（信号与信息处理专业论文）变步长恒模盲均衡算法的fpga实现.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 变步长恒模盲均衡算法的f p g a 实现 摘要 信道均衡技术是现代数字通信系统的关键技术，可以有效消除码 间干扰，提高通信质量。在信道均衡中，盲均衡由于不需要训练序列 而成为目前研究的热点。随着盲均衡算法研究的深入，如何将其应用 于实际则逐渐成为继盲均衡算法研究之后的新兴课题。 当今集成电路技术的迅速发展、可编程逻辑器件的相继闯世均为 盲均衡技术的应用提供了支持和保证。本文研究了基于现场可编程门 阵列( f p g a ) 的变步长恒模盲均衡算法的设计与实现。论文的主要工 作在于： ( 1 ) 在前人的研究基础上，对变步长恒模盲均衡算法进行了优化， 使之在运算形式上避免了除法，提高了硬件实现效率。 ( 2 ) 以浮点运算为基础设计了变步长恒模盲均衡器，该均衡器采 用模块化的设计思想，使得完成后系统的各模块在功能上相互独立， 更改设计只需改动相应模块即可，为今后的进一步研究提供了便利。 ( 3 ) 设计了包括信号发生器、误码计数器和显示控制器在内的实 验平台，并对变步长恒模盲均衡算法进行了验证。实验平台通过数据 太原理f ：人学硕十研究生学位论文 及图形的形式输出系统仿真结果。结果表明，所设计的盲均衡器在误 码率、收敛速度、信道跟踪能力等方面均有较好的性能。 关键字：恒模盲均衡算法，变步长，f p g a ，浮点数，实验平台 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 i m p l e 砸n t a t l 0 no fv a r i a b l es t e p s i z e c o n s t a n tm o d u l u sb l i n d e q u a l i z e ro n f p g a a b s t r a c t c h a n n e le q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi st h ek e yt e c h n o l o g yo fm o d e m d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tc a l le l i m i n a t et h ep r o b l e mo fi n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e e f f e c t i v e l y a n d i m p r o v ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y b l i n d e q u a l i z a t i o nb e c a m ea h o t t o p i cb e c a u s e i td o e sn o tr e q u i r et r a i n i n g s e q u e n c e si nc h a n n e le q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e s w i t ht h ei n d e p t hs t u d yo f b l i n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h m ，h o wt oa p p l i e db l i n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h m i n t or e a l i z eb e c o m en e wi s s u e s t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yi ni n t e g r a t e dc i r c u i t sa n dt h e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c es u p p o r tb l i n de q u a l i z a t i o na p p l i c a t i o n s t h i s d i s s e r t a t i o nc o n s i s t so fd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gab l i n de q u a l i z e r s y s t e mt h a t i s c o m p a t i b l e w i t hc o n s t a n tm o d u l u sb l i n de q u a l i z a t i o n a l g o r i t h mo nf p g a t h em a i nw o r k so f t