MIMO系统中软输出球形检测器的研究及系统硬件实现

摘要

随着宽带无线通信的快速发展，MIMO系统的应用变得越来越急迫。本文研究了理想情况下BER性能可以达到最优的球形检测算法，重点侧重于两类球形检测算法——广度优先K-best与深度优先单树搜索(STS-SD)的FPGA实现及MIMO演示系统的设计与实现。
　　 为了将球形检测问题转化为树搜索问题必须先完成信道矩阵的QR分解，由于其复杂度很高一般不适合用依靠指令运行的DSP来实现。一般来说K-best检测需要大量的比较选择电路实现排序操作，这对于FPGA或VLSI来说是不利的。深度优先搜索本质上是从全局考虑因此其BER性能理论上与最大似然方法完全相同，但是当信噪比较低时需要遍历足够多的叶子节点才有可能搜索到最大似然解。同时这种逻辑结构不具备类似K-best检测器的并行结构因此从传统意义上说不适合于在VLSI层次上实现，如果要实现软输出更是困难。论文的主要工作如下:
　　 1.设计了两种QR分解的FPGA实现方案，这两种方案分别侧重于吞吐率与资源占用。
　　 2.研究并实现了K-best检测器。本文在Sort-free方法（避免了排序操作）的基础上利用星座图快速寻找局部最优节点并通过设计流水结构使检测器实现了较高的吞吐率与较少的资源占用。
　　 3.研究并给出了STS-SD的FPGA实现方案。STS-SD仅通过一次树搜索同时获得最大似然度量与反假设度量从而减少了冗余计算。一种高效的前、后向并行工作的结构使得利用VLSI(FPGA)实现深度优先的球形检测算法成为可能。为缩短较长的关键路径，引入了基于星座点相角关系的枚举准则，这同时也大大简化了局部最优节点的搜索。本文对上三角矩阵R的元素进行预先初始化可以减少不必要的乘法器从而进一步缩短关键路径。综合考虑以上因素，给出了关键单元的FPGA实现方案。
　　 4.设计并硬件实现了一套MIMO-OFDM系统。基于LTE下行链路物理层标准给出了该系统的主要指标与参数，结合硬件板卡的资源与特点设计了系统架构，在此基础上以大量设计框图的形式对需要在FPGA中实现的模块进行了逐一概述。最终实现的系统最高速率可以达到18Mbps。为进一步发挥此硬件系统的验证作用，文章最后总结了需要改进的方向。

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摘要

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缩略语

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 MIMO-OFDM技术概述

1．3 LTE概述

1．4 无线通信系统硬件设计发展趋势

1．5 主要内容与论文安排

第2章 MIMO检测技术研究

2．1 系统模型

2．2 线性检测器

2．2．1 迫零检测器

2．2．2 最小均方误差检测器

2．3 连续干扰消除

2．3．1 基于SINR的排序

2．3．2 基于SNR的排序

2．3．3 基于信道矩阵列向量模值的排序

2．4 最大似然信号检测

2．5 球形检测

2．5．1 基本原理

2．5．2 K-best检测器

2．5．3 软输出

2．5．4 单树搜索球形检测器(STS-SD)

2．6 本章小结

第3章 软输出K-best球形检测器的FPGA实现

3．1 引言

3．2 量化定标

3．3 复数QR分解的FPGA实现

3．3．1 Cordic算法的基本原理及实现

3．3．2 Givens旋转的Cordic实现

3．3．3 QR分解的Givens旋转实现

3．4 硬输出的实现

3．4．1 部分欧式距离排序筛选单元的实现

3．4．2 改进思路

3．5 软信息生成

3．6 本章小结

第4章 软输出STS-SD的FPGA实现

4．1 引言

4．2 性能与复杂度的折中

4．3 一种高效的FPGA(VLSI)实现结构

4．4 各单元电路的实现方法

4．4．1 前向、后向PED枚举计算单元

4．4．2 Control单元

4．5 本章小结

第5章 MIMO-OFDM系统硬件实现

5．1 系统指标与主要参数

5．1．1 帧结构

5．1．2 主要参数

5．1．3 资源映射

5．2 硬件板卡介绍

5．3 系统架构设计及模块划分

5．4 FPGA中各模块的实现

5．4．1 准备工作

5．4．2 预编码模块

5．4．3 功率计算与自动增益控制过程

5．4．4 FIR滤波模块

5．4．5 去直流模块

5．4．6 载波频偏估计与补偿

5．4．7 MMSE检测器

5．4．8 Turbo译码器

5．5 实验结果与改进思路

5．6 本章小结

第6章 总结

6．1 本文工作总结

6．2 后续工作

参考文献

致谢