加速超寬帶無線通信系統的定點設計 - 全文
超寬帶(OFDM UWB信號創建工具" target=_blank>UWB)無線技術即將取*公室和家中的高速數據傳輸網絡。UWB技術未來能以每秒數百兆位的速度將數據傳送至數公尺遠,其主要應用領域包含了數字相機與計算機間的傳輸,以及DVD與高清電視(HDTV)之間的傳輸等。
UWB的傳輸距離主要是受到低功率與高數據傳輸率的限制,這對硬件實現來說,絕對是一項嚴苛的挑戰。然而,UWB在市場上的成功與否又依賴于低成本,即使是短短幾公尺的傳輸距離差距或小額的成本差異,都將決定UWB的成敗。
定點設計在權衡UWB傳輸范圍和成本之間的折衷方面,具有舉足輕重的地位。首先,定點字長嚴重影響硬件大小與成本,例如,乘法運算所使用到的硅片面積大致與字長的平方成正比。第二,字長和小數點位置也嚴重影響到通信鏈路上信噪比性能,如果將信噪比提升1dB,則覆蓋距離將有望提升25%。
不過,定點設計不但深具挑戰性,也十分費時,一般來說約占總開發時間的25%至50%。本文主要介紹利用專門為UWB技術開發的Simulink來開發定點(Fixed-point)設計。同時,也討論了加速設計流程的相關技巧。
模型架構
本文采用的模型是以2003年9月提交給IEEE802.15.3a的OFDM UWB提案為基礎,后續的相關提案并沒有改變其核心技術。
該提案建議支持55~480Mbps范圍內的七種數據速率,但最高的強制數據率是200Mbps。在這個模式下,OFDM信號的發射采用跳頻方式。對于200Mbps的最高強制數據速率以及OFDM跳頻模式,都采用本文中的模型來捕獲物理層信道。
多頻OFDM在很多方面都非常類似IEEE802.11a/g的WLAN物理層標準;因此,將已有的802.11a模型改造成文中的UWB模型(如圖1所示)。改造的模型中也包含Intel的UWB信道MATLAB代碼,此模型已被IEEE802.15.3a標準所采用。
圖1所示模型中的每個發射機和接收機都包括三個部份:二進制數據處理、數字基帶處理、模擬前端和信道的基帶模型。其中,本文主要討論數字基帶處理中的定點設計部份。其余部分都是為了輔助測試,以構成一個完整的系統模型,用來幫助快速*估定點設計對端到端鏈路性能的影響。
OFDM發射機
如圖2所示的發射機子系統是將QPSK符號的載荷轉換成發送到發射機前端的一個大的OFDM符號幀(每幀165個取樣)。
位于圖中左邊的模塊負責將信號轉換為定點數據類型。事實上,這一操作并不存在,而是由QPSK調制器將進來的數據位直接轉換成定點數據,位于系統輸出端的轉換模塊則將數據轉換為雙精度浮點數據(就這一點而言,可以將其看作為一個D/A轉換器)。
以橘色標記的功能塊為IFFT和增益模塊,負責執行定點算法;其余的模塊負責對定點數據進行重組。圖中對UWB模型用色彩全部加亮,目的是幫助人們能夠快速地識別出究竟是哪些模塊參與了定點處理。
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圖1:用于開發定點設計的Simulink模型頂層示意圖
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圖2:OFDM發射機方框圖
OFDM接收機
在圖3所示的OFDM接收機中,相對于發射機而言,包含了比較多的信號處理功能,因而包含了更多的定點運算。此接收機中需要以下四種算法,即循環處理、快速傅里葉變換、信道估計/補償、時域解擴。其中,循環處理、信道估計、和信道補償是降低多徑傳播影響的必要方法。
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圖3:OFDM接收機方框圖
圖4給出了信道估計與補償子系統。它實現了一種簡單且低成本的相位補償(對于更復雜的方案,則利用信道的頻率相關性來減小噪聲的均值)。系統中沒有對OFDM各頻率上的振幅變化進行補償,因為這樣的方法會耗費非常龐大的運算資源,而且對QPSK而言也沒有必要。同時,該系統避免了復數除法運算,也確保除法結果具有較小的變化范圍。
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圖4:信道估計和補償
上述這些考慮是定點設計中最重要的預備階段。在處理字長和量化之前,需要一個浮點基準(或稱為黃金參考),用作為鏈路性能的上界。
浮點基準
對于任何子系統乃至整個模型,Simulink的數據型交疊功能能夠直接實現定點和浮點數據之間的轉換。對應于浮點參考基準,將信道信噪比設定為較高的值(60dB),這樣可以排除對符號失真的定點影響。圖5所示為UWB系統仿真的兩個結果:1. 所有三個子帶上的基帶等效接收信號功率譜;2. 信道相位估計和補償之后的信號星座圖。
