论文研究-MIMO SC-FDE系统的频域均衡算法的研究及其FPGA实现 .pdf

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MIMO SC-FDE系统的频域均衡算法的研究及其FPGA实现,梁瀚予,林家儒,本文主要研究MIMO单载波频域均衡系统(MIMO-SCFDE)的频域均衡算法,给出了信道估计、空时块编码(STBC)和频域均衡等算法,以及FPGA实现方
山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn P,+Ipoh,. +jh,o p,h, -Poh, )+j(Poh,+p,h, =l+ ic 根据(3)和(4)式,可以得到 (1-j0)P+j0)(h,+边)=(P-j)(+Q) (p2+P2)(1+)=(P1+P2Q)+(PQ-P (h+)=[(P1+PQ9)+f(n19-P2l)]2 从而可以求出当前径的信道系数h和ho 假设信道是慢变的,因此可以认为在一个导频的时间间隔内,信道响应h保持不变, 通过累积多个时隙上的信道响应估计值,对抗高斯白噪声。 801.12 CAZAC序列 在SC-FDE系统中,由于无线信道的复杂性,信道估计能够准确估计出各糸径的信道信 息,是频域均衡能够有效消除码间干扰的重要前提。恒包终零自相关(Cons! Amplitude Zero Auto- Correlation, CAZAC)序列具有很多优良的特性: a.序列的幅值是恒定的,可以保讧带宽內每个频点经历相同的激励便于实现相干检测 中的无频偏估计,如图所示为1024点复序列的幅度图 :506 X1024 0.8 06 01002003004005006007008009001000 图1 CAZAC序列幅度特性 Fig. 1 the Amplitude of CAZAC b.序列与其循环移位n位后的序列互不相关,自相关峰尖锐。互相关和部分相关的值 接近于零便于接收端准确的把信号检测岀来并减小检测差错,自相关特性曲线如图 所小为1024点复序列的自相关曲线。 C. CAZAC序经过傅立叶变换前后仍然是 CAZAC序列 基于以上的优良性能,常用 CAZAC序列主要包括 Zadott-chu序列、Chip-Like(GCL) 序列、 frank序列和 Golomb多相序列等,本项目采用经过改进之后的种特殊序列。 山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 0.6 X:5214 X:1023 1025 X:1616 Y:6.595e-15 Y:00C01343Y:5.731-16 Y:4.284e-15 0 0200400600800100012001400160018002000 图2 CAZAC序列自相关特性 1.2空时块编码与频域均衡 在MMO系统中,通过空时块编码能够充分获得空间分集增益。夲系统的空时块编码 采用如图所示 Slot 1 Slot2 Ant1 Ant2 图3空时块编码方案 Fig 3 the scheme of STio 105 第一个数据块的接收信号可以写成 11 H, H H,, (6) 对应的第二个数据块的接收信号可以写成 HH 2 ,1 22 22 其中,yn表示第n(n=1,2)个数据块的传输时间内,第j=12)个接收天线接收到的信号, 110其维数为N。H衣示第(i-1,2)个发射天线到第j-1,2)个收天线的信道冲击响应,由于循 环前缀的存在,Hμ是循环平移矩阵。wn表示第m(n=12)个数据块的传输时间内,第j=1,2) 个收天线的高斯白噪声向量,其维数为N,噪声方差矩阵为σ 将接收到的信号变换到频域,根据信道冲击响应矩阵的循环平移特性,多天线信道频域 4 山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 响应矩阵是块对角知阵。卜面只对频域上单个了载波的接收信号进行处理。 (n)「g1(m)g12(n)x(m l15 n2(n)|82(n)g2(m) (8) g1(m)g2(m)‖-x 2(m)」[g2(m)g2(m)x( 根据(8)和(9)式整理之后得到 r(m)=g1(n)n1(n)+821(m)2(m)+g12(n)21(m)+g2(n)2(m) (10) 2x(m)+g(n)h(n)+g2(m)12(m)+g12(n)n21(m)+82(n)h2(mn) (n)=g2(n)(n)+g2(n)2(m)-g1()21(n)-821(m)2(m) 22x(m)+g12(n)1(n)+g2(n)n2(m)-g1(m)v21(m)-g21(m)2(n) 120 其中2=(10)+1()+2(O+g3)根据高斯白曦声的特件,噪声 相独立同分布于v和,v2。进一步得到 r(m)=2x1(m)+2 (12) r2(n)=12x2(m)+xn 采用MMSE算法进行频域均衡 r1(n) (13) x2(n)= r2(n) 125 将频域均衡的结果转换到时域即可进行判决。以上算法,采用STBC能够充分获得分集 增益。利用MMSE算法,在低信噪比时能够消除噪声的干扰。上述算法的复杂度很低,对 于硬件实现提供了很大的可能性。 2FPGA实现 2.1信道估计特殊处理 130 木系统的符号速率为25M,但是接收端的处理时钟为100MH。信道估计模块需要搜索 多径,用于均衡,在这里就会出现几种选择。同时进行多条径的搜索就会增大资源,逐条径 进行搜索就会增大处埋吋延。如图所示为数据传输格式 23456 910111飞115筲1112222 Vaid Da二 Xi:iiX::X:::i:iX:::::X 山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图4数据时序 135 Fig. 4 the schedule of data 本文根据符号速率和处理时钟的关系,采取特殊处理,在数据保持不变的四个时钟内搜 索四条径。