论文研究-WCDMA系统中自动频偏校正的DSP实现 .pdf

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WCDMA系统中自动频偏校正的DSP实现,张定宇,,本文研究了WCDMA系统中频率偏差的最大似然(Most likelihood, ML)校正法,并在ADI公司的BF561芯片上实现了该算法。在实现过程中,主要研究了��
山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn E0囗 delt f-10do ht 700 delt-F=2000 Hz 40口 ∠00 U1uU12当U3U4Lu 图2最优解扩点的选择图 由上图可以看岀,不同的解扩长度对最后性能有着比较大的影响,又考虑到工程上使 用的晶振稳定度为2×100,故 WCDMA系统的极限频率偏差为2000Hz,所以考虑选用600 点解扩 23ML估计 式(2-4)又能破改写为 =c(m)e4()+n 式(2 其中c=|al.(f)=2z/7(T=xN),4()=∑e2,n=∑n 」是我们可以定义似然函数 A(f|,c)全p{yf=f,O,c} 式(28) 其中c=(cn…,c-),y=(,…2-) 上述似然函数又可以写作 A(1)=ksxp1∑|()*ep1Rse∑ 之ceNO)() 其中k是个根据不同假没频率偏差f的固定值 A(f/)=2 2r A(.c)db=exp-∑la()} 24(/) ∑e jP( 式(2-10) 其中一阶Bess函数 令y=yG,很容易就可以从式(210)看出y=(y,y…,y)在/频率点的D 变换为 3 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn DH(,)∑e=∑ Le alrt 式(2-11) 我们定义z,为 2|A(f In(A() c) >r式 24利用二项插值简化计算 在实际中,我们不可能根据无限长的假设频率偏差计算得到它们各自相应的条件似然 数,所以我们可以设定k个假设频率偏差。推荐k为2的幂次方,这样可以使用FT快 速运算。然而,对有限个k个假设值,频率估计的精度受限」FFT的最小可分辨频率。对 解扩后的信号米说,此时的码元周期为T,所以最小可分辨频率△TK 实际频率偏差为 [(i-1)4, sisk+ f1 式(2-13) (k2+1)4%+1k 对k个统计量z=(20,1x-),式(212)可以表达为 2a diag(aa 式(2-14) 其中a=(4()4()…4(-),Y是y的k点的FT,如果a有如下性质 式(2-15) 则我们可以得到简化次优的算法 式(2-16) 只需将得到的Z进行二次插值便能得到极好的估测效果。 z的最大值对应点为(f,2),(f1,2),(f,2)和(12)的二次拟合曲线为 f2+v2f2+ 式(2-15) 经计算可以得到佔测值为 4z,+z f。=f 式(2-16) 2 4z,+2 25ML估测法仿真 下图给出了在浮点仿真条件下最大似然法估佔计频差的性能曲线,仿真中用到的信噪比是 对应于导频信道的码片信噪比,信号通过的是AWGN信道,并由2.2节内容,故采用600 点的解扩,又考虑到算法实现复杂度,经前期仿真比较,最后采用了128点的FFT运算。 图3中横坐标代表不同的码片信噪比,分别设定了如下信噪比:18,-16,-14,-12,-10dB, 4 山国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn 纵坐标代表频率估计值在不同信噪比下的标准差,实际频率偏差分别设置为60,660,1060 1600Hz,图中每条曲线的各信噪比处鄞用了10000点的仿真量。 点輸出,512点解护 det-F=60比z dlet-F= 660 Hz dell-F= 1660 Hz 1.2 图3浮点仿真性能‖线 由上图可以明显看出ML估算法性能比较优越。具体观测,可以得到以下结论:随着 信噪比的增加,佔计频率标准差下降,估计效果越好;在信噪比一定的情况下,实际频差 越大,佔计频率标准差越大,佔计效果越差;但是即使是在-20dB的信噪比,实际频差为 1660Hz的情况下,估计误差也不过才2.2Hz,基本达到了系统的要求。 由于最大似然法中最后用到了二次插值,由插值的知识可以知道,这样做以后,就导 致单纯的提高FFT点数,即减小最小频率分辨率,不能持续获得吲显的性能上的增益。在 实际中还必须考虑到实现的复杂度,所以选用仿真中的条件(128点FFT)就足够了。 3.DSP实现 在系统中,硬件实现平台为: Blackfin561。该芯片是AD( Analog Device Instrument) 公司的第四代定点DSP产品。最高时钟频率为600MHz,峰值处理能力为1.2 GMIPS。它 具有两个MAC,集成了人量的外围设备和存储器接口,每秒运算速度最高达到了 120MMAC(兆次乘加运算),适用于各种视频,音频,通信领域。 由」BF561的数学运算是内核基」16bit,而输入数据凵经量化为16bit,所以在实现 吋各种运算均釆用了精度运算,即让所有运算全部基于32bit。当输入数据均是16bit 加/减乘运算以后,32bit结果保存在数据寄存器中。当输入数据均为32bit吋,不再提扃精 度,最后计算结果32bit放在数据寄存器中。 现在通用的AD转换器一般都是自带自动增益控制(AGO)的,所以系统仿真中也就采 用了这种量化方式。经过前期仿真结果反复比较,最终确定了最优的量化区间。在各对应 信噪比处以;为量化区间,即,在每个信噪比处取各自的7倍噪声标准差为量化区间,将 接收信号在[7+mn(sga),+70-max(gman)间中均匀量化为16bt有符号数,其中 min( Signa)为信号的最小幅值,max( signal)为信号的最大幅值。 