基于DSP的空時編碼盲識別設計和實現(xiàn)

摘要 提出了一種基于TigerSHARC TS201S實現(xiàn)的MIMO系統(tǒng)空時編碼盲識別方法的設計與實現(xiàn)，該設計能夠在非合作條件下，利用空時編碼在時間分集和空間分集下，所表現(xiàn)出的不同時滯相關(guān)性，實現(xiàn)盲識別空時編碼方式。天線接收信號經(jīng)過預白化，時滯相關(guān)度計算，最終利用碼字表判決輸出。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，易于實現(xiàn)，且對空時編碼方式具有較高的盲識別精度。

關(guān)鍵詞 數(shù)字信號處理器;多輸入多輸出系統(tǒng);空時編碼;盲識別;時滯相關(guān)

空時編碼(Space—Time Block Coding，STBC)是達到或接近MIMO無線信道容量的一種有效的編碼方式?？諘r編碼方式的盲識別是通信對抗領(lǐng)域需迫切研究的領(lǐng)域，其能夠為MIMO系統(tǒng)對抗技術(shù)提供基礎和技術(shù)支撐，具有重要的研究價值。

時滯相關(guān)算法是根據(jù)不同空時編碼的相關(guān)矩陣在不同時延統(tǒng)計下的差異性，采用逐級對比，實現(xiàn)對空時編碼方式的盲識別。擁有計算精度高，抗頻偏效果好等優(yōu)點。文中提出一種基于ADI公司DSP芯片TigerSHARCTS201S的空時編碼盲識別方案設計和實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。由信號處理、信號采集、電源、時鐘4部分構(gòu)成，信號采集由CPLD和ADC組成，負責完成A/D轉(zhuǎn)換，信號處理由TS201S芯片及其外設組成，用于存儲A/D采樣的數(shù)據(jù)，并進行空時碼盲識別運算處理。電源模塊為其他所有模塊提供正常工作所需的電壓，時鐘模塊中由晶振和倍頻芯片組成，提供系統(tǒng)所需時鐘。

系統(tǒng)工作時，設備首先通電初始化，從Flash中載入用戶應用程序，繼而通過CPLD控制ADC進行數(shù)據(jù)采集，并利用DMA中斷方式讀取數(shù)據(jù)并進行編碼識別運算。

1.2 TigerSHARC TS201S簡介

TigerSHARC TS201S兼有ASIC和FPGA的信號處理性能和指令集處理器的高度可編程性與靈活性，適用于高性能、大存儲量的信號處理與圖像應用。

TS201S內(nèi)部分為DSP核和I/O接口兩部分，通過4條總線傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信息。并提供完全可中斷的編程模式，支持匯編和C/C++語言編程，32/40位的浮點運算及最高64位的定點運算。在600 MHz時鐘速率下，可達到每秒48億次乘加運算。

1.3 電源、時鐘和總線方案設計

TS201S和AD7864對電源的要求較高，以TS201S內(nèi)核時鐘500 MHz為例，4個電源VDD、VDD_A、VDD_IO、VDD_DRAM的精度要求控制在5%以內(nèi)。因此系統(tǒng)中的電源芯片采用了TPS54350，其精度可達1%。

時鐘模塊中，晶振產(chǎn)生27 MHz時鐘通過倍頻芯片得到54 MHz時鐘后進入CPLD，一方面作為TS201S的系統(tǒng)時鐘SCLK，另一方面在CPLD內(nèi)12分頻后作為AD7864的工作時鐘信號AD_CLK。為防止其對系統(tǒng)電源產(chǎn)生耦合干擾，晶振和倍頻芯片的電源與本板電源之間要用電感或磁珠進行隔離。

在系統(tǒng)總線負載較重的情況下，設計不當會限制總線只能在低頻下工作甚至無法讀取數(shù)據(jù)。由于環(huán)形結(jié)構(gòu)上任一負載的變化均會影響到其他負載的工作，設計中采用了星形總線結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1.4 信號采集方案設計

信號采集模塊由CPLD和兩片ADC組成，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD公司生產(chǎn)的AD7864，其轉(zhuǎn)換精度12位，最高吞吐量520 ksample·s-1，轉(zhuǎn)換時間最快為1.65μs，采樣保持0.35μs，此外其單電源和低功耗特性最低可達20 Uw，其能夠滿足系統(tǒng)的要求，簡化硬件設計。

信號采集前，需對AD7864的一些輸入引腳進行配置，南Alterta公司的CPLD產(chǎn)品MAX3256完成。如圖3所示，CONVST為使能輸入引腳，置位高可控制AD7864啟動。CS為片選信號，低電平有效。RD為讀使能，低電平有效，當CS有效且RD為低，才允許AD7864輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，此時WR必須為高。引腳SL1～SL4是AD7864的通道選擇輸入引腳，高電平有效。H/S SEL為高時表示將通過軟件方式來選擇A/D轉(zhuǎn)換通道，反之表示硬件選擇。當轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC引腳輸入低電平。

AD7864采用分時輸出方式，采樣信號來自TS201S的定時/計數(shù)器，每次計數(shù)器滿時TMROE引腳會產(chǎn)生4個總線時鐘的高電平，CPLD中對此信號做反向后作為AD7864的CONVST信號，在數(shù)據(jù)傳輸中，片1占低位數(shù)據(jù)線，片2占高位數(shù)據(jù)線，分時可防止總線沖突。

