加速超宽带无线通信系统"UWB"的定点设计

[“UWB”（ultra wideband）是超宽带无线技术的缩写。UWB技术是一种使用1GHz以上带宽的最先进的无线通信技术。虽然是无线通信，但其通信速度可以达到几百Mbit/秒以上。
    UWB的特点在于不使用载波，这与此前的无线通信截然不同。由于原来的无线通信在通信时需要连续发出载波（电波），自然要消耗电能。而UWB是发出瞬间尖波形电波－也就是所谓的脉冲电波－直接按照0或1发送出去。由于只在需要时发送出脉冲电波，因而大大减少了耗电量。
    UWB之所以能实现高速数据传输，正是因为这种脉冲的宽度能控制在1纳秒以下，因此实现几百M～1Gbit/秒以上的通信将也不再是梦想。但是，发送脉冲信号需要很宽的频带。
    作为室内通信用途，美国联邦通信委员会（FCC：Federal Communications Commission）已经将3.1G～10.6GHz频带向UWB通信开放。IEEE802委员会也已将UWB作为PAN（personal area network）的基础技术候选对象来探讨]

  超宽带(UWB)无线技术即将取代办公室和家中的高速数据传输网络。    UWB技术未来能以每秒数百兆位的速度将数据传送至数公尺远，其主要应用领域包含了数字相机与计算机间的传输，以及DVD与高清电视(HDTV)之间的传输等。
    UWB的传输距离主要是受到低功率与高数据传输率的限制，这对硬件实现来说，绝对是一项严苛的挑战。然而，UWB在市场上的成功与否又依赖于低成本，即使是短短几公尺的传输距离差距或小额的成本差异，都将决定UWB的成败。
    定点设计在权衡UWB传输范围和成本之间的折衷方面，具有举足轻重的地位。首先，定点字长严重影响硬件大小与成本，例如，乘法运算所使用到的硅片面积大致与字长的平方成正比。第二，字长和小数点位置也严重影响到通信链路上信噪比性能，如果将信噪比提升1dB，则覆盖距离将有望提升25%。
    不过，定点设计不但深具挑战性，也十分费时，一般来说约占总开发时间的25%至50%。本文主要介绍利用专门为UWB技术开发的Simulink来开发定点(Fixed-point)设计。同时，也讨论了加速设计流程的相关技巧。
    模型架构
    本文采用的模型是以2003年9月提交给IEEE802.15.3a的OFDMUWB提案为基础，后续的相关提案并没有改变其核心技术。
    该提案建议支持55~480Mbps范围内的七种数据速率，但最高的强制数据率是200Mbps。在这个模式下，OFDM信号的发射采用跳频方式。对于200Mbps的最高强制数据速率以及OFDM跳频模式，都采用本文中的模型来捕获物理层信道。
    多频OFDM在很多方面都非常类似IEEE802.11a/g的WLAN物理层标准；因此，将已有的802.11a模型改造成文中的UWB模型(如图1所示)。改造的模型中也包含Intel的UWB信道MATLAB代码，此模型已被IEEE802.15.3a标准所采用。
    图1所示模型中的每个发射机和接收机都包括三个部份：二进制数据处理、数字基带处理、模拟前端和信道的基带模型。其中，本文主要讨论数字基带处理中的定点设计部份。其余部分都是为了辅助测试，以构成一个完整的系统模型，用来帮助快速评估定点设计对端到端链路性能的影响。
    OFDM发射机
    如图2所示的发射机子系统是将QPSK符号的载荷转换成发送到发射机前端的一个大的OFDM符号帧(每帧165个取样)。
    位于图中左边的模块负责将信号转换为定点数据类型。事实上，这一操作并不存在，而是由QPSK调制器将进来的数据位直接转换成定点数据，位于系统输出端的转换模块则将数据转换为双精度浮点数据(就这一点而言，可以将其看作为一个D/A转换器)。
    以橘色标记的功能块为IFFT和增益模块，负责执行定点算法；其余的模块负责对定点数据进行重组。图中对UWB模型用色彩全部加亮，目的是帮助人们能够快速地识别出究竟是哪些模块参与了定点处理。

