超寬帶(OFDM UWB信號創(chuàng)建工具" target=_blank>UWB)無線技術(shù)即將取*公室和家中的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。UWB技術(shù)未來能以每秒數(shù)百兆位的速度將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)公尺遠，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包含了數(shù)字相機與計算機間的傳輸，以及DVD與高清電視(HDTV)之間的傳輸?shù)取?/p>

　　UWB的傳輸距離主要是受到低功率與高數(shù)據(jù)傳輸率的限制，這對硬件實現(xiàn)來說，絕對是一項嚴苛的挑戰(zhàn)。然而，UWB在市場上的成功與否又依賴于低成本，即使是短短幾公尺的傳輸距離差距或小額的成本差異，都將決定UWB的成敗。

　　定點設(shè)計在權(quán)衡UWB傳輸范圍和成本之間的折衷方面，具有舉足輕重的地位。首先，定點字長嚴重影響硬件大小與成本，例如，乘法運算所使用到的硅片面積大致與字長的平方成正比。第二，字長和小數(shù)點位置也嚴重影響到通信鏈路上信噪比性能，如果將信噪比提升1dB，則覆蓋距離將有望提升25%。

　　不過，定點設(shè)計不但深具挑戰(zhàn)性，也十分費時，一般來說約占總開發(fā)時間的25%至50%。本文主要介紹利用專門為UWB技術(shù)開發(fā)的Simulink來開發(fā)定點(Fixed-point)設(shè)計。同時，也討論了加速設(shè)計流程的相關(guān)技巧。

　　模型架構(gòu)

　　本文采用的模型是以2003年9月提交給IEEE802.15.3a的OFDM UWB提案為基礎(chǔ)，后續(xù)的相關(guān)提案并沒有改變其核心技術(shù)。

　　該提案建議支持55~480Mbps范圍內(nèi)的七種數(shù)據(jù)速率，但最高的強制數(shù)據(jù)率是200Mbps。在這個模式下，OFDM信號的發(fā)射采用跳頻方式。對于200Mbps的最高強制數(shù)據(jù)速率以及OFDM跳頻模式，都采用本文中的模型來捕獲物理層信道。

　　多頻OFDM在很多方面都非常類似IEEE802.11a/g的WLAN物理層標準；因此，將已有的802.11a模型改造成文中的UWB模型(如圖1所示)。改造的模型中也包含Intel的UWB信道MATLAB代碼，此模型已被IEEE802.15.3a標準所采用。

　　圖1所示模型中的每個發(fā)射機和接收機都包括三個部份：二進制數(shù)據(jù)處理、數(shù)字基帶處理、模擬前端和信道的基帶模型。其中，本文主要討論數(shù)字基帶處理中的定點設(shè)計部份。其余部分都是為了輔助測試，以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)模型，用來幫助快速*估定點設(shè)計對端到端鏈路性能的影響。

　　OFDM發(fā)射機

　　如圖2所示的發(fā)射機子系統(tǒng)是將QPSK符號的載荷轉(zhuǎn)換成發(fā)送到發(fā)射機前端的一個大的OFDM符號幀(每幀165個取樣)。

　　位于圖中左邊的模塊負責將信號轉(zhuǎn)換為定點數(shù)據(jù)類型。事實上，這一操作并不存在，而是由QPSK調(diào)制器將進來的數(shù)據(jù)位直接轉(zhuǎn)換成定點數(shù)據(jù)，位于系統(tǒng)輸出端的轉(zhuǎn)換模塊則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙精度浮點數(shù)據(jù)(就這一點而言，可以將其看作為一個D/A轉(zhuǎn)換器)。

　　以橘色標記的功能塊為IFFT和增益模塊，負責執(zhí)行定點算法；其余的模塊負責對定點數(shù)據(jù)進行重組。圖中對UWB模型用色彩全部加亮，目的是幫助人們能夠快速地識別出究竟是哪些模塊參與了定點處理。

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　　圖1：用于開發(fā)定點設(shè)計的Simulink模型頂層示意圖

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　　圖2：OFDM發(fā)射機方框圖

　　OFDM接收機

　　在圖3所示的OFDM接收機中，相對于發(fā)射機而言，包含了比較多的信號處理功能，因而包含了更多的定點運算。此接收機中需要以下四種算法，即循環(huán)處理、快速傅里葉變換、信道估計/補償、時域解擴。其中，循環(huán)處理、信道估計、和信道補償是降低多徑傳播影響的必要方法。

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　　圖3：OFDM接收機方框圖

　　圖4給出了信道估計與補償子系統(tǒng)。它實現(xiàn)了一種簡單且低成本的相位補償(對于更復(fù)雜的方案，則利用信道的頻率相關(guān)性來減小噪聲的均值)。系統(tǒng)中沒有對OFDM各頻率上的振幅變化進行補償，因為這樣的方法會耗費非常龐大的運算資源，而且對QPSK而言也沒有必要。同時，該系統(tǒng)避免了復(fù)數(shù)除法運算，也確保除法結(jié)果具有較小的變化范圍。

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　　圖4：信道估計和補償

　　上述這些考慮是定點設(shè)計中最重要的預(yù)備階段。在處理字長和量化之前，需要一個浮點基準(或稱為黃金參考)，用作為鏈路性能的上界。

　　浮點基準

　　對于任何子系統(tǒng)乃至整個模型，Simulink的數(shù)據(jù)型交疊功能能夠直接實現(xiàn)定點和浮點數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。對應(yīng)于浮點參考基準，將信道信噪比設(shè)定為較高的值(60dB)，這樣可以排除對符號失真的定點影響。圖5所示為UWB系統(tǒng)仿真的兩個結(jié)果：1. 所有三個子帶上的基帶等效接收信號功率譜；2. 信道相位估計和補償之后的信號星座圖。