h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： i i i 太原理：【：大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) a f t e ro p t i m i z e dv a r i a b l e s t e p - s i z ec o n s t a n tm o d u l u sb l i n d e q u a l i z a t i o na l g o r i t h m ，i tc a na v o i dt h ed i v i s i o ni nt h ef o r mo fc o m p u t a t i o n a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h eh a r d w a r e ( 2 ) t h i sp a p e rd e s i g nv a r i a b l es t e p - s i z ec o n s t a n tm o d u l u sb l i n d e q u a l i z e rb a s e do nf l o a t i n g p o i n to p e r a t i o n s t h i se q u a l i z e rc o n s i s t so f s e r i a ls u b b l o c k s s oe v e r ys u b b l o c ki si n d e p e n d e n ti nf u n c t i o nw i t ho t h e r s i tc a nb ea l t e r e dt o a d a p td i f f e r e n ta l g o r i t h mb ym e a n so fc h a n g et h e c o r r e s p o n d i n gs u b b l o c k t h i sw a yf a c i l i t a t e ss t u d i e sh e n c e f o r t h ( 3 ) t h i sp a p e rd e s i g nt e s t p l a t f o r mw h i c hi n c l u d e s a s i g n a l g e n e r a t o r ，d i s p l a yc o n t r o l l e ra n d c o u n t e ro fe r r o r ，a tt h es a m et i m ev a r i a b l e s t e p s i z e c o n s t a n tm o d u l u sb l i n d e q u a l i z a t i o na l g o r i t h m i sv e r i f i e d p l a t f o r mo u t p u t se x p e r i m e n t a lr e s u l t so fe m u l a t e ds y s t e ma sd a t aa n dg r a p h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee r r o rr a t e ，c o n v e r g e n c e s p e e da n dc h a n n e l t r a c k i n gc a p a b i l i t yp r e f e r m e n tw e l li nt h ed e s i g no f t h eb l i n de q u a l i z e r k e yw o r d s ：c o n s t a n tm o d u l u sb l i n de q u a l i z a t i o n ，v a r i a b l es t e p s i z e ， f p g a ，f l o a t ，t e s tp l a t f o r m i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：2 量：磋日期： 死移77 争j 7 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文： 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 日期：乡z 。夕。 兰 名 名签师 签 导 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 在移动通信及高速无线数据通信系统中，由于多径效应和信道带宽的有限性 以及信道特性的不完善，导致数据通过信道时将不可避免地产生码间干扰i s i ( i n t e r - s y m b o li m c r f e r c e ) ，严重影响了通信质量。