1.5 顯示方案設計

系統(tǒng)采用FLAG PIN外接LED做為進度顯示，DSP在執(zhí)行到不同的處理進度時通過改變FLAG PIN口的電平控制對應的LED導通，以指示當前數(shù)據(jù)分析的步驟。圖4為外接LED的連接圖，每個FLAG PIN上的LED均不影響其他FLAG PIN接口，在LED后使用了一個上拉電阻接VCC。

系統(tǒng)復位時，所有FLAG PIN置高電平，ADC采集完畢觸發(fā)DMA中斷，從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)，并進入到預白化處理，此時FLAG PIN1至低電平，依據(jù)算法，對白化后的數(shù)據(jù)進行時滯相關(guān)分析，并利用碼字表判決響應碼型時，并分別拉低FLAG PIN2和FLAG PIN3。

該種方法配置靈活、軟件簡單，系統(tǒng)采用4個FLAGPIN來布置顯示，DSP擁有足夠的IO接口使用，在設計時充分利用了硬件資源，同時利用DMA中斷，有效提高了CPU的效率，也實現(xiàn)了資源的共享和并行處理，同時還在芯片運算過程中及時發(fā)現(xiàn)故障并定位處理。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 空時編碼盲識別原理

STBC通過在時間與空間進行聯(lián)合編碼達到提高系統(tǒng)傳輸性能的目的，因此在不同時刻從不同天線發(fā)送的數(shù)據(jù)具有一定的相關(guān)性，而不同空時編碼之間的相關(guān)度并不同，因此可利用該相關(guān)度來區(qū)分不同的碼型，從而將空時編碼的模式識別出來。

2.2 空時編碼盲識別方法

(1)預白化。預白化的目的是去除信道對接收信號相關(guān)性的影響。白化矩陣W通過對分時相關(guān)矩陣P做特征值分解得到

，其中A-1為特征值矩陣Λ的廣義逆。W與原數(shù)據(jù)相乘便可得到解相關(guān)矩陣Y。 (2)計算時滯相關(guān)度。利用接收信號預白化后得到的解相關(guān)矩陣Y，依據(jù)統(tǒng)計學公式計算時滯相關(guān)范數(shù)

空時編碼矩陣的理論時滯相關(guān)特性僅與編碼矩陣本身有關(guān)。因此，應用與式(1)相同的形式，可將編碼矩陣不同的列進行矩陣乘加運算，并取F范數(shù)來表征。

由此得出計算空時編碼的時滯相關(guān)矩陣R(τ)

其中，空時編碼矩陣的每一列代表不同的發(fā)射時刻，A(u)是碼型A編碼矩陣的第u列，l為碼型分組長度。已預白化后的接收信號矩陣與發(fā)送端編碼矩陣，在時滯相關(guān)函數(shù)F范數(shù)上有如下關(guān)系

(3)判決碼型。遍歷候選碼集，計算出接收信號與候選碼集中每一種空時碼的相關(guān)度，取其中最相關(guān)的碼型便為判決碼型。

2.3 軟件設計

軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，程序流程如圖5所示。包括系統(tǒng)啟動、配置系統(tǒng)寄存器、設置全局變量和開啟中斷控制等。當ADC模塊將采樣數(shù)據(jù)全部寫入SDRAM后，CPLD通知DSP觸發(fā)DMA中斷1，將SDRAM中的數(shù)據(jù)讀入DSP，讀取結(jié)束后DMA觸發(fā)中斷2，并對ADC采樣數(shù)據(jù)進行處理：(1)預白化，去除新到對采樣數(shù)據(jù)相關(guān)性的影響。(2)計算采樣數(shù)據(jù)與候選集中每種碼字的時滯相關(guān)度。(3)根據(jù)上述計算結(jié)果，選取使時滯相關(guān)度最小的碼型為判決碼型。

通過對DMAC寄存器的設置，可控制DMA的流向、通道和方式，典型的數(shù)據(jù)讀取關(guān)鍵代碼如下：

數(shù)據(jù)處理部分的關(guān)鍵函數(shù)包括白化和時滯相關(guān)量計算，數(shù)據(jù)傳遞采用了單維讀入與多維傳遞的方式，即將多天線的數(shù)據(jù)按照天線順序依次讀入，但在DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞時，多根天線的數(shù)據(jù)按照時間順序傳遞，在函數(shù)內(nèi)部手動尋址，即符合算法要求，又加快了數(shù)據(jù)處理的速度。數(shù)據(jù)處理時包括大量的矩陣轉(zhuǎn)置和乘加操作，在計算時優(yōu)化為內(nèi)積計算模式，使用ALU運算塊X和Y，每個周期并行計算時滯矩陣兩列之間的相關(guān)范數(shù)，這便節(jié)省了內(nèi)存資源，減少了尋址次數(shù)，且加快了計算速度。

本算法在不同參數(shù)下的Matlab性能仿真如圖6所示，采樣數(shù)據(jù)越長，接收天線數(shù)越多，識別性能也越好。實際測試證明與期望相一致，驗證了設計的合理性和正確性。

3 結(jié)束語

DSP芯片具有的特殊軟硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，使其能高速處理各種數(shù)字信號處理算法?；诖嗽O計的空時編碼盲識別方法具有速度快、精度高的特點。同時該系統(tǒng)依靠簡潔的外部硬件電路設計和合理的軟件程序設計，能夠?qū)崿F(xiàn)對常用空時編碼模式的正確識別。且該系統(tǒng)的可擴展性良好，當需要識別最新的空時編碼時，只需將其放入編碼方式候選集中，為其分配顯示接口即可，而無需過多更改硬件設置及軟件程序。