《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的PUSCH信道估計(jì)仿真與實(shí)現(xiàn)
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第6期
董宏成，步清明，李小文，施流偉
重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065
摘要： 基于最小平方 (LS) 算法，利用FPGA實(shí)現(xiàn)了一種適用于TD-LTE系統(tǒng)的上行信道估計(jì)算法。主要研究了如何利用FPGA實(shí)現(xiàn)LS算法，包括算法的介紹、方案的形成、FPGA實(shí)現(xiàn)的處理流程、FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)果及分析。以Virtex-5芯片為硬件平臺(tái)，完成了仿真、綜合、板級(jí)驗(yàn)證等工作。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，該信道估計(jì)算法應(yīng)用到TD-LTE系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可行性。
中圖分類號(hào)： TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)06-0051-03
Simulation and realization of channel estimation and in TD-LTE system based on FPGA
Dong Hongcheng，Bu Qingming，Li Xiaowen，Shi Liuwei
School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065，China
Abstract： Based on the Least Square(LS) algorithm, a novel uplink channel estimation algorithm in TD-LTE system is improved and realized by FPGA. This paper studies the implementation of uplink channel estimation based on FPGA. It includes introduction of the algorithm, projects completing, dispose process of FPGA implementation and analysis of FPGA implementation. Then it finishes simulation, synthesis and verification of the board on Virtex-5.Implementation results show that this channel estimation algorithm have a very good feasibility and stability in TD-LTE system.
Key words : FPGA implementation；TD-LTE system； channel estimation；LS algorithm；Virtex-5

    在移動(dòng)通信環(huán)境中，無(wú)線信道千變?nèi)f化，接收機(jī)接收到的信號(hào)往往是信號(hào)經(jīng)反射、折射以及散射的多條路徑在不同時(shí)間點(diǎn)到達(dá)接收端的疊加。可見(jiàn)，要精確估計(jì)出信道響應(yīng)值十分艱難。信道估計(jì)作為物理層的接收端算法，為信號(hào)檢測(cè)提供條件，對(duì)影像數(shù)據(jù)恢復(fù)起著至關(guān)重要的作用。因此，在接收端進(jìn)行正確可靠的信道估計(jì)研究以及應(yīng)用十分關(guān)鍵[1]。一般而言，PUSCH信道估計(jì)多采用LS算法，除此之外最小低秩均方算法也比較常用，LS算法簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)[2]，故本文采用LS算法。對(duì)于插值的處理本文采用一階線性插值[3]，容易實(shí)現(xiàn)且能滿足對(duì)功能的需求。FPGA在數(shù)據(jù)處理方面有著優(yōu)越的性能且非常適合做并行運(yùn)算，其芯片內(nèi)部一般都含有大量的RAM和多達(dá)幾百個(gè)乘加單元，利用FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理能夠提高數(shù)據(jù)的處理速度。因此用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)和插值應(yīng)用在LTE綜合測(cè)試儀開(kāi)發(fā)中是一個(gè)較好的方案。

 
    LS算法可以簡(jiǎn)單地估計(jì)出參考信號(hào)輸出的信道傳輸函數(shù)值，但是算法沒(méi)有利用子載波的信道傳輸函數(shù)值的相關(guān)性，沒(méi)有考慮噪聲影響，無(wú)法消除噪聲帶來(lái)的估計(jì)誤差。
1.2 線性插值算法
    對(duì)于數(shù)據(jù)點(diǎn)位置的插值，一般都采用線性插值[5]。線性插值分為一階線性插值和二階線性插值。線性插值的思想是根據(jù)鄰近子載波和待估計(jì)子載波的頻域響應(yīng)相關(guān)性，利用相鄰導(dǎo)頻子載波的估計(jì)獲取數(shù)據(jù)子載波的估計(jì)，一階線性插值實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，二階線性插值實(shí)現(xiàn)起來(lái)要復(fù)雜些。
    一階線性插值就是利用前后相鄰的兩個(gè)導(dǎo)頻子載波的信道響應(yīng)，線性地計(jì)算出處于它們之間的數(shù)據(jù)子載波上的信道響應(yīng)。以PUSCH 1a格式為例，如圖1所示為其導(dǎo)頻位置分布圖，對(duì)于第k個(gè)子載波，采用線性插值算法，其信道的頻域響應(yīng)為：

