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加速超宽带无线通信系统的定点设计

时间:09-17 来源:电子发烧友 点击:

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。

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  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。

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图7:量化因子为2-14时的量化处理结果

  因此我们需要增加1~2位的量化,但是这对于放大级输出的小信号将会增加误差,不过该影响应该很小,因为当发射信号小于2-10时,就会淹没于信道噪声中。图8显示了将量化设为2-12时的改进结果。

  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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