TMS320C6416特點(diǎn)及其在3G基站中的應(yīng)用

摘要：TMS320C6416的硬件結(jié)構(gòu)，介紹內(nèi)嵌的兩個(gè)譯碼協(xié)議處理器，給出了其在WCDMA基站上行鏈路中的一個(gè)硬件應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器 3G基站 Vterbi譯碼協(xié)處理器 Turbo譯碼協(xié)處理器

在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)WCDMA和CDMA2000中，為了能提供大容量和高質(zhì)量的語音、可變速率數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)，無線空中接口的傳輸速率在室內(nèi)環(huán)境最高要達(dá)到2Mbit/s，在室外移動(dòng)環(huán)境最高要達(dá)到384kbit/s。因此需要無線基站提供強(qiáng)大的處理能力。TI公司新推出的TMS320C6416是目前處理能力最強(qiáng)大的處理器（DSP），它的主頻高達(dá)600MHz，專門用于設(shè)計(jì)高性能的3G無線基站。本文僅就TMS320C6416的硬件結(jié)構(gòu)及其在3G基站上行鏈路基帶處理中的應(yīng)用做一介紹。

1 TMS320C6416硬件結(jié)構(gòu)

TMS320C6416的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)部包括一個(gè)DSP內(nèi)核、一級(jí)數(shù)據(jù)Cache、一級(jí)程序Cache、二級(jí)存儲(chǔ)器、增強(qiáng)型DMA控制器（EDMA）、Vterbi譯碼協(xié)處理器（VCP）、Turbo譯碼協(xié)處理器（TCP）；對(duì)外接口包括兩個(gè)外部存儲(chǔ)器接口（EMIFA和EMIFB）、主機(jī)接口（HPI）、PCI接口、UTOPIA接口、多通道緩沖串口（McBSP）。

DSP內(nèi)核采用超長(zhǎng)指令字（VLIW）體系結(jié)構(gòu)，有8個(gè)功能單元、64個(gè)32bit通用寄存器。一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)執(zhí)行8條指令，運(yùn)算能力可達(dá)到4800MIPS（每秒百萬條指令），支持8/16/32/64bit的數(shù)據(jù)類型。兩個(gè)乘法累加單元一個(gè)時(shí)鐘周期可同時(shí)執(zhí)行4組16×16bit乘法或8組8×8bit乘法，每個(gè)功能單元在硬件上都增加了附加功能，增強(qiáng)了指令集的正交性。除此之外還增加了一些指令用以削減代碼長(zhǎng)度和增加寄存器的靈活性。TMS320C6416以后版本的主頻可升級(jí)到1.1GHz。

為使數(shù)據(jù)能保持對(duì)超快速DSP內(nèi)核的供給，TMS320C6416采用了兩級(jí)超高速緩存器，即16Kbyte的一級(jí)數(shù)據(jù)Cache、16Kbyte的一級(jí)程序Cache和1024Kbyte的數(shù)據(jù)和程序統(tǒng)一內(nèi)存。為了達(dá)到更大的擴(kuò)展，1024Kbyte內(nèi)存中的256Kbyte存儲(chǔ)空間可設(shè)置用作二級(jí)Cache。

在內(nèi)存和外設(shè)接口（EMIFA接口、EMIFB接口、HPI或PCI接口、McBSP串口、UTOPIA接口等）之間所有的數(shù)據(jù)傳輸都由EDMA來處理。TMS320C6416的EDMA共有64個(gè)通道，每個(gè)通道的優(yōu)先級(jí)都可編程設(shè)置，每個(gè)通道都對(duì)應(yīng)一個(gè)專用同步觸發(fā)事件，使得EDMA可以被外設(shè)來的中斷、外部硬件中斷、其它EDMA傳輸完成的中斷等事件觸發(fā)，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的搬移。EDMA完成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)搬移后，可從通道傳輸參數(shù)記錄指定的鏈接地址處重新加載該通道傳輸參數(shù)。EDMA傳輸完成后，EDMA控制器可以產(chǎn)生一個(gè)到DSP內(nèi)核的中斷，出可以產(chǎn)生一個(gè)中斷觸發(fā)另一個(gè)EDMA通道開始傳輸。