    图1：用于开发定点设计的Simulink模型顶层示意图

    图2：OFDM发射机方框图

    OFDM接收机
    在图3所示的OFDM接收机中，相对于发射机而言，包含了比较多的信号处理功能，因而包含了更多的定点运算。此接收机中需要以下四种算法，即循环处理、快速傅里叶变换、信道估计/补偿、时域解扩。其中，循环处理、信道估计、和信道补偿是降低多径传播影响的必要方法。

    图3：OFDM接收机方框图

    图4给出了信道估计与补偿子系统。它实现了一种简单且低成本的相位补偿(对于更复杂的方案，则利用信道的频率相关性来减小噪声的均值)。系统中没有对OFDM各频率上的振幅变化进行补偿，因为这样的方法会耗费非常庞大的运算资源，而且对QPSK而言也没有必要。同时，该系统避免了复数除法运算，也确保除法结果具有较小的变化范围。

    图4：信道估计和补偿

    上述这些考虑是定点设计中最重要的预备阶段。在处理字长和量化之前，需要一个浮点基准(或称为黄金参考)，用作为链路性能的上界。
    浮点基准
    对于任何子系统乃至整个模型，Simulink的数据型交叠功能能够直接实现定点和浮点数据之间的转换。对应于浮点参考基准，将信道信噪比设定为较高的值(60dB)，这样可以排除对符号失真的定点影响。图5所示为UWB系统仿真的两个结果：1.所有三个子带上的基带等效接收信号功率谱；2.信道相位估计和补偿之后的信号星座图。

    图5：基于Simulink模型的UWB仿真结果

    功率谱(图5a)中的DC零点是由OFDM传输引起的，而频谱的其余部分则基本与多径信道的选频衰落特性相一致。在OFDM频率上的动态范围大约为30dB，这在相位补偿信号对消的幅度扩展图中也可看出。一个干净的X形星座图形则表示近乎理想的相位补偿。
    定点设计方法
    下一个重要的步骤，就是为系统中每一个定点运算模块设定字长和量化；字长和量化共同限制了信号的动态范围。如果设计不好，将会造成溢出和下溢，从而降低链路性能。因此，在定点设计分析中最重要的一项指标就是信号的动态范围。
    在UWB定点设计中采用了下列方法：1.将系统设计成符合信号处理的次序，使得浮点交叠能够用于后续的子系统；2.对于给定算法的子系统或模块：先启动浮点交叠功能，分析输出信号的动态范围；调整字长和量化，使溢出和下溢最小；解除浮点交叠功能，重新检查动态范围，评估对联性能的影响。
    该过程是不断反复的过程，工作流既冗长又耗时。为了加速这个过程，使用MATLAB来进行动态范围图形化分析，详情如下所述。
    以发射机设计为例
    在UWB模型中，建立了一个模块，该模块将信号直接输出到直方图中，这是一个信号动态范围可视化分析的极好方法。如图2所示，此模块(标有“定点分析”)被连接到发射机增益放大级的输出端。图6给出了浮点基准的直方分析图，包括同相和正交两种情况。根据比特位数，或者字长，动态范围刻度用以2为底的对数来表示比较实用。

    图6：OFDM发射机输出直方图：浮点基准

    除了0值采样(图中显示为2-15)以外，99.9%的时间里，信号强度都介于2-13至22，因此该信号用16位来表示就已足够。90dB这么大的动态范围在OFDM里相当普遍，实质上随机信号经过IFFT(中心极限定理)的结果就是这样大。
    对于将溢出和下溢控制到最小来说，这个分析模块会自动估计2-14或许是一个最佳的量化因子(scalingfactor)。以此估计为基础，对于发射机中所有算法模块，将初始字长设置到16位，量化因子设为2-14。首先明确设定输入信关模块的定点参数值，然后选择发射机其它运算模块的定点参数与输入相同(Sameasinput)。同时，在接收机子系统中保留浮点交叠功能，以便隔离或定位发射机设计中的潜在问题。
    图7给出了直方分布图以及相位补偿信号对消后的星座图。请注意和图5的浮点基准相比，图7b所示的星座图有点失真。直方分布图中显示出饱和值为2(直方图中虚线代表浮点基准，而柱干则代表定点结果)。虽然高功率发射的时间只有1%左右，但这足以(具有很高概率)在128点接收机FFT输出端上引起很大的失真。

