TD-LTE系统中数据转存技术的研究及实现*

陈发堂，叶 剑

(重庆邮电大学，重庆 400065)

TD-LTE无线终端测试平台以FPGA+DSP+ARM为核心，TD-LTE系统中下行基带OFDM信号生成在FPGA中处理。考虑到FPGA要处理其他算法和逻辑控制，且内部存储器容量有限，所以大容量的基带OFDM信号生成后，需要应用DDR2 SDRAM存储，然后通过射频发送。下行物理信道的一般处理流程如图1所示[1]。

图1所示为下行物理信道的基带信号生成一般流程：首先，将物理信道上传输的每一个码字中的编码比特进行加扰、调制、层映射、预编码后生成复值调制符号，其次将其映射到资源粒子上，最后在每一个天线端口上产生时域OFDM基带信号。

图1 下行物理信道处理一般流程

以前的文献大多以研究DDR2 SDRAM内部指令处理和对接口信号完整性及内部结构进行分析为主，文献[2]主要针对后期流水线视频处理的DDR2 SDRAM控制器的设计，而在TD-LTE系统中DDR2 SDRAM控制器设计及优化的文献资料较少。本文以TD-LTE无线综合测试仪为平台，以研究DDR2 SDRAM控制器的设计为基础，实现DDR2 SDRAM正确转存大容量数据，并验证调试及优化。

1 系统框架

图2 TD-LTE物理层开发平台中FPGA应用框架

在TD-LTE无线终端综合测试仪的基带板设计中，ARM支持的接口比较丰富，主要用于完成操作系统及协议、应用等功能；DSP芯片实现配置功能，完成物理层流程及主要算法，充分发挥其寻址方式灵活、通信机制强大的优点；由FPGA芯片并行处理数据量大、重复性强、速度要求高的数字信号。TDLTE物理层开发平台中FPGA应用框架如图2所示。

根据系统结构中的逻辑任务划分，Turbo译码、同步控制、解预编码、Viterbi译码、OFDM基带信号生成和系统定时等算法都在FPGA中完成，内部运用高级高性能总线（AHB）实现各个模块连接。本文主要研究网络端下行发送链路中DDR2 SDRAM的应用。首先，DSP发送资源映射后的数据，经过多通道缓冲串口（McBSP）发送给FPGA，在FPGA内部，按照TMS320C6455芯片的McBSP协议，利用Verilog HDL语言模拟一个McBSP接口，完成数据接收；然后，调用 IFFT模块生成基带信号，DDR2控制器模块控制基带信号写入DDR2 SDRAM；最后，在控制读出使能信号拉高后，从DDR2 SDRAM中控制读出，传送到RF控制模块，数据经过数/模转换，从射频发送出去，这样就完成了下行OFDM基带信号的发送流程。从射频接收数据，完成解基带信号过程，数据接收过程与发送基带信号类似，只是数据传输方向相反。

2 DDR2 SDRAM控制器的设计

2.1 DDR2 SDRAM特性

DDR2 SDRAM是JEDEC规范的一种新型高速率、大容量的双速率同步随机存储器，在时钟上升沿和下降沿，同时进行数据的传输。DDR2 SDRAM虽然具有高带宽、低功耗和大容量特性，但对于控制器接口设计的时序和延迟提出了更高的要求，使接收端的时序调整和信号完整性分析更加困难。DDR2 SDRAM支持如下特性：

(1)片内匹配终结(On-Die-Termination)。采用ODT技术将许多外部的匹配电阻移到芯片内部，不仅节省了大量的PCB板上面积，而且可以避免信号间的干扰。

(2)突发长度(BL)为 4或 8。突发长度(BL)是指在同一行中相邻的存储单元(列)连续数据传输的数量。DDR2 SDRAM的读/写访问是基于突发的，支持长度为4和8的突发长度。

(3)列地址选通（CAS）时延。DDR2 SDRAM支持 3、4、5的CAS时延（CL）。CL是读指令和输出数据的第一个输出比特之间的时钟延迟。

(4)Bank管理。FPGA芯片内部不同的Bank一般具有不同的电气特性。良好的Bank管理有利于资源的有效利用。

2.2 DDR2 SDRAM接口设计

DDR2 SDRAM控制器结构主要包括用户接口、控制模块、数据通道、时钟/复位模块及时延控制模块，其结构如图3所示[3]。

图3 DDR2 SDRAM控制器总体结构

用户接口模块中，主要包括指令逻辑模块、读/写地址FIFO、读/写数据FIFO等模块[5]。其中，对DDR2 SDRAM读/写操作的转换由指令逻辑模块完成。读/写数据FIFO和读/写地址FIFO用来完成数据的缓冲和同步。

控制模块产生DDR2存储接口和用户接口所需的所有控制信号，控制操作由DDR2 SDRAM的内部控制信号完成。控制信号主要包括ddr2_ras_n行地址选择[2]、ddr2_cas_n列地址选择、ddr2_we_n写使能信号等指令。通过各种指令的组合完成相应的指令，控制DDR2 SDRAM在各种状态间跳转，完成相应的读/写操作和其他操作。

数据通道模块主要完成与用户接口及DDR2 SDRAM之间的数据交互。控制模块翻译用户指令，对存储器触发特定的指令。例如，当app_af_cmd信号为000时，翻译为写指令，从用户接口进入的输入数据，通过写通道写入DDR2 SDRAM存储器中。类似地，当app_af_cmd信号为001时，翻译为读指令，DDR2 SDRAM存储的数据依次通过读通道、用户接口的输出数据端口读出。

时钟/复位模块输入的系统时钟是差分时钟，差分时钟通过一个单端输出的缓存器，输出的是相位相差90°的clk0和 clk90，输出的复位信号至少持续 25个时钟[4]。时延控制模块的主要作用是减小温度、电压变化造成时钟/复位信号不稳定的影响。