TMS320C6416的存儲(chǔ)器接口提供了到SDRAM、SBSRAM、異步器件如SRAM/ROM等存儲(chǔ)器的無終接口，也可連接到外部I/O器件。存儲(chǔ)器接口有EMIFA和EMIFB，其中EMIFA接口有64bit寬的數(shù)據(jù)總線，可連接64/32/16/8bit的器件；EMIFB接口有16bit寬的數(shù)據(jù)總線，可連接16/8bit的器件。一般情況下，EMIFA接口連接外部存儲(chǔ)器（如SDRAM），EMIFB接口連接外部I/O器件（如FPGA）。

HPI是一個(gè)16/32Bit寬的異步并行接口，外部主機(jī)通過它可直接訪問DSP的地址空間，也可向DSP加載程序。HPI接口支持16bit寬的數(shù)據(jù)總線和32bit寬的數(shù)據(jù)總線兩種模式，兩者均工作在異步從方式。

在TMS320C6416中，增加了一個(gè)PCI接口，使得DSP很容易通過PCI接口無縫連接到一個(gè)具有PCI功能的外部主CPU上。PCI接口符合PCI2.2規(guī)范；具有PCI主/從功能；支持32bit寬的地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線；工作頻率最高為33MHz；外部主機(jī)可通過PCI接口訪問DSP內(nèi)部所有地址空間，向DSP加載程序；DSP也可通過該接口訪問外部PCI存儲(chǔ)空間。PCI接口和HPI接口共用相同的管腳，因此實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)兩者只能選一個(gè)。

在TMS320C6416中，還增加了一個(gè)UTOPIA接口，它支持UTOPIA II規(guī)范，發(fā)送數(shù)據(jù)總線和接收數(shù)據(jù)總線均為8bit寬，工作頻率最高可達(dá)50MHz。UTOPIA接口作為ATM控制器的從方，在ATM層器件和物理層器件之間提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口。由于TMS320C6416內(nèi)部沒有專用的硬件模塊處理ATM適應(yīng)層功能，因此ATM適應(yīng)層功能應(yīng)該由DSP軟件來實(shí)現(xiàn)。

另外，TMS320C6416還有三個(gè)多通道緩沖串口（McBSP），工作頻率最高可達(dá)100MHz。其中McBSP1串口和UTOPIA接口復(fù)用，McBSP2串口和PCI的EEPROM接口復(fù)用，使用時(shí)要注意。

由于TMS320C6416采用了新型芯片制造工藝，I/O電壓為3.3V，內(nèi)核電壓僅為1.2V。當(dāng)時(shí)鐘頻率為600MHz時(shí)，DSP的最大功耗小于1.6W。

2 Viterbi譯碼協(xié)處理器VCP

在WCDMA系統(tǒng)中，語音和低速信令傳輸采用卷積碼。卷積碼譯碼方法有門限譯碼、硬判斷Viterbi譯碼和軟判斷Viterbi譯碼。TMS320C6416中的VCP可進(jìn)行硬判決Viterbi譯碼或辦判決Viterbi譯碼。

VCP的輸入為DSP軟件根據(jù)待譯碼數(shù)據(jù)計(jì)算得到的分支度量。若為硬判決，每個(gè)輸出符號(hào)用1bit表示；若為軟判決，每個(gè)輸出符號(hào)用16bit表示，VCP也計(jì)算Vterbi譯碼的質(zhì)量指示Yamamoto比特。VCP的可編程參數(shù)包括：約束長(zhǎng)度K（5、6、7、8、9）、編碼速率r(1/2、1/3、1/4)、編碼器生成多項(xiàng)式、編碼塊長(zhǎng)度F、是否使用滑窗及滑窗參數(shù)（可靠程度R、收斂長(zhǎng)度C）、硬判決還是軟判決、計(jì)算狀態(tài)矩陣的初始條件、質(zhì)量指示Yamamoto比特門限等。

