可扩展多输入多输出信道高效模拟器研制

发布时间：2022-01-09 12:28

　　针对现有信道模拟器通道规模受限、扩展性差等缺陷,设计实现了一种可扩展的多输入多输出（multiply-input multiply-output, MIMO）信道高效模拟器。该模拟器采用改进的坐标旋转数字计算（coordinate rotation digital computer, CORDIC）算法,只需较少硬件资源便可实现大规模多支路的随机信道衰落精确模拟。基于MIMO信道离散化模型提出了一种可扩展的硬件模拟架构,并结合现场可编程门阵列（field-programmable gate array, FPGA）的并行处理优势,进行硬件实现及实测验证。针对3GPP标准扩展车载A信道模型（extended vehicular A model, EVA）静态场景和时变场景的实测结果表明,所研制的MIMO信道模拟器输出时延功率谱和多普勒功率谱等统计特性均与理论值吻合,可用于无线通信设备的方案验证、算法优化和性能分析。 

【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2020,34(09)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

坐标系旋转

为了进一步提高FPGA硬件实现模拟产生随机信道衰落的效率,图2所示为结合本文CORDIC改进算法给出了一种基于时分复用和多速率分级模拟的实现方案。该方案在低速率时钟驱动下完成多普勒频率和初始相位的累加,并采用内插滤波器进行速率匹配变换。同时,将累加值送到改进CORDIC算法模块,在维持现有精度的基础上,基于时分复用的思想结合串行架构实时计算正弦波的幅值。通过累加器将不同频率和初始相位的正弦波实时叠加后得到信道衰落的幅值,最后通过内插滤波器将数据速率内插到系统时钟后输出,实现高速信号处理。为了对FPGA输出随机信道衰落幅值进行验证,首先利用改进算法产生64支路16 bit位宽的正弦波定点数据并进行叠加,考虑到硬件平台采用16 bit位宽的DA芯片,需要进行动态截位处理。最后,将输出衰落幅值利用Chipscope工具导出到MATLAB进行统计分析,如图3所示。由图3可以看出,衰落幅值统计分布与理论分布基本吻合,进一步分析计算,信道模拟器输出的衰落幅值统计分布与理论值最小偏差为0.059 2%,多径衰落幅值统计分布与理论值曲线相关系数为0.993 1,二者拟合程度较好,进一步验证了改进CORDIC算法对随机衰落精确模拟的有效性。图3 改进算法输出衰落分布

图2 信道衰落模拟实现方案为验证和比较不同方法的资源消耗情况,本文基于Xilinx公司XC7VX690T FPGA芯片进行了不同方案的比对。表2给出了基于查找表、经典CORDIC算法和改进CORDIC算法3种方案实现随机信道衰落的硬件资源消耗对比。由表2可以看出,输入累加值位宽均为16 bit时,CORDIC算法只消耗2个32 K的RAM资源,而查找表方法需要33个。此外,由于要进行若干次迭代运算,CORDIC算法逻辑资源消耗略高于查找表方法,但是总资源使用率仍得到大大降低,因此本文改进的CORDIC算法在资源消耗方面均优于传统算法。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MCMC采样器的簇稀疏水声信道估计方法[J]. 张舒然,武岩波,朱敏.  仪器仪表学报. 2019(08)
[2]基于轨迹的车对车无线信道建模及硬件模拟[J]. 黄文清,李伟东,郭放,朱秋明,陈小敏,马田源.  电子测量与仪器学报. 2019(08)
[3]高机动无人机通信信道模拟器研制[J]. 毛开,朱秋明,陈小敏,廖志忠,王鹏.  电子测量与仪器学报. 2018(08)
[4]A Geometry-Based Non-Stationary MIMO Channel Model for Vehicular Communications[J]. Yuanyuan Ma,Lei Yang,Xianghan Zheng.  中国通信. 2018(07)
[5]非平稳信道衰落FPGA实时模拟方法[J]. 李浩,朱秋明,陈应兵,陈小敏,杨志强.  信号处理. 2018(03)
[6]浮点超越函数设计与实现[J]. 杜慧敏,沙亮,张彦芳,牛志璐.  西安邮电大学学报. 2015(02)
[7]CORDIC算法在正余弦函数中的应用及其FPGA实现[J]. 常柯阳,曾岳南,陈平,覃曾攀.  计算机工程与应用. 2013(07)



本文编号：3578722