基于DSP的空時(shí)編碼盲識別設計和實(shí)現

摘要 提出了一種基于TigerSHARC TS201S實(shí)現的MIMO系統空時(shí)編碼盲識別方法的設計與實(shí)現，該設計能夠在非合作條件下，利用空時(shí)編碼在時(shí)間分集和空間分集下，所表現出的不同時(shí)滯相關(guān)性，實(shí)現盲識別空時(shí)編碼方式。天線(xiàn)接收信號經(jīng)過(guò)預白化，時(shí)滯相關(guān)度計算，最終利用碼字表判決輸出。經(jīng)驗證，該系統性能穩定，易于實(shí)現，且對空時(shí)編碼方式具有較高的盲識別精度。

關(guān)鍵詞 數字信號處理器;多輸入多輸出系統;空時(shí)編碼;盲識別;時(shí)滯相關(guān)

空時(shí)編碼(Space—Time Block Coding，STBC)是達到或接近MIMO無(wú)線(xiàn)信道容量的一種有效的編碼方式?？諘r(shí)編碼方式的盲識別是通信對抗領(lǐng)域需迫切研究的領(lǐng)域，其能夠為MIMO系統對抗技術(shù)提供基礎和技術(shù)支撐，具有重要的研究?jì)r(jià)值。

時(shí)滯相關(guān)算法是根據不同空時(shí)編碼的相關(guān)矩陣在不同時(shí)延統計下的差異性，采用逐級對比，實(shí)現對空時(shí)編碼方式的盲識別。擁有計算精度高，抗頻偏效果好等優(yōu)點(diǎn)。文中提出一種基于A(yíng)DI公司DSP芯片TigerSHARCTS201S的空時(shí)編碼盲識別方案設計和實(shí)現。

1 系統硬件設計

1.1 系統硬件框圖

系統硬件框圖如圖1所示。由信號處理、信號采集、電源、時(shí)鐘4部分構成，信號采集由CPLD和ADC組成，負責完成A/D轉換，信號處理由TS201S芯片及其外設組成，用于存儲A/D采樣的數據，并進(jìn)行空時(shí)碼盲識別運算處理。電源模塊為其他所有模塊提供正常工作所需的電壓，時(shí)鐘模塊中由晶振和倍頻芯片組成，提供系統所需時(shí)鐘。

系統工作時(shí)，設備首先通電初始化，從Flash中載入用戶(hù)應用程序，繼而通過(guò)CPLD控制ADC進(jìn)行數據采集，并利用DMA中斷方式讀取數據并進(jìn)行編碼識別運算。

1.2 TigerSHARC TS201S簡(jiǎn)介

TigerSHARC TS201S兼有ASIC和FPGA的信號處理性能和指令集處理器的高度可編程性與靈活性，適用于高性能、大存儲量的信號處理與圖像應用。

TS201S內部分為DSP核和I/O接口兩部分，通過(guò)4條總線(xiàn)傳輸數據、地址和控制信息。并提供完全可中斷的編程模式，支持匯編和C/C++語(yǔ)言編程，32/40位的浮點(diǎn)運算及最高64位的定點(diǎn)運算。在600 MHz時(shí)鐘速率下，可達到每秒48億次乘加運算。

1.3 電源、時(shí)鐘和總線(xiàn)方案設計

TS201S和AD7864對電源的要求較高，以TS201S內核時(shí)鐘500 MHz為例，4個(gè)電源VDD、VDD_A、VDD_IO、VDD_DRAM的精度要求控制在5%以?xún)?。因此系統中的電源芯片采用了TPS54350，其精度可達1%。

時(shí)鐘模塊中，晶振產(chǎn)生27 MHz時(shí)鐘通過(guò)倍頻芯片得到54 MHz時(shí)鐘后進(jìn)入CPLD，一方面作為T(mén)S201S的系統時(shí)鐘SCLK，另一方面在CPLD內12分頻后作為AD7864的工作時(shí)鐘信號AD_CLK。為防止其對系統電源產(chǎn)生耦合干擾，晶振和倍頻芯片的電源與本板電源之間要用電感或磁珠進(jìn)行隔離。

