加速超寬帶無線通信系統(tǒng)的定點(diǎn)設(shè)計(jì)

超寬帶(OFDM UWB信號(hào)創(chuàng)建工具 target=_blank>UWB)無線技術(shù)即將取*公室和家中的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。UWB技術(shù)未來能以每秒數(shù)百兆位的速度將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)公尺遠(yuǎn)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包含了數(shù)字相機(jī)與計(jì)算機(jī)間的傳輸，以及DVD與高清電視(HDTV)之間的傳輸?shù)取?/p>本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/155610.htm

　　UWB的傳輸距離主要是受到低功率與高數(shù)據(jù)傳輸率的限制，這對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)來說，絕對(duì)是一項(xiàng)嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。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(diǎn)設(shè)計(jì)在權(quán)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(diǎn)字長嚴(yán)重影響硬件大小與成本，例如，乘法運(yùn)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(shù)點(diǎn)位置也嚴(yán)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(diǎn)設(shè)計(jì)不但深具挑戰(zhàn)性，也十分費(fèi)時(shí)，一般來說約占總開發(fā)時(shí)間的25%至50%。本文主要介紹利用專門為UWB技術(shù)開發(fā)的Simulink來開發(fā)定點(diǎn)(Fixed-point)設(shè)計(jì)。同時(shí)，也討論了加速設(shè)計(jì)流程的相關(guān)技巧。

　　模型架構(gòu)

　　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(chǔ)，后續(xù)的相關(guān)提案并沒有改變其核心技術(shù)。

　　該提案建議支持55~480Mbps范圍內(nèi)的七種數(shù)據(jù)速率，但最高的強(qiáng)制數(shù)據(jù)率是200Mbps。在這個(gè)模式下，OFDM信號(hào)的發(fā)射采用跳頻方式。對(duì)于200Mbps的最高強(qiáng)制數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)準(zhǔn)所采用。

　　圖1所示模型中的每個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都包括三個(gè)部份：二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理、數(shù)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(shù)字基帶處理中的定點(diǎn)設(shè)計(jì)部份。其余部分都是為了輔助測試，以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)模型，用來幫助快速*估定點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)端到端鏈路性能的影響。

　　OFDM發(fā)射機(jī)

　　如圖2所示的發(fā)射機(jī)子系統(tǒng)是將QPSK符號(hào)的載荷轉(zhuǎn)換成發(fā)送到發(fā)射機(jī)前端的一個(gè)大的OFDM符號(hào)幀(每幀165個(gè)取樣)。

　　位于圖中左邊的模塊負(fù)責(zé)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型。事實(shí)上，這一操作并不存在，而是由QPSK調(diào)制器將進(jìn)來的數(shù)據(jù)位直接轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)數(shù)據(jù)，位于系統(tǒng)輸出端的轉(zhuǎn)換模塊則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)(就這一點(diǎn)而言，可以將其看作為一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器)。

　　以橘色標(biāo)記的功能塊為IFFT和增益模塊，負(fù)責(zé)執(zhí)行定點(diǎn)算法；其余的模塊負(fù)責(zé)對(duì)定點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組。圖中對(duì)UWB模型用色彩全部加亮，目的是幫助人們能夠快速地識(shí)別出究竟是哪些模塊參與了定點(diǎn)處理。

　　圖1：用于開發(fā)定點(diǎn)設(shè)計(jì)的Simulink模型頂層示意圖

　　圖2：OFDM發(fā)射機(jī)方框圖

　　OFDM接收機(jī)

　　在圖3所示的OFDM接收機(jī)中，相對(duì)于發(fā)射機(jī)而言，包含了比較多的信號(hào)處理功能，因而包含了更多的定點(diǎn)運(yùn)算。此接收機(jī)中需要以下四種算法，即循環(huán)處理、快速傅里葉變換、信道估計(jì)/補(bǔ)償、時(shí)域解擴(kuò)。其中，循環(huán)處理、信道估計(jì)、和信道補(bǔ)償是降低多徑傳播影響的必要方法。

　　圖3：OFDM接收機(jī)方框圖

　　圖4給出了信道估計(jì)與補(bǔ)償子系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)了一種簡單且低成本的相位補(bǔ)償(對(duì)于更復(fù)雜的方案，則利用信道的頻率相關(guān)性來減小噪聲的均值)。系統(tǒng)中沒有對(duì)OFDM各頻率上的振幅變化進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)檫@樣的方法會(huì)耗費(fèi)非常龐大的運(yùn)算資源，而且對(duì)QPSK而言也沒有必要。同時(shí)，該系統(tǒng)避免了復(fù)數(shù)除法運(yùn)算，也確保除法結(jié)果具有較小的變化范圍。

　　圖4：信道估計(jì)和補(bǔ)償

　　上述這些考慮是定點(diǎn)設(shè)計(jì)中最重要的預(yù)備階段。在處理字長和量化之前，需要一個(gè)浮點(diǎn)基準(zhǔn)(或稱為黃金參考)，用作為鏈路性能的上界。