加速超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的定點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　對(duì)于任何子系統(tǒng)乃至整個(gè)模型，Simulink的數(shù)據(jù)型交疊功能能夠直接實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。對(duì)應(yīng)于浮點(diǎn)參考基準(zhǔn)，將信道信噪比設(shè)定為較高的值(60dB)，這樣可以排除對(duì)符號(hào)失真的定點(diǎn)影響。圖5所示為UWB系統(tǒng)仿真的兩個(gè)結(jié)果：1. 所有三個(gè)子帶上的基帶等效接收信號(hào)功率譜；2. 信道相位估計(jì)和補(bǔ)償之后的信號(hào)星座圖。

　　圖5：基于Simulink模型的UWB仿真結(jié)果

　　功率譜(圖5a)中的DC零點(diǎn)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(dòng)態(tài)范圍大約為30dB，這在相位補(bǔ)償信號(hào)對(duì)消的幅度擴(kuò)展圖中也可看出。一個(gè)干凈的X形星座圖形則表示近乎理想的相位補(bǔ)償。

　　定點(diǎn)設(shè)計(jì)方法

　　下一個(gè)重要的步驟，就是為系統(tǒng)中每一個(gè)定點(diǎn)運(yùn)算模塊設(shè)定字長(zhǎng)和量化；字長(zhǎng)和量化共同限制了信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。如果設(shè)計(jì)不好，將會(huì)造成溢出和下溢，從而降低鏈路性能。因此，在定點(diǎn)設(shè)計(jì)分析中最重要的一項(xiàng)指標(biāo)就是信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

　　在UWB定點(diǎn)設(shè)計(jì)中采用了下列方法：1. 將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成符合信號(hào)處理的次序，使得浮點(diǎn)交疊能夠用于后續(xù)的子系統(tǒng)；2. 對(duì)于給定算法的子系統(tǒng)或模塊：先啟動(dòng)浮點(diǎn)交疊功能，分析輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍；調(diào)整字長(zhǎng)和量化，使溢出和下溢最?。唤獬↑c(diǎn)交疊功能，重新檢查動(dòng)態(tài)范圍，*估對(duì)聯(lián)性能的影響。

　　該過(guò)程是不斷反復(fù)的過(guò)程，工作流既冗長(zhǎng)又耗時(shí)。為了加速這個(gè)過(guò)程，使用MATLAB來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍圖形化分析，詳情如下所述。

　　以發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)為例

　　在UWB模型中，建立了一個(gè)模塊，該模塊將信號(hào)直接輸出到直方圖中，這是一個(gè)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可視化分析的極好方法。如圖2所示，此模塊(標(biāo)有“定點(diǎn)分析”)被連接到發(fā)射機(jī)增益放大級(jí)的輸出端。圖6給出了浮點(diǎn)基準(zhǔn)的直方分析圖，包括同相和正交兩種情況。根據(jù)比特位數(shù)，或者字長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍刻度用以2為底的對(duì)數(shù)來(lái)表示比較實(shí)用。

　　圖6：OFDM發(fā)射機(jī)輸出直方圖：浮點(diǎn)基準(zhǔn)

　　除了0值采樣(圖中顯示為2-15)以外，99.9%的時(shí)間里，信號(hào)強(qiáng)度都介于2-13至22，因此該信號(hào)用16位來(lái)表示就已足夠。90dB這么大的動(dòng)態(tài)范圍在OFDM里相當(dāng)普遍，實(shí)質(zhì)上隨機(jī)信號(hào)經(jīng)過(guò)IFFT(中心極限定理)的結(jié)果就是這樣大。