3 硬件实现及优化

3.1 测试仿真

首先，利用 CORE Generator生成设计需要的MIG核，选择好芯片型号，封装和速度等级分别设定为ff136和-2，突发长度为4。在MIG基本应用的基础上开发顶层程序，根据TD-LTE无线综合测试仪下行传输大容量基带信号的设计要求，设计DDR2 SDRAM控制器。对DDR2 SDRAM数据写入仿真波形如图4所示。

图4是在Modelsim SE 6.5中截取的数据写入的仿真图，当state处于0001状态，同时WRITE_EN拉高后，app_af_cmd信号为000，表明可以向DDR2 SDRAM中写入数据，地址信号app_af_addr每次累加4，数据信号app_wdf_data交替发送测试数据 0xedcb5432和0x1234abcd，数据通过FPGA和DDR2 SDRAM之间的双向数据线ddr2_dq写入到DDR2 SDRAM中。

3.2 综合实现

在Modelsim SE 6.5中完成测试仿真，当测试仿真准确无误后，完成综合实现，生成的比特文件下载到FPGA芯片中，进行板级调试与验证。通过在线逻辑分析仪，观测到的DDR2 SDRAM控制器读/写时序如图5、图6所示。

图5是在Chipscope中截取的一段DDR2 SDRAM写操作的时序图。在写使能信号触发的条件下，app_wdf_wren信号拉高，同时app_af_cmd信号为000指示写操作，在app_af_wren的上升沿写入地址，由于BL=4，地址每次累加 4，“X”和“O”竖线分别对应的是第一、二个 32 bit的数据（即 4个16 bit数据），每个地址对应4个16 bit数据。由于选用的DDR2 SDRAM具有2GB的存储空间，每一个TD-LTE下行帧的IFFT数据存储完就发送一次，数据量小于2GB，不用考虑会溢出的情况。

图6是在Chipscope中截取的一段DDR2 SDRAM读操作的时序图。在读使能信号触发的条件下，app_af_wren信号拉高，同时app_af_cmd信号为001指示读操作，每一个时钟沿写入一个读地址，每次地址累加4，在一段时延后，rd_data_valid信号拉高，指示有效数据输出，rd_data_fifo_out输出端口上依次输出对应地址的数据。“O”竖线处的数据对应的就是“X”竖线处地址的第一个32 bit数据，也就是图5中写入的第一个数据。

图4 DDR2 SDRAM数据写入仿真波形

图5 DDR2 SDRAM数据写入时序图(BL=4)

图6 DDR2 SDRAM数据读出时序图(BL=4)

3.3 设计优化

针对DDR2 SDRAM控制器验证调试时出现的异常/错误现象进行优化和改进：

(1)时钟触发不稳定。TD-LTE系统设计中，内部模块较多，由DSP提供一个100 MHz时钟作为多个模块的时钟，造成时钟触发不稳定，影响数据采样的稳定。

优化方案：在时钟触发不稳定的模块前，增加一个数字时钟管理模块（DCM），达到稳定时钟、精确数据采样的目的。

(2)不同时钟域之间数据传输。由于IFFT模块也在FPGA中完成，而IFFT模块的输出时钟和DDR2 SDRAM控制器输入时钟频率相位不同，造成数据采样的错误。

优化方案：在IFFT模块和DDR2 SDRAM控制器模块之间增加一个异步FIFO模块，这样OFDM基带信号就能正确写入到DDR2 SDRAM中。

(3)抖动现象。由于实际板子的影响，按下硬件信号复位时，发生了明显的抖动现象。

优化方案：在代码编写过程中，增加了去抖动程序，使代码更加优化。例如高电平复位时，将复位信号扩展为10个全为1的比特（10’h3ff）进行判断。

4 性能分析与结论

DDR2 SDRAM设计使用Xilinx公司的高性能软件ISE10.1[6]，选择芯片为Xilinx公司Virtex-5系列的XC5SX95T(speed-2)，DDR2 SDRAM的型号为MT47H128M16,2GB存储空间。综合实现时，利用Synplify Pro 9.6.1进行逻辑优化后，运行的最大时钟频率为281.021 MHz，按照本文的设计实现方法，资源占用量得到很大程度的减少，因而资源占用情况已比较合理，详细资源利用情况如表1所示。

表1 DDR2 SDRAM控制器资源利用情况

从基带板调试验证的结果看，大容量的OFDM基带信号存储到DDR2 SDRAM中，不仅节省了芯片内部的RAM存储空间，而且大大提高了数据处理速度和精度。读/写操作的实现是由DDR2 SDRAM控制器内部控制的，从写入数据和读出数据的一致性看，DDR2 SDRAM控制器的设计满足要求，为下一步数据的正确处理提供了可靠保证。该设计实例提供了仿真及实现具体流程，对于大容量高速高性能系统开发具有良好的参考和应用价值。

[1]3GPP TS 36.211 v9.0.0：Physical Channnels and Modulation(Release 9).2009(12).

[2]Wang Xuzhi，Ma Yanru.Design of DDR2 SDRAM Controller for Video Post Processing Pipeline[C].2009(12).

[3]Chen Shuangyan，Wang Donghui.An Innovative Design of the DDR/DDR2 SDRAM Compatible Controller[C].2005(10).

[4]Xilinx Memory Interface Generator(MIG)User Guide[M].UG086(v2.1).2008(9).

[5]须文波,胡丹.DDR2 SDRAM控制器的 FPGA实现[J].江南大学学报，2006(4).

[6]胡彬.Xilinx ISE Design Suite 10.x FPGA开发指南-逻辑设计篇[M].北京：人民邮电出版社，2008.