基于Verilog的IDMA系統(tǒng)發(fā)射端和接收端設(shè)計(jì)

宋曉波

(四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川 自貢 643000)

引言

近年來，盡管碼分多址CDMA(Code-division multiple-access)與多用戶檢測(cè)(MUD)方面的研究工作有長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是系統(tǒng)的性能上和實(shí)現(xiàn)功能的復(fù)雜度上倍受學(xué)者關(guān)注。然而，CDMA理論上的限制很難滿足4G的性能要求，由此，由香港城市大學(xué)的Li Ping［1］教授提出的交織多址IDMA(Interleave-division multipleaccess)倍受業(yè)內(nèi)學(xué)者關(guān)注。目前看來，無線通信發(fā)展需要高數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)包通信，使用高碼率，多天線技術(shù)和高階調(diào)制能滿足這一需求。在這樣的背景下，CDMA會(huì)因?yàn)閿U(kuò)頻序列的影響使得用戶容量受到很大的限制［2］，此時(shí)IDMA的作用顯得尤為突出。

IDMA與CDMA的區(qū)別［3］在于:CDMA區(qū)別用戶是依靠不同的擴(kuò)頻編碼序列，而IDMA的所有用戶使用相同的擴(kuò)頻碼，擴(kuò)頻后，各個(gè)用戶用不同的交織序列，利用交織序列的唯一性來區(qū)別用戶。本質(zhì)上說，IDMA屬于碼分多址，但是與傳統(tǒng)的碼分多址不同，其特點(diǎn)歸納為:(1)經(jīng)過編碼實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，具有最大化的編碼增益;(2)用不同的交織圖案作用戶的標(biāo)識(shí)特征，不受信道化碼等碼資源的限制;(3)迭代檢測(cè)［4-6］與交織多址相結(jié)合，通過迭代，IDMA能發(fā)揮出編碼增益大，分集階數(shù)高的優(yōu)勢(shì)，取得比CDMA更佳的性能;(4)碼片級(jí)交織，具備與比特交織編碼調(diào)制BICM相同的機(jī)制，有更高的分集階數(shù)。

1 IDMA原理

1.1 IDMA系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端的結(jié)構(gòu)圖

IDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。假定第k用戶的數(shù)據(jù)序列為dk={dk(i)，i=1，2...，w}，其中W為數(shù)據(jù)序列的長(zhǎng)度。將dk作為擴(kuò)頻器進(jìn)行擴(kuò)頻的輸入，其中S為擴(kuò)頻序列長(zhǎng)，擴(kuò)頻序列形式為:(+1，-1，+1，-1，...，+1，-1)。擴(kuò)頻器輸出的數(shù)據(jù)序列為ck={ck(j)，j=1，2...，N}，幀的長(zhǎng)度為:N=W×S。令πk表示第K個(gè)用戶的交織器。相對(duì)應(yīng)，π-1k表示第K個(gè)用戶的解交織器。經(jīng)過交織與BPSK調(diào)制后，產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)序列為:{xk(j)，j=1，2...，N}。圖1中的下半部分為IDMA系統(tǒng)中的接收端，由交織器、解交織器多用戶檢測(cè)器(MUD)和解擴(kuò)器所組成，多用戶檢測(cè)器、交織器和解交織器連接起來，進(jìn)行信號(hào)的迭代干擾消除。用eDEC(xk(j))表示多用戶檢測(cè)器的外信息，eESE(xk(j))表示解交織的外信息分別表示多用戶檢測(cè)器和解交織輸入的先驗(yàn)信息。在迭代檢測(cè)的過程中，外信息和先驗(yàn)信息之間相互交換信息，進(jìn)而不斷更新自身的狀態(tài)值。第K個(gè)用戶接收端的硬判決譯碼后輸出的數(shù)據(jù)用表示。

圖1 IDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.2 多用戶迭代檢測(cè)的原理

設(shè)IDMA系統(tǒng)里用戶的個(gè)數(shù)為K，那么接收信號(hào){r(j)}表示為:

其中:hk表示信道衰落系數(shù);n(j)為加性高斯白噪聲(AWGN)，其符合正態(tài)分布，均值為0，方差為，其統(tǒng)計(jì)特性是:

其中，ηk(j)包括其他K-1個(gè)用戶的干擾信號(hào)和加性高斯白噪聲。由中心極限定理可知，相互獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量之和的分布近似于正態(tài)分布。ηk(j)的均值E(ηk(j))和方差Var(ηk(j))可用以下式子表示:

其中，{s(j)，j=1，2，...，S}為擴(kuò)頻碼。外信息eESE(xk(j))由式(5)可得，經(jīng)過解交織后，外信息eESE(xk(j))作為解擴(kuò)頻器的輸入產(chǎn)生先驗(yàn)信息(xk(j))，再通過式(6)可得外信息eDEC(xk(j))。解擴(kuò)頻反饋外信息eDEC(xk(j))作為交織器的輸入產(chǎn)生先驗(yàn)信息(xk(j))，從而提供給多用戶檢測(cè)器用來更新式(3)和式(4)所計(jì)算的均值和方差，目的是為了下一次迭代能進(jìn)一步提高多用戶檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

IDMA接收端在迭代多用戶檢測(cè)過程中，運(yùn)用式(7)和式(8)表示的更新規(guī)則。

隨著對(duì)多用戶迭代檢測(cè)的進(jìn)行，解擴(kuò)頻器不斷將外信息反饋給多用戶檢測(cè)器，xk(j)的方差Var(xk(j))不斷減小，即對(duì)信號(hào)xk(j)的干擾逐漸減少。理想條件下，在最后一次迭代多用戶檢測(cè)后，式(4)所表示的Var(xk(j))會(huì)變成零，干擾信號(hào)便完全消除。在最后一次迭代結(jié)束后，接收端對(duì))做硬判決，得到接收端的輸出數(shù)據(jù)。

2 IDMA發(fā)送端和接收端基本器件的實(shí)現(xiàn)

2.1 交織器的實(shí)現(xiàn)

交織器功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見，實(shí)現(xiàn)交織功能的基本器件有:計(jì)數(shù)器，選擇器，M序列發(fā)生器和RAM。計(jì)數(shù)器的輸出控制兩個(gè)RAM的地址端口，選擇器控制兩個(gè)RAM的使能端口，輸入信號(hào)和M序列分別作為兩個(gè)RAM的輸入寄存在RAM中。RAM2的輸出作為RAM1的輸出地址控制信號(hào)。

圖2 交織器的硬件實(shí)現(xiàn)

交織器工作流程:線性反饋移位寄存器產(chǎn)生M序列，依次存入RAM2中。待輸入信號(hào)作為RAM1的輸入時(shí)，計(jì)數(shù)器開始工作，RAM1的數(shù)據(jù)寫滿，輸出對(duì)選擇器的控制信號(hào)，啟動(dòng)RAM2，不斷產(chǎn)生信號(hào)并輸入RAM1的地址端，同時(shí)RAM1根據(jù)地址信號(hào)讀出信號(hào)作為輸出信號(hào)，這便是交織的過程。

2.2 ESE的簡(jiǎn)化

IDMA系統(tǒng)要達(dá)到一定的性能，必須進(jìn)行多次迭代。本文考慮使用TR技術(shù)減少迭代次數(shù)，但是如果總用戶數(shù)目太大的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)IDMA存在一定的困難，特別是在實(shí)現(xiàn)式(7)的tanh函數(shù)時(shí)，雖然可以利用CORDIC算法進(jìn)行處理，但是在IDMA系統(tǒng)中用到的tanh函數(shù)輸入范圍比較大，所以必須對(duì)輸入值作預(yù)處理，而且在多次迭代中，每次預(yù)處理的可能在不同范圍中，這在仿真中實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度很大。

在性能可接受的情況下，使用截?cái)嗪瘮?shù)來近似tanh函數(shù):

在文獻(xiàn)［7］中，低信噪比時(shí)，截?cái)嗪瘮?shù)的性能較tanh函數(shù)時(shí)有1 dB的損失，但是隨著信噪比升高，兩種情況的性能差異開始減小，當(dāng)信噪比達(dá)到6 dB時(shí)，二者的性能基本相同。因此IDMA迭代檢測(cè)過程中，運(yùn)用截?cái)嗪瘮?shù)是可行的。

