采用FPGA實(shí)現脈動(dòng)陣列

　　微電子學(xué)的發(fā)展徹底改變了計算機的設計：集成電路技術(shù)增加了能夠安裝到單個(gè)芯片中的元器件數目及其復雜度。因此，采用這種技術(shù)可以構建低成本、專(zhuān)用的外圍器件，從而迅速地解決復雜的問(wèn)題。
大規模集成電路（VLSI）技術(shù)明確地指出：簡(jiǎn)單和規則的互連導致廉價(jià)的實(shí)現方式以及高密度，而高密度能夠實(shí)現高性能和低開(kāi)銷(xiāo)。有鑒于此，我們致力于設計并行的運算法則，其擁有簡(jiǎn)單且規則的數據流。我們也致力于將流水線(xiàn)技術(shù)作為在硬件中實(shí)現這些算法的通用手段。借助于流水線(xiàn)技術(shù)，輸入和輸出之間的處理可以同時(shí)進(jìn)行，因此，總的執行時(shí)間變得最小。在流水線(xiàn)的每一階段上，采用流水線(xiàn)技術(shù)外加多處理技術(shù)能夠獲得最佳的性能。在下面，我們要論證一個(gè)微處理器陣列能夠借助流水線(xiàn)矩陣計算，使得速度得到最佳的提升。圖1是一個(gè)脈動(dòng)陣列的簡(jiǎn)單例子。在這種結構下有兩個(gè)輸入向量陣列，z和x。處理單元有一個(gè)值， ，通常是根據定義在單元內的運算法則而得到的結果。其輸出是一個(gè)向量， 。

　　圖1中的脈動(dòng)陣列的輸出可以被簡(jiǎn)單地表示為向量矩陣關(guān)系：

　　它顯示了如何采用一對脈動(dòng)陣列來(lái)解決在很多信號處理情形 下出現的線(xiàn)性最小二乘問(wèn)題。主陣列（三角形的）常用來(lái)實(shí)現Givens旋轉法 的流水線(xiàn)序列，其通過(guò)歸一化變換到上三角形，從而減小數據矩陣 。
　　重要的實(shí)時(shí)應用的數量在增長(cháng)，尤其在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，要求系統在出現強干擾的情況下可靠地工作?；诖a分多址（CDMA）技術(shù)的現代無(wú)線(xiàn)通信系統由于多路徑衰減、多址干擾（MAI）、碼間干擾（ISI）這三個(gè)主要因素造成容量和性能上的限制?？朔@些困難的常用方案是采用發(fā)射功率控制、錯誤控制編碼以及典型地基于傳統耙狀接收機的多種技術(shù)。耙狀接收機的性能由于快速時(shí)變通道的出現而大打折扣，這些快速時(shí)變通道在實(shí)際的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信系統中是很常見(jiàn)的。有兩種干擾與用于CDMA下行線(xiàn)的耙狀接收機有關(guān)：一種是指間干擾（IFI）；另一種是多址干擾（MAI）。這兩種干擾都是由于無(wú)線(xiàn)通道的頻率選擇引起的。當采用耙狀接收機時(shí)，IFI和MAI會(huì )使CDMA系統的容量受到限制。
　　改善CDMA傳輸的性能需要抑制IFI和MAI。當延遲擴散較大時(shí)，可以通過(guò)信道均衡，將頻率選擇性衰減信道轉換為頻率非選擇性衰減信道。這樣，基于自適應規則的均衡接收機似乎是一個(gè)有效的CDMA接收機。它通過(guò)復原正交擴頻碼來(lái)恢復發(fā)送的數據，從而抑制了IFI和MAI。自適應的最小均方（LMS）法和遞歸最小二乘（RLS）法迭代地計算時(shí)變信道。借助相對較短的存放數據的緩沖器，它們具有較短的處理延時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。RLS算法注重回溯到初始態(tài)的所有信息，根據到達的新數據更新加權向量的估計值。由于收斂性較好，因此RLS優(yōu)于LMS。另外，如果自適應算法發(fā)散，或者收斂緩慢，它將很難實(shí)現對IFI和MAI的抑制，而這是均衡接收機非?；镜哪繕?。另一方面，RLS算法需要在信號保持期間進(jìn)行大量的運算，而這不是一個(gè)實(shí)際的無(wú)線(xiàn)電系統所期望的，因為簡(jiǎn)化是降低成本的關(guān)鍵所在。在改進(jìn)RLS濾波器的數字特性情形下，引入通過(guò)QR分解（QRD）得到的輸入矩陣的直角三角形。這樣的一個(gè)三角形化過(guò)程可以通過(guò)一系列的Givens旋轉法來(lái)實(shí)現，這種做法常被用來(lái)在基于樣本為單位的原理上實(shí)現QR的更新。
　　采用Givens旋轉法的QRD-RLS算法的一種有效的并行三角形脈動(dòng)處理器陣列的實(shí)現方法已經(jīng)問(wèn)世 。一個(gè)統一的周期性時(shí)鐘控制著(zhù)這個(gè)脈動(dòng)陣列，它執行平面旋轉以消除輸入信號矩陣的一些元素。通常，旋轉角度的計算需要對開(kāi)方、乘法和加法運算求逆。這種方法稱(chēng)作基本的Givens旋轉法，但存在自由的Givens平方根 。CORDIC算法也可以?xún)H僅采用二進(jìn)制的移位和加法來(lái)實(shí)現，但是由于需要定標、更多的迭代以及計算中可能的不穩點(diǎn)而增加成本。圖2舉了一個(gè)常規的CDMA系統的例子。作為比較，圖3展示了一個(gè)構建出的RLS自適應均衡器。