因此需要采用均衡技术来对码 间干扰加以适当处理，以补偿畸变的信道，通常把采用均衡技术来补偿码问干扰 的处理器称为均衡器。 通常使用的基于训练的自适应均衡算法需要由发端发送一个收端已知的训练 序列对均衡器进行训练，使之收敛。然而训练序列的存在必然使得有效的信息速 率降低。因此，近年来人们致力于研究不借助训练序列仅仅根据接收到的信息序 列本身进行自适应均衡的技术盲均衡。 所谓盲均衡器是指不需要训练信号，只利用接收机接收到的信号就能获得与 信道匹配的参数，具有“自学”能力的均衡器。盲均衡系统的简化模型如图1 1 所示。 图1 - 1 等效信道及盲均衡系统模型 f i g 1 1m o d e lo f e q u i v a l e n tc h a n n e la n db l i n d e q u a l i z a t i o ns y s t e m 然而，由于盲均衡的算法相对复杂，并且由于应用系统要求实时性高，因此 以往的数字系统并不能很好胜任。随着微电子技术的飞速发展，数字信号处理器 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 以及大规模现场可编程门阵列器件f p g a ( f i e l d 太原理 1 ：大学硕+ 研究生学位论文 p r o g r a m m a b l eg a t e sa r r a y ) 开始被广泛应用，这使得将盲均衡技术应用于现实生 活成为可能。 1 2 课题研究动态 目前，已提出的盲均衡算法主要有b u s s g a n g 类盲均衡算法、基于高阶谱的盲 均衡算法、以及神经网络盲均衡算法等【0 1 】。其中b u s s g a n g 盲均衡算法以横向滤波 器为结构，利用信号的物理特征选用合适的代价函数和误差控制函数来调节均衡 器抽头，使得恢复信号接近于源信号。此类算法是以一种迭代方式进行盲均衡， 并在均衡器输出端对输出信号作无记忆非线性变换【0 2 0 3 1 。由于它是在传统自适应 滤波的基础上发展而来，因此保留了传统自适应算法的简单性、复杂度低、运算 量小、概念清楚、易于实现。目前较为经典的b u s s g a n g 类算法有s a t o 算法、决策 指向算法、b g r 算法、s t o pa n dg o 算法，g o d a r d 算法以及恒模算法c m a ( c o n s t a n t m o d u l ea l g o r i t h m ) 等。其中恒模算法的计算量相对较小，因此现阶段绝大多数对 盲均衡实现的研究是基于此算法的。 b u s s g a n g l 0 4 发现：任何相关的高斯过程其自相关函数等于该过程与用它作变 元的无记忆非线性函数的输出之问的互相关。b u s s g a n g 类算法是在传统的需要训 练序列的自适应算法的基础上发展起来的，它以一种迭代方式进行盲均衡，并采 用合适的期望信号，当算法以平均值达到收敛时，被均衡的序列表示为b l l s s g a n g 统计量，系统也就成为期望的理想系统。该算法的原理框图如图1 - 2 所示 o i l 。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 号 图1 - 2b u s s g a n g 类盲均衡原理框图 f i g 1 - 2d i a g r a mo f b u s s g a n gb l i n de q u a l i z a t i o ns y s t e m 最早的b u s s g a n g 盲均衡算法是日本学者y s a t o 教授于1 9 7 5 年提出的。该算 法是一个经验公式，是将多电平的p a m 信号看作是一个二电平信号与一个多电平 的相互独立的噪声叠加。s a t o 证明，在理想条件下( 信号为无限多电平p a m ) ， 若信道畸变不太严重，则算法是收敛的。 在s a t o 算法的基础上a b e n v e n i s t e 等对盲均衡问题进行了深入研究，于1 9 8 0 年提出了b g r 算法。将s a t o 算法推广到正交幅度调制q a m 系统。s a t o 算法和 b g r 算法被统称为g s a 算法( g e n e r a l i z e ds a t oa l g o r i t h m ) 。1 9 8 4 年，a b e n v e n i s t e 等将s a t o 算法与判决引导算法相结合，提出了b g 算法。 1 9 8 0 年d n g o d a r d 提出了g o d a r d 算法，它是通过调节均衡器的抽头增益来 使得代价函数为最小，其代价函数由传输信号的高阶统计特性来构造。当代价函 数中的p 为2 时，算法交为恒模算法c m a 。 s t o p - a n d g o 算法由g p i c c h i 和g p r a t i 提出。这种算法的基本思想是当判决输 出误差的可靠性不是充分高时，就停止自适应抽头系数的刷新。均衡器抽头的是 否刷新取决于输出误差。 在以上b u s s g a n g 类算法中，被实现的算法以b g r 算法、b g 算法和c m a 算 法居多。