　　對(duì)于將溢出和下溢控制到最小來(lái)說(shuō)，這個(gè)分析模塊會(huì)自動(dòng)估計(jì)2-14或許是一個(gè)最佳的量化因子(scaling factor)。以此估計(jì)為基礎(chǔ)，對(duì)于發(fā)射機(jī)中所有算法模塊，將初始字長(zhǎng)設(shè)置到16位，量化因子設(shè)為2-14。首先明確設(shè)定輸入信關(guān)模塊的定點(diǎn)參數(shù)值，然后選擇發(fā)射機(jī)其它運(yùn)算模塊的定點(diǎn)參數(shù)與輸入相同(Same as input)。同時(shí)，在接收機(jī)子系統(tǒng)中保留浮點(diǎn)交疊功能，以便隔離或定位發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中的潛在問(wèn)題。

　　圖7給出了直方分布圖以及相位補(bǔ)償信號(hào)對(duì)消后的星座圖。請(qǐng)注意和圖5的浮點(diǎn)基準(zhǔn)相比，圖7b所示的星座圖有點(diǎn)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(diǎn)基準(zhǔn)，而柱干則代表定點(diǎn)結(jié)果)。雖然高功率發(fā)射的時(shí)間只有1%左右，但這足以(具有很高概率)在128點(diǎn)接收機(jī)FFT輸出端上引起很大的失真。

　　圖7：量化因子為2-14時(shí)的量化處理結(jié)果

　　因此我們需要增加1~2位的量化，但是這對(duì)于放大級(jí)輸出的小信號(hào)將會(huì)增加誤差，不過(guò)該影響應(yīng)該很小，因?yàn)楫?dāng)發(fā)射信號(hào)小于2-10時(shí)，就會(huì)淹沒(méi)于信道噪聲中。圖8顯示了將量化設(shè)為2-12時(shí)的改進(jìn)結(jié)果。

　　圖8：改善后的量化因子為2-12時(shí)的量化處理結(jié)果

　　偏重于信號(hào)范圍的高端并非總是正確的方法。因?yàn)橛袝r(shí)候小信號(hào)也起著關(guān)鍵的作用，例如在信道估計(jì)和補(bǔ)償算法中。關(guān)鍵是設(shè)置定點(diǎn)量化值需要一些技巧，尤其是字長(zhǎng)較短時(shí)。自動(dòng)計(jì)算工具可以提供粗略的估計(jì)，不過(guò)細(xì)調(diào)則需要可視化與經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合。接下來(lái)的步驟包括分析發(fā)射機(jī)中單個(gè)模塊的輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，細(xì)調(diào)模塊的定點(diǎn)設(shè)置，并將這些技術(shù)轉(zhuǎn)用到接收機(jī)中。

　　應(yīng)用在較短的字長(zhǎng)

　　一開(kāi)始，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)采用了16位字長(zhǎng)來(lái)逐步逼近設(shè)計(jì)，然后將掌握的技巧應(yīng)用到較短字長(zhǎng)。例如，當(dāng)我們更關(guān)注溢出時(shí)(一般狀況下皆為如此)，此時(shí)，對(duì)于不同的字長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，小數(shù)點(diǎn)以上的數(shù)據(jù)位數(shù)趨于類(lèi)似。使用這里討論的工具和方法，可以設(shè)計(jì)出一個(gè)10位的UWB系統(tǒng)，每位錯(cuò)誤率為0.1%，而且相對(duì)于浮點(diǎn)基準(zhǔn)，信噪比僅僅降低0.5dB。

　　采用MATLAB工作變量和選擇工具，可以實(shí)現(xiàn)不同的定點(diǎn)設(shè)計(jì)之間的快速切換。我們也能夠編寫(xiě)簡(jiǎn)單的MATLAB程序來(lái)實(shí)現(xiàn)一系列不同的字長(zhǎng)和信道條件下的仿真。實(shí)際上，本文所討論的如何在一個(gè)UWB無(wú)線通信系統(tǒng)中加速定點(diǎn)設(shè)計(jì)的技巧，也可以用來(lái)處理芯片面積(或功耗)和無(wú)線覆蓋距離之間的所有重要折衷。