【資料名稱】：基于賽靈思FPGA的數(shù)字頻域干擾抵消器

【資料作者】：徐文波 胡彬 谷濤 北京郵電大

【資料日期】：2011.10.08

【資料語言】：中文

【資料格式】：DOC

【資料目錄和簡介】：

基于賽靈思FPGA的數(shù)字頻域干擾抵消器
時間：2010-12-26 13:43:32 來源： 作者：田耘 208研究所 徐文波 胡彬 谷濤 北京郵電大
　　直放站在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中是必不可少的，但是如果直放站的收發(fā)天線隔離度不夠，整機增益偏大時，輸出信號經(jīng)延時后反饋到輸入端，會使直放站輸出信號發(fā)生嚴重失真產(chǎn)生自激。在無線通信系統(tǒng)的同頻直放站中，為了減小產(chǎn)品體積以及縮短建站成本，收發(fā)天線常常放置在一起(或距離很近)。由于收發(fā)天線往往只存在方向角的不同，因此直放站的接收天線肯定會接收到其轉(zhuǎn)發(fā)天線所發(fā)送的經(jīng)過放大的信號，而對所期望接收的有用信號產(chǎn)生干擾。如果不對干擾信號進行處理，干擾和期望信號的疊加信號會再次被送進功放，再進行放大轉(zhuǎn)發(fā)，干擾信號的強度會一直積累，最終使得直放站無法正常工作。這種正反饋式干擾(干擾信號與正常通信信號的調(diào)制參數(shù)和載波頻率是完全一致的，使得接收機收到疊加有同頻干擾的混合信號)還會對數(shù)字通信產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，從而阻礙正常的通信。在上、下行鏈路中，往往都存在著這種反饋式干擾，如圖1所示。

　　干擾抵消是同頻直放站所必備的一項技術(shù)，也是信號處理領(lǐng)域一個非常重要的課題[1]。傳統(tǒng)上，克服自激現(xiàn)象的方法有：(1)借助建筑物阻擋在發(fā)射和接收天線間;(2)增加直放站的施主和重發(fā)天線的空間隔離度。垂直隔離度一般最好大于1m，水平隔離度可以在十幾米以上。如果沒有垂直隔離的話，那么水平隔離的距離幾乎達到200米;(3)降低直放站的增益：上行和下行按照比例，就是上下行鏈路平衡，直至消除自激。
　　雖然上述三種辦法都可以在一定程度上降低干擾的影響，但是在某些場合，受到環(huán)境或系統(tǒng)性能的要求，這些方法并不可行。因此，利用自適應(yīng)干擾抵消器來減少直放站設(shè)備的同頻反饋干擾成為首選方案。在所有的自適應(yīng)方案中，尤以頻域算法在性能和復(fù)雜度之間取得良好平衡。
　　本項目以WCDMA系統(tǒng)為例，討論數(shù)字頻域自適應(yīng)干擾抵消技術(shù)的實現(xiàn)，并從功率譜密度和星座圖以及誤差向量幅度(EVM)等性能指標對方案進行評價。在設(shè)計中，為了驗證算法性能且保證接收端的正常工作，同時實現(xiàn)了WCDMA小區(qū)搜索的三步同步過程，并通過PC機對輸入輸出數(shù)據(jù)進行比對分析，驗證方案性能。
系統(tǒng)方案
　　完整的系統(tǒng)從數(shù)字下變頻后的基帶數(shù)據(jù)開始，至數(shù)字上變頻的前端為止，包括系統(tǒng)同步和干擾抵消兩大組成模塊，系統(tǒng)框圖如圖2所示，其簡要介紹如下：