传统c m a 算法的性能，由于采用固定步长，使得c m a 算法的收敛速度 和收敛精度不能同时达到更好的状态。为了进一步提高c m a 算法的性能，引入变 步长的思想，即算法收敛初期加大步长，提高收敛速度，算法收敛后，减小步长， 3 太原理i ：人学硕+ 研究生学位论文 以获取更小的稳态剩余误差。 张雄【0 5 1 提出基于剩余误差的变步长恒模盲均衡算法以及基于峰度的变步长恒 模盲均衡算法，郭晓宇【吲则对基于m s e 变步长恒模算法及基于剩余误差峰度变步 长恒模算法进行了研究。 在国际上盲均衡理论已经开始应用在遥感、数字电视、地球物理探索等方面。 2 0 0 1 年，在法国的g e s m a ( g m u p e d e t u d e ss o u s m a r i n e s d e l a t l a n t i q u e ，大西洋 水下研究组) 利用d s p 技术实现- j c m a 算法【0 7 1 。 z h o n gy e ，e d g a rh s a t o r i u s 和t h o m a sc 1 e d r e y o s l 提出了利用f p g a 实现 c m a 算法来对f q p s k b 调制信号进行恢复。 a n t o n i n h 曲n 缸e k l 0 9 1 介绍了在f p g a 上构建f i c m a 1o 】( f i n i t e i n t e r v a l c m a ) 盲均衡算法的实现结构。f i c m a 算法是在c m a 算法的基础上改进的，对于c m a 算法，其代价函数为 j ( ”) = e 胁( ”1 2 一恐 2 ( 1 - 1 ) 而f i - c m a 算法的代价函数为 m ) ：却利2 1 下( 1 - 2 ) 2 0 0 5 年，a n t o n i nh e f m h n e k 进而提出了在f p g a 上实现f i - c m a 的优化【1 。 在国内盲均衡的实现方面，赵雅兴【1 2 1 基于f l e x l o k 器件利用a h d l i 吾言实现 了恒模中的g s a 算法。在其设计中，赵雅兴将系统分为三大模块，分别是d f e 均衡 器；判决器及误差控制函数运算模块；抽头系数调整模块。结构如图1 3 所示。 4 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 输入 i ：parthi - 一一_ 一一一一一一一一一一一一 图l - 3 系统硬件框图 f i g 1 - 3d i a g r a mo f s y s t e mh a r d w a r e 在此算法中误差控制函数 厂( j ( n ) ) = 币( n ) + 艺l ( n ) l e ( n ) 毒( 以) = i ( 以) 一量( n ) e ( n ) = j ( 以) 一，5 j 印( j ( 栉) ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) 式中，k l 、七2 为待定参数，是需要通过实验确定的常数，其值随信号与信道的不 同而变化。文中毛= o 0 0 0 6 ，屯= 0 0 0 0 1 2 。为避免除法运算，在两电平调制时r = l 。 此后，魏茂安b 1 将这一算法实现并应用于油井工作状态检测系统。 张益萍1 4 1 基于f p g a 仿真利用v h d l 语言实现了b g 算法，其中误差控制函 数 ( i ( 胛) ) = 他；( n ) + 他p ( n ) i e ( n ) ( 1 7 ) 式中，r = l ，五毛= 0 0 0 0 6 ，他= 0 0 0 0 1 2 ，五为步长控制常数。这里可以看出该 算法与赵雅兴的实现方法大致相同。算法虽然得到了仿真波形，但该项目未能真 正下载到f p g a 芯片中，没有在实际系统中得到均衡结果。 5 太原理一 大学硕士研究生学位论文 对于经典的g o d a r d 算法，赵雅兴 is 等人提出一种适用于p a m 和q a m 调制 信号的主副抽头分别调节，并引入变步长的改进算法。在他的改进型算法中原误 差控制函数为 ，( j ( 以) ) = j ( n ) ( 忙( 甩) 1 2 一乞) ( 1 - 8 ) ，e ) 门 乏2 市丽 为了简化算法，避免除法运算，其改进算法误差控制函数为 厂( i ( 以) ) = j ( n ) ( p ( 甩) 1 2 一呓) 。 e - - i 工( ”) 1 2 ( 1 9 ) ( 1 - 1 0 ) ( 1 1 1 ) 由于发端信号x ( n ) 在收端未知，因此用判决值量( ”) 代替，即= p o ) 卜刘 栋【1 6 1 将该算法使用a h d l 语言基于f l e x i o k e 系列器件实现。 以上的实现方法均将滤波模块分为前馈与反馈两部分，两部分误差控制函数 相同，前馈模块输入为系统输入量y ( ，1 ) ，而后馈模块的输入为系统输出量王( n ) 。 尹晓璐【j 7 1 ，夏科协1 实现了判决引导l m s 算法( d d l m s 算法) ，由于该系统 对应信号调制方式为1 6 q a m 和q p s k 。