    图7：量化因子为2-14时的量化处理结果

    因此我们需要增加1~2位的量化，但是这对于放大级输出的小信号将会增加误差，不过该影响应该很小，因为当发射信号小于2-10时，就会淹没于信道噪声中。图8显示了将量化设为2-12时的改进结果。

    图8：改善后的量化因子为2-12时的量化处理结果

    偏重于信号范围的高端并非总是正确的方法。因为有时候小信号也起着关键的作用，例如在信道估计和补偿算法中。关键是设置定点量化值需要一些技巧，尤其是字长较短时。自动计算工具可以提供粗略的估计，不过细调则需要可视化与经验的结合。接下来的步骤包括分析发射机中单个模块的输出信号的动态范围，细调模块的定点设置，并将这些技术转用到接收机中。
    应用在较短的字长
    一开始，对于整个系统采用了16位字长来逐步逼近设计，然后将掌握的技巧应用到较短字长。例如，当我们更关注溢出时(一般状况下皆为如此)，此时，对于不同的字长来说，小数点以上的数据位数趋于类似。使用这里讨论的工具和方法，可以设计出一个10位的UWB系统，每位错误率为0.1%，而且相对于浮点基准，信噪比仅仅降低0.5dB。
    采用MATLAB工作变量和选择工具，可以实现不同的定点设计之间的快速切换。我们也能够编写简单的MATLAB程序来实现一系列不同的字长和信道条件下的仿真。实际上，本文所讨论的如何在一个UWB无线通信系统中加速定点设计的技巧，也可以用来处理芯片面积(或功耗)和无线覆盖距离之间的所有重要折衷。
    作者：DarelA.Linebarger
    Simulink信号处理产品经理
    MartinClark
    通信产品开发组高级组长
    MikeMulligan
    通信产品开发经理
    DavidJackson
    视频/信号处理产品市场经理（尹阜琪编辑）

[ 本帖最后由 HT-BEYOND 于 2007-3-9 13:47 编辑 ]

