快變信道OFDM均衡器的FPGA設計

陳少平，楊 楊

(中南民族大學電子信息工程學院，武漢430074)

由于具有頻譜資源利用率高、能抵抗多徑傳輸帶來的頻率選擇性衰落和接收機結構簡單等優(yōu)點，正交頻分復用調制(OFDM)在寬帶無線通信中得到廣泛應用，是 4G 移動通信的重要技術之一［1，2］.OFDM的主要缺點是對載波同步誤差和信道的變化較敏感［3-5］.在移動終端高速運動下，信道的快速變化使得在某一載波上傳輸的信號能量會泄露到相鄰載波上，出現載波間干擾(ICI)，常用的單抽頭均衡器不再適用［3］.為此，許多學者對快變信道下的OFDM均衡器設計進行研究，提出了很多有價值的均衡器結構［3-5］.快變信道 OFDM系統均衡的主要計算負擔來自均衡矩陣的求逆運算.為了降低計算量，利用載波間干擾的分布特性(即接收的干擾信號能量主要來自相鄰載波，忽略來自較遠載波的干擾)，將頻域信道矩陣近似為一個帶狀矩陣或等效的許多小矩陣，并采用回歸計算矩陣求逆［3-5］進一步降低計算量.

本文主要探討文獻［4］給出的低復雜度最小均方誤差均衡器(MMSE)的FPGA實現.將復雜的均衡處理分解為幾個功能較為簡單的模塊，通過控制器控制模塊間的協調與合作，提高運算速度.分析與測試結果表明:該均衡器具有占用資源少和運行速度快的優(yōu)點.

1 低復雜度MMSE均衡器算法簡介

文獻［4］給出的低復雜度最小均方誤差均衡器(MMSE)利用載波間干擾主要來自相鄰載波的特點，對頻域接收信號Y=［y0，y1，…，yN－1］T(其中:N表示OFDM載波數量)進行均衡.由于只利用了其中部分信號，使得均衡矩陣維數變小，復雜度降低.例如，考慮接收xk，利用Yk=［yk－Q，yk，…，yk+Q］T=Ak Xk(其中:Ak維數為:(2Q+1)×N，由信道頻域矩陣得到).這時均衡過程為:ˉxk=mk Xk=R－1k pk Xk，其中:Rk=ρAk ATk+I2Q+1，ρ為信噪比.這種均衡器的主要計算量來自求Rk的逆.為了減小計算量，可以通過R－1k－1迭代遞推得R－1k，具體算法見文獻［4］.

2 均衡器的FPGA實現

圖1是均衡器的FPGA實現框圖.整個運算分解為4步，分別由4個模塊完成，各個模塊功能見表1.這4個模塊實現的功能雖然不同，但是運算原理是類似的，所以他們的硬件結構也一樣，內部結構如圖2，其各自不同的運算任務通過執(zhí)行不同的程序來實現.

圖1 均衡器的結構圖Fig.1 Equalizer structure

其中clk_bit是串行數據的同步時鐘，在每個clk_bit時鐘周期內都需要完成一次均衡運算.另外還有一個頻率很高的工作時鐘clk，所有的運算器和模塊都是在這個時鐘的控制下工作的，保證運算能及時完成.

圖2 運算模塊內部結構Fig.2 Internal structure of each module

表1 各運算模塊功能Tab.1 Function of eachmodules

2.2 運算模塊

由于FPGA上能夠配置的計算器是有限的，所以每個計算器都需要多次使用.這里通過一個“case語句”執(zhí)行指令來實現計算器的復用.指令分為兩類，一類是數據傳輸指令，傳輸指令的作用就是完成各個寄存器間的數據傳遞.另一類是地址跳轉指令，它的功能是將當前執(zhí)行的指令跳轉到希望執(zhí)行的指令(如果不需要跳轉就自動加1).