因此，均衡器对应为i 、q 两路，但两路 均衡器结构相同。该算法误差控制函数为 厂( 王( n ) ) = i ( n ) 一i ( h ) ( 1 - 1 2 ) 其系统分为滤波器模块( f i l t e r ) 、更新模块( u p d a t e ) 和判决模块( d e e i s i o n ) 三个模块，结构如图1 - 4 所示 6 太原理= f ：大学硕士研究生学位论文 1 路信号输入 q 路信告输入7 i 滤波器模块 新抽头系数 i q 信号和 i q 信号差 i 路第n 个抽头信号 q 路第n 个抽头信号 更新模块i i 路误差 q 路误差 路输出 篓赢 模块 i o 路输出 图1 - 4 盲均衡模块结构图 f i g a 4d i a g r a mo fb l o c ko fb l i n de q u a l i z a t i o n 此外，许玲”川利用完成多模算法m m a 和最小均方算法l m s 实现盲均衡在数 字电视中的应用。 1 3 本文内容安排 本论文共分六章： 第一章：简要说明了盲均衡的概念，同时介绍了目前国内外对b u s s g a n g 类盲 均衡算法及算法实现的研究情况。 第二章：简单介绍了恒模盲均衡算法以及基于m s e 的变步长恒模盲均衡算法， 并在变步长盲均衡算法的基础上进行简化以适应f p g a 实现。 第三章：重点介绍了f p g a 的发展与分类，并以a l t e r a 公司的c y c l o n e 芯片家族为例说明了f p g a 的内部结构与原理。 第四章：第四章与第五章是本论文的重点与难点，这一章详细介绍了基于m s e 的变步长盲均衡器的f p g a 实现。首先是浮点运算模块的原理、结构与仿真。之 后，文章分别阐述了变步长盲均衡模块的四个子模块。 第五章：提出了利用f p g a 的剩余资源构建盲均衡器的实验平台，将盲均衡运 行时的结果与参数分别显示在七段数码管及v g a 显示器等输出设备上，并分析了 实验结果。 第六章：全文总结，总结了本课题所完成的工作，并说明了工作中未能完 7 太原理 人学硕十研究生学位论文 善的部分及今后课题可以改进和继续完善的一些个人看法。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章基于m s e 的变步长恒模盲均衡算法 2 1 恒模盲均衡算法 2 1 1 b u s s g a n g 盲均衡算法 b u s s g a n g 类算法作为盲均衡算法的一个分支，是在传统的白适应算法的基础 上发展起来的。其基本原理先建立一个代价函数，当该代价函数趋于极小值点时 均衡系统近似于理想系统，然后采用某种自适应算法寻找代价函数的极值点。其 结构如图1 - 2 。 b u s s g a n g 盲均衡代价函数一般满足 器一y 沼， 其中，p ( n ) 为均衡器的输出相对于估计信号的误差函数 p ( 行) = 王( 肝) 一i ( 仃) = g ( i ( ，1 ) ) 一i ( 丹) ( 2 2 ) 其抽头系数更新迭代公式如下 w 1 ) 圳矿器- w ( 小脚) y ( 2 _ 3 ) 式中，为步长因子，通常取足够4 , 的i e 常数。 2 1 2 恒模盲均衡算法 恒模盲均衡算法是b u s s g a n g 类算法的一个特例，其无记忆非线性函g ( ) 为 蜘) ) = 罱州砸m i ”) 门 c 2 4 ， 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 是= ( 2 5 ) 将式( 2 - 4 ) 代入式( 2 2 ) 中可以得到误差函数 e ( n ) = i ( ”) r l j ( n ) 1 2 ( 2 - 6 ) 将上式代入式( 2 - 3 ) 中，可得到恒模算法的抽头系数更新迭代公式 w ( 川) = w ( 一) + 肛( n ) r 一) 门y ( n ) ( 2 - 7 ) 在算法迭代过程中，步长因子对收敛速度及剩余误差影响很大。值大， 算法收敛速度快，但收敛后剩余误差大；值小，算法收敛速度慢，收敛后剩余 误差却小。当步长固定时，算法在收敛速度和收敛精度方面相互矛盾。如何使算 法收敛初期加快收敛速度，而当算法趋于收敛时提高收敛精度成为恒模算法需要 解决的课题。因此，引入变步长思想来改善算法的收敛速度与收敛精度之间的矛 盾。 2 2 变步长恒模盲均衡算法 2 2 1 步长控制因子的选择 变步长算法的设计思想是使盲均衡算法在收敛初期加大迭代步长，提高收敛 速度，在算法接近收敛时，减小步长，以获取更小的稳态剩余误差，提高收敛精 度。由于恒模盲均衡算法中的剩余误差e ( ，1 ) 符合这一变化，因此成为控制步长变 化的一个重要参数。 假设盲均衡器输出的判决信号王( ”) 与发送信号x ( 厅) 相等，此时均衡器抽头系 数为【2 1 】 w ( ，z ) = 征。( n ) ，讥( 以) 7 ( 2 8 ) 则有 i ( ”) = 由7 ( ”) y ( n ) + 4 ( n ) ( 2 9 ) 1 0 太原理t 大学硕士研究生学位论文 式中，4 ( n ) 为零均值，独立同分布的干扰信号。 