數(shù)字WCDMA系統(tǒng)數(shù)字頻域干擾抵消器方案設(shè)計，硬件架構(gòu)

項目背景及可行性分析

1．項目名稱、項目的主要內(nèi)容及目前的進(jìn)展情況

項目名稱：數(shù)字WCDMA系統(tǒng)數(shù)字頻域干擾抵消器；

項目的主要內(nèi)容：用FPGA設(shè)計完成一個適用于WCDMA系統(tǒng)的干擾抵消器。

目前的進(jìn)展情況：有完備的算法資源和測試數(shù)據(jù)，已經(jīng)開始相關(guān)模塊的實現(xiàn)。

2．項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點的論述

創(chuàng)新點（1）：使用頻域干擾抵消極大地降低了算法復(fù)雜度

該方法利用頻域快速傅立葉變換的思路，將時域的自適應(yīng)濾波過程轉(zhuǎn)換到頻域中來實現(xiàn)，從而自適應(yīng)抵消輸入信號中的干擾。本發(fā)明不僅有效地提取出有用信號，保證了算法的收斂性，并且與時域的干擾抵消方法相比較，大大降低了算法復(fù)雜度。

下面對頻域干擾抵消方法和傳統(tǒng)的時域干擾抵消方法的算法復(fù)雜度進(jìn)行比較。采用硬件實現(xiàn)時，計算復(fù)雜度往往決定于乘法運算的次數(shù)，因此可以比較上述兩種方法的乘法個數(shù)。對于有M個濾波器抽頭的時域干擾抵消方法，由于每個數(shù)據(jù)塊有M個數(shù)據(jù)，則總共需要2M2次乘法運算；而對于有M個濾波器抽頭的頻域干擾抵消方法，總的乘法次數(shù)為。那么頻域干擾抵消方法和時域干擾抵消方法的算法復(fù)雜度比值約為。因此，在濾波器抽頭系數(shù)很大時，頻域干擾抵消方法的計算復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于時域干擾抵消方法。

創(chuàng)新點（2）：使用自適應(yīng)濾波器來抵消多徑信號的干擾，性能優(yōu)良。

關(guān)于變換域和時域算法的理論比較可以參閱相關(guān)文獻(xiàn)，下面以一個仿真試驗來說明頻域干擾抵消算法的性能。將采用本發(fā)明方法在頻域?qū)崿F(xiàn)干擾抵消的系統(tǒng)與沒有干擾抵消的系統(tǒng)性能進(jìn)行比較。假設(shè)一個5MHz帶寬的單載波WCDMA系統(tǒng)中，兩個天線間信號傳播時延為6微秒，且假設(shè)該兩個天線之間的信道為兩徑衰落信道，迭代步長。但載波信號采樣率為2，自適應(yīng)濾波器抽頭長度為64，F(xiàn)FT長度為128。功率放大器PA（power amplifier）為維納模型，信干比定義為接收天線端碼片信號功率與干擾功率的比值。以功率譜密度PSD（power spectral density）的阻帶下降dB值和星座圖的誤差向量幅度EVM（error vector magnitude）作為性能指標(biāo)進(jìn)行對比。圖1中的粗虛線表示信源的功率譜密度，細(xì)虛線表示有干擾信號直接經(jīng)過PA的功率譜密度，實線表示有干擾信號經(jīng)過本發(fā)明AIC和PA處理后的功率譜密度，點劃線表示沒有干擾的信號經(jīng)過PA的功率譜密度。