指令由一個case語句識別，通過判斷指令中的信息，完成各個寄存器的數據傳送和加、減等變化.將指令編寫成簡單的程序，就可以完成各種矩陣運算任務了.

表2 指令格式Tab.2 Instruction format

另外每個運算模塊還有一個1KB的臨時數據存儲器，數據位寬16位.用于臨時存儲數據，臨時存儲器有一部分單元用于存儲一些特殊常數，如“0”“1”“π”等.地址是固定的，在存儲器初始化時用“Init File”賦值.

2.3 控制器

由于每個模塊間的運算有先后順序，4個模塊是否能夠協調工作決定了最終的結果是否正確，所以需要一個運算控制器來協調各個模塊的運算.這里用一個狀態(tài)機實現控制器的設計，其工作時鐘是clk，一共有10個狀態(tài).除了起始和結束狀態(tài)外，還有8個狀態(tài)，對應每個運算模塊的兩個狀態(tài)，分別是“等待狀態(tài)”和“工作狀態(tài)”.每次上電配置后狀態(tài)機就自動進入“起始狀態(tài)”，當遇到clk_bit高電平就進入下一個狀態(tài)開始分配工作.狀態(tài)機在“等待狀態(tài)”給出相應模塊的屏蔽信號，在“工作狀態(tài)”給出使能信號.完成運算后就進入“結束狀態(tài)”等待clk_bit的低電平，遇到低電平再回到起始狀態(tài).這樣既實現了一個clk_bit周期只完成一次運算，又實現了4個模塊的協調工作.

3 性能分析

一般從兩個方面衡量FPGA設計的優(yōu)劣;一是運算效果，即運算的準確性和速度;二是占用邏輯的多少.表3是系統給出的邏輯資源使用情況，其中配置門是可編程的邏輯資源，這里只使用了全部邏輯資源的10%左右.為了驗證均衡器運算的正確性，首先生成OFDM調制信號，映射方式為4QAM，并通過快變雙選擇性信道(歸一化多普勒頻移fD=0.15)，再加高斯白噪聲 (AWGN)，信噪比分別是20dB和30dB.然后用串口將數據傳輸到FPGA實驗板(XILINX XUP VIRTEX2)，在實驗板上完成均衡，最后用串口回傳到電腦并畫圖，均衡前后星座圖結果見圖3和圖4.

表3 資源使用情況Tab.3 Used logic resouce

設計中共使用了約370000個門.硬核乘法器(MULT18×18s)21個，塊狀存儲器(Block RAMs)2個，全局時鐘資源(GCLK)6個，時鐘管理器(DCM)1個.從均衡前后星座圖可以看出:信號在均很前受到了嚴重的干擾，無法通過估計得到有效信息.均衡后的星座圖明顯好于均衡前，基本可以通過判斷還原出發(fā)送的信息.

圖3 均衡前后星座圖(SNR=20dB)Fig.3 Star Graph after equalization(SNR=20dB)

圖4 均衡前后星座圖(SNR=30dB)Fig.4 Star Graph after equalization(SNR=30dB)

［1］Sampath H，Talwar S，Tellado J，et al.A fourth-generation MIMO-OFDM broadband wireless system:design，performance，and field trial results［J］.IEEE Communication Magazine，2002，19(9):143-149.

［2］Hui S，Yeung K.Challenges in the migration to 4G mobile systems［J］.IEEE Communication Magazine，2003，20(12):54-59.

［3］Jeon W G，Chang K H，Cho Y S.An equalization technique for orthogonal frequency-division multiplexing system in time-variantmultipath channels［J］.IEEE Transactions on Communication，1999，47(1):27-32.

［4］Cai X，Giannakis G B.Bounding performance and suppressing intercarrier interference in wirelessmobile OFDM［J］.IEEE Transactions on Communication，2003，51(12):2047-2056.

［5］Schniter P.Low-complexity equalization ofOFDM in doubly selective channels［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2004，52(4):1002-1011.