一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法，属于无线通信领域。该将接收机分为控制器模块和数据通路模块。控制模块内部包含控制状态机以及控制码存储器，用来控制数据通路在不同的时隙实现不同的时频同步算法功能，数据通路模块其中包含了接收机时频同步算法中所用到的算子以及寄存器资源。本发明专利技术分析了流水线式的OFDM接收机的算子工作状态以及寄存器时间，对部分不同时隙的相同算子以及大粒度寄存器进行了资源复用，提高系统集成度，相比于流水线式的OFDM接收机降低了系统资源成本开销。

An optimization method of OFDM receiver based on FPGA

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法
本专利技术属于无线通信领域，涉及一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法。
技术介绍
随着通信技术飞速发展，OFDM作为一种调制技术，技术广泛部署于宽带接入的无线通信系统中，如无线局域网、数字音频和数字视频广播、无线网络、WIMAX和LTE等。经典的OFDM接收机中，采用的符号同步、载波同步、采样频率同步、信道估计均衡等算法的硬件实现上都是采用流水线思想，而这些算法在具体实现中所采用的算子，如复乘器算子，除法器算子，Cordic算子，以及大粒度的寄存器在功能上具有较高的耦合度，一定程度上浪费了逻辑资源。随着5G时代的到来，移动终端大连接和低延时意味着要在嵌入式设备中集成大量的算力和功能，同时后摩尔时代，集成电路的研发面临着成本高昂、功耗不断攀升和产品形态变化快速等巨大挑战，目前科学界和产业界都在探索后摩尔时代的集成电路技术，在诸多努力方向中可重构计算技术受到了特别关注。可重构技术实现了算法到计算引擎的空间映射，使得领域通用集成电路在制成后仍具有定制能力。可重构计算技术在冯·诺伊曼计算机体系架构的基础上优化了数据通路和控制器的硬件结构，与目前主流的集成电路技术相比，资源利用率高，性能好且功耗低。现有技术中，如公开号为CN106850490A的专利申请“一种低复杂度的高速OFDM信号时频同步方法及系统”，公开了在接收机中通过去符号位法对时频同步序列进行了比特量化，该方法虽然减少了资源使用，但是在低信噪比条件下同步性能会变差。如公开号为CN108768908A的专利申请“一种基于FPGA的可扩展轻量化OFDM系统设计方法”，公开了OFDM基带数据处理高度模块化，为典型的流水线结构，虽然功能完善，但是模块之间重复使用Cordic、复乘器、除法器、以及相关寄存器资源，造成了资源浪费。因此，目前亟需一种既能保证接收信号质量又能节约逻辑资源的接收机。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法，满足对逻辑资源紧缺、功能可重构、泛连接智能嵌入式场景OFDM接收机的需求，提高系统集成度，减少逻辑资源使用。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法，将流水线式的OFDM接收机进行硬件优化，使接收机架构分为数据通路模块与控制通路模块，通过分析接收机中的时频同步算法的算子资源占用与寄存器占用，来给不同时隙来调度算子与寄存器，实现其复用，提高系统集成度，减少逻辑资源使用。该优化方法具体包括以下步骤：S1：对OFDM接收机时频同步算法中所使用到的算子资源及寄存器资源进行统计归类；S2：设计对OFDM接收机算子资源与寄存器资源的调度方案；S3：设计OFDM接收机控制器；S4：得到优化后的OFDM接收机。进一步，所述步骤S1具体包括：S11：通过延时相关能量计算、相关窗口能量计算、帧搜索三个分模块实现符号同步，其中使用3个复乘器算子和1个除法算子，共用到11个大粒度寄存器，即寄存器R1-R11；S12：通过数据分流、载波频偏估计、载波频偏补偿、数据联合输出四个分模块实现载波同步，其中使用1个除法器算子、1个cordic算子和2个复乘器算子，共用到9个大粒度寄存器，即寄存器R12-R20；S13：通过长训练序列提取、信道估计、能量计算、信道补偿四个模块实现信道估计与均衡，其中使用2个乘法算子、1个复乘算子和1个除法算子，共用到6个大粒度寄存器，即寄存器R21-R26；S14：通过导频提取模块、导频相关模块、采样频偏估计、采样频偏补偿四个模块实现采样频率同步，其中使用1个复乘算子和1个cordic算子，共用到7个大粒度寄存器，即寄存器R27-R33。更进一步，所述步骤S11中，符号同步算法的计算公式为：其中，M(d)为符号同步定时测度函数，m为滑动窗长度内的某个符号，r表示接收端收到的信号，d为定时点，L为滑动窗口长度，硬件实现步骤为实现步骤为延时相关能量计算，其用到的寄存器为R1-R4，相关窗口能量计算，其用到的寄存器为R5-R11、以及帧搜索。更进一步，所述步骤S12中，载波同步算法的计算公式为：其中，为载波频偏估计值，DSTS为段训练序列长度，为相邻子载波频率间隔，yn为复基带信号，为yn经过DSTS延时后的共轭，rn为接收端的复基带信号，为频偏补偿后的接收端复基带信号，θn为频偏角度。接收到的基带信号经延时相关、相关累加以及角度运算，可得到频偏估计值。再经过频偏补偿模块，载波同步部分完成。载波同步中数据分流部分其用到的寄存器为R12、R13，载波频偏估计部分用到的寄存器为R14-R18，载波频偏补偿用到的寄存器为R19\R20。更进一步，所述步骤S13中，信道估计与均衡算法的计算公式为：其中，为信道估计矩阵，RRLTS为接收到的长训练序列，为接收到的长训练序列共轭，LLTS为标准长训练序列为补偿之后的OFDM符号，为本地长训练序列共轭，R为接收信号。该部分的长训练序列提取用到的寄存器为R21、R22,信道估计部分用到的寄存器为R23，能量计算部分用到的寄存器为R24，信道补偿用到的寄存器为R25、R26。更进一步，所述步骤S14中，采样频率同步算法的计算公式为：其中，θl,k为第l个OFDM的第k个子载波的相位旋转，接收机采样时钟为Ts为接收机采样时钟，相对误差为Δ，Sl为固定值为接收到的导频信号，为子载波信道估计值，Nu为OFDM符号采样点数，Ns为OFDM符号为循环前缀采样点数，为导频信号。该部分的导频提取部分用到的寄存器为R27-R30，导频相关部分用到的寄存器为R31、R32，采样频偏估计部分用到的寄存器为R33。进一步，所述步骤S2具体包括：S21：符号同步模块中为全时隙占用，因此其使用的算子资源和寄存器未实行调度；S22：载波同步模块的1个除法算子、1个cordic算子、1个复乘算子在本模块使用完成之后可调度；寄存器R12-R18在本模块使用之后可以复用；S23：信道估计与均模块中调用载波同步中的1个复乘算子和1个除法算子；寄存器R21/R22对寄存器R12/R13复用，寄存器R24复用寄存器R18，寄存器R25/R26复用寄存器R16/R17；S24：采样频率同步模块中调用载波同步中的cordic算子；寄存器R33复用寄存器R24。进一步，所述步骤S3具体包括：S31：采用控制步CD01-CD03分别控制延时相关能量计算、相关窗口能量计算和帧搜索；S32：采用控制步CD04-CD07分别控制数据分流、载波频偏估计、载波频偏补偿和数据联合输出；S33：采用控制步CD09-CD12分别控制长训练序列提取、信道估计、能量计算和信道补偿，以及对步骤S23中算子复用及寄存器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法，其特征在于，将流水线式的OFDM接收机进行硬件优化，使接收机架构分为数据通路模块与控制通路模块，通过分析接收机中时频同步算法的算子资源占用与寄存器占用，来给不同时隙调度算子与寄存器；该优化方法具体包括以下步骤：/nS1：对OFDM接收机时频同步算法中所使用到的算子资源及寄存器资源进行统计归类；/nS2：设计对OFDM接收机算子资源与寄存器资源的调度方案；/nS3：设计OFDM接收机控制器；/nS4：得到优化后的OFDM接收机。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法，其特征在于，将流水线式的OFDM接收机进行硬件优化，使接收机架构分为数据通路模块与控制通路模块，通过分析接收机中时频同步算法的算子资源占用与寄存器占用，来给不同时隙调度算子与寄存器；该优化方法具体包括以下步骤：
S1：对OFDM接收机时频同步算法中所使用到的算子资源及寄存器资源进行统计归类；
S2：设计对OFDM接收机算子资源与寄存器资源的调度方案；
S3：设计OFDM接收机控制器；
S4：得到优化后的OFDM接收机。


