數字WCDMA系統數字頻域干擾抵消器方案設計，硬件架構

項目背景及可行性分析

1．項目名稱(chēng)、項目的主要內容及目前的進(jìn)展情況

項目名稱(chēng)：數字WCDMA系統數字頻域干擾抵消器；

項目的主要內容：用FPGA設計完成一個(gè)適用于WCDMA系統的干擾抵消器。

目前的進(jìn)展情況：有完備的算法資源和測試數據，已經(jīng)開(kāi)始相關(guān)模塊的實(shí)現。

2．項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng )新點(diǎn)的論述

創(chuàng )新點(diǎn)（1）：使用頻域干擾抵消極大地降低了算法復雜度

該方法利用頻域快速傅立葉變換的思路，將時(shí)域的自適應濾波過(guò)程轉換到頻域中來(lái)實(shí)現，從而自適應抵消輸入信號中的干擾。本發(fā)明不僅有效地提取出有用信號，保證了算法的收斂性，并且與時(shí)域的干擾抵消方法相比較，大大降低了算法復雜度。

下面對頻域干擾抵消方法和傳統的時(shí)域干擾抵消方法的算法復雜度進(jìn)行比較。采用硬件實(shí)現時(shí)，計算復雜度往往決定于乘法運算的次數，因此可以比較上述兩種方法的乘法個(gè)數。對于有M個(gè)濾波器抽頭的時(shí)域干擾抵消方法，由于每個(gè)數據塊有M個(gè)數據，則總共需要2M2次乘法運算；而對于有M個(gè)濾波器抽頭的頻域干擾抵消方法，總的乘法次數為。那么頻域干擾抵消方法和時(shí)域干擾抵消方法的算法復雜度比值約為。因此，在濾波器抽頭系數很大時(shí)，頻域干擾抵消方法的計算復雜度要遠遠低于時(shí)域干擾抵消方法。

創(chuàng )新點(diǎn)（2）：使用自適應濾波器來(lái)抵消多徑信號的干擾，性能優(yōu)良。

關(guān)于變換域和時(shí)域算法的理論比較可以參閱相關(guān)文獻，下面以一個(gè)仿真試驗來(lái)說(shuō)明頻域干擾抵消算法的性能。將采用本發(fā)明方法在頻域實(shí)現干擾抵消的系統與沒(méi)有干擾抵消的系統性能進(jìn)行比較。假設一個(gè)5MHz帶寬的單載波WCDMA系統中，兩個(gè)天線(xiàn)間信號傳播時(shí)延為6微秒，且假設該兩個(gè)天線(xiàn)之間的信道為兩徑衰落信道，迭代步長(cháng)。但載波信號采樣率為2，自適應濾波器抽頭長(cháng)度為64，FFT長(cháng)度為128。功率放大器PA（power amplifier）為維納模型，信干比定義為接收天線(xiàn)端碼片信號功率與干擾功率的比值。以功率譜密度PSD（power spectral density）的阻帶下降dB值和星座圖的誤差向量幅度EVM（error vector magnitude）作為性能指標進(jìn)行對比。圖1中的粗虛線(xiàn)表示信源的功率譜密度，細虛線(xiàn)表示有干擾信號直接經(jīng)過(guò)PA的功率譜密度，實(shí)線(xiàn)表示有干擾信號經(jīng)過(guò)本發(fā)明AIC和PA處理后的功率譜密度，點(diǎn)劃線(xiàn)表示沒(méi)有干擾的信號經(jīng)過(guò)PA的功率譜密度。