在系統總線(xiàn)負載較重的情況下，設計不當會(huì )限制總線(xiàn)只能在低頻下工作甚至無(wú)法讀取數據。由于環(huán)形結構上任一負載的變化均會(huì )影響到其他負載的工作，設計中采用了星形總線(xiàn)結構，如圖2所示。

1.4 信號采集方案設計

信號采集模塊由CPLD和兩片ADC組成，A/D轉換芯片采用AD公司生產(chǎn)的AD7864，其轉換精度12位，最高吞吐量520 ksample·s-1，轉換時(shí)間最快為1.65μs，采樣保持0.35μs，此外其單電源和低功耗特性最低可達20 Uw，其能夠滿(mǎn)足系統的要求，簡(jiǎn)化硬件設計。

信號采集前，需對AD7864的一些輸入引腳進(jìn)行配置，南Alterta公司的CPLD產(chǎn)品MAX3256完成。如圖3所示，CONVST為使能輸入引腳，置位高可控制AD7864啟動(dòng)。CS為片選信號，低電平有效。RD為讀使能，低電平有效，當CS有效且RD為低，才允許AD7864輸出轉換結果，此時(shí)WR必須為高。引腳SL1～SL4是AD7864的通道選擇輸入引腳，高電平有效。H/S SEL為高時(shí)表示將通過(guò)軟件方式來(lái)選擇A/D轉換通道，反之表示硬件選擇。當轉換結束后，EOC引腳輸入低電平。

AD7864采用分時(shí)輸出方式，采樣信號來(lái)自TS201S的定時(shí)/計數器，每次計數器滿(mǎn)時(shí)TMROE引腳會(huì )產(chǎn)生4個(gè)總線(xiàn)時(shí)鐘的高電平，CPLD中對此信號做反向后作為AD7864的CONVST信號，在數據傳輸中，片1占低位數據線(xiàn)，片2占高位數據線(xiàn)，分時(shí)可防止總線(xiàn)沖突。

1.5 顯示方案設計

系統采用FLAG PIN外接LED做為進(jìn)度顯示，DSP在執行到不同的處理進(jìn)度時(shí)通過(guò)改變FLAG PIN口的電平控制對應的LED導通，以指示當前數據分析的步驟。圖4為外接LED的連接圖，每個(gè)FLAG PIN上的LED均不影響其他FLAG PIN接口，在LED后使用了一個(gè)上拉電阻接VCC。

系統復位時(shí)，所有FLAG PIN置高電平，ADC采集完畢觸發(fā)DMA中斷，從SDRAM中讀取數據，并進(jìn)入到預白化處理，此時(shí)FLAG PIN1至低電平，依據算法，對白化后的數據進(jìn)行時(shí)滯相關(guān)分析，并利用碼字表判決響應碼型時(shí)，并分別拉低FLAG PIN2和FLAG PIN3。

該種方法配置靈活、軟件簡(jiǎn)單，系統采用4個(gè)FLAGPIN來(lái)布置顯示，DSP擁有足夠的IO接口使用，在設計時(shí)充分利用了硬件資源，同時(shí)利用DMA中斷，有效提高了CPU的效率，也實(shí)現了資源的共享和并行處理，同時(shí)還在芯片運算過(guò)程中及時(shí)發(fā)現故障并定位處理。

2 系統軟件設計

2.1 空時(shí)編碼盲識別原理

STBC通過(guò)在時(shí)間與空間進(jìn)行聯(lián)合編碼達到提高系統傳輸性能的目的，因此在不同時(shí)刻從不同天線(xiàn)發(fā)送的數據具有一定的相關(guān)性，而不同空時(shí)編碼之間的相關(guān)度并不同，因此可利用該相關(guān)度來(lái)區分不同的碼型，從而將空時(shí)編碼的模式識別出來(lái)。

