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加速超寬頻無線通訊系統之定點設計

上網時間: 2005年05月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:定點設計  超寬頻無線通訊系統  Fixed-Point Design  Ultra Wideband Wireless Communication System  超寬頻無線技術 

圖1:Simulink模式的整體架構介紹。

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1dB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

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55~480Mbps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200Mbps,在這個模式下,OFDM訊號是利用跳頻(多頻)系統來傳送。包括200Mbps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。

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1)[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1所示的每一個發射器和接收器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。

圖3:OFDM接收器。

OFDM發射器

如圖2所示的子系統是將一連串之四相移相鍵控(QPSK)符號包裝成更大的OFDM符號(包含165個取樣點),再把訊號送至發射器的前端。

圖中左邊的轉換功能塊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定點,右邊的轉換功能塊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)。

以橘色標記的功能塊:反快速傅利葉轉換模塊(IFFT)和增益模塊,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。

OFDM接收器

如圖3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;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影響的必要方法。

圖4:通道建立與補償。

圖4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)。

浮點參考

圖5:UWB模擬範圍。

Simulink的資料型態‘覆載(override)’讓任何子系統或整個模型的定點與浮點間的轉換更加的方便。在作為比對基準的浮點參考模型中,我們先將頻道信噪比設定為較高的值(60dB),這可幫助我們把焦點放在觀察不同的定點數設定對符號失真的影響之上。圖5所示為兩個UWB系統模擬的結果,包括:(a)基頻等量接收訊號的功率頻譜(涵蓋三個子頻);(b)頻道相位估計和補償之後的訊號。

功率頻譜(圖5a)中的DC null來自OFDM傳送器,其他範圍則顯示訊號在不同頻率和多重通道中的衰減量。OFDM頻率的動態範圍大約為30dB,從圖中可看出相位補償訊號的強度。一個明顯的X表示近乎完美的相位補償(圖5b)。

定點設計方法

下一個重要的步驟,就是為系統中每一個定點運算模塊決定字元長度和小數點位置;當然,字元長度和小數點位置也決定了訊號的動態範圍。若動態範圍設計不好,將會造成溢位和潛值等不好的影響,並且造成整體效能上的衰減。因此,在定點設計當中最重要的一件事情就是進行訊號動態範圍的分析。

我們使用下列方式完成UWB定點設計:

圖6:OFDM發射器輸出:浮點參考。


1. 先找出系統中與訊號處理相關的子系統模組,再依序針對每個子系統進行定點數設計分析,同時啟動後續子系統的浮點覆載功能。


2. 針對目前分析的子系統模塊:


a) 先啟動浮點覆載功能,分析輸出訊號的動態範圍


b) 調整字元長度和小數點位置,讓溢位和潛值最小化


c) 解除浮點覆載功能,重新檢查動態範圍,評估系統整體效能


這個運算程序是不斷的反覆,乏味且冗長耗時;為了加速這個過程,我們使用MATLAB來進行動態範圍圖形化分析,詳情如下所述。

舉例:傳送端設計

在UWB模型中,我們建立一個模塊:以統計上的直方分布圖來表示訊號強度;這是一個輕易將訊號動態範圍視覺化的好方法。如圖2所示,此模塊(圖中的‘定點分析’模塊)連接到發射器增益輸出。圖6表現出浮點參考的直方分布圖,包含實部(in-phase)和虛部(quadrature)。由位元數來說,以2為底的log等級在動態範圍視覺化十分有用,例如:字元長度。

圖7: 2-14的換算結果。

除了0(圖上的2-15)以外,99.9%的時間裡,訊號強度都介於2-13至22,因此可用16位元來表示訊號。這個90dB的大型動態範圍在OFDM裡相當普遍,實際上是隨機訊號經過IFFT的結果(中央極限定理)。

這個分析模塊會自動建議2-14或許是一個最佳的換算因數(scaling factor),判定基準是讓溢位和潛值發生的次數為最小。以這個建議為基礎,我們設定發射器中所有運算模塊的字元長度為16位元,小數位元數設為14位元(首先設定轉換模塊的定點參數值,然後選擇發射器其他運算模塊的定點參數為‘Same as input’)。同時,我們啟動接收器子系統的資料型態浮點覆載功能,強迫所有接收器中的模塊的資料型態為double,以突顯發射器的小數點位置所造成的影響。

圖7是直方分布圖的結果和相位補償訊號的座標圖。請注意和圖5之浮點參考相比,圖7(b)這張座標圖顯得稍微混亂。直方分布圖中顯示出浮點參考的最高值為2(此長條圖中虛線代表浮點參考,而垂直的直線則代表定點運算結果),即使這些高權重位元僅有1%時間的發生機率,卻足以造成128點之接收端FFT的輸出失真。

圖8:改良的2-12換算結果。

因此我們需要將小數點位置移動1~2個位元(減少小數點位元),這可能造成增益輸出有潛值的誤差(圖8a的左邊部分),但是這種影響應該極為細微,因為當傳送的訊號值小於2-10,就會淹沒於通道雜訊中。如圖8顯示小數設12位元的改進結果。

以上的例子是一個偏重整數部分位元數(減少小數點位元)的設計。但是,這樣的準則並非永遠都是最好的方法。因為有時候訊號的值也有可能很小,而這樣的很小的值對演算的正確性來說往往也相當重要,譬如說用在頻道估計和補償演算法的時候。因此,小數點位置的微調就變得更加重要且必要,尤其是針對較小的字元長度。

因此,自動運算工具雖然提供了粗略的估計(讓溢位和潛值發生的次數為最小),但更細部的微調往往需要配合圖像和洞察力來完成。

接下來只要運用同樣的方法來分析發射端每個模塊的輸出訊號動態範圍、調整模塊的定點設定、並且把同樣的做法應用到接收端的設計上,就可以一步一步的完成整個設計。

應用在較小的字元長度

在這個UWB系統中,我們利用16位元的設計來突顯定點設計可能發生的問題,接著我們應用到較小字元長度:例如,當我們在乎溢位甚於潛值(一般狀況下皆為如此),則用來表示小數的位元在整個字元長度中所佔的比例就會比較小。

使用相同的工具和方法,我們也可以設計一個10位元的UWB系統,每位元錯誤率為0.1%,且和浮點參考相比時,僅降低0.5dB的信噪比。

表1:多頻帶OFDM PHY - 200 Mbps模式。

更進一步來說,將相關的參數設成變數,集中在MATLAB的workspace下管理,將可以幫助我們在不同的定點設計中快速切換。更甚者,我們也能寫一個MATLAB程式執行關於不同字元長度和通道環境的模擬與比較。

本文小結

本文詳細說明如何在一個UWB無線通訊系統中加速定點設計的技巧,這樣的方法也可以用來探討晶片大小(或電源消耗)以及無線範圍之間的權衡與取捨。

參考文獻


[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."

作者: Martin Clark、Mike Mulligan、Dave Jackson、Darel Linebarger

The MathWorks公司





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