　　(1)在沒有干擾的情況下，所采集的數(shù)據(jù)源從A點輸入，然后將其構(gòu)造為WCDMA信源，作為頻域干擾抵消模塊的輸入。為了使干擾抵消模塊正確運轉(zhuǎn)，在本設(shè)計中的B點輸出信號為每個碼片4采樣。
　　(2)為體現(xiàn)頻域干擾抵消的作用，在系統(tǒng)中必須模擬一個干擾信號。本設(shè)計將D點的輸出經(jīng)過功放(PA)作為干擾信號。
　　(3)將干擾信號經(jīng)過多徑信道，反饋到B點與WCDMA信號疊加，再進入干擾抵消模塊。為了抵消干擾，將E點的輸出反饋到干擾抵消模塊作為參考信號。在下文中，將此反饋支路稱為輔鏈路;而干擾抵消+功放的鏈路稱為主鏈路。
　　(4)有干擾的信號經(jīng)過頻域干擾抵消模塊，輸出抵消后的無干擾信號給同步模塊，即D點。同步模塊進行三步搜索，得到幀頭以及擾碼信息。對同步后的碼片信號進行解擾解擴后得到信息數(shù)據(jù)，如圖中G點輸出。
　　(5)在開關(guān)1處，可以選擇：有干擾的信號(C點)或者干擾抵消后的信號(D點)輸入同步模塊，并輸出顯示。
　　(6)在開關(guān)2處，可以選擇：數(shù)據(jù)源直接顯示(A點)，或者是同步后解出的數(shù)據(jù)顯示(G點)。
算法設(shè)計
　　頻域自適應(yīng)干擾抵消(AIC)模塊利用了頻域?qū)崿F(xiàn)的LMS算法[2,3]。該算法通過1/2重疊保留法的快速傅立葉變換(FFT)，在頻域以直接相乘的計算方式實現(xiàn)快速相關(guān)和快速卷積[4]。算法基本框圖如圖3，其中A點為被干擾的信號，B為反饋鏈路的信號，C點為干擾被抵消后的輸出。主要包括以下循環(huán)執(zhí)行的操作流程，其中k表示第個k數(shù)據(jù)塊：

(1)對自適應(yīng)濾波器的M個頻域抽頭系數(shù)W(k)作初始化設(shè)置;
　　(2)將濾波器的時域連續(xù)輸入信號u(n)每個M組成一個塊，然后級聯(lián)兩個數(shù)據(jù)塊做N點離散快速傅立葉變換，使其轉(zhuǎn)換為頻域信號U(k)，并將此信號用作自適應(yīng)濾波器的輸入;其中N是該濾波器抽頭個數(shù)M的2倍，即N=2M;
　　(3)將U(k)通過濾波器得到輸出信號Y(k)，然后進行快速傅立葉逆變換(IFFT)處理，使其轉(zhuǎn)換為時域信號y(k)，作為干擾的估計值;
　　(4)計算被干擾信號r(k)和y(k)的差值，即為干擾抵消后的信號d(k);再產(chǎn)生該期望信號的頻域值D(k)為下一次濾波器抽頭系數(shù)迭代所使用;
　　(5)利用頻域信號進行最小均方誤差LMS計算，即根據(jù)D(k)和U(k)對W(k)進行更新，并將此更新值返回到步驟(2)中使用。跳轉(zhuǎn)到步驟(2)進行反復(fù)迭代，直至干擾被抵消。
　　與傳統(tǒng)的時域LMS算法相比，利用頻域LMS算法可以降低計算復(fù)雜度。假設(shè)輸入為實信號，濾波器抽頭個數(shù)為�？梢缘玫剑�頻域LMS和時域LMS的計算復(fù)雜度之比為 。實際中，干擾在空中傳輸?shù)臅r延會比反饋信號的時延大得多，這時需要較大的抽頭個數(shù)才能抵消干擾。假設(shè)M=1024，則頻域LMS算法可以比時域LMS算法的速度提高大約16倍。為簡化起見，在本文檔中取M=64，利用頻域LMS算法，在計算量角度大約可以比時域LMS算法快1.5倍。
　WCDMA同步算法
　　對于任何一個系統(tǒng)，要進行正常的運作都必須首先保證系統(tǒng)的同步。WCDMA的小區(qū)搜索分為三個階段，即主同步、輔同步和導(dǎo)頻搜索三個階段[5]。主同步利用PSC碼對接收到的主同步信道數(shù)據(jù)(PSCH)做相關(guān)，根據(jù)相關(guān)峰值的位置確定時隙頭。在主同步完成之后，輔同步階段可以確定幀頭位置和當前小區(qū)使用的擾碼組號。方法是用輔同步碼(SSC)去做相關(guān)。最后一個階段是導(dǎo)頻搜索，利用已經(jīng)得到的擾碼組號和幀頭信息，遍歷一個主擾碼組所有的8個可能主擾碼，分別和導(dǎo)頻信道(CPICH)做相關(guān)。根據(jù)最大的相關(guān)值最終確定擾碼號。可見，經(jīng)過WCDMA的三步同步，就可以得到當前小區(qū)的主擾碼號和幀同步信息。三步同步的流程圖如圖4所示。

