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1：用于开发定点设计的Simulink模型顶层示意图

图2：OFDM发射机方框图

　　OFDM接收机

　　在图3所示的OFDM接收机中，相对于发射机而言，包含了比较多的信号处理功能，因而包含了更多的定点运算。此接收机中需要以下四种算法，即循环处理、快速傅里叶变换、信道估计/补偿、时域解扩。其中，循环处理、信道估计、和信道补偿是降低多径传播影响的必要方法。

　　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