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圖5:基于Simulink模型的UWB仿真結果
功率譜(圖5a)中的DC零點是由OFDM傳輸引起的,而頻譜的其余部分則基本與多徑信道的選頻衰落特性相一致。在OFDM頻率上的動態范圍大約為30dB,這在相位補償信號對消的幅度擴展圖中也可看出。一個干凈的X形星座圖形則表示近乎理想的相位補償。
定點設計方法
下一個重要的步驟,就是為系統中每一個定點運算模塊設定字長和量化;字長和量化共同限制了信號的動態范圍。如果設計不好,將會造成溢出和下溢,從而降低鏈路性能。因此,在定點設計分析中最重要的一項指標就是信號的動態范圍。
在UWB定點設計中采用了下列方法:1. 將系統設計成符合信號處理的次序,使得浮點交疊能夠用于后續的子系統;2. 對于給定算法的子系統或模塊:先啟動浮點交疊功能,分析輸出信號的動態范圍;調整字長和量化,使溢出和下溢最小;解除浮點交疊功能,重新檢查動態范圍,*估對聯性能的影響。
該過程是不斷反復的過程,工作流既冗長又耗時。為了加速這個過程,使用MATLAB來進行動態范圍圖形化分析,詳情如下所述。
以發射機設計為例
在UWB模型中,建立了一個模塊,該模塊將信號直接輸出到直方圖中,這是一個信號動態范圍可視化分析的極好方法。如圖2所示,此模塊(標有“定點分析”)被連接到發射機增益放大級的輸出端。圖6給出了浮點基準的直方分析圖,包括同相和正交兩種情況。根據比特位數,或者字長,動態范圍刻度用以2為底的對數來表示比較實用。
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圖6:OFDM發射機輸出直方圖:浮點基準
除了0值采樣(圖中顯示為2-15)以外,99.9%的時間里,信號強度都介于2-13至22,因此該信號用16位來表示就已足夠。90dB這么大的動態范圍在OFDM里相當普遍,實質上隨機信號經過IFFT(中心極限定理)的結果就是這樣大。
對于將溢出和下溢控制到最小來說,這個分析模塊會自動估計2-14或許是一個最佳的量化因子(scaling factor)。以此估計為基礎,對于發射機中所有算法模塊,將初始字長設置到16位,量化因子設為2-14。首先明確設定輸入信關模塊的定點參數值,然后選擇發射機其它運算模塊的定點參數與輸入相同(Same as input)。同時,在接收機子系統中保留浮點交疊功能,以便隔離或定位發射機設計中的潛在問題。
圖7給出了直方分布圖以及相位補償信號對消后的星座圖。請注意和圖5的浮點基準相比,圖7b所示的星座圖有點失真。直方分布圖中顯示出飽和值為2(直方圖中虛線代表浮點基準,而柱干則代表定點結果)。雖然高功率發射的時間只有1%左右,但這足以(具有很高概率)在128點接收機FFT輸出端上引起很大的失真。
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圖7:量化因子為2-14時的量化處理結果
因此我們需要增加1~2位的量化,但是這對于放大級輸出的小信號將會增加誤差,不過該影響應該很小,因為當發射信號小于2-10時,就會淹沒于信道噪聲中。圖8顯示了將量化設為2-12時的改進結果。
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圖8:改善后的量化因子為2-12時的量化處理結果
偏重于信號范圍的高端并非總是正確的方法。因為有時候小信號也起著關鍵的作用,例如在信道估計和補償算法中。關鍵是設置定點量化值需要一些技巧,尤其是字長較短時。自動計算工具可以提供粗略的估計,不過細調則需要可視化與經驗的結合。接下來的步驟包括分析發射機中單個模塊的輸出信號的動態范圍,細調模塊的定點設置,并將這些技術轉用到接收機中。
應用在較短的字長
一開始,對于整個系統采用了16位字長來逐步逼近設計,然后將掌握的技巧應用到較短字長。例如,當我們更關注溢出時(一般狀況下皆為如此),此時,對于不同的字長來說,小數點以上的數據位數趨于類似。使用這里討論的工具和方法,可以設計出一個10位的UWB系統,每位錯誤率為0.1%,而且相對于浮點基準,信噪比僅僅降低0.5dB。
采用MATLAB工作變量和選擇工具,可以實現不同的定點設計之間的快速切換。我們也能夠編寫簡單的MATLAB程序來實現一系列不同的字長和信道條件下的仿真。實際上,本文所討論的如何在一個UWB無線通信系統中加速定點設計的技巧,也可以用來處理芯片面積(或功耗)和無線覆蓋距離之間的所有重要折衷。
- 第 1 頁:加速超寬帶無線通信系統的定點設計
- 第 2 頁:浮點基準
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( 發表人:大本 )