基于FPGA的空分復用MIMO球形檢測器

利用AutoESL高級綜合工具可實現(xiàn)在 Xilinx Virtex-5器件中構(gòu)建復雜的寬帶無線系統(tǒng)接收器。

空分復用MIMO處理技術(shù)可顯著提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率，進而大幅增加無線通信系統(tǒng)的容量。正因如此，它已成為新一代WiMAX以及其它基于OFDM無線通信系統(tǒng)的核心組成部分?？辗謴陀肕IMO處理技術(shù)是一項計算密集型應(yīng)用，可實現(xiàn)高要求的信號處理算法。

在MIMO系統(tǒng)中，空分復用技術(shù)的一個具體實例是球形解碼。球形解碼是一種解決MIMO檢測問題的有效方法，其在比特誤碼率 (BER) 性能方面能與最佳的最大似然檢測算法相媲美。但是，DSP處理器的計算能力有限，不足以滿足球形解碼實時性方面的要求。

現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 是一個極具吸引力的平臺，可實現(xiàn)如球形解碼器這樣的復雜DSP密集型算法?，F(xiàn)代FPGA 是一種高性能并行計算平臺，可在保持可編程DSP處理器靈活性的同時，為系統(tǒng)提供所需的專用硬件。多項研究表明在多個信號處理應(yīng)用中，F(xiàn)PGA的性能比傳統(tǒng) DSP 處理器高100倍，性價比可提高30倍。

盡管FPGA的性能具有相當大的優(yōu)勢，但通常無法應(yīng)用于無線信號處理，主要因為傳統(tǒng)的DSP程序員認為它們不容易處理。事實上，造成FPGA無法在無線應(yīng)用中得到廣泛使用的真正阻礙是以硬件為中心的傳統(tǒng)設(shè)計流程與工具。

目前，要想利用FPGA來進行設(shè)計，需要具備豐富的硬件設(shè)計經(jīng)驗，包括熟悉VHDL與Verilog等硬件描述語言。最近，新型高級綜合工具可以作為FPGA的輔助設(shè)計工具。這些設(shè)計工具將高級算法描述作為輸入，并生成可與標準FPGA實現(xiàn)工具（例如 Xilinx? ISE?design suite 與嵌入式開發(fā)套件）一起使用的RTL。該工具可提高設(shè)計效率，縮短開發(fā)時間，同時實現(xiàn)高質(zhì)量的設(shè)計。

我們可利用該工具設(shè)計基于 FPGA 的復雜無線算法應(yīng)用，即802.16e系統(tǒng)下的空分復用MIMO球形檢測器。我們專門選擇AutoESL的AutoPilot高級綜合工具作為時鐘頻率為225MHz的Xilinx Virtex?-5的輔助設(shè)計工具。

球形解碼

球形檢測作為解碼過程的一部分，是一種用于簡化空分復用系統(tǒng)檢測復雜程度的有效方法，在 BER 性能方面可與復雜度更高的最佳最大似然 (ML) 檢測算法相媲美。

如圖1所示，在MIMO 802.16e無線接收器的方框圖中，我們假設(shè)接收器可以準確估計信道矩陣，該假設(shè)條件可通過傳統(tǒng)的信道估算方法來實現(xiàn)。該實現(xiàn)的流水線具有 3 個構(gòu)建模塊：信道重新排序、QR分解以及球形檢測器 (SD)。我們通過計算檢測到的比特對數(shù)似然比(LLR) 來產(chǎn)生軟輸出，從而為軟輸入、軟輸出信道解碼器（比如渦輪解碼器）的
使用做準備。

圖 1 球形解碼器方框圖

信道矩陣重排序

球形檢測器處理天線的順序可對BER的性能產(chǎn)生較大影響。在進行球形檢測之前，首先執(zhí)行信道重排序。檢測器利用信道矩陣預(yù)處理器實現(xiàn)了類似貝爾實驗室分層空時 (BLAST) 結(jié)構(gòu)上采用的連續(xù)干擾抵消處理技術(shù)，最終達到了接近ML性能。

該方法利用信道重排序處理來實現(xiàn)，通過多次迭代確定復雜信道矩陣最佳列檢測次序。該算法根據(jù)迭代次數(shù)來選擇范數(shù)最大或最小的行。歐幾里德范數(shù)最小的行表示天線影響最強，而歐幾里德范數(shù)最大的行表示天線影響最弱。這種新穎的方案首先處理最弱的數(shù)據(jù)流，隨后依次迭代處理功率從高到低的數(shù)據(jù)流。

為了滿足應(yīng)用對高數(shù)據(jù)速率的要求，我們實現(xiàn)了圖2所示的基于流水線架構(gòu)的信道排序模塊。該模塊可以在時分復用 (TDM) 模式下同時處理5條信道。這種方案延長了同一信道不同矩陣元素之間的處理時間，同時可保持高數(shù)據(jù)吞吐量。
在圖2中，G矩陣計算是要求最高的組成部分。該過程的核心是矩陣求逆，可通過QR分解 (QRD) 來實現(xiàn)。實現(xiàn)QRD的常用方法是使用吉文斯旋轉(zhuǎn)。

圖 2 迭代信道矩陣重排序算法

該方法可執(zhí)行對角線單元和非對角線單元的復雜旋轉(zhuǎn)，這些單元都是我們所使用脈動陣列的基本計算單元。改進的實數(shù)矩陣QRD在獲取信道矩陣列的最佳排序之后，下一步應(yīng)對實數(shù)矩陣系數(shù)進行QR分解。用于該QRD處理的功能單元與計算逆矩陣的QRD引擎類似，但有一些不同之處。本例子的輸入數(shù)據(jù)是實數(shù)，因此脈動陣列結(jié)構(gòu)的維數(shù)會相應(yīng)更高（即8×8實數(shù)值而不是4×4復數(shù)值）。