式(2.14)中用到了个除法和乘法,经过前期仿貞衣明:这两个数学运算的精度对最后 的性能曲线有极为明显的影响。又由于式中只有一个乘法和一个除法,所以考虑将这两个 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 运算改为浮点。经仿真确认这样对最后性能带来了20-30dB的增益,同吋没有带来复杂度 的明显上升。 4.性能比较 假设发送信号通过AwGN信道,在接收端通过兀配滤波后,分别存在60Hz和1660Hz 的频率偏差。在接收端,釆用第2节描述ML频率估计,仿真中系统选择600码片的解扩 方式和128点FFT。仿真曲线如图4和图5所小。图中的樻坐标代表导频信道的码片信 噪比,纵坐标代表估计频率的标准差,图中的三条曲线分别代表:浮点性能曲线( noating point),定点性能曲线( (fixedpoint,以及硬件性能曲线( Hardware)。 128点输出,512点解护60Hz 1.5 +— floating point --fixedpoint Hardware 1.3 0.9 0.8 0.7 0.6 --+--4- 13 12 11 图460Hz性能比较图 128点输出,512点解扩-1660Hz ing point ○ fixed point 0.8 -17 13 SNR 图51660Hz性能比较图 山上图可以看岀:随着信噪匕的埤加,估计频率标准差下降,佔计效果趑好;在信噪 比一定的情况下,实际频差越人,估计频率标准差越人,估计效果越差;但是即使是在-18dB 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 的信噪比,实际频差为1660Hz的情氿卜,估计误差也不过才1.Hz,极好地达到了系统的 要求。 另外由数字信号处理的知识可知,FFT运算有一个频率范围,然后进行频率轴上的周 期延拓,反映到算法当中,就体现为,对实际频率的估计有一个范围,超过这个范围,算 法将会尖效,这就要求晶振的频率稳定度不能太低。在仿真系统中,由于使用了128点的 FFT,计算可得最大的频率校正范围是±300Hz,又3G系统的载波频率为2GHz,所以,晶振 的最低稳定度必须为2。而这是符合一般工程条什下的晶振稳定度条件的。 整个算法共用了657120个时钟周期,在BF561芯片最高600MHz的工作频率下仅需 要1.1ms,极好地完成了设计要求。 5.总结 本文讨论了基于 WCDMA系统的频率校正最大似然方法。本文首先介绍了最大似然频 率估计方法,然后研究了DSP实现的主要问题,最后比较了ML频率估计方法的浮点、定 点和硬件上的实现。仿真结果表明,由于采用了适当的定点量化方法,几乎没有带来信噪 比的损失。即使是在-18dB,1660Hz的频差下,最后的估计频偏也就在1.6Hz左右,并且 实现复杂度降至了最低,在BF561这款ADI公司芯片上只需1.1ms的执行时间 参考文献 I Yi-Pin Eric Wang and Tony Ottosson. Initial Frequency acquisition in WCDMA L Vehicular Technology Conference, 1999. VTC 1999-Fall. IEEE VTS 50 Volume 2: 19-22 Sept. 1999 Page(s): 1013-1017 voL 2 [2] Analog Device, Inc. ADSP-BF561 Blackfin Processor Hardware Reference [M], Revision 1.0. 200.5 [3]吴伟陵,牛凯.移动通信原玛[M北京:电子工业出版社,2004.11 4」 Rappaport Theodore s.无线通信原理与应用M北京:电子业出版社,99.11 The dsP implementation of automatic frequency correction in WCDMA system Zhang dingyu School ofInformation Engineering, Beijing Universily of Posts and Telecommunications Beijing(100876) Abstract In this paper, the method of automatic frequency correction in WCdMa system is studied which is based on the most likelihood, and it is implemented on the chip of BF56l from ADI. Furthermore, the tification is mainly di d the perfo of floating point, fixed point, and hardware are compared at last. In the result, when the snR is -18dB based on the chip of CPICh and the real frequ or in the signal is 1 660Hz, the estimated 1.6H∠. The meth Lakes 657120 cycles on the chip BF561, and when the chip is running at its highest operation frequency (600MHz), it only takes 1.lm Keywords: WCDMA, AFC, ML

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