OFDM系统均衡器设计优化及VLSI实现

摘要

由于能提供高速率和高质量的通信服务，正交频分复用（OFDM，OrthogonalFrequency-DivisionMultiplexing）技术已经成为研究热点。面向无线应用的OFDM系统设计中必须要面对一个问题，那就是通过通信介质传输的信号码元总会受到信道的干扰。OFDM系统中均衡器的作用是通过信号处理来消除多径信道的影响，从而使接收机可以正确地对发送数据进行估计。因此，适合的均衡算法和均衡器设计对整个系统来说十分重要，这也是本课题主要讨论的问题。
　　在介绍课题背景之后，从两个方面对OFDM系统中均衡技术的研究现状及实现进行了介绍。第一个方面是循环前缀（CP，CyclicPrefix）长度足够时单抽头均衡器的VLSI设计，另一个方面是CP长度不足时均衡方案的研究及其实现。本文的工作主要包括以下几个方面：
　　使用OFDM技术的IEEE802.11a无线局域网中单抽头均衡器的传统设计没有考虑不同调制方式对均衡计算的不同要求。为了使系统可以工作在所有的调制方式下，均衡器的硬件设计面向要求最高的调制方式。当工作于其它调制方式时，这样的均衡器可以满足系统要求，但是过度的操作会浪费时间和功耗。基于对IEEE802.11a协议使用的四种调制方式的研究，提出面向自适应调制的可配置单抽头均衡器结构。可配置单抽头均衡器可以工作于两种模式，针对具体使用的调制方式提供合适的均衡方案。当系统工作于较低调制方式时，关闭不使用的部分电路，可配置单抽头均衡器的功耗会明显降低。在可配置单抽头均衡器电路设计中，使用双模CORDIC处理器来完成在不同时段进行的直角坐标-极坐标变换和向量旋转任务，从而降低均衡器的硬件规模。使用TSMC0.18μmCMOS标准单元库进行综合，可配置单抽头均衡器不含RAM的电路规模约42k等效门，在时钟频率为20MHz情况下，高阶调制和低阶调制在初始阶段的功耗分别为2.2mW和1.4mW，在运行阶段的功耗分别为1.8mW和1.4mW。
　　其次，利用新的可配置单抽头均衡器结构，对IEEE802.11a接收机中三个级联模块—FFT处理器、单抽头均衡器和相位跟踪器进行联合设计。旋转因子处理是FFT处理器中最为复杂的运算之一，本文使用CORDIC算法实现旋转因子处理，并提出将CORDIC算法中的幅度校正因子并入到可配置单抽头均衡器的幅值均衡中，显著减少FFT处理器所需硬件资源。FFT处理器的设计基于单个基23处理单元，电路规模约为318.4k门，功耗约为24mW。与此同时，提出将相位跟踪与可配置单抽头均衡器中的幅角均衡进行联合。通过将两个连续的相位旋转合并，联合处理器在可配置单抽头均衡器的基础上只增加很少硬件便完成相位均衡和相位跟踪双重功能。
　　当CP不足时，简单的单抽头均衡方法已经不能很好地消除信道影响。鉴于传统的各种残余码元间干扰（ISI，Inter-SymbolInterference）均衡方案都存在着高计算复杂度的缺点，本文提出三种低计算复杂度均衡方法。第一种方法，注意到在典型无线局域网信道环境中时域信号码元只有很少的几个抽样受到残余ISI影响，提出基于时域循环性恢复（CR，CyclicityRestoration）的迫零判决反馈均衡（ZF-DFE，ZeroForcingDecision-FeedbackEqualization）方法。在提供与传统ZF-DFE方法相同性能的同时，新方法的计算复杂度大幅下降。接下来，为了避免ZF-DFE方法中复杂的矩阵求逆运算，分别提出频域迭代均衡方法和时域迭代CR方法。受到码分多址通信系统中的多用户访问干扰抑制技术的启发，提出频域迭代均衡方法，该方法在频域消除由残余ISI引起的子载波间干扰（ICI，Inter-CarrierInterference）。时域迭代CR方法基于CR方法以迭代方式在时域完成残余ISI的消除，具有很低的迭代计算复杂度。在介绍三种方法之后，对各种方法进行性能和复杂度比较，作为残余ISI消除器设计中算法选择的基础。
　　最后，研究各种迭代方法之间的关系，并以此为理论基础，提出使用变换域方法和时域方法的联合迭代方法，以同时提供低实现复杂度和低迭代计算复杂度。在对联合迭代方法进行实现分析之后，完成联合迭代处理器的VLSI设计。处理器使用一个核心处理模块分时完成迭代处理所需的迭代矩阵计算、ISI消除和时域迭代计算，在20MHz时钟频率下，平均功耗为20.7mW。

目录

OFDM系统均衡器设计优化及VLSI实现

DESIGN OPTIMIZATION AND VLSI IMPLEMENTATION OF EQUALIZER IN OFDM SYSTEM

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 OFDM技术简介

1.3 IEEE 802.11a无线局域网

1.4 论文主要研究内容

1.5 论文结构

第2章 OFDM系统模型及均衡技术综述

2.1 无线信道模型及其参数

2.2 OFDM系统模型

2.3单抽头均衡器及其实现

2.4 CP不足时均衡算法及其实现

2.5 本章小结

第3章 单抽头均衡器设计及其VLSI实现

3.1 引言

3.2 面向自适应调制的可配置单抽头均衡器概念

3.3 可配置单抽头均衡器电路设计

3.4 实现结果及比较

3.5 本章小结

第4章 FFT处理器、单抽头均衡器及相位跟踪器联合设计

4.1 引言

4.2 联合设计方法分析

4.3 FFT处理器设计

4.4 相位跟踪器与均衡器联合设计

4.4 本章小结

第5章 OFDM系统中残余ISI消除技术研究及干扰消除器设计

5.1 引言

5.2 基于CR的低复杂度ZF-DFE算法

5.3 频域迭代均衡方法

5.4 时域迭代CR方法

5.5 性能及计算复杂度分析比较

5.6 迭代处理器设计及其VLSI实现

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历