王華華，步清明，李小文，施流偉

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

在移動(dòng)通信環(huán)境中，無(wú)線(xiàn)信道千變?nèi)f化，接收機(jī)接收到的信號(hào)往往是信號(hào)經(jīng)反射、折射以及散射的多條路徑在不同時(shí)間點(diǎn)到達(dá)接收端的疊加?？梢?jiàn)，要精確估計(jì)出信道響應(yīng)值并檢測(cè)出原始信號(hào)十分艱難。信號(hào)檢測(cè)作為物理層的接收端算法，起著恢復(fù)影像數(shù)據(jù)的作用，不容輕視。因此，在接收端進(jìn)行正確可靠的信道估計(jì)研究及應(yīng)用十分關(guān)鍵[1]。一般PUSCH信號(hào)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)多采用ZF算法，除此之外，MMSE算法也比較常用。由于ZF算法簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)[2]，故本文采用的是ZF算法。FPGA在數(shù)據(jù)處理方面有著優(yōu)越的性能且非常適合做并行運(yùn)算，其芯片內(nèi)部一般都含有大量的RAM和多達(dá)幾百個(gè)乘加單元，利用FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理能夠提高處理速度，因此用FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用在LTE綜合測(cè)試儀開(kāi)發(fā)中是一個(gè)相對(duì)較好的方案。

1 信號(hào)檢測(cè)算法簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)模型

在完成信道估計(jì)之后，可以得到每一對(duì)收發(fā)天線(xiàn)下資源粒子處的沖擊響應(yīng)值。在傳輸分集條件下，以最大比合并的方式進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、解預(yù)編碼和解層映射。在空間復(fù)用條件下，需要對(duì)每一個(gè)資源粒子處進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，恢復(fù)各個(gè)發(fā)送天線(xiàn)端口下資源粒子中的賦值符號(hào)。對(duì)每個(gè)資源粒子進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，就可以得到所有發(fā)送端處的賦值符號(hào)。

假設(shè)發(fā)送端每個(gè)資源粒子(k，l)處的賦值符號(hào)為x，x=[x1，x2， …，xnT]T，nT代表發(fā)射天線(xiàn)的數(shù)目，k表示子載波，根據(jù)帶寬不同其值不同(最大帶寬 20 Mb/s時(shí)，k為100)，l代表某一符號(hào)(一個(gè)子幀由14個(gè)符號(hào)組成，則 l=0，1，…，13)；每個(gè)資源粒子(k，l)處的沖擊響應(yīng)矩陣為H，H是一個(gè) nR×nT的矩陣， 其中的元素 hi，j代表從發(fā)射天線(xiàn)j到接收天線(xiàn)i的信道沖擊響應(yīng)；接收端每個(gè)資源粒子(k，l)處的賦值符號(hào)為 y，其中代表接收天線(xiàn)的數(shù)目。則整個(gè)信道模型可以表示為：y=Hx+n，如式(1)所示。 n=[n1，n2，…，nnR]T代表噪聲向量，各分量為獨(dú)立復(fù)高斯隨機(jī)變量，均值為0，方差為 σ2n。為了便于計(jì)算，發(fā)射符號(hào)功率被歸一化為1[3]。

1.2 信號(hào)檢測(cè)算法分析

信號(hào)檢測(cè)算法很多，常用的算法有ZF算法、MMSE算法以及ML算法等。ML算法性能較好，但其運(yùn)算復(fù)雜度較高，較難實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中一般采用MMSE算法或者ZF算法，當(dāng)信道環(huán)境較好時(shí)，通常采用ZF算法。

ZF算法簡(jiǎn)介：已知y=Hx+n，將等式左右兩邊同時(shí)乘以濾波矩陣G，在 ZF算法中，G等同于偽逆矩陣 H+，其中噪聲部分是未知的，將噪聲部分n?去掉后，可以得到ZF 算法下的估計(jì)值

2 ZF信號(hào)檢測(cè)算法在FPGA中的實(shí)現(xiàn)

由于進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)自于解基帶信號(hào)和信道估計(jì)之后的數(shù)據(jù)，因此實(shí)現(xiàn)時(shí)，在解基帶信號(hào)之后才能進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。解基帶信號(hào)和信號(hào)估計(jì)之后分別給出一個(gè)標(biāo)志位，待兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入標(biāo)志同時(shí)有效時(shí)開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。信號(hào)檢測(cè)模塊和前面兩個(gè)模塊以握手信號(hào)進(jìn)行通信，以保證數(shù)據(jù)的正確采集。