圖1 頻域干擾抵消算法的性能示意圖

關(guān)鍵技術(shù)（1）：快速傅立葉變換的實現(xiàn)；

關(guān)鍵技術(shù)（2）：頻域干擾抵消算法的實現(xiàn)。

3．技術(shù)成熟性和可靠性論述

我們已通過MATLAB仿真實驗證明，該方法不僅有效地提取出有用信號，并且大大降低了計算的工作量和復(fù)雜度。

VirtexII系列的FPGA有大量的存儲單元和乘法器，便于實現(xiàn)數(shù)字信號處理功能，可以有效地實現(xiàn)頻域干擾抵消自適應(yīng)濾波器。團(tuán)隊成員均有比較扎實的FPGA基礎(chǔ)和設(shè)計功底，和信號處理方面的專業(yè)知識，完全有能力保證該項目的順利實施，最終完成項目。

項目實施方案

1．方案基本功能框圖及描述

該方法基于時域中的數(shù)據(jù)塊最小均方誤差（Block LMS，block least mean square）計算方法和該塊LMS算法中存在線性相關(guān)和線性卷積的過程，通過1/2重疊保留法的快速傅立葉變換FFT（fast fourier transforms）在頻域以直接相乘的計算方式實現(xiàn)快速相關(guān)和快速卷積，利用自適應(yīng)濾波器在頻域?qū)崿F(xiàn)LMS算法；包括以下循環(huán)執(zhí)行的操作步驟：

（1）對自適應(yīng)濾波器的頻域抽頭系數(shù)作初始化設(shè)置，并對該濾波器的時域輸入信號做N點離散快速傅立葉變換FFT處理，使其轉(zhuǎn)換為頻域信號，用作自適應(yīng)濾波器的輸入信號；其中N是該濾波器的抽頭個數(shù)M的2倍；

（2）將輸入的頻域信號通過自適應(yīng)濾波器進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理，并對該濾波器的輸出信號進(jìn)行快速傅立葉逆變換IFFT（inverse fast fourier transforms）處理，使其轉(zhuǎn)換為時域信號，作為干擾的估計值；

（3）計算被干擾信號和濾波器輸出的時域信號之間的差值，作為有用信號；再產(chǎn)生有用信號的頻域值；

（4）利用頻域信號進(jìn)行最小均方誤差LMS計算，即根據(jù)有用信號和濾波器輸入信號的頻域值對濾波器抽頭系數(shù)進(jìn)行更新，以便在返回執(zhí)行上述步驟（2）時，使用該更新后的抽頭系數(shù)對來自步驟（1）新的頻域輸入信號周而復(fù)始地繼續(xù)執(zhí)行相關(guān)的自適應(yīng)濾波處理。

圖2 方案基本功能框圖

2．需要的開發(fā)平臺

所需要的開發(fā)平臺為VirtexII Board。因為用自適應(yīng)濾波算法以及大點數(shù)的FFT變換需要大量的乘法器和存儲器，不需要其它配套的開發(fā)工具。需要USB和EMAC接口進(jìn)行最終的測試驗證。

3．方案實施過程中需要開發(fā)的模塊

本方案需要實現(xiàn)大點數(shù)的FFT變換以及相應(yīng)的串并、并串轉(zhuǎn)換模塊，因此將設(shè)計分為7個大的模塊，頂層模塊，數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)FT模塊，串并轉(zhuǎn)換模塊是并串轉(zhuǎn)換模塊，延遲補(bǔ)償模塊，還有系統(tǒng)控制模塊。

FFT模塊利用Xilinx公司的IPCore來完成；串并、并串可以利用塊RAM實現(xiàn)；數(shù)據(jù)處理模塊盡可能的適用SRL16結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，以節(jié)省資源；

4．系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

用FPGA設(shè)計一個適應(yīng)于單載波的干擾抵消器，能夠抵消至少6徑干擾，滿足WCDMA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求：

需要的其它資源

1．測試設(shè)備

在方案實施過程中，需要Xilinx內(nèi)嵌的邏輯分析儀，以及與安捷倫邏輯分析儀相配套的虛擬管腳的相關(guān)使用說明和技術(shù)支持。

2．仿真、開發(fā)工具

在方案實施過程中，需要的仿真、開發(fā)工具有仿真工具M(jìn)odelsim、開發(fā)工具ISE等。