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加速超宽带无线通信系统的定点设计
超宽带(OFDM UWB信号创建工具" target=_blank>UWB)无线技术即将取*公室和家中的高速数据传输网络。UWB技术未来能以每秒数百兆位的速度将数据传送至数公尺远,其主要应用领域包含了数字相机与计算机间的传输,以及DVD与高清电视(HDTV)之间的传输等。
UWB的传输距离主要是受到低功率与高数据传输率的限制,这对硬件实现来说,绝对是一项严苛的挑战。然而,UWB在市场上的成功与否又依赖于低成本,即使是短短几公尺的传输距离差距或小额的成本差异,都将决定UWB的成败。
定点设计在权衡UWB传输范围和成本之间的折衷方面,具有举足轻重的地位。首先,定点字长严重影响硬件大小与成本,例如,乘法运算所使用到的硅片面积大致与字长的平方成正比。第二,字长和小数点位置也严重影响到通信链路上信噪比性能,如果将信噪比提升1dB,则覆盖距离将有望提升25%。
不过,定点设计不但深具挑战性,也十分费时,一般来说约占总开发时间的25%至50%。本文主要介绍利用专门为UWB技术开发的Simulink来开发定点(Fixed-point)设计。同时,也讨论了加速设计流程的相关技巧。
模型架构
本文采用的模型是以2003年9月提交给IEEE802.15.3a的OFDM UWB提案为基础,后续的相关提案并没有改变其核心技术。
该提案建议支持55~480Mbps范围内的七种数据速率,但最高的强制数据率是200Mbps。在这个模式下,OFDM信号的发射采用跳频方式。对于200Mbps的最高强制数据速率以及OFDM跳频模式,都采用本文中的模型来捕获物理层信道。
多频OFDM在很多方面都非常类似IEEE802.11a/g的WLAN物理层标准;因此,将已有的802.11a模型改造成文中的UWB模型(如图1所示)。改造的模型中也包含Intel的UWB信道MATLAB代码,此模型已被IEEE802.15.3a标准所采用。
图1所示模型中的每个发射机和接收机都包括三个部份:二进制数据处理、数字基带处理、模拟前端和信道的基带模型。其中,本文主要讨论数字基带处理中的定点设计部份。其余部分都是为了辅助测试,以构成一个完整的系统模型,用来帮助快速*估定点设计对端到端链路性能的影响。
OFDM发射机
如图2所示的发射机子系统是将QPSK符号的载荷转换成发送到发射机前端的一个大的OFDM符号帧(每帧165个取样)。
位于图中左边的模块负责将信号转换为定点数据类型。事实上,这一操作并不存在,而是由QPSK调制器将进来的数据位直接转换成定点数据,位于系统输出端的转换模块则将数据转换为双精度浮点数据(就这一点而言,可以将其看作为一个D/A转换器)。
以橘色标记的功能块为IFFT和增益模块,负责执行定点算法;其余的模块负责对定点数据进行重组。图中对UWB模型用色彩全部加亮,目的是帮助人们能够快速地识别出究竟是哪些模块参与了定点处理。
图3:OFDM接收机方框图
图4给出了信道估计与补偿子系统。它实现了一种简单且低成本的相位补偿(对于更复杂的方案,则利用信道的频率相关性来减小噪声的均值)。系统中没有对OFDM各频率上的振幅变化进行补偿,因为这样的方法会耗费非常庞大的运算资源,而且对QPSK而言也没有必要。同时,该系统避免了复数除法运算,也确保除法结果具有较小的变化范围。
图4:信道估计和补偿
上述这些考虑是定点设计中最重要的预备阶段。在处理字长和量化之前,需要一个浮点基准(或称为黄金参考),用作为链路性能的上界。
浮点基准
对于任何子系统乃至整个模型,Simulink的数据型交叠功能能够直接实现定点和浮点数据之间的转换。对应于浮点参考基准,将信道信噪比设定为较高的值(60dB),这样可以排除对符号失真的定点影响。图5所示为UWB系统仿真的两个结果:1. 所有三个子带上的基带等效接收信号功率谱;2. 信道相位估计和补偿之后的信号星座图。
