加速超寬帶無線通信系統的定點設計

超寬帶(OFDM UWB信號創(chuàng)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(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(zhàn)性，也十分費時，一般來說約占總開發(fā)時間的25%至50%。本文主要介紹利用專門為UWB技術開發(fā)的Simulink來開發(fā)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(xù)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(fā)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(fā)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(fā)射機

　　如圖2所示的發(fā)射機子系統是將QPSK符號的載荷轉換成發(fā)送到發(fā)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(zhí)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。

　　圖1：用于開發(fā)定點設計的Simulink模型頂層示意圖

　　圖2：OFDM發(fā)射機方框圖

　　OFDM接收機

　　在圖3所示的OFDM接收機中，相對于發(fā)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(huán)處理、快速傅里葉變換、信道估計/補償、時域解擴。其中，循環(huán)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。

　　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。

　　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。