VCP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中EDMA接口包含譯碼輸入數(shù)據(jù)FIFO和輸出數(shù)據(jù)FIFO；存儲(chǔ)單元包含存儲(chǔ)器內(nèi)部狀態(tài)矩陣和判決的回溯路徑；運(yùn)算單元根據(jù)輸入分支度量進(jìn)行加、比較、選擇運(yùn)算和回溯；VCPINT為VCP譯碼完成后到DSP內(nèi)核的中斷；VCPXEVT觸發(fā)EDMA通道29，搬移VCP的可編程配置參數(shù)或待譯碼數(shù)據(jù)的分支度量到VCP內(nèi)部寄存器或內(nèi)部輸入FIFO；VCPREVT觸發(fā)EDMA通道28，從VCP輸出FIFO搬移譯碼結(jié)果到DSP內(nèi)部或外部存儲(chǔ)區(qū)。

DSP協(xié)同VCP進(jìn)行譯碼處理的過程如下：

（1）DSP初始化輸入緩沖區(qū)。DSP根據(jù)待譯碼數(shù)據(jù)預(yù)先計(jì)算其分支度量（分支度量的計(jì)算見參考文獻(xiàn)[5]），并寫入指定的緩沖區(qū)。

（2）DSP分配輸出緩沖區(qū)，準(zhǔn)備存儲(chǔ)譯碼結(jié)果。

（3）準(zhǔn)備VCP的寄存器配置參數(shù)。這些參數(shù)首先準(zhǔn)備好放在DSP的內(nèi)存或外存，當(dāng)VCP啟動(dòng)時(shí)由EDMA寫入VCP內(nèi)部寄存器。

（4）設(shè)置EDMA參數(shù)。設(shè)置EDMA通道29參數(shù)，由VCPXEVT觸發(fā)，搬移VCP配置參數(shù)到VCP內(nèi)部寄存器，搬移待譯碼數(shù)據(jù)的分支度量到VCP內(nèi)部輸入FIFO；設(shè)置EDMA通道28參數(shù)，由VCPREVT觸發(fā)，從VCP輸出FIFO搬移VCP譯碼結(jié)果到DSP指定的輸出緩沖區(qū)。

（5）使能EDMA。使能EDMA通道28和29，使其可以響應(yīng)VCPXEVT和VCPREVT同步觸發(fā)事件。

（6）啟動(dòng)VCP。DSP寫“開始”命令到VCP內(nèi)部的命令寄存器（VCPEXE），這會(huì)使VCP生成VCPXEVT事件，觸發(fā)EDMA通道29，搬移配置參數(shù)和待譯碼數(shù)據(jù)的分支度量到VCP。

（7）處理VCP譯碼結(jié)果。VCP譯碼完成后會(huì)觸發(fā)EDMA，由EMDA通道28搬移譯碼結(jié)果到DSP指定的輸出緩沖，還會(huì)產(chǎn)生到DSP內(nèi)核的中斷。DSP應(yīng)響應(yīng)這個(gè)中斷，對(duì)譯碼結(jié)果進(jìn)行處理。

VCP的工作頻率為150MHz，最大可處理558路7.95 ARM語音信道。對(duì)于3G ARM 12.2K語音信道，約束長(zhǎng)度為9，編碼速率為1/3，編碼數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為81，當(dāng)信噪比SNR為1dB時(shí)譯碼結(jié)果的誤碼率BER為1.00E-02，當(dāng)信噪比SNR為3.25dB時(shí)譯碼結(jié)果的誤碼率BER為1.00E-05。

3 Turbo譯碼協(xié)處理器TCP

在WCDMA、CDMA2000系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸采用Turbo碼。Turbo譯碼算法包括軟輸出Viterbi算法（SOVA）、最大后驗(yàn)概率算法（MAP）。TMS320C6416中的TCP中采用的是MAX*-LOG-MAP譯碼算法。

