如何用賽靈思FPGA實現4G無線球形檢測器

　　發送到非對角線單元中的數據是旋轉矢量的同相部分和正交部分除以相應的近似值得出的結果。我們不僅通過在對角線單元和非對角線單元采用流水線架構實現了高數據吞吐量，同時還通過對跨5個信道的硬件進行時分復用的方式控制了近似值模塊和復雜乘法器引起的時延。

　　對 4x4矩陣，我們使用了1個對角線單元和7個非對角線單元。分解單個矩陣所花的處理時間為4x4=16個數據周期，而該設計交付數據的速度是每三個時鐘周 期一個樣本，因此分解單個矩陣的所用總時長為3x4x4=48個時鐘周期(低于可用的64個時鐘周期)。我們對分解后的矩陣使用了回代法(back substitution)，同時以相同的TDM方式進一步進行了重新排序操作。

　　球形檢測器

　　球 形檢測器采用PED單元進行范數計算。根據樹的層次，我們采用了三種不同類型的PED單元。根節點PED模塊負責計算所有可能的PED。二級PED模塊針 對上一級計算得出的8個幸存路徑計算出8個可能的PED。這樣在樹的下一級索引中，我們就有64個生成的PED。第三種類型的PED模塊用于其它樹級，負 責計算上一級計算出的所有PED的最鄰近的節點PED。

　　球形檢測器(SD)的流水線架構可以在每個時鐘周期中處理數據。其結果就是樹的每級只需要一個PED模塊。因此，對4x4 64-QAM系統而言，PED單元的總數為8，與樹的級數相等。

　　SD可以采用硬解碼和軟解碼兩種類型的解碼技術。硬解碼能夠用貫穿樹的各級的最小距離矩陣度量次序;軟解碼用對數似然比來代表輸出的每個比特。對數似然比一般被當作優先輸入值提供給信道解碼器，比如turbo解碼器。

　　FPGA資源占用

　　實施和仿真包括MIMO 802.16e寬帶無線接收檢測過程，但不包括軟輸出生成模塊。目標芯片是Virtex-5 XC5VFX130T-2FF1738 FPGA。設計的時鐘頻率為225MHz，可用的數據率為83.965MB/s。

　　表 1. 按子系統劃分的資源占用情況

　　System Generator和基于模型的設計

　　我 們使用針對DSP設計流程的賽靈思SystemGenerator實現了完整的硬判鏈。設計驗證工作不僅使用了MATLAB/Simulink 環境的仿真語義，還有SystemGenerator的協同仿真功能。信道矩陣參數的同相部分和正交部分從正常的分布得出，并由MATLAB交付給 SystemGenerator建模環境。我們同樣使用這種仿真框架進行了比特誤碼率計算。

　　圖 4. 4x4 64-QAM的浮點 MATLAB 仿真(硬判決)、System Generator設計 (硬判決)BER 曲線與最大似然曲線相比

　　圖 4對我們的定點硬判決設計BER曲線、浮點硬判決設計BER曲線和最佳ML參考曲線進行了比較。我們通過對賽靈思ML510開發平臺進行基于以太網的硬件 協仿真，開發出了該設計的硬件演示。信道矩陣參數采用賽靈思AWGNIP核發送給球形檢測器。我們通過把設計嵌入到自同步BER測試器來計算BER。該儀 器能夠向檢測器發送輸入并捕獲誤碼。

　　本文就采用空分復用MIMO的通信系統使用的球形檢測器進行了簡要介紹。我們詳細探討了球形檢測器和信 道矩陣預處理器的架構情況。實現預處理的方法有許多種，雖然我們的方法在計算上要復雜一點，但得出的BER性能接近最大似然。雖然我們的討論是圍繞 WiMAX進行的，設計人員可以把其中的許多方法用于3G/ LTE(長期演進)無線系統。