陳少平，楊 楊

(中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院，武漢430074)

由于具有頻譜資源利用率高、能抵抗多徑傳輸帶來的頻率選擇性衰落和接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM)在寬帶無線通信中得到廣泛應(yīng)用，是 4G 移動(dòng)通信的重要技術(shù)之一［1，2］.OFDM的主要缺點(diǎn)是對(duì)載波同步誤差和信道的變化較敏感［3-5］.在移動(dòng)終端高速運(yùn)動(dòng)下，信道的快速變化使得在某一載波上傳輸?shù)男盘?hào)能量會(huì)泄露到相鄰載波上，出現(xiàn)載波間干擾(ICI)，常用的單抽頭均衡器不再適用［3］.為此，許多學(xué)者對(duì)快變信道下的OFDM均衡器設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出了很多有價(jià)值的均衡器結(jié)構(gòu)［3-5］.快變信道 OFDM系統(tǒng)均衡的主要計(jì)算負(fù)擔(dān)來自均衡矩陣的求逆運(yùn)算.為了降低計(jì)算量，利用載波間干擾的分布特性(即接收的干擾信號(hào)能量主要來自相鄰載波，忽略來自較遠(yuǎn)載波的干擾)，將頻域信道矩陣近似為一個(gè)帶狀矩陣或等效的許多小矩陣，并采用回歸計(jì)算矩陣求逆［3-5］進(jìn)一步降低計(jì)算量.

本文主要探討文獻(xiàn)［4］給出的低復(fù)雜度最小均方誤差均衡器(MMSE)的FPGA實(shí)現(xiàn).將復(fù)雜的均衡處理分解為幾個(gè)功能較為簡單的模塊，通過控制器控制模塊間的協(xié)調(diào)與合作，提高運(yùn)算速度.分析與測試結(jié)果表明:該均衡器具有占用資源少和運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn).

1 低復(fù)雜度MMSE均衡器算法簡介

文獻(xiàn)［4］給出的低復(fù)雜度最小均方誤差均衡器(MMSE)利用載波間干擾主要來自相鄰載波的特點(diǎn)，對(duì)頻域接收信號(hào)Y=［y0，y1，…，yN－1］T(其中:N表示OFDM載波數(shù)量)進(jìn)行均衡.由于只利用了其中部分信號(hào)，使得均衡矩陣維數(shù)變小，復(fù)雜度降低.例如，考慮接收xk，利用Yk=［yk－Q，yk，…，yk+Q］T=Ak Xk(其中:Ak維數(shù)為:(2Q+1)×N，由信道頻域矩陣得到).這時(shí)均衡過程為:ˉxk=mk Xk=R－1k pk Xk，其中:Rk=ρAk ATk+I2Q+1，ρ為信噪比.這種均衡器的主要計(jì)算量來自求Rk的逆.為了減小計(jì)算量，可以通過R－1k－1迭代遞推得R－1k，具體算法見文獻(xiàn)［4］.

2 均衡器的FPGA實(shí)現(xiàn)

圖1是均衡器的FPGA實(shí)現(xiàn)框圖.整個(gè)運(yùn)算分解為4步，分別由4個(gè)模塊完成，各個(gè)模塊功能見表1.這4個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能雖然不同，但是運(yùn)算原理是類似的，所以他們的硬件結(jié)構(gòu)也一樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2，其各自不同的運(yùn)算任務(wù)通過執(zhí)行不同的程序來實(shí)現(xiàn).

圖1 均衡器的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Equalizer structure

其中clk_bit是串行數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘，在每個(gè)clk_bit時(shí)鐘周期內(nèi)都需要完成一次均衡運(yùn)算.另外還有一個(gè)頻率很高的工作時(shí)鐘clk，所有的運(yùn)算器和模塊都是在這個(gè)時(shí)鐘的控制下工作的，保證運(yùn)算能及時(shí)完成.

圖2 運(yùn)算模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of each module

表1 各運(yùn)算模塊功能Tab.1 Function of eachmodules

2.2 運(yùn)算模塊

由于FPGA上能夠配置的計(jì)算器是有限的，所以每個(gè)計(jì)算器都需要多次使用.這里通過一個(gè)“case語句”執(zhí)行指令來實(shí)現(xiàn)計(jì)算器的復(fù)用.指令分為兩類，一類是數(shù)據(jù)傳輸指令，傳輸指令的作用就是完成各個(gè)寄存器間的數(shù)據(jù)傳遞.另一類是地址跳轉(zhuǎn)指令，它的功能是將當(dāng)前執(zhí)行的指令跳轉(zhuǎn)到希望執(zhí)行的指令(如果不需要跳轉(zhuǎn)就自動(dòng)加1).

