《電子技術(shù)應(yīng)用》
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TD-LTE系統(tǒng)中基于FPGA的PUSCH信號檢測
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第12期
王華華，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： 主要研究如何利用FPGA實(shí)現(xiàn)適用于TD-LTE系統(tǒng)的上行信號檢測算法，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，進(jìn)行了仿真、綜合、板級驗(yàn)證等工作。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，該信號檢測算法應(yīng)用在TD-LTE系統(tǒng)中具有良好的穩(wěn)定性和可行性。
中圖分類號： TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)12-0036-02
PUSCH signal detection based on FPGA in TD-LTE system
Wang Huahua，Bu Qingming，Li Xiaowen，Shi Liuwei
School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065，China
Abstract： This paper studies the implementation of uplink signal detection based on FPGA in TD-LTE system，including algorithm introduction, projects formation，dispose process of FPGA implementation，and results and analysis of FPGA implementation. Then it finishes simulation, synthesis and verification with Virtex-5 as hardware platform. Implementation results show that，this signal detection algorithm has a very good feasibility and stability in TD-LTE system.
Key words : FPGA implementation；TD-LTE system；signal detection；ZF algorithm；Virtex-5

    在移動(dòng)通信環(huán)境中，無線信道千變?nèi)f化，接收機(jī)接收到的信號往往是信號經(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，要精確估計(jì)出信道響應(yīng)值并檢測出原始信號十分艱難。信號檢測作為物理層的接收端算法，起著恢復(fù)影像數(shù)據(jù)的作用，不容輕視。因此，在接收端進(jìn)行正確可靠的信道估計(jì)研究及應(yīng)用十分關(guān)鍵[1]。一般PUSCH信號檢測的實(shí)現(xiàn)多采用ZF算法，除此之外，MMSE算法也比較常用。由于ZF算法簡單且易實(shí)現(xiàn)[2]，故本文采用的是ZF算法。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)處理能夠提高處理速度，因此用FPGA實(shí)現(xiàn)信號檢測應(yīng)用在LTE綜合測試儀開發(fā)中是一個(gè)相對較好的方案。

1 信號檢測算法簡介
1.1 系統(tǒng)模型
    在完成信道估計(jì)之后，可以得到每一對收發(fā)天線下資源粒子處的沖擊響應(yīng)值。在傳輸分集條件下，以最大比合并的方式進(jìn)行信號檢測、解預(yù)編碼和解層映射。在空間復(fù)用條件下，需要對每一個(gè)資源粒子處進(jìn)行信號檢測，恢復(fù)各個(gè)發(fā)送天線端口下資源粒子中的賦值符號。對每個(gè)資源粒子進(jìn)行信號檢測，就可以得到所有發(fā)送端處的賦值符號。


2 ZF信號檢測算法在FPGA中的實(shí)現(xiàn)
    由于進(jìn)行信號檢測的數(shù)據(jù)來自于解基帶信號和信道估計(jì)之后的數(shù)據(jù)，因此實(shí)現(xiàn)時(shí)，在解基帶信號之后才能進(jìn)行信號檢測。解基帶信號和信號估計(jì)之后分別給出一個(gè)標(biāo)志位，待兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入標(biāo)志同時(shí)有效時(shí)開始進(jìn)行信號檢測。信號檢測模塊和前面兩個(gè)模塊以握手信號進(jìn)行通信，以保證數(shù)據(jù)的正確采集。
    對于一個(gè)接收天線的情況，在信道估計(jì)中已經(jīng)求出其信道特性且把數(shù)據(jù)存放在信道插值之后的RAM(H_KL_ram)中。After_fft_ram中的數(shù)據(jù)即為解基帶信號之后的數(shù)據(jù)，但不是所有的數(shù)據(jù)都會用到，而是根據(jù)帶寬來配置的。求取信號檢測數(shù)據(jù)的過程實(shí)際就是一個(gè)矩陣的除法，將對應(yīng)的元素相除，再把計(jì)算結(jié)果存儲到RAM中。實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

    在TD-LTE系統(tǒng)中，一個(gè)子幀有14個(gè)OFDM符號。若等14個(gè)OFDM信號都解出來再進(jìn)行信號檢測，則會浪費(fèi)大量的RAM資源，故在進(jìn)行完信道估計(jì)之后，可按符號進(jìn)行信號檢測，以節(jié)省一部分RAM資源。
3 FPGA仿真與實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析
    圖2、圖3分別是信號檢測的ModelSim仿真圖和板級實(shí)現(xiàn)的ChipScope截圖。FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)使用的時(shí)鐘是200 MHz，其中enen_in_h、even_in_y分別是信號檢測所需要輸入的數(shù)據(jù)，其高16位為實(shí)部，低16位為虛部。enen_in_h與even_in_y做復(fù)數(shù)的除法，在FPGA中除法的分子和分母的位數(shù)可以不同，分子最大位數(shù)為54 bit，目前均衡的方式是Y/H求出X，把Y的位數(shù)由32 bit擴(kuò)展到54 bit，分母H依舊是32 bit；FPGA中除法的算法是分子和商的位數(shù)相同(為54 bit)，但結(jié)果只能取16 bit，根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果來確定最合理的16 bit數(shù)據(jù)。實(shí)部與虛部的處理方法相同，最后將實(shí)部與虛部的計(jì)算結(jié)果拼成一個(gè)32 bit的數(shù)據(jù)。最終的計(jì)算結(jié)果為實(shí)部與虛部分別取高16 bit組成一個(gè)32 bit的輸出。圖2、圖3中所示的even_out是信號檢測輸出的數(shù)據(jù)，由仿真圖和實(shí)現(xiàn)圖可以看出，軟件仿真和用開發(fā)平臺信號檢測的結(jié)果是一致的，因此用FPGA可以實(shí)現(xiàn)對信號的準(zhǔn)確檢測。

 

 

    ZF算法的Verliog[4]程序已通過Xilinx ISE10[5]的編譯、仿真驗(yàn)證及板級驗(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算法的模塊化、規(guī)則化要求，是一種可以充分發(fā)揮硬件的優(yōu)勢、利用硬件的資源和速度，從而實(shí)現(xiàn)硬件與算法理想結(jié)合的優(yōu)化方案。本文用硬件的思想對ZF算法進(jìn)行處理，達(dá)到了既滿足算法合理性要求也滿足FPGA設(shè)計(jì)要求的目的。在FPGA設(shè)計(jì)中，為追求速度與面積的平衡，故在本方案中采用流水線設(shè)計(jì)，每次調(diào)用4個(gè)乘法器和2個(gè)除法器，既提高了速度，也節(jié)省了資源。由于該算法的FPGA實(shí)現(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目的聯(lián)機(jī)調(diào)試中性能非常穩(wěn)定，該實(shí)現(xiàn)方案已經(jīng)到應(yīng)用到LTE綜合測試儀項(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] BEEK J J，EDFORS O，SANDELL M，et al.On channel estimation in OFDM systems[C].Chicago：IEEE Vehic. Technol.Conf.，1995，2：815-819.
[3] 沈嘉，索士強(qiáng)，金海洋，等.3GPP長期演進(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.
[4] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].第2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.
[5] XilinxInc.Foundation series user guide[EB/OL].(2010-01-03)[2012-07-25].http：//china.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug071.pdf.

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