對(duì)于一個(gè)接收天線(xiàn)的情況，在信道估計(jì)中已經(jīng)求出其信道特性且把數(shù)據(jù)存放在信道插值之后的RAM(H_KL_ram)中。After_fft_ram中的數(shù)據(jù)即為解基帶信號(hào)之后的數(shù)據(jù)，但不是所有的數(shù)據(jù)都會(huì)用到，而是根據(jù)帶寬來(lái)配置的。求取信號(hào)檢測(cè)數(shù)據(jù)的過(guò)程實(shí)際就是一個(gè)矩陣的除法，將對(duì)應(yīng)的元素相除，再把計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)到RAM中。實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

在TD-LTE系統(tǒng)中，一個(gè)子幀有14個(gè)OFDM符號(hào)。若等14個(gè)OFDM信號(hào)都解出來(lái)再進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，則會(huì)浪費(fèi)大量的RAM資源，故在進(jìn)行完信道估計(jì)之后，可按符號(hào)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，以節(jié)省一部分RAM資源。

3 FPGA仿真與實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析

圖2、圖3分別是信號(hào)檢測(cè)的ModelSim仿真圖和板級(jí)實(shí)現(xiàn)的ChipScope截圖。FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)使用的時(shí)鐘是200 MHz，其中 enen_in_h、even_in_y分別是信號(hào)檢測(cè)所需要輸入的數(shù)據(jù)，其高16位為實(shí)部，低16位為虛部。enen_in_h與even_in_y做復(fù)數(shù)的除法，在FPGA中除法的分子和分母的位數(shù)可以不同，分子最大位數(shù)為54 bit，目前均衡的方式是Y/H求出X，把Y的位數(shù)由32 bit擴(kuò)展到54 bit，分母H依舊是32 bit；FPGA中除法的算法是分子和商的位數(shù)相同(為54 bit)，但結(jié)果只能取 16 bit，根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定最合理的16 bit數(shù)據(jù)。實(shí)部與虛部的處理方法相同，最后將實(shí)部與虛部的計(jì)算結(jié)果拼成一個(gè)32 bit的數(shù)據(jù)。最終的計(jì)算結(jié)果為實(shí)部與虛部分別取高16 bit組成一個(gè)32 bit的輸出。圖2、圖3中所示的even_out是信號(hào)檢測(cè)輸出的數(shù)據(jù)，由仿真圖和實(shí)現(xiàn)圖可以看出，軟件仿真和用開(kāi)發(fā)平臺(tái)信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果是一致的，因此用FPGA可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)。

ZF算法的 Verliog[4]程序已通過(guò) Xilinx ISE10[5]的編譯、仿真驗(yàn)證及板級(jí)驗(yàn)證，其結(jié)果與理論值一致，精確度可以達(dá)到LTE系統(tǒng)的要求。該算法滿(mǎn)足了硬件對(duì)算法的模塊化、規(guī)則化要求，是一種可以充分發(fā)揮硬件的優(yōu)勢(shì)、利用硬件的資源和速度，從而實(shí)現(xiàn)硬件與算法理想結(jié)合的優(yōu)化方案。本文用硬件的思想對(duì)ZF算法進(jìn)行處理，達(dá)到了既滿(mǎn)足算法合理性要求也滿(mǎn)足FPGA設(shè)計(jì)要求的目的。在FPGA設(shè)計(jì)中，為追求速度與面積的平衡，故在本方案中采用流水線(xiàn)設(shè)計(jì)，每次調(diào)用4個(gè)乘法器和2個(gè)除法器，既提高了速度，也節(jié)省了資源。由于該算法的FPGA實(shí)現(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目的聯(lián)機(jī)調(diào)試中性能非常穩(wěn)定，該實(shí)現(xiàn)方案已經(jīng)到應(yīng)用到LTE綜合測(cè)試儀項(xiàng)目中。

[1]陳發(fā)堂，李小文，王丹，等.移動(dòng)通信接收機(jī)設(shè)計(jì)理論與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[2]BEEK J J，EDFORS O，SANDELL M，et al.On channel estimation in OFDM systems[C].Chicago：IEEE Vehic.Technol.Conf.，1995，2：815-819.

[3]沈嘉，索士強(qiáng)，金海洋，等.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].第2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]XilinxInc.Foundation series user guide[EB/OL].(2010-01-03)[2012-07-25].http：//china.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug071.pdf.