3GPP LTE下行接收系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理與VLSI實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、隨著個(gè)人移動(dòng)通信日新月異的發(fā)展,人們已經(jīng)不滿足于簡(jiǎn)單的語音通信。越來越多的業(yè)務(wù)如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng),可視通話,流媒體,移動(dòng)電視等,逐漸成為了市場(chǎng)上新的熱點(diǎn)。在這些應(yīng)用的促使下,移動(dòng)通信技術(shù)正在向更高數(shù)據(jù)率的方向發(fā)展。從目前的發(fā)展來看,第三代合作計(jì)劃(3rdGenerationPartnershipProljcot,3GPP)推出的長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LongTermEvolution,LTE)以其高數(shù)據(jù)率、高頻譜利用率和靈活性、低延遲、應(yīng)用設(shè)備廣泛等

2、的特性在下一代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出,成為準(zhǔn)4G技術(shù)的主流標(biāo)準(zhǔn)。
　　作者在對(duì)3GPPLXE系統(tǒng)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀進(jìn)行分析和調(diào)研的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)在3GPPLXE的推廣和普及中存在著以下的挑戰(zhàn):1)移動(dòng)終端的功耗和成本的降低。與3G的移動(dòng)終端相比,LTE的移動(dòng)終端需要進(jìn)行在更高的工作頻率上(LTE標(biāo)準(zhǔn)支持的最大信號(hào)帶寬為20MHZ)進(jìn)行更多的數(shù)字信號(hào)處理(DigitalSignalProcessing,DSP)操作,如快速傅里葉變

3、換(FFT)和多輸入多輸出(MIMO)信號(hào)檢測(cè)等。這些操作會(huì)導(dǎo)致LTE移動(dòng)終端在DSP部分消耗更多的能量。對(duì)于以手持式設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品為主要應(yīng)用的技術(shù)而言,降低移動(dòng)終端中DSP部分的功耗和運(yùn)算復(fù)雜度具有重要意義。2)對(duì)多模多協(xié)議的支持。3GPPLTE的應(yīng)用必然面臨著與3G協(xié)議如WCDMA和TD-SCDMA共存的局面;多模多協(xié)議的移動(dòng)終端正在逐步成為主流。如何從芯片設(shè)計(jì)的角度對(duì)多模多協(xié)議進(jìn)行支持是下一代移動(dòng)終端設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。其中,數(shù)字前端

4、是目前各種多模架構(gòu)中必不可少的一個(gè)部分,并且由于其工作頻率高,運(yùn)算量大,是多模多協(xié)議移動(dòng)終端需要解決的首要問題之一。針對(duì)以上兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn),本文研究了3GPPLTE下行接收系統(tǒng)中DSP技術(shù)及其VLSI實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù),設(shè)計(jì)了低復(fù)雜度高性能的關(guān)鍵信號(hào)處理模塊,并從系統(tǒng)級(jí)對(duì)性能一運(yùn)算復(fù)雜度可伸縮性的LTE下行接收系統(tǒng)進(jìn)行了分析和建模。
　　數(shù)字前端是溝通射頻模擬前端和基帶處理器的橋梁,能夠?qū)崿F(xiàn)采樣率轉(zhuǎn)換(SRC),信道濾波,匹配濾波等功能

5、,其運(yùn)算量大,支持的模式多,是移動(dòng)終端DSP部分的重要模塊。本文研究了支持3GPPLTE/WCDMA/TD-SCDMA的多模多協(xié)議數(shù)字前端的低復(fù)雜度設(shè)計(jì),主要工作包括高效的SRC和信道濾波的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及3GPPLTE主同步信號(hào)(PSS)的高效搜索。本文提出了以最低運(yùn)算復(fù)雜度為目標(biāo)的SRC因子分解算法,與現(xiàn)有算法相比,能節(jié)省約40％的運(yùn)算。本文在數(shù)字前端中還研究了PSS信號(hào)(頻域Zadoff-Chu序列)的冗余特性,并根據(jù)該特性設(shè)計(jì)了高

6、效的PSS信號(hào)匹配濾波器。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比,該結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省63.5％的復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和46.5％的復(fù)數(shù)加法運(yùn)算。
　　快速傅里葉變換(FFT)/反變換(IFFT)處理器是MIMO-OFDM系統(tǒng)中的進(jìn)行OFDM調(diào)制解調(diào)的關(guān)鍵處理模塊,對(duì)系統(tǒng)的性能和芯片的功耗和面積具有很大影響。本文設(shè)計(jì)了基于24和23混合基算法的4路并行延遲反饋型128～2048點(diǎn)流水線FFT/IFFT處理器,并改進(jìn)了針對(duì)多路并行結(jié)構(gòu)的無乘法旋轉(zhuǎn)因子計(jì)算方法。借助于計(jì)

7、算機(jī)輔助的最優(yōu)搜索,改進(jìn)后的方法能夠以更少的常系數(shù)乘法器完成FFT/IFFT處理器中旋轉(zhuǎn)因子的計(jì)算。采用了本文提出的無乘法旋轉(zhuǎn)因子計(jì)算方法的128點(diǎn)4路并行FFT/IFFT處理器的功耗和面積都要優(yōu)于已發(fā)表的結(jié)果。
　　MIMO技術(shù)是下一代移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)。本文對(duì)MIMO信號(hào)檢測(cè)的低功耗算法和芯片實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究,從算法和硬件架構(gòu)的角度對(duì)MIMO信號(hào)檢測(cè)器進(jìn)行了分析,明確了制約吞吐率和能量效率的關(guān)鍵因素。本文改進(jìn)了現(xiàn)有的度量值

8、優(yōu)先MIMO信號(hào)檢測(cè)算法,為算法增加了預(yù)中止的特性,并提出了新型的格點(diǎn)枚舉策略。在新型的枚舉策略下,部分歐幾里得距離的計(jì)算可以通過增量累加的方式實(shí)現(xiàn)。由于增量計(jì)算的復(fù)雜度顯著低于直接計(jì)算,這使得本文提出的MIMO信號(hào)檢測(cè)算法的運(yùn)算量與傳統(tǒng)算法相比節(jié)省20％以上。在VLSI設(shè)計(jì)中,本文設(shè)計(jì)了基于流水線區(qū)間堆的雙向有序隊(duì)列結(jié)構(gòu),并優(yōu)化了MIMO檢測(cè)器的時(shí)序控制,使得本文設(shè)計(jì)的MIMO信號(hào)檢測(cè)器的性能明顯優(yōu)于已發(fā)表的結(jié)果。
　　最后,在