代入剩余误差的表达式，可得 p ( 以) = 王( 胛) 一王( 玎) 2 奠7 ( n ) y ( n ) 一7 ( 月) y ( ) + 4 ( n ) ( 2 1 0 ) = 由( n ) 一w ( 一) 7y ( n ) + 4 ( n ) = v 7 ( 一) y ( n ) + 4 ( n ) 式中，v ( ”) 称为权误差矢量。 可以看出，当均衡器输出膏( n ) 趋近于判决信号量( ) ，b 旦趋近于发送信号时， 均衡器抽头系数谛( ”) 最优。当算法收敛时w ( n ) 逐渐向前( n ) 靠近，此时v ( ”) 逐 渐减小趋于零，同时剩余误差信号e b ) 也逐渐趋于零。 而直接用剩余误差控制步长的变化则存在缺陷，因为干扰信号在算法收敛的 过程中对剩余误差影响较大，特别是当算法收敛后，信道中如果有强干扰信号突 然发生，剩余误差就会随之突然增大，致使步长增大，有可能引起算法发散。基 于上述原因考虑，直接用剩余误差控制步长变化无法更好地提高算法的收敛性能， 如改用剩余误差的适当变换来控制步长则会产生更好的效果。 2 2 2 基于m s e 的变步长恒模盲均衡算法 从以上分析可以看出，如果直接利用剩余误差控制步长，算法的抗干扰性能 将有所下降。但剩余误差可以较好地反映算法的收敛情况，符合变步长思想的基 本要求。因此利用剩余误差的基本数学变换来控制步长则是可行的。 剩余误差e ( n ) 平方的期望值m s e 定义为 m s e ( n ) = e e 2 ( n ) = e 陋n ) 一i ( n ) 2 ( 2 1 1 ) 此时步长控制函数( n ) 表达式为 ( n ) = 口m s e ( 行) = a e e 2 ( 甩) = 瑾e e 叠n ) 一i ( 玎) 2 ( 2 - 1 2 ) 其中，口为比例因子，用于控制步长取值范围。 太原理 ：人学硕十研究生学位论文 将变步长函数引入恒模盲均衡算法的抽头系数迭代公式，则可改进为 w ( r t + 1 ) = w ( ”) 一( n ) j ( ”) 限( n ) i 2 - r 2 y ( n ) ( 2 1 3 ) 同样假设当w ( 疗) 逐渐向由( ”) 靠近时 e 2 ( n ) = i v 7 ( n ) y ( n ) 2 + 2 4 ( n ) v 7 ( 一) y ( ”) + 4 2 ( ”) ( 2 1 4 ) 式中，v 7 ( n ) y ( n ) 粼s j 、趋于零。因此e 2 ( n ) 可以用来控制步长。为了减小随机 强噪声对步长因子的影响，对e 2 ( n ) 取期望得到e e 2 ( n ) 同时乘以比例因子a 来控 制步长取值范围。 对比例因子口的选取须使得变步长函数( n ) 的最大值小于步长上界。 ，。由下式确定【捌 = 2 3 t r ( r ) ( 2 - 1 5 ) 式中，r 为均衡器输入信号的自相关矩阵，t r ( r 、为r 的迹。 2 3 基于f p g a 的变步长恒模盲均衡算法改进 上一节说明了变步长恒模盲均衡算法中变步长函数的选取，然而要将该算法 在f p g a 芯片上实现则还需要对算法进行进一步的优化。 所谓优化就是综合考虑算法对芯片资源的占用( 面积) ，以及实现时对时序的 要求，在保证算法正确实现的同时尽最大可能减少面积占用，并提高运算频率。 优化可以分为两部分，第一部分为前期优化，指在硬件设计前对理论的推敲与修 改；第二部分则是在设计完成阶段利用e d a 工具对即将完成的设计按照内部模块 的相关性在版图、结构、布线等方面进行优化，以进一步提高产品的资源利用率、 运算速度及可靠性。 一般来说，一个好的前期优化可以成倍的提高运算频率，或者大幅度减少芯 片资源的占用。而一个成功的后期优化则在又一次提高效率、减少面积占用的同 时完善了设计，提高了设计的通用性、抗干扰性、可扩展、可升级性等性能指标。 1 2 太原理一r ：大学硕士研究生学位论文 2 3 1 对抽头系数迭代公式中是的优化 由式( 2 5 ) 可知，马的获得首先需要已知发送信号x ( n ) 。但在设计中这是不 算出盖，= 1 ；同样当发送信号为士1 、士3 四种电平的4 p a m 时，忘= 8 2 。这样变步 w ( n - i - 1 ) = w ( 一) 一( n ) 王( n ) li i ( 昨) 1 2 - 息i y ( ”) = w ( 一) 一( 一) j ( n ) il 孑( 一) 1 2 _ 1l y ( 一) 1 6 ) ：，。 ( 2 w ( 一) = w ( 一) 一( 厅) 量( n ) 限( n ) 1 2 - 扈i y ( ”) = w ( n ) 一( n ) j ( n ) li i ( n1 2 - - 8 2 l - i l y ( ) 1 7 ， ( 2 ) 挣2 1 x ( 月) = l ( 2 - 1 8 ) 【疋= 9 石( 雄) = 3 然而发射信号工( 一) 是未知信号，所以利用判决信号来估计工( n ) ，即 1 3 太原理：f ：大学硕十研究生学位论文 e - 2 1 曼( ”) = 1 ( 2 一1 9 ) 【息：= 9i ( ”) = 3 忘= l j ( n ) 1 2 ( 2 2 0 ) w ( n + 1 ) = w ( n ) 一( n ) j ( 胆) ii j ( n ) 1 2 - 息l y ( ”) = w ( 一) 一( n ) 舅( n ) ii i ( ”) 1 2 一i j ( n ) 1 2l y ( n ) 22 i ： 。 ， ( ) 步长控制函数( ”) 中需要对e 2 ( n ) 取期望，在实现时将e 2 ( n ) 通过长为l 的移 动矩形窗求均值：可可来估计。则 ， ( n ) = a m s e ( n = c t e e 2 ( m ) = 口e 圣( 甩) 一j ( 以) 2 ( n ) = 口m s e ( n ) = 孚窆e 2 ( n f ) 。 ( 2 2 2 ) = 孚窆 i ( 川) 一x ( n - i ) 2 _ f z o 由于m s e 的估计值是由l 项剩余误差的平方再取平均得到的。因此l 的选择 对算法的影响非常大，l 取值越小，步长对信道突变和突发噪声越敏感，即对信道 时变的跟踪能力越强。但步长对连续的突发噪声敏感，就有可能对均衡器造成误 调。在选择参数l 时，要根据实际应用场合具体确定。图2 1 和图2 - 2 分别为4 p a m 系统中m s e 和步长因子在不同l 值时的变化曲线。仿真条件为起始信道为典型电 话信道【1 5 】 q ( z ) = 0 0 0 5 + 0 0 0 9 z - 1 0 - 0 2 4 z - 2 + o - 8 5 4 ， ( 2 2 3 ) - 0 2 1 8 z - 4 + 0 0 4 9 z 一一0 0 1 6 z - 6 当迭代到3 0 0 0 次时，信道发生突变，信道参数变为 1 4 ( z ) = o 0 0 3 + o 0 0 6 z 一一o 0 1 8 z + 0 5 5 z 。 - 0 1 5 3 z - 4 + o 0 3 2 z 一o o l z 。 n 1 n 垦0 0 g 0 0 4 n 0 2 0 n 1 n 0 8 铙0 0 6 目0 0 4 n 0 2 0 i l = 2 5 j l1 。 k 。 钕“ 0 n 1 0 0 8 a 0 6 目0 0 4 n 0 2 i l = 5 0 1 _ | l u ；i 1 l i ：咖协m 恍 i 行互联 僧l e n a 塞1 ， c l r n 。p 7m 崮舅 耖 钟1 ；一卜 寄存器锢 y 时钟与 时钟使 堪世捌出l 能选择 u d 堪性邗口函 图3 - 1 4 c y c l o n e l e 结构图 f i g 3 1 4c y c l o n el es t r u c t u r e 每个l e 的可编程寄存器能够被设置成d 触发器、t 触发器、j k 触发器或r s 触发器。每个寄存器有数据端、异步置数数据端、时钟端、时钟使能端、清零端 和异步置数端。全局信号、通用i o 引脚或者任何一个内部逻辑都可以驱动寄存器 太原理工大学硕十研究生学位论文 的时钟和清零控制信号。任何一个通用i o 引脚或者内部逻辑可以驱动时钟使能 端、置数端、异步装载端和异步数据端。异步装载数据由l e 的数据3 输入。对于 组合逻辑函数，可由l u t 链输出来直接驱动其它l e 。 每个l e 有三个输出可以驱动局部互连、行互连和列互连。l u t 或寄存器的输 出均可以独立的驱动这三个输出。其中两个输出可以驱动行或列互连及直接连接 ( d i r e c tl i n kr o u t i n gc o n n e c t i o n s ) ，另一个驱动局部互连。这样就允许l u t 驱动一 个输出，而寄存器驱动另一个输出。这种特性被称作寄存器打包，它可以大大提 高资源的利用率，因此可以用寄存器和u j t 来完成不相关的功能。另一个特殊的 打包模式允许在同一个l e 率r 寄存器输出反馈到u j l r ，这样寄存器就可以与它自 己的扇出u j t 压缩打包，这就提供另一种应用方式。因此l e 可以驱动两种形式 的u j l r 输出：数据寄存输出和数据非寄存输出。 进位选择链( c a r r y - s e l e c tc h a i n ) 在运算模式下为l e 提供非常快速的进位选 择功能。他采用冗余运算来增加运算速度。l e 的配置使它可以同时运算并输出进 位0 和进位1 。进位0 和进位1 信号经由并行进位链从低位传递到高位，同时也传 递给l u t 和进位链的下一部分。另外进位选择链能够在l a b 的任何一个l e 中开 始。 进位选择链的速度优势在于进位链的并行运算。图3 1 5 是l a b 中1 0 位全加 器的进位选择电路。图中可以看出并不是每一个l e 都在决定性的路径，只有在 l e 5 和l e l 0 间的延时才是目前重要路径的一部分。这一特性使c y c l o n e 器件能构 造出高速的运算模块如加法器、乘法器，以及任意宽度的比较器。 3 1 太原理j 二大学硕士研究生学位论文 图3 1 5 进位选择链结构图 f i g 3 - 1 5s t r u c t u r eo f c a r r y - s e l e c tc h a i n 3 4 6l u t 链和寄存器链 除三个通用输出以外，l a b 内部的l e 具有l u t 链和寄存器链输出。