指令由一個(gè)case語句識(shí)別，通過判斷指令中的信息，完成各個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)傳送和加、減等變化.將指令編寫成簡單的程序，就可以完成各種矩陣運(yùn)算任務(wù)了.

表2 指令格式Tab.2 Instruction format

另外每個(gè)運(yùn)算模塊還有一個(gè)1KB的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)位寬16位.用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，臨時(shí)存儲(chǔ)器有一部分單元用于存儲(chǔ)一些特殊常數(shù)，如“0”“1”“π”等.地址是固定的，在存儲(chǔ)器初始化時(shí)用“Init File”賦值.

2.3 控制器

由于每個(gè)模塊間的運(yùn)算有先后順序，4個(gè)模塊是否能夠協(xié)調(diào)工作決定了最終的結(jié)果是否正確，所以需要一個(gè)運(yùn)算控制器來協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的運(yùn)算.這里用一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)控制器的設(shè)計(jì)，其工作時(shí)鐘是clk，一共有10個(gè)狀態(tài).除了起始和結(jié)束狀態(tài)外，還有8個(gè)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)每個(gè)運(yùn)算模塊的兩個(gè)狀態(tài)，分別是“等待狀態(tài)”和“工作狀態(tài)”.每次上電配置后狀態(tài)機(jī)就自動(dòng)進(jìn)入“起始狀態(tài)”，當(dāng)遇到clk_bit高電平就進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)開始分配工作.狀態(tài)機(jī)在“等待狀態(tài)”給出相應(yīng)模塊的屏蔽信號(hào)，在“工作狀態(tài)”給出使能信號(hào).完成運(yùn)算后就進(jìn)入“結(jié)束狀態(tài)”等待clk_bit的低電平，遇到低電平再回到起始狀態(tài).這樣既實(shí)現(xiàn)了一個(gè)clk_bit周期只完成一次運(yùn)算，又實(shí)現(xiàn)了4個(gè)模塊的協(xié)調(diào)工作.

3 性能分析

一般從兩個(gè)方面衡量FPGA設(shè)計(jì)的優(yōu)劣;一是運(yùn)算效果，即運(yùn)算的準(zhǔn)確性和速度;二是占用邏輯的多少.表3是系統(tǒng)給出的邏輯資源使用情況，其中配置門是可編程的邏輯資源，這里只使用了全部邏輯資源的10%左右.為了驗(yàn)證均衡器運(yùn)算的正確性，首先生成OFDM調(diào)制信號(hào)，映射方式為4QAM，并通過快變雙選擇性信道(歸一化多普勒頻移fD=0.15)，再加高斯白噪聲 (AWGN)，信噪比分別是20dB和30dB.然后用串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA實(shí)驗(yàn)板(XILINX XUP VIRTEX2)，在實(shí)驗(yàn)板上完成均衡，最后用串口回傳到電腦并畫圖，均衡前后星座圖結(jié)果見圖3和圖4.

表3 資源使用情況Tab.3 Used logic resouce

設(shè)計(jì)中共使用了約370000個(gè)門.硬核乘法器(MULT18×18s)21個(gè)，塊狀存儲(chǔ)器(Block RAMs)2個(gè)，全局時(shí)鐘資源(GCLK)6個(gè)，時(shí)鐘管理器(DCM)1個(gè).從均衡前后星座圖可以看出:信號(hào)在均很前受到了嚴(yán)重的干擾，無法通過估計(jì)得到有效信息.均衡后的星座圖明顯好于均衡前，基本可以通過判斷還原出發(fā)送的信息.

圖3 均衡前后星座圖(SNR=20dB)Fig.3 Star Graph after equalization(SNR=20dB)

圖4 均衡前后星座圖(SNR=30dB)Fig.4 Star Graph after equalization(SNR=30dB)

［1］Sampath H，Talwar S，Tellado J，et al.A fourth-generation MIMO-OFDM broadband wireless system:design，performance，and field trial results［J］.IEEE Communication Magazine，2002，19(9):143-149.

［2］Hui S，Yeung K.Challenges in the migration to 4G mobile systems［J］.IEEE Communication Magazine，2003，20(12):54-59.

［3］Jeon W G，Chang K H，Cho Y S.An equalization technique for orthogonal frequency-division multiplexing system in time-variantmultipath channels［J］.IEEE Transactions on Communication，1999，47(1):27-32.

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［5］Schniter P.Low-complexity equalization ofOFDM in doubly selective channels［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2004，52(4):1002-1011.