这样相对于全并行处理会节省4倍的资源,相对于串行处理公节省四倍的时间。 具体处理过程如下图所示。 23456789101112141筲亿侶個92122 ck↑L1門L Vaid 几∏几 Data XXX aid Aide Vaid DEtal 140 图5信道估计数据处理方式 Fig 5 thc proccss of channel estimation 将数据使能信号 Valid延迟四个时钟周期。将数据Data延迟一个时钟周期使其与延迟 的数据使能对齐,在延迟的这四个时钟周期数据保持不变。在每个时钟内处理一条径,这样 即可在一个有效数据到来时完成四条径的信道计。 14522MMSE算法 根据(13式可以得到MMSE算法进行频域均衡的公式。在高信噪比卜噪声方差2与信 道系数项λ2相比较小,对均衡的结果影响较小,如果系统的信号功率变化不大,那么信道 系数项n变化不会特别大。此时,MMSE算法的1 s,绎过实际仿真此时的均 衡系数用一个常数替代性能没有恶化特别多,如果硬件资源严重受限并且系统T作的信噪比 150较高可以采用此种方法。但是在低信噪比下,两者相差较人,噪声项不能够忽略。 鉴于FPGA资源和实现除法器的难度,本系统采用近似的方法。利用查表的方法代替除 法。通过考虑实现的资源和系统的性能,对16bit的分母做一个除法表。该除法表的量化曲 线如图所示。 6 山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 16级量化 级量化 16级量化 级量化 155 图6除法表量化方案 Fig. 6 the quantification of divider 采用非均匀量化,从图中可以看到对于分母米说,分母较小的地方量化精度比较高,分 母较大的地方量化精度较低,这样既保证了量化精度同时芇省了资源。 3系统仿真 160 本系统采用16码率的tubo码,QPSK调制,2×2MIMO模型。分别进行了浮点和定点 的性能仿真,同时对频域均衡采用除法表的方案进行了定点仿真。信道衰落模型采用 Jakes 模型,采用理想的相邻两径模型。仿真曲线如图7,图8所示。 Perfamencef An ideal chest 工十 fixed divider 10 fixed tate PGA 10 工工+ 二二T二二二二工 a82782624222268662462 SNR 图7AWGN信道模型系统性能曲线 Fig. 7 the performance of the system on AWGN channel model 图7的五条由线分别为理想信道估计、浮点平台、定点使用除法器平台、定点使用查表 法平台以及FPGA哽件实现的性能曲线硬件实现的性能曲线是在实验室测试,采用噪声源, 衰减器和误码仪等设备。由于衰减器的分辨率为1dB,在10e-5误码率附件测试了两个信噪 比。从图中可以看出浮点平台的性能与理想信道估计的性能相差在0.5dB以内,符合系统要 7 山武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 170求。浮点平台和定点平台的性能相差0.3dB左右,利用查表法的定点平台和利用除法器的定 点平台性能相差在0.2dB左右,符合系统要求。FPGA硬件实现性能和定点平台相差0.5dB 左右,考虑到硬件实现的和测量的误差,符合系统要求。 Perarende af fada 2 path fixed divider fixed tade E三三三 二二二二 LEFLHL 图8 jakes2径信道模型性能 Fig8 the performance of two path on jakes model 衰落信道采用 jakes模型,多径模型采用理想的相邻两径。仿真曲线如图8所示,2径 的理想信道估计与浮点信道估计相差1dB左右。采用査表法与定点平台性能差0.5dB左右 在系统要求性能损失的范围之内。在实验室进行多径测试,与定点半台相比性能恶化0.7dB 左右,在误差允许范围之内 1804结论 本文分析了 SC-FDE系统中的关键技术,给出了相关的实现方法。通过搭建浮点和定点 仿真平台验证了算法的可行性和性能。基于FPGA硬件平台,实现了所给出的各种算法。在 硬件实现过程中,对信道估计算法采用优化算法,降低硬件资源。频域均衡算法采用査表法 降低了系统的复杂度同时降低了硬件资源。实际硬件沨试的结果表明,所实现的系统性能达 185到了设计要求。所给出的各种算法和实现方法,对于SC-FDE系统的实现具有一定的参考价 值和指导意义 参考文献]( References [1]吴伟陵,牛凯.移动通信原理[M].北京:电子工业出版社,2009 190 /2 1 1 Cimini. Analysis and Simulation of a Digital Mobile Channel Using Orthogonal Frequency Division Multiplexing[J]. IEEE Transactions on Communications, 1985, 33(7): 665-675 [3]崔璐,单载波频域均衡( SC-FDE)技术的研宄D]西安:西安电子科技大学2009 [4]卢建春,单载波频域均衡多天线系统关键技心研究[D],成都:电子科技人学2015 [5]任斌 CAZAC序列在LTE中的应用研究[D],北京:北京邮电人学,2009 [6]杨繁,王光阳,明忠良,王敏杰,李祥明,SCCP的迫零均衡和最小均方误差均衡性能匕较[门,电声技 术 Audio Engineering2004年10期48-50

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