　　由于同步模塊收到的信號為4采樣的，而同步模塊內(nèi)部的搜索過程只需利用單采樣的數(shù)據(jù)，因此先要對過采樣的信號進行下采樣。另外，為了對發(fā)送信號源進行匹配，將接收到的信號首先經(jīng)過根號升余弦匹配濾波器，然后再下采樣到碼片速率，如B點所示。
　　仿真和測試結(jié)果
　　仿真結(jié)果
　　首先，經(jīng)過功率譜密度圖(PSD)驗證，經(jīng)過AIC的輸出信號PSD曲線和發(fā)送信源PSD曲線基本一致。圖5給出了信干比為-10dB時算法的定點仿真結(jié)果。

具體而言，在沒有AIC的情況下，輸出信號頻譜主瓣內(nèi)的波動較大，而且主瓣下降dB值減小。采用AIC后，輸出信號頻譜主瓣內(nèi)的波動基本得以改善，并且下降dB值也基本等于原來輸入信源的下降dB值，表明AIC性能良好。
其次，通過量化指標EVM進行比較[3]，圖6給出了信干比為-10dB時的EVM指標，可以看出，AIC算法可有效抵消干擾，改善星座圖。

　　硬件測試說明
　　在硬件實現(xiàn)時，利用的開發(fā)平臺為Virtex II Board。其中V2P30芯片F(xiàn)PGA具有136個硬核乘法器和塊RAM，可滿足自適應(yīng)濾波算法以及大點數(shù)的FFT變換需要大量的乘法器和存儲器的需求。此外，大量的Slice可實現(xiàn)小區(qū)搜索模塊以及相關(guān)測試平臺的建立。
　　此外，對于簡易的視頻測試平臺，利用VGA接口完成測試平臺，進行最終的測試驗證。XUP Virtex II PRO板卡帶有高精度的DAC芯片F(xiàn)MS3818，能達到預(yù)期目的。軟件開發(fā)選用了ISE8.2.03i，相應(yīng)的Chipscope為8.2版本。
　　硬件系統(tǒng)需要實現(xiàn)頻域AIC、小區(qū)同步搜索、WCDMA信源發(fā)生器、測試平臺4大模塊。其中AIC模塊可劃分為大點數(shù)的FFT變換以及相應(yīng)的串并、并串轉(zhuǎn)換等主要功能。將設(shè)計分為5個大的模塊：頂層模塊、AIC處理模塊、信源發(fā)生器、小區(qū)搜索以及測試平臺。FFT模塊利用賽靈思公司的IP Core(知識產(chǎn)權(quán)核)來完成;串并、并串可以利用塊RAM實現(xiàn);數(shù)據(jù)處理模塊盡可能地使用SRL16結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，以節(jié)省資源。
　　系統(tǒng)測試按照由部分到整體的思路來完成，首先對各個模塊進行單獨測試，再將部分模塊組合起來完成測試，最后再對整體系統(tǒng)進行測試。這樣，可以將錯誤及早發(fā)現(xiàn)并將其消滅在起步階段。測試主要依靠ChipScope來完成，利用其采集數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，和定點仿真、ModelSim輸出結(jié)果進行比較，完成數(shù)據(jù)分析，從而確保芯片的運行結(jié)果和仿真結(jié)果是相同的。在測試中，全部以方波測試平臺為基準。