2.2 空時(shí)編碼盲識別方法

(1)預白化。預白化的目的是去除信道對接收信號相關(guān)性的影響。白化矩陣W通過(guò)對分時(shí)相關(guān)矩陣P做特征值分解得到

，其中A-1為特征值矩陣Λ的廣義逆。W與原數據相乘便可得到解相關(guān)矩陣Y。 (2)計算時(shí)滯相關(guān)度。利用接收信號預白化后得到的解相關(guān)矩陣Y，依據統計學(xué)公式計算時(shí)滯相關(guān)范數

空時(shí)編碼矩陣的理論時(shí)滯相關(guān)特性?xún)H與編碼矩陣本身有關(guān)。因此，應用與式(1)相同的形式，可將編碼矩陣不同的列進(jìn)行矩陣乘加運算，并取F范數來(lái)表征。

由此得出計算空時(shí)編碼的時(shí)滯相關(guān)矩陣R(τ)

其中，空時(shí)編碼矩陣的每一列代表不同的發(fā)射時(shí)刻，A(u)是碼型A編碼矩陣的第u列，l為碼型分組長(cháng)度。已預白化后的接收信號矩陣與發(fā)送端編碼矩陣，在時(shí)滯相關(guān)函數F范數上有如下關(guān)系

(3)判決碼型。遍歷候選碼集，計算出接收信號與候選碼集中每一種空時(shí)碼的相關(guān)度，取其中最相關(guān)的碼型便為判決碼型。

2.3 軟件設計

軟件系統采用模塊化結構設計，程序流程如圖5所示。包括系統啟動(dòng)、配置系統寄存器、設置全局變量和開(kāi)啟中斷控制等。當ADC模塊將采樣數據全部寫(xiě)入SDRAM后，CPLD通知DSP觸發(fā)DMA中斷1，將SDRAM中的數據讀入DSP，讀取結束后DMA觸發(fā)中斷2，并對ADC采樣數據進(jìn)行處理：(1)預白化，去除新到對采樣數據相關(guān)性的影響。(2)計算采樣數據與候選集中每種碼字的時(shí)滯相關(guān)度。(3)根據上述計算結果，選取使時(shí)滯相關(guān)度最小的碼型為判決碼型。

通過(guò)對DMAC寄存器的設置，可控制DMA的流向、通道和方式，典型的數據讀取關(guān)鍵代碼如下：

數據處理部分的關(guān)鍵函數包括白化和時(shí)滯相關(guān)量計算，數據傳遞采用了單維讀入與多維傳遞的方式，即將多天線(xiàn)的數據按照天線(xiàn)順序依次讀入，但在DSP內部數據傳遞時(shí)，多根天線(xiàn)的數據按照時(shí)間順序傳遞，在函數內部手動(dòng)尋址，即符合算法要求，又加快了數據處理的速度。數據處理時(shí)包括大量的矩陣轉置和乘加操作，在計算時(shí)優(yōu)化為內積計算模式，使用ALU運算塊X和Y，每個(gè)周期并行計算時(shí)滯矩陣兩列之間的相關(guān)范數，這便節省了內存資源，減少了尋址次數，且加快了計算速度。

本算法在不同參數下的Matlab性能仿真如圖6所示，采樣數據越長(cháng)，接收天線(xiàn)數越多，識別性能也越好。實(shí)際測試證明與期望相一致，驗證了設計的合理性和正確性。

3 結束語(yǔ)

DSP芯片具有的特殊軟硬件結構和指令系統，使其能高速處理各種數字信號處理算法?；诖嗽O計的空時(shí)編碼盲識別方法具有速度快、精度高的特點(diǎn)。同時(shí)該系統依靠簡(jiǎn)潔的外部硬件電路設計和合理的軟件程序設計，能夠實(shí)現對常用空時(shí)編碼模式的正確識別。且該系統的可擴展性良好，當需要識別最新的空時(shí)編碼時(shí)，只需將其放入編碼方式候選集中，為其分配顯示接口即可，而無(wú)需過(guò)多更改硬件設置及軟件程序。