圖1 頻域干擾抵消算法的性能示意圖

關(guān)鍵技術(shù)（1）：快速傅立葉變換的實(shí)現；

關(guān)鍵技術(shù)（2）：頻域干擾抵消算法的實(shí)現。

3．技術(shù)成熟性和可靠性論述

我們已通過(guò)MATLAB仿真實(shí)驗證明，該方法不僅有效地提取出有用信號，并且大大降低了計算的工作量和復雜度。

VirtexII系列的FPGA有大量的存儲單元和乘法器，便于實(shí)現數字信號處理功能，可以有效地實(shí)現頻域干擾抵消自適應濾波器。團隊成員均有比較扎實(shí)的FPGA基礎和設計功底，和信號處理方面的專(zhuān)業(yè)知識，完全有能力保證該項目的順利實(shí)施，最終完成項目。

項目實(shí)施方案

1．方案基本功能框圖及描述

該方法基于時(shí)域中的數據塊最小均方誤差（Block LMS，block least mean square）計算方法和該塊LMS算法中存在線(xiàn)性相關(guān)和線(xiàn)性卷積的過(guò)程，通過(guò)1/2重疊保留法的快速傅立葉變換FFT（fast fourier transforms）在頻域以直接相乘的計算方式實(shí)現快速相關(guān)和快速卷積，利用自適應濾波器在頻域實(shí)現LMS算法；包括以下循環(huán)執行的操作步驟：

（1）對自適應濾波器的頻域抽頭系數作初始化設置，并對該濾波器的時(shí)域輸入信號做N點(diǎn)離散快速傅立葉變換FFT處理，使其轉換為頻域信號，用作自適應濾波器的輸入信號；其中N是該濾波器的抽頭個(gè)數M的2倍；

（2）將輸入的頻域信號通過(guò)自適應濾波器進(jìn)行自適應濾波處理，并對該濾波器的輸出信號進(jìn)行快速傅立葉逆變換IFFT（inverse fast fourier transforms）處理，使其轉換為時(shí)域信號，作為干擾的估計值；

（3）計算被干擾信號和濾波器輸出的時(shí)域信號之間的差值，作為有用信號；再產(chǎn)生有用信號的頻域值；

（4）利用頻域信號進(jìn)行最小均方誤差LMS計算，即根據有用信號和濾波器輸入信號的頻域值對濾波器抽頭系數進(jìn)行更新，以便在返回執行上述步驟（2）時(shí)，使用該更新后的抽頭系數對來(lái)自步驟（1）新的頻域輸入信號周而復始地繼續執行相關(guān)的自適應濾波處理。

圖2 方案基本功能框圖

2．需要的開(kāi)發(fā)平臺

所需要的開(kāi)發(fā)平臺為VirtexII Board。因為用自適應濾波算法以及大點(diǎn)數的FFT變換需要大量的乘法器和存儲器，不需要其它配套的開(kāi)發(fā)工具。需要USB和EMAC接口進(jìn)行最終的測試驗證。

3．方案實(shí)施過(guò)程中需要開(kāi)發(fā)的模塊

本方案需要實(shí)現大點(diǎn)數的FFT變換以及相應的串并、并串轉換模塊，因此將設計分為7個(gè)大的模塊，頂層模塊，數據處理，FFT模塊，串并轉換模塊是并串轉換模塊，延遲補償模塊，還有系統控制模塊。

FFT模塊利用Xilinx公司的IPCore來(lái)完成；串并、并串可以利用塊RAM實(shí)現；數據處理模塊盡可能的適用SRL16結構來(lái)實(shí)現，以節省資源；

4．系統最終要達到的性能指標

用FPGA設計一個(gè)適應于單載波的干擾抵消器，能夠抵消至少6徑干擾，滿(mǎn)足WCDMA相關(guān)標準的要求：

需要的其它資源

1．測試設備

在方案實(shí)施過(guò)程中，需要Xilinx內嵌的邏輯分析儀，以及與安捷倫邏輯分析儀相配套的虛擬管腳的相關(guān)使用說(shuō)明和技術(shù)支持。

2．仿真、開(kāi)發(fā)工具

在方案實(shí)施過(guò)程中，需要的仿真、開(kāi)發(fā)工具有仿真工具M(jìn)odelsim、開(kāi)發(fā)工具ISE等。