TCP執(zhí)行的譯碼算法是一種迭代MAP算法，原理框圖如圖3所示。第一個(gè)MAP譯碼器接收信息比特R0和校驗(yàn)比特R1，產(chǎn)生的軟輸出A1e進(jìn)行交織作為對(duì)先驗(yàn)概率的改進(jìn)估計(jì)，輸入到第二個(gè)MAP譯碼器中。第二個(gè)MAP譯碼器還同時(shí)輸入接收信息序列的交絞序列/RO和校驗(yàn)比較序列R2，譯碼產(chǎn)生的軟輸出A2e進(jìn)行解交織并作為第一個(gè)MAP譯碼器的先驗(yàn)概率，這樣反復(fù)進(jìn)行，成為迭代譯碼。經(jīng)過多次迭代后，對(duì)第二個(gè)MAP譯碼器的輸出結(jié)果A2進(jìn)行解交織和硬判決，作為Turbo譯碼器的譯碼結(jié)果。

TCP有兩種譯碼模式，當(dāng)編碼塊長(zhǎng)度大小等于5114時(shí)，TCP完成MAP算法和整個(gè)迭代過程，直接輸出譯碼硬判決結(jié)果；當(dāng)編碼塊長(zhǎng)度大于5114（僅對(duì)CDMA2000而言）時(shí)，TCP僅完成MAP算法，多次迭代、交織、解交織和硬判決由DSP軟件來完成。對(duì)WCDMA系統(tǒng)而言，編碼塊長(zhǎng)度小于等于5114，此時(shí)TCP完成整個(gè)譯碼過程。

待譯碼數(shù)據(jù)的系統(tǒng)信息位和校驗(yàn)位必須由DSP進(jìn)行8比特量化處理。8比特中第一位為符號(hào)位，接著四位是整數(shù)位，最后三位為小數(shù)位（具體計(jì)算見參考文獻(xiàn)[2]）。量化后才能輸入到TCP進(jìn)行譯碼。TCP譯碼后每個(gè)輸出符號(hào)用1bit表示。TCP的可編程配置參數(shù)包括：編碼速率r(1/3、1/4)、編碼塊長(zhǎng)度F、譯碼模式選擇、最大迭次數(shù)、停止迭代的信噪比（SNR）門限等。DSP輸入到TCP的數(shù)據(jù)還包括Turbo碼交織表。

TCP的結(jié)構(gòu)框圖和VCP的結(jié)構(gòu)框圖類似，如圖4所示。輸入數(shù)據(jù)（待譯碼數(shù)據(jù)、配置參數(shù)、交織表）都由EDMA通道31輸入到TCP內(nèi)，EDMA通道31由TCP發(fā)出的同步事件TCPXEVT觸發(fā)；譯碼結(jié)果由EDMA通道30從TCP內(nèi)搬移到DSP指定的存儲(chǔ)區(qū)，EDMA通道30由TCP發(fā)出的同步事件TCPREVT觸發(fā)；TCP譯碼完成后也生成一個(gè)到DSP內(nèi)核的中斷TCPINT。

DSP協(xié)同TCP進(jìn)行譯碼處理的過程和VCP類似，具體過程如下：

（1）DSP初始化輸入緩沖區(qū)。DSP對(duì)待譯碼數(shù)據(jù)進(jìn)行8bit量化并寫放指定緩沖區(qū)，Turbo碼交織表也寫入指定緩沖區(qū)。

（2）DSP分配輸出緩沖區(qū)，準(zhǔn)備存儲(chǔ)結(jié)果。

（3）準(zhǔn)備TCP的寄存器配置參數(shù)，TCP啟動(dòng)后由EDMA寫入TCP內(nèi)部寄存器。

（4）設(shè)置EDMA參數(shù)。設(shè)置EDMA通道30、31參數(shù)，由TCP的兩個(gè)同步事件觸發(fā)，控制EDMA向TCP輸入數(shù)據(jù)和從TCP輸出譯碼結(jié)果。

（5）使能EDMA。使能EDMA通道30和31，使其可以響應(yīng)TCPXEVT和TCPREVT同步觸發(fā)事件。

（6）啟動(dòng)TCP。DSP寫“開始”命令到TCP內(nèi)部命令寄存器，這會(huì)使TCP生成TCPXEVT事件，觸發(fā)EDMA通道31，搬移待譯碼數(shù)據(jù)、交織表、寄存器配置參數(shù)到TCP。

