高速移動(dòng)下OFDM均衡器的FPGA實(shí)現
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構成的1×(2Q+1)的矩陣，i=O，1，…，2Q。MMSE均衡器可以描述為
；γ為該信道的信噪比，且
。Ak是一個(gè)(2Q+1)×(4Q+1)的矩陣，再利用文獻中迭代的方法來(lái)計算矩陣的逆。對于一個(gè)OFDM模塊來(lái)說(shuō)，該算法的總計算量是o((2Q+1)2N)，由于QN，所以整個(gè)計算的復雜度就降低了很多。2 均衡器算法的FPGA實(shí)現
當載波數比較大時(shí)，OFDM均衡算法所要計算的矩陣比較龐大，計算量大，很難保證實(shí)時(shí)性的要求。于是人們很自然地會(huì )想到用實(shí)時(shí)性很強的FPGA來(lái)實(shí)現均衡器的設計，但是均衡本身所需要處理的數據量和運算量都非常大，即使使用FPGA實(shí)現也很困難。
若采用文獻中的算法運算量是o(N2)，假如當載波數N=128時(shí)，運算量還是很大的，無(wú)法保證實(shí)時(shí)性。從均衡效果和運算量?jì)煞矫婵紤]，采用了文獻中的算法。這是一種典型的迭代算法，效果與文獻算法相接近，但是在計算中避免了求一個(gè)很大的矩陣的逆運算，而是從頻域轉移矩陣G中提取出了不大的有效矩陣，這樣就減少了大量運算。
2．1 硬件設計思想
在對均衡器算法進(jìn)行FPGA設計之前，先用Matlab仿真該均衡器浮點(diǎn)算法，通過(guò)分析程序可以發(fā)現，該算法的核心部分是迭代求逆矩陣的過(guò)程。該算法的瓶頸主要是求解由復數元素組成的矩陣的逆的計算量巨大，而且是浮點(diǎn)數會(huì )占用很大的存儲空間。為盡量減少需要使用的邏輯資源，在進(jìn)行ISE設計時(shí)，數據用16位定點(diǎn)數表示，其中高8位是整數部分，低8位是小數部分。
2．1．1 硬件設計框圖
實(shí)現該均衡器的硬件設計框圖如圖2所示，其中G為從Matlab中產(chǎn)生的頻域轉移矩陣，控制模塊完成從G中取出對應的有效值得到Ak，并且控制當一組運算完成后運用上一組產(chǎn)生的
。進(jìn)行下一組運算，CIR是該算法的核心，即矩陣迭代求逆的運算，CPE模塊是一個(gè)簡(jiǎn)單的矩陣運算模塊完成
的運算。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/191638.htm
2．1．2 CIR模塊介紹
CIR模塊完成矩陣迭代運算過(guò)程，它從輸入端口讀入Ak以及對應的
，采用迭代的方法計算出
，用FPGA實(shí)現這個(gè)模塊的端口如圖3所示。
其中，CLK為時(shí)鐘；γ是模擬信道的信噪比；Ak是頻域轉移矩陣G中取出的有效矩陣；trag是控制信號，當一次運算結束產(chǎn)生一個(gè)有效的后，只有trag被置為高電平才會(huì )進(jìn)行下一次運算。取Q=2時(shí)，是一個(gè)5×5的矩陣。整個(gè)求逆矩陣的迭代過(guò)程就是從前一個(gè)5×5的逆矩陣(即)和從頻域轉移矩陣G中對應區域取得的5×9的矩陣Ak運算出下一個(gè)5×5逆矩陣(即)的過(guò)程。
分析其矩陣求逆的迭代算法可以發(fā)現，其中大部分完成的是復數矩陣的乘加運算，所有數據是復數，雖然復雜很多，但是實(shí)際運算中有許多是多余的。Rk是共軛對稱(chēng)矩陣，上三角部分和下三角部分的實(shí)部相同，虛部也只是正負相反，所以只需要算出上三角矩陣的數據，下三角的部分直接對虛部取反就可以了。
Xilinx的FPGA芯片中集成了硬核的乘加器DSP48，可以方便、高速地進(jìn)行乘加運算。但是本算法中涉及到的復數運算比較靈活，還包括一些減法運算，直接使用DSP48不是很方便的控制。故設計了一種乘加器，使用了乘法器的IP Core，按照要求設置輸入輸出數據位數，其中的一個(gè)乘加運算中設置乘法器的兩路輸入為8位，輸出為16位，調用IP Core如下所示，算法中其他的矩陣運算也都與此類(lèi)似。
a，b作為兩個(gè)寄存器儲存參與運算的數據，outl是乘法器計算的結果，用fcl進(jìn)行存放，相累加得到f1，再按照共軛復數運算的規律得到nfl。實(shí)現一個(gè)8位×8位的乘加器共消耗了56個(gè)Slice，32個(gè)LUT和49個(gè)IOB。該乘加器綜合后的RTL結構圖如圖4所示。
為了能最大限度地提高運算速度，所有數據都用可編程邏輯單元構成的分布式存儲器存儲并列存儲，并且根據算法的要求實(shí)現的是多個(gè)乘加器同時(shí)運算，這樣雖然使用了很多邏輯資源，但任何數據都可以即取即用，便于進(jìn)行大量的并行運算，以提高運算速度。
2．2 系統驗證仿真
本系統采用Xilinx公司Virtex-2實(shí)驗板進(jìn)行仿真驗證，該實(shí)驗板采用的是XC2VP30芯片，它有30 816個(gè)邏輯單元，136個(gè)18位乘法器，2 448 KbRAM，資源豐富。開(kāi)發(fā)軟件為該公司的集成開(kāi)發(fā)軟件平臺ISE 9．2，HDL語(yǔ)言采用Verilog，使用Matlab輔助ISE完成FPGA設計的方法。通過(guò)實(shí)驗板上的RS 232串口與PC機進(jìn)行通信，用Matlab從計算機中傳輸數據到FPGA芯片中，運算后再通過(guò)串口回傳均衡后的信號數據到Matlab中仿真驗證星座圖，以判斷該均衡器的效果。
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