作者: 周育辉，梅振东（江西生物科技职业学院 南昌 330200） 来源: 通信世界网 1引言     随着计算机通信技术的不断发展，无线传输技术得到了广泛的应用，而超带宽（UWB）技术作为一种新型短距离高速无线通信技术正占据主导地位，超带宽技术又被称为脉冲无线发射技术，是指占用带宽大于中心频率的1/4或带宽大于1.5GHz的无线发射方案，超带宽技术在2002年以前主要应用于雷达和遥感等军事领域，UWB技术不需载波，能直接调制脉冲信号，产生带宽高达几兆赫兹的窄脉冲波形，其带宽远远大于目前任何商业无线通信技术所占用的带宽，UWB信号的宽频带、低功率谱密度的特性，决定了UWB无线传输技术具有以下优势：易于与现有的窄带系统（如全球定位系统（GPS）、蜂窝通信系统、地面电视等）公用频段，大大提高了频谱利用率。     易于实现多用户的短距离高速数据通信；对多径衰落具有鲁棒性，目前，UWB技术在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面的应用正在不断发展。     2UWB的关键技术     2.1脉冲成形技术     任何数字通信系统，都要利用与信道匹配良好的信号携带信息，对于线性调制系统，已调制信号可以统一表示为[1]：     s（t）＝ΣIng（t－T）     其中，In为承载信息的离散数据符号序列；T为数据符号持续时间；g（t）为时域成形波形，通信系统的工作频段，信号带宽、辐射谱密度、带外辐射、传输性能、实现复杂度等诸多因素都取决于g（t）的设计。     对于UWB通信系统，成形信号g（t）的带宽必须大于500mHz，且信号能量集中于3.1－10.6GHz频段，脉冲成形技术中最具代表性的无载波脉冲是高斯单周脉冲，他的带带宽已经大于2GHz，高斯单周脉冲是高斯脉冲的各阶导数，各阶脉冲波形可由高斯一阶导数通过逐次求导得到。随着脉冲信号阶数的增加，过零点数逐渐增加，信号中心频率向高频移动，但信号的带宽无明显变化，相对带宽逐渐下降，早期UWB系统采用1阶、2阶脉冲、信号频率成分从直流延续到2GHz，按照FCC对UWB的新定义，必须采用4阶以上的亚纳秒脉冲方能满足辐射谱要求。     2.2调制技术     调制方式是指信号以何种方式承载信息，他不但决定着通信系统的有效性和可靠性，是也影响信号的频谱结构、接收机复杂度，在UWB系统中常用的调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制，基于OFDM的正交多载波调制。其中基于超带宽脉冲的调制常用的有脉位调制和脉副调制。     脉位调制（PPM）是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式，按照采用的离散数据符号状态数可以分为二进制PPM（2PPM）和多进制PPM（MPPM）。在这种调制方式中，一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或M个，脉冲位置与符号状态一一对应，根据相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系，又可分为部分重叠的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重叠的PPM中，为保证系统传输可靠性，通常选择相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点，从而使相邻符号的欧氏距离最大化，在OPPM中，通常以脉冲宽度为间隔确定脉位，接收机利用相关器在相应位置进行相干检测，鉴于UWB系统的复杂度和功率限制，实际应用中，常用的调制方式为2PPM或2OPPM。     脉副调制（PAM）是数字通信系统最为常用的调制方式之一。在UWB系统中，考虑到实现复杂度和功率有效性，不宜采用多进制PAM（MPAM）。UWB系统常用的PAM有两种方式：开关键控（OOK）和二进制相移键控（BPSK）。OOK可以采用非相干检测降低接收机复杂度，而BPSK采用相干检测可以更好地保证传输可靠性。     正交多载波调制（OFDM）是一种高效的数据传输方式，其基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅度降低，符号持续时间大大加长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰的影响，通常在OFDM符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完成消除符号间干扰，OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是他允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交则可以从混迭的子载波上分离出数据信息，由于OFDM允许子载波频谱混迭起，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。     2.3接收技术     尽管UWB信道的时延扩展很大，但是在信号占空比很低的情况下，前后两个接收波形之间的干扰可以忽略不计，因此早期的UWB接收机结构很简单，只是一个等效于匹配滤波的相关器而已。