2 信道估計(jì)及插值在FPGA中的實(shí)現(xiàn)
    圖2是PUSCH信道估計(jì)以及插值實(shí)現(xiàn)的整體流程圖，整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程是基于PUSCH的1a格式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在整個(gè)系統(tǒng)中每一步都會(huì)用到RAM來(lái)暫存數(shù)據(jù)，信道估計(jì)采用最小平方（LS）算法，插值過(guò)程采用一階線性插值。整個(gè)過(guò)程采用流水線設(shè)計(jì)，很大程度上提高了數(shù)據(jù)的處理速度。

 

 

2.1 FPGA中信道估計(jì)的算法實(shí)現(xiàn)
    在PUSHC中通常以每一個(gè)子幀作為處理單元。首先要提取出PUSCH資源塊中存放DMRS的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)組成矩陣Rp，與發(fā)送端方法相同生成本地的DMRS導(dǎo)頻數(shù)據(jù)Xp。則按照公式Hp(m，n)=Rp(m，n)/Xp(m，n)計(jì)算出存放導(dǎo)頻位置資源元素處的信道頻域響應(yīng)，再按照插值方法估計(jì)出數(shù)據(jù)位置的信道頻域響應(yīng)。
  
    最后，通過(guò)對(duì)握手信號(hào)的控制，把信道估計(jì)計(jì)算出的結(jié)果存儲(chǔ)到RAM中，以備后面的插值算法使用。


    圖5、圖6分別為一階線性插值的Modelsim仿真圖和板級(jí)實(shí)現(xiàn)的Chipscope截圖。其仿真結(jié)果和實(shí)現(xiàn)結(jié)果是一致的，故已應(yīng)用到項(xiàng)目中。

    LS算法的Verliog[6]程序以及線性插值的Verliog程序已通過(guò)Xilinx ISE10[7]的編譯、仿真驗(yàn)證及板級(jí)驗(yàn)證。其結(jié)果與理論值一致，精確度可以達(dá)到LTE系統(tǒng)的要求。該算法滿足了硬件對(duì)算法的模塊化、規(guī)則化要求，可以充分發(fā)揮硬件的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)硬件與算法相結(jié)合的一種優(yōu)化方案。本文用硬件的思想實(shí)現(xiàn)LS算法和一階線性插值，既滿足算法的合理性要求，也滿足了FPGA的設(shè)計(jì)要求。在FPGA設(shè)計(jì)中，追求的是速度與面積的平衡，故在此設(shè)計(jì)中采用流水線設(shè)計(jì)，每次調(diào)用4個(gè)乘法器，這樣既提高了速度也節(jié)省了資源。該算法的FPGA實(shí)現(xiàn)在項(xiàng)目的聯(lián)機(jī)調(diào)試中性能很穩(wěn)定，該實(shí)現(xiàn)方案已經(jīng)應(yīng)用到LTE綜合測(cè)試儀項(xiàng)目中。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳發(fā)堂，李小文，王丹，等.移動(dòng)通信接收機(jī)設(shè)計(jì)理論與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.
[2] J.J.van de Beek，EDFORS O，SANDELL M，et al.On channel estimation in OFDM systems[C].IEEE Vehicle. Technology.Conferenee.Chicago，1995，7：815-819.
[3] 耿煊，謝志遠(yuǎn).OFDM系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻信道估計(jì)插值算法分析[J].電力系統(tǒng)通訊，2005，155(26)：10-13.
[4] 3GPP TS 36.211 v8.5.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Physical Channels and Modulation(Release 8).[EB/OL].[2009-03].http://www.3gpp.org.
[5] 沈嘉，索士強(qiáng)，金海洋，等.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[6] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.
[7] Xilinx Inc.Foundation series user guide.[EB/OL].[2010-01-03].http://china.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug071.pdf.

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