加速超寬帶無線通信系統(tǒng)的定點(diǎn)設(shè)計(jì)

超寬帶(OFDM UWB信號(hào)創(chuàng)建工具" target=_blank>UWB)無線技術(shù)即將取*公室和家中的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。UWB技術(shù)未來能以每秒數(shù)百兆位的速度將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)公尺遠(yuǎn)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包含了數(shù)字相機(jī)與計(jì)算機(jī)間的傳輸，以及DVD與高清電視(HDTV)之間的傳輸?shù)取?/p>

　　UWB的傳輸距離主要是受到低功率與高數(shù)據(jù)傳輸率的限制，這對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)來說，絕對(duì)是一項(xiàng)嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。然而，UWB在市場(chǎng)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(diǎn)設(shè)計(jì)在權(quán)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(diǎn)字長嚴(yán)重影響硬件大小與成本，例如，乘法運(yùn)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(shù)點(diǎn)位置也嚴(yán)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(diǎn)設(shè)計(jì)不但深具挑戰(zhàn)性，也十分費(fèi)時(shí)，一般來說約占總開發(fā)時(shí)間的25%至50%。本文主要介紹利用專門為UWB技術(shù)開發(fā)的Simulink來開發(fā)定點(diǎn)(Fixed-point)設(shè)計(jì)。同時(shí)，也討論了加速設(shè)計(jì)流程的相關(guān)技巧。

　　模型架構(gòu)

　　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(chǔ)，后續(xù)的相關(guān)提案并沒有改變其核心技術(shù)。

　　該提案建議支持55~480Mbps范圍內(nèi)的七種數(shù)據(jù)速率，但最高的強(qiáng)制數(shù)據(jù)率是200Mbps。在這個(gè)模式下，OFDM信號(hào)的發(fā)射采用跳頻方式。對(duì)于200Mbps的最高強(qiáng)制數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)準(zhǔn)所采用。

　　圖1所示模型中的每個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都包括三個(gè)部份：二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理、數(shù)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(shù)字基帶處理中的定點(diǎn)設(shè)計(jì)部份。其余部分都是為了輔助測(cè)試，以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)模型，用來幫助快速*估定點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)端到端鏈路性能的影響。

　　OFDM發(fā)射機(jī)

　　如圖2所示的發(fā)射機(jī)子系統(tǒng)是將QPSK符號(hào)的載荷轉(zhuǎn)換成發(fā)送到發(fā)射機(jī)前端的一個(gè)大的OFDM符號(hào)幀(每幀165個(gè)取樣)。

　　位于圖中左邊的模塊負(fù)責(zé)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型。事實(shí)上，這一操作并不存在，而是由QPSK調(diào)制器將進(jìn)來的數(shù)據(jù)位直接轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)數(shù)據(jù)，位于系統(tǒng)輸出端的轉(zhuǎn)換模塊則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)(就這一點(diǎn)而言，可以將其看作為一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器)。

　　以橘色標(biāo)記的功能塊為IFFT和增益模塊，負(fù)責(zé)執(zhí)行定點(diǎn)算法；其余的模塊負(fù)責(zé)對(duì)定點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組。圖中對(duì)UWB模型用色彩全部加亮，目的是幫助人們能夠快速地識(shí)別出究竟是哪些模塊參與了定點(diǎn)處理。

　　圖1：用于開發(fā)定點(diǎn)設(shè)計(jì)的Simulink模型頂層示意圖

　　圖2：OFDM發(fā)射機(jī)方框圖

　　OFDM接收機(jī)

　　在圖3所示的OFDM接收機(jī)中，相對(duì)于發(fā)射機(jī)而言，包含了比較多的信號(hào)處理功能，因而包含了更多的定點(diǎn)運(yùn)算。此接收機(jī)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(jì)/補(bǔ)償、時(shí)域解擴(kuò)。其中，循環(huán)處理、信道估計(jì)、和信道補(bǔ)償是降低多徑傳播影響的必要方法。

　　圖3：OFDM接收機(jī)方框圖

　　圖4給出了信道估計(jì)與補(bǔ)償子系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)了一種簡單且低成本的相位補(bǔ)償(對(duì)于更復(fù)雜的方案，則利用信道的頻率相關(guān)性來減小噪聲的均值)。系統(tǒng)中沒有對(duì)OFDM各頻率上的振幅變化進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)檫@樣的方法會(huì)耗費(fèi)非常龐大的運(yùn)算資源，而且對(duì)QPSK而言也沒有必要。同時(shí)，該系統(tǒng)避免了復(fù)數(shù)除法運(yùn)算，也確保除法結(jié)果具有較小的變化范圍。

　　圖4：信道估計(jì)和補(bǔ)償

　　上述這些考慮是定點(diǎn)設(shè)計(jì)中最重要的預(yù)備階段。在處理字長和量化之前，需要一個(gè)浮點(diǎn)基準(zhǔn)(或稱為黃金參考)，用作為鏈路性能的上界。浮點(diǎn)基準(zhǔn)

　　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)定字長和量化；字長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。

　　該過程是不斷反復(fù)的過程，工作流既冗長又耗時(shí)。為了加速這個(gè)過程，使用MATLAB來進(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，動(dòng)態(tài)范圍刻度用以2為底的對(duì)數(shù)來表示比較實(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說，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，尤其是字長較短時(shí)。自動(dòng)計(jì)算工具可以提供粗略的估計(jì)，不過細(xì)調(diào)則需要可視化與經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合。接下來的步驟包括分析發(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

　　一開始，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)采用了16位字長來逐步逼近設(shè)計(jì)，然后將掌握的技巧應(yīng)用到較短字長。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)于不同的字長來說，小數(shù)點(diǎn)以上的數(shù)據(jù)位數(shù)趨于類似。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。我們也能夠編寫簡單的MATLAB程序來實(shí)現(xiàn)一系列不同的字長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無線通信系統(tǒng)中加速定點(diǎn)設(shè)計(jì)的技巧，也可以用來處理芯片面積(或功耗)和無線覆蓋距離之間的所有重要折衷。