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　　圖5：基于Simulink模型的UWB仿真結(jié)果

　　功率譜(圖5a)中的DC零點是由OFDM傳輸引起的，而頻譜的其余部分則基本與多徑信道的選頻衰落特性相一致。在OFDM頻率上的動態(tài)范圍大約為30dB，這在相位補償信號對消的幅度擴展圖中也可看出。一個干凈的X形星座圖形則表示近乎理想的相位補償。

　　定點設(shè)計方法

　　下一個重要的步驟，就是為系統(tǒng)中每一個定點運算模塊設(shè)定字長和量化；字長和量化共同限制了信號的動態(tài)范圍。如果設(shè)計不好，將會造成溢出和下溢，從而降低鏈路性能。因此，在定點設(shè)計分析中最重要的一項指標就是信號的動態(tài)范圍。

　　在UWB定點設(shè)計中采用了下列方法：1. 將系統(tǒng)設(shè)計成符合信號處理的次序，使得浮點交疊能夠用于后續(xù)的子系統(tǒng)；2. 對于給定算法的子系統(tǒng)或模塊：先啟動浮點交疊功能，分析輸出信號的動態(tài)范圍；調(diào)整字長和量化，使溢出和下溢最小；解除浮點交疊功能，重新檢查動態(tài)范圍，*估對聯(lián)性能的影響。

　　該過程是不斷反復(fù)的過程，工作流既冗長又耗時。為了加速這個過程，使用MATLAB來進行動態(tài)范圍圖形化分析，詳情如下所述。

　　以發(fā)射機設(shè)計為例

　　在UWB模型中，建立了一個模塊，該模塊將信號直接輸出到直方圖中，這是一個信號動態(tài)范圍可視化分析的極好方法。如圖2所示，此模塊(標有“定點分析”)被連接到發(fā)射機增益放大級的輸出端。圖6給出了浮點基準的直方分析圖，包括同相和正交兩種情況。根據(jù)比特位數(shù)，或者字長，動態(tài)范圍刻度用以2為底的對數(shù)來表示比較實用。

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　　圖6：OFDM發(fā)射機輸出直方圖：浮點基準

　　除了0值采樣(圖中顯示為2-15)以外，99.9%的時間里，信號強度都介于2-13至22，因此該信號用16位來表示就已足夠。90dB這么大的動態(tài)范圍在OFDM里相當普遍，實質(zhì)上隨機信號經(jīng)過IFFT(中心極限定理)的結(jié)果就是這樣大。

　　對于將溢出和下溢控制到最小來說，這個分析模塊會自動估計2-14或許是一個最佳的量化因子(scaling factor)。以此估計為基礎(chǔ)，對于發(fā)射機中所有算法模塊，將初始字長設(shè)置到16位，量化因子設(shè)為2-14。首先明確設(shè)定輸入信關(guān)模塊的定點參數(shù)值，然后選擇發(fā)射機其它運算模塊的定點參數(shù)與輸入相同(Same as input)。同時，在接收機子系統(tǒng)中保留浮點交疊功能，以便隔離或定位發(fā)射機設(shè)計中的潛在問題。

　　圖7給出了直方分布圖以及相位補償信號對消后的星座圖。請注意和圖5的浮點基準相比，圖7b所示的星座圖有點失真。直方分布圖中顯示出飽和值為2(直方圖中虛線代表浮點基準，而柱干則代表定點結(jié)果)。雖然高功率發(fā)射的時間只有1%左右，但這足以(具有很高概率)在128點接收機FFT輸出端上引起很大的失真。

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　　圖7：量化因子為2-14時的量化處理結(jié)果

　　因此我們需要增加1~2位的量化，但是這對于放大級輸出的小信號將會增加誤差，不過該影響應(yīng)該很小，因為當發(fā)射信號小于2-10時，就會淹沒于信道噪聲中。圖8顯示了將量化設(shè)為2-12時的改進結(jié)果。

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　　圖8：改善后的量化因子為2-12時的量化處理結(jié)果

　　偏重于信號范圍的高端并非總是正確的方法。因為有時候小信號也起著關(guān)鍵的作用，例如在信道估計和補償算法中。關(guān)鍵是設(shè)置定點量化值需要一些技巧，尤其是字長較短時。自動計算工具可以提供粗略的估計，不過細調(diào)則需要可視化與經(jīng)驗的結(jié)合。接下來的步驟包括分析發(fā)射機中單個模塊的輸出信號的動態(tài)范圍，細調(diào)模塊的定點設(shè)置，并將這些技術(shù)轉(zhuǎn)用到接收機中。

　　應(yīng)用在較短的字長

　　一開始，對于整個系統(tǒng)采用了16位字長來逐步逼近設(shè)計，然后將掌握的技巧應(yīng)用到較短字長。例如，當我們更關(guān)注溢出時(一般狀況下皆為如此)，此時，對于不同的字長來說，小數(shù)點以上的數(shù)據(jù)位數(shù)趨于類似。使用這里討論的工具和方法，可以設(shè)計出一個10位的UWB系統(tǒng)，每位錯誤率為0.1%，而且相對于浮點基準，信噪比僅僅降低0.5dB。

　　采用MATLAB工作變量和選擇工具，可以實現(xiàn)不同的定點設(shè)計之間的快速切換。我們也能夠編寫簡單的MATLAB程序來實現(xiàn)一系列不同的字長和信道條件下的仿真。實際上，本文所討論的如何在一個UWB無線通信系統(tǒng)中加速定點設(shè)計的技巧，也可以用來處理芯片面積(或功耗)和無線覆蓋距離之間的所有重要折衷。

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