用（OFDM）技术具有抗多径干扰、频谱利用率高等特点，在宽带无线通信领域受到了广泛关注。OFDM信号虽然消除了信道间干扰，但不能有效利用宝贵的频率资源，在衰落信道中传输时，其幅度和相位会发生变化。信道估计是为了消除信道对OFDM系统性能的影响。所以，在OFDM系统中，信道估计是决定系统能否正常工作的关键技术之一。下面主要讨论在得到信道参数结果后，如何在DSP平台进行插值运算。根据WiAMX导频信号的位置和DSP硬件平台的特点，使用C语言和汇编语言2种方法实现。然后，通过比较2种方法的插值结果和指令周期统计，得出DSP平台效率高的结论[1]。

1 硬件平台描述

MSC8156是Freescale公司针对基站设计的一款多核DSP芯片，其中SC3850作为内核有着高效的代码编译性能和优异的分级存储体系，且运算能力也获得了提高，主频高达1.2 GHz，拥有优良的性能和功耗节约能力，提高了无线宽带设备的性能，将帮助设备制造商解决下一代无线标准的实现，如3G-LTE、WiAMX、HSPA+ 和 TDD-LTE[2-3]。

2 信道估计插值实现

每个OFDMA符号按簇插入导频子载波。偶数符号每个簇的导频位置为第5和第9个子载波位置；奇数符号每个簇的导频位置为第1和第13个子载波位置。时域插值处理完成相同导频子载波位置上前后符号对当前符号的线性插值，以获得更丰富的信道信息。频域插值在每个簇内实现，根据相邻导频进行线性拟合，获取导频间的数据子载波信道估计信息。图1为时频二维插值方式[4-6]。

图1 时频二维插值

在插值算法实现过程中，按照先时域插值，后频域插值的顺序。根据接收的数据符号奇偶、中间和边缘不同位置来判断插值方式，接收数据符号索引为0,1,…N。中间符号索引为i，进行时域线性插值，其插值结果由前一个符号，索引为i-1，后一个符号，索引i+1，取平均得出；对于频域插值，由时域插值得出的导频信息和本身存在的导频信息进行线性插值，符号边缘插值处理，索引为0、N的数据符号进行拷贝处理，即将索引为1和N-1的插值结果赋给索引为0和N的数据位置上，作为该符号的插值结果。

其中，α、β为时域插值系数；c0、c1、c2是频域插值系数。psym[n]是当前时域信道系数，pf[n]当前频域信道系数，p0、p1是发端导频。图2为时频二维线性插值流程图。插值过程中，包含求和平均、指数平均和一阶/二阶线性插值等。

图2 时频二维插值流程

3 DSP优化

WiMAX收端信道估计插值算法功能实现后，需要对代码进行优化，分别通过C语言和线性汇编语言编写代码进行优化说明。

C语言优化方式：

数组数据按字节对齐，将数据存放在内存M2中，属性为cache，提高DSP存取数据速度；

（2）DSP编译器提供的优化，#pragma opt_level="O3"，同时使用C语言的内联函数、关键字const等优化方式。

线性汇编优化方法：

（1）SC3850有自带汇编优化方式，DSP地址总线是64位，数据总线是128位，并行指令（VLES）最大数目为6，每个时钟可并行4条数据运算指令（DALU）和2条地址运算指令（AGU）。与此同时，减少堆栈压栈语句。若输入数据量不大，可把数据放在片上RAM缓存区，增快读取数据速度，减少总运行时间。

（2）循环指令loopstart0…loopend0之间尽量不使用跳转指令jf/jt，容易导致死循环。使用指令ift group1（2条指令并行）和iff group2（2条指令并行），同时存取数据使用指令MOVE.2L，而输入输出数据按字节对齐。

（3）插值、信道估计等代码执行的模块放入核1上执行，释放核0的CPU，群延迟一段时间译码，提高系统效率，如图3所示。

图3 双核处理

4 仿真结果分析

为了比较DSP实现结果的方式，仿真采样单发单收的系统，采样率11.2 MHz，OFDM有效子载波数为840，FFT点数为1 024点，CP长度为128两种，帧长2.5 ms，符号个数为24，仿真结果如图4、图5所示。

图4 两种编程方式插值比较

图5 两种插值方法比较

从图4可以看出，汇编语言和C语言进行的时频二维插值效果一致，唯一区别是浮点和定点数据处理不同，汇编效率要提高30%左右。从图5可见，分别使用求和平均和指数平均计算的信道系数效果一致，但求和平均指令简单，一次运算包含一个加法和一个移位指令，指数平均一次运算包含两个乘法和一个加法指令，一个符号840个子载波就要多出840个指令乘法运算的时间。因此，相同的插值效果，选择求和平均更容易实现。

图6显示的信道系数在时域加窗处理后的比较。时域加窗后进行FFT运算、信道系数平滑，波动小，更接近真实信道特性。但是，这样处理后，从频域到时域、时域再到频域两次域的变换，增加了系统复杂度。综合以上几点因素，在设计插值DSP实现方法上，可以选择一阶线性插值和求和平均，不进行变换域加窗处理，工程上易于实现。

DSP平台上使用的两种语言，其单个数据符号所消耗的指令周期，使用DSP自带函数osTickTIme()统计，比较结果如表1所示。

从表1的统计指令周期来看，单个数据符号插值计算，汇编比C语言要快4 065 cycles。一帧长度20个符号，一个数据符号持续时间102 μs，10 MHz带宽汇编计算可以节省时间79.4%，达到81 300 cycles，20 MHz带宽节省时间94.1%，达到96 720 cycles。可见，充分释放了操作系统，可执行其他线程任务，提高运算效率。对于小型基站，低带宽、单核就满足信号处理能力；对于大型基站，高带宽、单核处理能力有些不足。

图6 变换域加窗比较

表1 单个符号插值指令周期统计

5 结 语

从理论分析出发，结合硬件平台特性，研究了WiMAX信道估计插值的DSP实现方法，选择了一阶线性插值方法进行实现。结果表明：从算法复杂度来看，一阶线性插值方法算法简单，耗费的DSP指令周期少，汇编指令执行时间满足信道和系统性能要求，双核执行效率高；从插值效果来看，在实际工程设计中比较容易实现。