（7）處理TCP譯碼結(jié)果。TCP譯碼完成后會(huì)觸發(fā)EDMA通道30輸出譯碼結(jié)果，還會(huì)產(chǎn)生到DSP內(nèi)核的中斷。DSP響應(yīng)這個(gè)中斷，對(duì)譯碼結(jié)果進(jìn)行處理。

TCP的工作頻率為300MHz，最大可處理29路384K數(shù)據(jù)信道；對(duì)編碼速率1/3、編碼塊長(zhǎng)度為3840的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行6次迭次譯碼所需時(shí)間為0.3ms。對(duì)于編碼速率1/3、編碼塊長(zhǎng)度為1400的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行8次迭代譯碼，當(dāng)信噪比SNR為0.8dB時(shí)譯碼結(jié)果的誤碼率BER為1.00E-04，當(dāng)信噪比SNR為1.6dB時(shí)譯碼結(jié)果的誤碼率BER為5.00E-08。

4 TMS320C6416在WCDMA基站上行鏈路基帶處理中的應(yīng)用

TMS320C6416在WCDMA基站上行鏈路基帶處理中的應(yīng)用方案如圖5所示。在該方案中，經(jīng)過射頻接收、A/D轉(zhuǎn)換、中頻處理后的數(shù)據(jù)送到FPGA/ASIC，F(xiàn)PGA/ASIC完成碼片速率級(jí)處理如RAKE接收等；然后送到DSP，DSP（TMS320C6416）主要進(jìn)行符號(hào)速率級(jí)算法處理，如第二次解交織、物理信道合并、傳輸信道解復(fù)用、解速率匹配、合并無線幀、第一次解交織、Viterbi譯碼/Turbo譯碼、去CRC校驗(yàn)比特、FP幀組成等。外部主CPU完成信令面協(xié)議的處理，同時(shí)控制整個(gè)單板。

DSP的16bit寬的EMIFB異步接口連接到FPGA/ASIC，用來控制FPGA/ASIC并讀取解調(diào)后的數(shù)據(jù)；DSP的HPI接口連接到外部主CPU，外部主CPU通過HPI下發(fā)信道的建立、刪除等命令；DSP的64bit寬的EMIFA接口連接到一個(gè)外部SDRAM，用來緩存處理過程中的中間數(shù)據(jù)；UTOPIA接口連接到接口電路，把FP幀轉(zhuǎn)換成ATM信元進(jìn)而送到RNC進(jìn)行上層業(yè)務(wù)處理。

在WCDMA系統(tǒng)中，移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)通過空中接口到達(dá)無線基站。在基站中經(jīng)過射頻接收、中頻處理、RAKE接收，然后進(jìn)行信道解復(fù)用、解交織和Viterbi/Turbo譯碼處理。在沒有采用TMS320C6416的系統(tǒng)中，兩種譯碼可以由DSP軟件來實(shí)現(xiàn)，但這會(huì)大大降低DSP處理其它業(yè)務(wù)的能力；譯碼也可以由外部FPGA/ASIC硬件實(shí)現(xiàn)，但這會(huì)增加單板器件的密度和功耗。TMS320C6416除了具有比一般DSP更強(qiáng)大的處理能力外，內(nèi)部還集成了一個(gè)Viterbi譯碼處理器和Turbo譯碼協(xié)處理器，提供的符號(hào)率處理性能幾乎是TMS320C6203的十幾倍，因此TMS320C6416十分適合3G基站基帶符號(hào)速率級(jí)處理。

TMS320C6203現(xiàn)已用在大多數(shù)無線設(shè)備制造商的3G基站設(shè)計(jì)中。為了在低功耗和低成本下具有更大的通道密度，這些廠商需重新設(shè)計(jì)他們的設(shè)備。而TMS320C6416目標(biāo)代碼與TMS320C6203兼容，軟件移值方便，再加上TMS320C6416具有的強(qiáng)大處理能力和低功耗特性，目前已有很多無線設(shè)備制造商打算在3G基站設(shè)計(jì)中采用TMS320C6416。