文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)12-0036-02
在移動通信環境中，無線信道千變萬化，接收機接收到的信號往往是信號經反射、折射以及散射的多條路徑在不同時間點到達接收端的疊加。可見，要精確估計出信道響應值并檢測出原始信號十分艱難。信號檢測作為物理層的接收端算法，起著恢復影像數據的作用，不容輕視。因此，在接收端進行正確可靠的信道估計研究及應用十分關鍵[1]。一般PUSCH信號檢測的實現多采用ZF算法，除此之外，MMSE算法也比較常用。由于ZF算法簡單且易實現[2]，故本文采用的是ZF算法。FPGA在數據處理方面有著優越的性能且非常適合做并行運算，其芯片內部一般都含有大量的RAM和多達幾百個乘加單元，利用FPGA進行數據處理能夠提高處理速度，因此用FPGA實現信號檢測應用在LTE綜合測試儀開發中是一個相對較好的方案。
1 信號檢測算法簡介
1.1 系統模型
在完成信道估計之后，可以得到每一對收發天線下資源粒子處的沖擊響應值。在傳輸分集條件下，以最大比合并的方式進行信號檢測、解預編碼和解層映射。在空間復用條件下，需要對每一個資源粒子處進行信號檢測，恢復各個發送天線端口下資源粒子中的賦值符號。對每個資源粒子進行信號檢測，就可以得到所有發送端處的賦值符號。
2 ZF信號檢測算法在FPGA中的實現
由于進行信號檢測的數據來自于解基帶信號和信道估計之后的數據，因此實現時，在解基帶信號之后才能進行信號檢測。解基帶信號和信號估計之后分別給出一個標志位，待兩個數據輸入標志同時有效時開始進行信號檢測。信號檢測模塊和前面兩個模塊以握手信號進行通信，以保證數據的正確采集。
對于一個接收天線的情況，在信道估計中已經求出其信道特性且把數據存放在信道插值之后的RAM(H_KL_ram)中。After_fft_ram中的數據即為解基帶信號之后的數據，但不是所有的數據都會用到，而是根據帶寬來配置的。求取信號檢測數據的過程實際就是一個矩陣的除法，將對應的元素相除，再把計算結果存儲到RAM中。實現流程如圖1所示。
在TD-LTE系統中，一個子幀有14個OFDM符號。若等14個OFDM信號都解出來再進行信號檢測，則會浪費大量的RAM資源，故在進行完信道估計之后，可按符號進行信號檢測，以節省一部分RAM資源。
3 FPGA仿真與實現結果分析
圖2、圖3分別是信號檢測的ModelSim仿真圖和板級實現的ChipScope截圖。FPGA實現時使用的時鐘是200 MHz，其中enen_in_h、even_in_y分別是信號檢測所需要輸入的數據，其高16位為實部，低16位為虛部。enen_in_h與even_in_y做復數的除法，在FPGA中除法的分子和分母的位數可以不同，分子最大位數為54 bit，目前均衡的方式是Y/H求出X，把Y的位數由32 bit擴展到54 bit，分母H依舊是32 bit；FPGA中除法的算法是分子和商的位數相同(為54 bit)，但結果只能取16 bit，根據多次試驗結果來確定最合理的16 bit數據。實部與虛部的處理方法相同，最后將實部與虛部的計算結果拼成一個32 bit的數據。最終的計算結果為實部與虛部分別取高16 bit組成一個32 bit的輸出。圖2、圖3中所示的even_out是信號檢測輸出的數據，由仿真圖和實現圖可以看出，軟件仿真和用開發平臺信號檢測的結果是一致的，因此用FPGA可以實現對信號的準確檢測。
ZF算法的Verliog[4]程序已通過Xilinx ISE10[5]的編譯、仿真驗證及板級驗證，其結果與理論值一致，精確度可以達到LTE系統的要求。該算法滿足了硬件對算法的模塊化、規則化要求，是一種可以充分發揮硬件的優勢、利用硬件的資源和速度，從而實現硬件與算法理想結合的優化方案。本文用硬件的思想對ZF算法進行處理，達到了既滿足算法合理性要求也滿足FPGA設計要求的目的。在FPGA設計中，為追求速度與面積的平衡，故在本方案中采用流水線設計，每次調用4個乘法器和2個除法器，既提高了速度，也節省了資源。由于該算法的FPGA實現在這個項目的聯機調試中性能非常穩定，該實現方案已經到應用到LTE綜合測試儀項目中。
參考文獻
[1] 陳發堂，李小文，王丹，等.移動通信接收機設計理論與實現[M].北京：科學出版社，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，索士強，金海洋，等.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[4] 夏宇聞.Verilog數字系統設計教程[M].第2版.北京：北京航空航天大學出版社，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.