同时为了降低微器件模拟变换器的（ADC）变换速率的要求，相关器是用线性相乘和积分等模拟过程实现的，但是当对传输速率的要求达到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性对接收信号的影响变得严重起来，接收信号幅度上的衰落需要通过RAKE接收机收集足够非常的多径分量来克服，另一方面，信号的占空比不足以避免前后波形之间的重叠现象，如何解决符号间干扰（ISI）问题也必须在系统设计中加以考虑，一种比较理想的解决方案影响是RAKE＋均衡，通过RAKE接收捕捉各条径的能量以抵抗衰落，同时利用均衡来消除符号间干扰。目前对接收机在多径和各种干扰环境下的性能分析通常基于RAKE接收机，在具体实现上，有几种路径选取方法可以用，例如选择信号最强的L条路径或是最先到达的L条路径。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是实现难度较大，从仿真结果来看，就UWB信道特性而言，选择4－6条路径进行合并已可获得接近最佳的性能，同步也是接收机中值得关注的一个问题，在高速应用中，快速同步的实现尤为关键，如果采用最大比合并方式，接收机还需要进行信道估计[2]。     3UWB无线传输系统的基本模型     UWB系统的基本模型主要由发射部分、无线信道和接收部分构成，与传统的无线发射、接收机结构相比，UWB的发射、接收机结构相对简单，易于实现，如传统蓝牙系统是一种低功耗的无线传输技术，它的集成电路是经典的超外差电路，发射机部分包括压控振荡器、锁相环同步器、参考振荡器，接收机部分包括低噪声放大器、混频器、放大器等；而UWB的发射、接收机的结构不同，因为脉冲产生器只需产生大约100mV的电压就能满足发射要求，因而发射端不需要功率放大器，在接收端，天线收集的信号先通过低噪声放大器，再通过一个匹配滤波器或相关接收机恢复出期望信号[3]，由于UWB信号的发射未经载波调制，UWB的接收端不再需要参考振荡器、锁相环同步器、压控振荡器及混频器等。UWB的发射、接收机结构比蓝牙更简单，UWB的发射机可灵活地调整发射距离，当发射距离增大时，UWB可以用多个脉冲传一个信号以增加接收端的信噪比，由于UWB的发射功率与脉冲重复频率成正比，因此可以通过软件对数据率、功耗、发射范围进行管理，这种灵活性非常有利于功率受限的便携式终端的设计。     4UWB在无线多媒体个域网中的应用     UWB无线通信技术的主要功能包括无线通信和定位功能。进行高速无线通信（速率在100Mb/s以上）时，传输距离较近，一般在10－20m左右，进行较低速率无线通信和定位时，传输距离可更远，UWB技术采用无载波脉冲方式时，具有较强的透视功能，可以穿透数层墙壁进行通信、成像或定位，与全球定位系统（GPS）相比，UWB技术的定位精确度更高，可以达到10－20cm的精度，正是凭借短距离传输范围内的高传输速率及高精确度这一巨大优势，UWB进入民用市场之初就将其应用定位在了无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）上，这样一种小范围内进行高速通信，可以使人们摆脱线缆的束缚，使各种设备以高速无线进行连接。根据超带宽无线传输的特性，UWB技术可以应用于无线多媒体家域网、个域网，雷达定位和成像系统，智能交通系统，以及应用于军事、公安、救援、医疗、测量等多个领域。     无线多媒体个域网中，各种数字多媒体设备根据需要，在小范围内组成自组织式的网络，相互传送多媒体数据，并可以通过安装在家中的带宽网关，接入英特网。数字多媒体设备是那些需要收发视频、音频、文本、数据等数字多媒体信息的设备，如数码摄像机、数码照相机、MP3播放器、DVD播放器、数字电视、台式机、笔记本电脑、打印机、投影仪、扫描仪、摄像头、手机、各种智能家电、机顶盒等。UWB技术与现有的其他无线通信技术相比，数据传输速率高、功耗低、安全性好。UWB技术可以实现的速率超过1Gb/s，与有线的USB2.0接口相当，远远高于无线局域网802.11b的11Mb/s，也比下一代无线局域网802.11a/g的54Mb/s高出近一个数量级，UWB通信的功耗较低，能更好地满足使用电池的移动设备的要求，另外，UWB信号的功率谱密度非常低，信号难以被检测到，再加上采用的跳频、直接序列扩频等扩频多址技术，使非授权者很难接获传输的信息，因而安全性非常好。     表1是一些典型的实时多媒体应用对不同无线传输技术的数据传输速率的要求，从表中可以看出，如果采用无线的方式来进行传输，只有UWB技术可以满足各种应用的要求。 ....     表2为下载一些多媒体信息所需的时间，采用UWB技术，可以在合理的时间内完成下载，随着多媒体应用的发展，其类似大小和所需传输速率还将不断提高，因此，在目前的无线通信技术中，只有UWB技术可以满足构建无线多媒体家域网的要求。     5结语     无线通信已经迅速渗入到我们的生活之中，不断增长的容量要求需要一种不对现有通信系统造成影响的新的无线通信方案，而超带宽脉冲无线电系统正好满足了这要求，在科研人员的努力下，不久的将来技术将会更加完善、更加有效地服务于人们的生活。

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