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Accelerating Fixed-Point Design for an
Ultra Wideband Wireless Communication System

 
  加速超寛頻無線通訊系統之定點設計 (上)  

Martin Clark, Mike Mulligan, Dave Jackson, and Darel Linebarger
The MathWorks, Inc

 


     
 

 

簡介

超寬頻 (UWB) 無線技術即將取代辦公室和家中之高速資料傳輸網路[註1]。UWB 技術未來能以每秒數百萬位元的傳送速度將資料傳送至數公尺遠,其主要應用領域包含了數位相機與電腦間的傳輸,以及 DVD 放影機與高畫質電視 (HDTV) 之間的傳輸等等。業界預估在 2005 年底可將UWB 相關產品商業化。

UWB 技術在硬體實現時必須要能滿足低功率與高速傳輸的需求,這對硬體實現來說,絕對是一項嚴苛的挑戰。然而,UWB 在市場上的成功與否又必須仰賴低成本的硬體實現,即使是短短幾公尺的傳輸範圍差距或小額的成本差異,都將影響 UWB 商品是否可以成功上市。

基於「魚與熊掌不可兼得」的特性,定點工程在權衡 UWB 傳輸範圍和成本多寡的分配上,具有舉足輕重的關鍵地位。首先,定點字元長度(word length)直接影響硬體空間與成本,舉例來說,乘法運算所使用到的矽晶圓面積大致與字元長度的平方成正比。第二,字元長度和小數點位置(scaling)也嚴重影響到元件在訊號雜訊比衰減(SNR degradation)上的表現,只要提升1 dB的訊號雜訊比,將可望提升 25 % 的覆蓋範圍。

不幸的是,定點設計工程不但深具挑戰性,也十分費時,一般來說約佔總開發時間的四分之一到一半。在本篇文章中,我們應用 Simulink® 的 Fixed-point 功能來輔助 UWB 定點模型的開發。同時,我們也將為您呈現加速設計流程的相關技巧。


模型架構 (Model Overview)

在本篇文章中,我們的 Simulink 模型是以 2003 年 9 月提交給 IEEE 802.15.3a 的多頻正交頻率多重分割 (OFDM) UWB 提案為基礎[註2-4],後續的相關提案並沒有改變其核心技術。

這項提案在 55~480 Mb/s 的範圍內支援七種資料速率。其中在規範中所明定一定要被實現的最高資料率(mandatory data rate)是 200 Mb/s,在這個模式下,OFDM 訊號是利用跳頻 (多頻) 系統來傳送。包括 200Mb/s 傳輸模式與OFDM跳頻技術都將在本文的 Simulink 實體層模型中被一一實現。

Multiband OFDM PHY – 200 Mb/s Mode

RF transmission bandwidth

528 MHz

Frequency hopping
(“Mode 1 device”)

3 sub-bands (3.43, 3.96, 4.49 GHz centers)

Error-correction coding

Convolutional with puncturing

Code rate

R=5/8

Modulation

Quaternary Phase Shift Keying (QPSK)

OFDM transmission

128-point IFFT; zero-DC

Payload symbols per
OFDM symbol

100

Time spreading

2x
(across frequency hops)

Multipath resistance from cyclic prefix

60 ns

多頻 OFDM 提案在很多方面都非常類似 IEEE 802.11a/g 的 WLAN實體層標準;為利用並延伸相似性,我們從一個現存的802.11a模型中改寫出我們的 UWB 模型(如圖一) [註5]。我們改編的模型也包含 Intel 以MATLAB 程式碼所寫成的 UWB 頻道模型,此模型並由IEEE 802.15.3a標準所採用 [註3]

圖一所示的每一個發射器(transmitter)和接收器(receiver)各包含以下三個部份:

  • 二進制資料處理
  • 數位基頻處理
  • 類比前端和頻道的基頻模型

其中,我們主要對數位基頻處理中的定點設計部份感興趣,數位基頻處理以外的部分將作為輔助測試之用,以構成一個完整的系統模型,可以用來幫助我們快速了解定點設計參數變動對於系統整體成效的影響。


OFDM 發射器 (OFDM Transmitter)

圖二所示的子系統是將一連串之四相移相鍵控(quaternary phase shift keying, QPSK)符號(symbol)包裝成更大的 OFDM 符號(包含165個取樣點),再把訊號送至發射器的前端。

圖中左邊的 convert block 負責將訊號轉換為定點資料型態。事實上,前一級模組QPSK 調幅器(圖一中的QPSK block)也可以直接設定訊號的輸出格式為 fixed-point,右邊的 convert block 則將資料轉換為雙精度浮點資料(可將此系統想像為一個D/A轉換器)。

以橘色標記的 block: 反快速傅利葉轉換模塊(IFFT)和增益模塊(gain),負責執行定點運算工作;其他的模塊則是將定點資料做重組 (data shufflers)。


OFDM 接收器 (OFDM Receiver)

圖三所示,OFDM 接收器比發射器包含了更多訊號處理和定點運算工作。此接收器中包括了以下四個運算工作:

  • 循環處理(Cyclic processing)
  • 快速傅利葉轉換
  • 頻道估計 / 補償
  • 時域解擴頻技術(Time dispreading)

循環處理、頻道估計、和頻道補償是減低多重路徑分散(multipath channel dispersion)影響的必要方法。

圖四所示為我們的頻道估計與補償的子系統,它實現了一種簡單且低成本的相位補償方法(在其他較為精密的方法中,會利用頻道的頻率連貫性增進雜訊的平均數 [註2].) 。此系統沒有針對每個頻道中的振幅變動作補償,因為這樣的方法會耗費非常龐大的運算資源,同時對QPSK而言也並非必要。同時,我們的系統避免了複數(complex number)的除法發生,同時也確保計算結果具有較小的動態範圍。

這些運算考量對定點設計而言非常重要。在我們決定該如何處理字元長度和小數點位置的問題之前,我們需要一個浮點數模型作為參考的依據 (或稱為黃金參考) 。


References

[1] S. Stroh, “Ultra-wideband: multimedia unplugged,” IEEE Spectrum, October 2003.

[2] J. Heiskala and J. Terry, “OFDM wireless LANs: a theoretical and practical guide,” Sams Publishing, 2002.

[3] http://www.multibandofdm.org

[4] http://www.ieee802.org/15/pub/TG3a.html

[5] http://matlabcentral.com, File Exchange: “IEEE 802.11a WLAN Model” and “UWB Fixed-Point Model.”


 


圖一. Top Level View of Simulink Model.

 


圖二.OFDM Transmitter.

 


圖三.OFDM Receiver.

 


圖四.Channel Estimation and Compensation.