图5:基于Simulink模型的UWB仿真结果
功率谱(图5a)中的DC零点是由OFDM传输引起的,而频谱的其余部分则基本与多径信道的选频衰落特性相一致。在OFDM频率上的动态范围大约为30dB,这在相位补偿信号对消的幅度扩展图中也可看出。一个干净的X形星座图形则表示近乎理想的相位补偿。
定点设计方法
下一个重要的步骤,就是为系统中每一个定点运算模块设定字长和量化;字长和量化共同限制了信号的动态范围。如果设计不好,将会造成溢出和下溢,从而降低链路性能。因此,在定点设计分析中最重要的一项指标就是信号的动态范围。
在UWB定点设计中采用了下列方法:1. 将系统设计成符合信号处理的次序,使得浮点交叠能够用于后续的子系统;2. 对于给定算法的子系统或模块:先启动浮点交叠功能,分析输出信号的动态范围;调整字长和量化,使溢出和下溢最小;解除浮点交叠功能,重新检查动态范围,*估对联性能的影响。
该过程是不断反复的过程,工作流既冗长又耗时。为了加速这个过程,使用MATLAB来进行动态范围图形化分析,详情如下所述。
以发射机设计为例
在UWB模型中,建立了一个模块,该模块将信号直接输出到直方图中,这是一个信号动态范围可视化分析的极好方法。如图2所示,此模块(标有“定点分析”)被连接到发射机增益放大级的输出端。图6给出了浮点基准的直方分析图,包括同相和正交两种情况。根据比特位数,或者字长,动态范围刻度用以2为底的对数来表示比较实用。
图6:OFDM发射机输出直方图:浮点基准
除了0值采样(图中显示为2-15)以外,99.9%的时间里,信号强度都介于2-13至22,因此该信号用16位来表示就已足够。90dB这么大的动态范围在OFDM里相当普遍,实质上随机信号经过IFFT(中心极限定理)的结果就是这样大。
对于将溢出和下溢控制到最小来说,这个分析模块会自动估计2-14或许是一个最佳的量化因子(scaling factor)。以此估计为基础,对于发射机中所有算法模块,将初始字长设置到16位,量化因子设为2-14。首先明确设定输入信关模块的定点参数值,然后选择发射机其它运算模块的定点参数与输入相同(Same as input)。同时,在接收机子系统中保留浮点交叠功能,以便隔离或定位发射机设计中的潜在问题。
图7给出了直方分布图以及相位补偿信号对消后的星座图。请注意和图5的浮点基准相比,图7b所示的星座图有点失真。直方分布图中显示出饱和值为2(直方图中虚线代表浮点基准,而柱干则代表定点结果)。虽然高功率发射的时间只有1%左右,但这足以(具有很高概率)在128点接收机FFT输出端上引起很大的失真。
图8:改善后的量化因子为2-12时的量化处理结果
偏重于信号范围的高端并非总是正确的方法。因为有时候小信号也起着关键的作用,例如在信道估计和补偿算法中。关键是设置定点量化值需要一些技巧,尤其是字长较短时。自动计算工具可以提供粗略的估计,不过细调则需要可视化与经验的结合。接下来的步骤包括分析发射机中单个模块的输出信号的动态范围,细调模块的定点设置,并将这些技术转用到接收机中。
应用在较短的字长
一开始,对于整个系统采用了16位字长来逐步逼近设计,然后将掌握的技巧应用到较短字长。例如,当我们更关注溢出时(一般状况下皆为如此),此时,对于不同的字长来说,小数点以上的数据位数趋于类似。使用这里讨论的工具和方法,可以设计出一个10位的UWB系统,每位错误率为0.1%,而且相对于浮点基准,信噪比仅仅降低0.5dB。
采用MATLAB工作变量和选择工具,可以实现不同的定点设计之间的快速切换。我们也能够编写简单的MATLAB程序来实现一系列不同的字长和信道条件下的仿真。实际上,本文所讨论的如何在一个UWB无线通信系统中加速定点设计的技巧,也可以用来处理芯片面积(或功耗)和无线覆盖距离之间的所有重要折衷。
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