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加速超寬帶無線通信系統(tǒng)的定點設(shè)計

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超寬帶(UWB)無線技術(shù)即將取代辦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)字相機與計算機間的傳輸，以及DVD與高清電視(HDTV)之間的傳輸?shù)?。
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，這對硬件實現(xiàn)來說，絕對是一項嚴(yán)苛的挑戰(zhàn) 。然而，UWB在市場上的成功與否又依靠于低成本，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 。
定點設(shè)計在權(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，定點字長嚴(yán)重影響硬件大小與成本，例如，乘法運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)點位置也嚴(yán)重影響到通信鏈路上信噪比性能，假如將信噪比提升1dB，則覆蓋距離將有望提升25% 。
不過，定點設(shè)計不但深具挑戰(zhàn)性，也十分費時，一般來說約占總開發(fā)時間的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(Fixed-point)設(shè)計 。同時，也討論了加速設(shè)計流程的相關(guān)技巧 。
【加速超寬帶無線通信系統(tǒng)的定點設(shè)計】 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OFDMUWB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，但最高的強制數(shù)據(jù)率是200Mbps 。在這個模式下，OFDM信號的發(fā)射采用跳頻方式 。對于200Mbps的最高強制數(shù)據(jù)速率以及OFDM跳頻模式，都采用本文中的模型來捕捉物理層信道 。
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所示模型中的每個發(fā)射機和接收機都包括三個部份：二進制數(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設(shè)計部份 。其余部分都是為了輔助測試，以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)模型，用來幫助快速評估定點設(shè)計對端到端鏈路性能的影響 。
OFDM發(fā)射機
如圖2所示的發(fā)射機子系統(tǒng)是將QPSK符號的載荷轉(zhuǎn)換成發(fā)送到發(fā)射機前端的一個大的OFDM符號幀(每幀165個取樣) 。
位于圖中左邊的模塊負(fù)責(zé)將信號轉(zhuǎn)換為定點數(shù)據(jù)類型 。事實上，這一操作并不存在，而是由QPSK調(diào)制器將進來的數(shù)據(jù)位直接轉(zhuǎn)換成定點數(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)換為雙精度浮點數(shù)據(jù)(就這一點而言，可以將其看作為一個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)行定點算法；其余的模塊負(fù)責(zé)對定點數(shù)據(jù)進行重組 。圖中對UWB模型用色彩全部加亮，目的是幫助人們能夠快速地識別出究竟是哪些模塊參與了定點處理 。
圖1：用于開發(fā)定點設(shè)計的Simulink模型頂層示意圖
圖2：OFDM發(fā)射機方框圖
OFDM接收機
在圖3所示的OFDM接收機中，相對于發(fā)射機而言，包含了比較多的信號處理功能，因而包含了更多的定點運算 。此接收機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/補償、時域解擴 。其中，循環(huán)處理、信道估計、和信道補償是降低多徑傳播影響的必要方法 。
圖3：OFDM接收機方框圖
圖4給出了信道估計與補償子系統(tǒng) 。它實現(xiàn)了一種簡單且低成本的相位補償(對于更復(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OFDM各頻率上的振幅變化進行補償，因為這樣的方法會耗費非常龐大的運算資源，而且對QPSK而言也沒有必要 。同時，該系統(tǒng)避免了復(fù)數(shù)除法運算，也確保除法結(jié)果具有較小的變化范圍 。

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