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

項(xiàng)目背景及可行性分析

1．項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目的主要內(nèi)容及目前的進(jìn)展情況

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

項(xiàng)目的主要內(nèi)容：用FPGA設(shè)計(jì)完成一個(gè)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(cè)試數(shù)據(jù)，已經(jīng)開始相關(guān)模塊的實(shí)現(xiàn)。

2．項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)的論述

創(chuàng)新點(diǎn)（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(shí)域的自適應(yīng)濾波過程轉(zhuǎn)換到頻域中來實(shí)現(xiàn)，從而自適應(yīng)抵消輸入信號(hào)中的干擾。本發(fā)明不僅有效地提取出有用信號(hào)，保證了算法的收斂性，并且與時(shí)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(duì)頻域干擾抵消方法和傳統(tǒng)的時(shí)域干擾抵消方法的算法復(fù)雜度進(jìn)行比較。采用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，計(jì)算復(fù)雜度往往決定于乘法運(yùn)算的次數(shù)，因此可以比較上述兩種方法的乘法個(gè)數(shù)。對(duì)于有M個(gè)濾波器抽頭的時(shí)域干擾抵消方法，由于每個(gè)數(shù)據(jù)塊有M個(gè)數(shù)據(jù)，則總共需要2M2次乘法運(yùn)算；而對(duì)于有M個(gè)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(shí)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(shí)，頻域干擾抵消方法的計(jì)算復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于時(shí)域干擾抵消方法。

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

關(guān)于變換域和時(shí)域算法的理論比較可以參閱相關(guān)文獻(xiàn)，下面以一個(gè)仿真試驗(yàn)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(gè)5MHz帶寬的單載波WCDMA系統(tǒng)中，兩個(gè)天線間信號(hào)傳播時(shí)延為6微秒，且假設(shè)該兩個(gè)天線之間的信道為兩徑衰落信道，迭代步長(zhǎng)。但載波信號(hào)采樣率為2，自適應(yīng)濾波器抽頭長(zhǎng)度為64，F(xiàn)FT長(zhǎng)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(hào)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(duì)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(hào)直接經(jīng)過PA的功率譜密度，實(shí)線表示有干擾信號(hào)經(jīng)過本發(fā)明AIC和PA處理后的功率譜密度，點(diǎn)劃線表示沒有干擾的信號(hào)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(shí)現(xiàn)；

關(guān)鍵技術(shù)（2）：頻域干擾抵消算法的實(shí)現(xiàn)。

3．技術(shù)成熟性和可靠性論述

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

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

項(xiàng)目實(shí)施方案

1．方案基本功能框圖及描述

該方法基于時(shí)域中的數(shù)據(jù)塊最小均方誤差（Block LMS，block least mean square）計(jì)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(jì)算方式實(shí)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(duì)自適應(yīng)濾波器的頻域抽頭系數(shù)作初始化設(shè)置，并對(duì)該濾波器的時(shí)域輸入信號(hào)做N點(diǎn)離散快速傅立葉變換FFT處理，使其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，用作自適應(yīng)濾波器的輸入信號(hào)；其中N是該濾波器的抽頭個(gè)數(shù)M的2倍；

（2）將輸入的頻域信號(hào)通過自適應(yīng)濾波器進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理，并對(duì)該濾波器的輸出信號(hào)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(shí)域信號(hào)，作為干擾的估計(jì)值；

（3）計(jì)算被干擾信號(hào)和濾波器輸出的時(shí)域信號(hào)之間的差值，作為有用信號(hào)；再產(chǎn)生有用信號(hào)的頻域值；

（4）利用頻域信號(hào)進(jìn)行最小均方誤差LMS計(jì)算，即根據(jù)有用信號(hào)和濾波器輸入信號(hào)的頻域值對(duì)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(shí)，使用該更新后的抽頭系數(shù)對(duì)來自步驟（1）新的頻域輸入信號(hào)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(tái)

所需要的開發(fā)平臺(tái)為VirtexII Board。因?yàn)橛米赃m應(yīng)濾波算法以及大點(diǎn)數(shù)的FFT變換需要大量的乘法器和存儲(chǔ)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(cè)試驗(yàn)證。

3．方案實(shí)施過程中需要開發(fā)的模塊

本方案需要實(shí)現(xiàn)大點(diǎn)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(jì)分為7個(gè)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(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)處理模塊盡可能的適用SRL16結(jié)構(gòu)來實(shí)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(jì)一個(gè)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(cè)試設(shè)備

在方案實(shí)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(shí)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。