TD-LTE系统中基于FPGA的PUSCH信号检测 检测

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在移动通信环境中，无线信道千变万化，接收机接收到的信号往往是信号经反射、折射以及散射的多条路径在不同时间点到达接收端的叠加。可见，要精确估计出信道响应值并检测出原始信号十分艰难。信号检测作为物理层的接收端算法，起着恢复影像数据的作用，不容轻视。因此，在接收端进行正确可靠的信道估计研究及应用十分关键[1]。一般PUSCH信号检测的实现多采用ZF算法，除此之外，MMSE算法也比较常用。由于ZF算法简单且易实现[2]，故本文采用的是ZF算法。FPGA在数据处理方面有着优越的性能且非常适合做并行运算，其芯片内部一般都含有大量的RAM和多达几百个乘加单元，利用FPGA进行数据处理能够提高处理速度，因此用FPGA实现信号检测应用在LTE综合测试仪开发中是一个相对较好的方案。1 信号检测算法简介1.1 系统模型    在完成信道估计之后，可以得到每一对收发天线下资源粒子处的冲击响应值。在传输分集条件下，以最大比合并的方式进行信号检测、解预编码和解层映射。在空间复用条件下，需要对每一个资源粒子处进行信号检测，恢复各个发送天线端口下资源粒子中的赋值符号。对每个资源粒子进行信号检测，就可以得到所有发送端处的赋值符号。2 ZF信号检测算法在FPGA中的实现    由于进行信号检测的数据来自于解基带信号和信道估计之后的数据，因此实现时，在解基带信号之后才能进行信号检测。解基带信号和信号估计之后分别给出一个标志位，待两个数据输入标志同时有效时开始进行信号检测。信号检测模块和前面两个模块以握手信号进行通信，以保证数据的正确采集。    对于一个接收天线的情况，在信道估计中已经求出其信道特性且把数据存放在信道插值之后的RAM(H_KL_ram)中。After_fft_ram中的数据即为解基带信号之后的数据，但不是所有的数据都会用到，而是根据带宽来配置的。求取信号检测数据的过程实际就是一个矩阵的除法，将对应的元素相除，再把计算结果存储到RAM中。实现流程如图1所示。    在TD-LTE系统中，一个子帧有14个OFDM符号。若等14个OFDM信号都解出来再进行信号检测，则会浪费大量的RAM资源，故在进行完信道估计之后，可按符号进行信号检测，以节省一部分RAM资源。3 FPGA仿真与实现结果分析    图2、图3分别是信号检测的ModelSim仿真图和板级实现的ChipScope截图。FPGA实现时使用的时钟是200 MHz，其中enen_in_h、even_in_y分别是信号检测所需要输入的数据，其高16位为实部，低16位为虚部。enen_in_h与even_in_y做复数的除法，在FPGA中除法的分子和分母的位数可以不同，分子最大位数为54 bit，目前均衡的方式是Y/H求出X，把Y的位数由32 bit扩展到54 bit，分母H依旧是32 bit；FPGA中除法的算法是分子和商的位数相同(为54 bit)，但结果只能取16 bit，根据多次试验结果来确定最合理的16 bit数据。实部与虚部的处理方法相同，最后将实部与虚部的计算结果拼成一个32 bit的数据。最终的计算结果为实部与虚部分别取高16 bit组成一个32 bit的输出。图2、图3中所示的even_out是信号检测输出的数据，由仿真图和实现图可以看出，软件仿真和用开发平台信号检测的结果是一致的，因此用FPGA可以实现对信号的准确检测。    ZF算法的Verliog[4]程序已通过Xilinx ISE10[5]的编译、仿真验证及板级验证，其结果与理论值一致，精确度可以达到LTE系统的要求。该算法满足了硬件对算法的模块化、规则化要求，是一种可以充分发挥硬件的优势、利用硬件的资源和速度，从而实现硬件与算法理想结合的优化方案。本文用硬件的思想对ZF算法进行处理，达到了既满足算法合理性要求也满足FPGA设计要求的目的。在FPGA设计中，为追求速度与面积的平衡，故在本方案中采用流水线设计，每次调用4个乘法器和2个除法器，既提高了速度，也节省了资源。由于该算法的FPGA实现在这个项目的联机调试中性能非常稳定，该实现方案已经到应用到LTE综合测试仪项目中。参考文献[1] 陈发堂，李小文，王丹，等.移动通信接收机设计理论与实现[M].北京：科学出版社，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，索士强，金海洋，等.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.[4] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].第2版.北京：北京航空航天大学出版社，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.作者：王华华，步清明，李小文，施流伟  来源：电子技术应用2012年第12期