由此可以看出，最基本的器件就能實(shí)現(xiàn)IDMA系統(tǒng)的接收端和發(fā)射端。

3 IDMA發(fā)送端和接收端的仿真

3.1 交織器的仿真

交織器的設(shè)計(jì)是IDMA系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)［8］，它不但要用來交織某一特定用戶的數(shù)據(jù)順序，而且還起著區(qū)分用戶的作用。交織器性能優(yōu)劣的衡量標(biāo)準(zhǔn)有:(1)交織器實(shí)現(xiàn)對(duì)比特的均勻保護(hù);(2)交織前后比特之間的距離特性;(3)交織器最好為對(duì)稱交織器。交織器設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)IDMA的實(shí)際性能。目前，IDMA一般采用偽隨機(jī)交織器的設(shè)計(jì)方案，因?yàn)樵摲桨副阌趯?shí)現(xiàn)。

借助于M序列發(fā)生器［9］的特點(diǎn)，首先生成偽隨機(jī)交織器，然后在該隨機(jī)交織器的基礎(chǔ)上，通過循環(huán)移位不同步長(zhǎng)的方式生成一系列交織器，其仿真實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。

3.2 IDMA系統(tǒng)的發(fā)射端仿真

發(fā)射端包括兩大功能:擴(kuò)頻和交織。擴(kuò)頻是用與被傳輸信號(hào)無關(guān)的碼對(duì)被傳輸信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展頻譜，使其占有大大超過被傳送信息所占用的最小帶寬。交織就是分散信號(hào)在信道傳輸?shù)倪^程中集中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，以便接收端糾錯(cuò)。其仿真效果如圖4所示。

圖3 基于Verilog四個(gè)用戶的交織序列仿真波形

圖4 IDMA系統(tǒng)的發(fā)射端的Verilog仿真波形

每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)為2，采用碼率為1/4的重復(fù)編碼方式，其映射關(guān)系:1=＞1010，0=＞0101。經(jīng)過擴(kuò)頻后，得到“data_after_spread”。例如:用戶1的輸入信號(hào)10=＞10100101(其他用戶同理)。然后通過交織器，按照?qǐng)D2的方式，根據(jù)不同的用戶交織序列，得到“data_after_inter”。例如用戶1的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過交織器10100101=＞01100110。

3.3 IDMA系統(tǒng)的接收端的仿真

接收端檢測(cè)到信號(hào)，經(jīng)過量化，編碼，得到八個(gè)二進(jìn)制數(shù)。再輸入解交織器，恢復(fù)數(shù)據(jù)順序，以便進(jìn)行解擴(kuò)頻運(yùn)算。如果是最后一次迭代，解擴(kuò)頻得到的結(jié)果經(jīng)過判決，符號(hào)位為1，輸出為1;符號(hào)位為0，輸出為0.如果不是最后一次迭代，解擴(kuò)頻得到的數(shù)據(jù)與八個(gè)解交織器輸出的數(shù)據(jù)作減法運(yùn)算，再輸入交織器;交織器的輸出經(jīng)過截?cái)嗪瘮?shù)處理后作為反饋再與接收到的八個(gè)二進(jìn)制數(shù)作減法運(yùn)算，此過程便為一次迭代過程。以上仿真采用的2次迭代，從波形圖(見圖5)可以看到，接收端的輸出有一定程度的延遲。

圖5 IDMA系統(tǒng)接收端的Verilog仿真波形

由于IDMA采用的是TURBO迭代檢測(cè)［10］，雖然能使檢測(cè)性能顯著地提高，但是在實(shí)際應(yīng)用中，多次的迭代必將帶來大的延遲，這在很多高速的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中難以接受，其在一定程度上限制了IDMA的應(yīng)用范圍。

4 總結(jié)

本文對(duì)IDMA系統(tǒng)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，與CDMA相比，IDMA以不同的隨機(jī)交織器區(qū)分不同用戶，其低復(fù)雜度高性能的迭代檢測(cè)算法使其接收端的結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化。IDMA接收端只需要多個(gè)多位加法器、移位寄存器、ROM和RAM等最基本的數(shù)字信號(hào)處理器件，稍微復(fù)雜的tanh函數(shù)，在不影響接收端性能的情況下，也做了簡(jiǎn)化處理。可以說，IDMA系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端在硬件實(shí)現(xiàn)上是易于實(shí)現(xiàn)的，從而為其應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但迭代檢測(cè)存在一定的延遲，這也說明了降低迭代次數(shù)的價(jià)值，為下一步工作指明了方向:在保證性能的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和降低迭代次數(shù)。

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