2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11：通过延时相关能量计算、相关窗口能量计算、帧搜索三个分模块实现符号同步，其中使用3个复乘器算子和1个除法算子，共用到11个大粒度寄存器，即寄存器R1-R11；
S12：通过数据分流、载波频偏估计、载波频偏补偿、数据联合输出四个分模块实现载波同步，其中使用1个除法器算子、1个cordic算子和2个复乘器算子，共用到9个大粒度寄存器，即寄存器R12-R20；
S13：通过长训练序列提取、信道估计、能量计算、信道补偿四个模块实现信道估计与均衡，其中使用2个乘法算子、1个复乘算子和1个除法算子，共用到6个大粒度寄存器，即寄存器R21-R26；
S14：通过导频提取模块、导频相关模块、采样频偏估计、采样频偏补偿四个模块实现采样频率同步，其中使用1个复乘算子和1个cordic算子，共用到7个大粒度寄存器，即寄存器R27-R33。


3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法，其特征在于，所述步骤S11中，符号同步算法的计算公式为：



其中，M(d)为符号同步定时测度函数，m为滑动窗长度内的某个符号，r表示接收端收到的信号，d为定时点，L为滑动窗口长度。


4.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的正交频分复用接收机优化方法，其特征在于，所述步骤S12中，载波同步算法的计算公式为：






其中，为载波频偏估计值，DSTS为段训练序列长度，为相邻子载波频率间隔，yn为复基带信号，为yn经过DSTS延时后的共轭，rn为接收端的复基带信号，为频偏补偿后的接收端复基带信号，θn为频...

【专利技术属性】
技术研发人员：余翔，李渊，段思睿，黄俊汐，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50