l u t 链 连接允许同一个l a b 内的l u t 级连在一起，以实现宽输入功能。寄存器链输出 允许寄存器在同一l a b 内实现单一组合功能时使用u j t ，寄存器链将不相关的寄 存器组合为移位寄存器。这些资源加速了在l a b 间的连接，并且节省了局部互连 资源。 3 4 7 加减信号 l e 灵活的加法减法选择特性大大节约了逻辑资源，它可以使用设置好的l e 来完成加法器和减法器功能。通过l a b w i d e 控制加减控制信号可实现上述功能， 加减控制信号可以控制l a b 执行a + b 或a b 的运算。l u t 计算加法减法通过补 码相加来完成，将进位位置为1 ，l s b ( l e a s t s i g n i f i c a n t b i t ) 将自动加1 ，在l a b - w i d e 信号有效时，数据b 则转换成其补码。加法器或减法器的l s b 必须放置在l a b 的第一个l e 中，以便于l a b - w i d e 加减控制信号能自动将进位位置为l 。此外 3 2 太原理1 ：大学硕+ 研究生学位论文 q u a r t u si i 综合器可以自动的选择其加法功能或减法功能。 3 4 8l e 的操作模式 c y c l o n e 家族芯片l e 有以下两种操作模式，正常模式和运算模式。每种操作 模式使用的l e 资源是不同的。但无论哪种模式都是由l e 的8 个输入来实现逻辑 功能，输入不同实现的逻辑功能不同。8 个输入为：数据1 4 ，它由l a b 局部互 连输入的数据；进位0 和进位l ，其来自前一级l e ；l a b 进位，其来自先前一级 l a b ：寄存器链。l a b - w i d e 为寄存器提供时钟、同步装载异步清零信号、异步置 数和同步清零时钟使能控制信号。这些l a b - w i d e 信号在所有l e 模式中是通用的。 加减控制信号可以在运算模式时使厢。 使用宏模块实现常规的运算时，例如利用l p m ( l i b r a r yo fp a p a m e r i z e d m o d u l e s ) 实现计数器、加减法器、和其它运算功能，q u a r t u si i 软件能够自动选 择适当的模式。如果需要的话，寄存器也能创造特殊功能函数，指定l e 执行最佳 的操作模式。 3 4 9 复合通道互连( m u l t i t r a c ki n t e r c o n n e c t ) 在c y c l o n e 器件中l e 、m 4 k 存储块、i o 引脚间的连接都是由复合通道互连 提供的。复合通道是由连续的可执行的布线组成，它遍布整个器件。q u a r t u si i 编 译器能够自动的配置关键设计路径以提高设计的可行性。 d i r e c td r i v e 是一种很重要的技术，它使得同一种路径资源能够在任何功能中 使用，而不需要考虑配置。复合通道互连和d i r e c td r i v e 技术通过消除循环操作来 简化基本模块的设计。 复合通道互连由遍布整个器件的行互连与列互连组成。对于所有器件，它允 许预执行和可重复执行。行互连与在同一行的l a b 、p l l 和m 4 k 存储块连接称为 行资源。这些行资源包括l a b 和相邻模块问的直接互连和经过4 个模块的r 4 互 连。直接互连允许l a b 或m 4 k 存储模块及p l l 模块驱动它邻近的资源。其在邻 近的l a b 间或模块间提供快速通信而不需要使用行互连资源。一个r 4 互连可连 接4 个l a b 或者2 个l a b 与1 个m 4 k 存储模块。这些资源可以提高4 个l a b 3 3 太原理： 大学硕士研究生学位论文 范围内的行互连。 3 4 1 0 嵌入式存储器( e m b e d d e dm e m o r y ) c y c l o n e 器件的嵌入式存储器由m 4 k 存储块构成的列阵列组成。e p l c l 2 器件 有2 个m 4 k 存储块的列块。每个m 4 k 存储块能完成不同方式的存储功能，包括 双端和单端r a m 、r o m 和f i f o 。m 4 k 存储块有以下特性： 4 6 0 8b i tr o m ： 可支持2 0 0 m h z 的时钟频率： 真正的双端存储； 单端存储和简单双端存储： 位使能； 寄存器转换； f i f o 缓冲； r o m ： 混合时钟模式。 3 4 1 l i o 结构 c y c l o n e 器件的i o 模块是由i o 单元( i o e ) 构成的，i o e 能够配置成输入、 输出或双向端口。其包含一个双向i o 缓冲器和3 个寄存器，寄存器可以用作外部 数据的输入寄存器，也可用作数据输出寄存器。图3 一1 6 是c y c l o n e 器件i o e 的结 构图。 太原理： 大学硕士研究生学位论文 图3 1 6 c y c l o n e i o e 结构图 f i g 3 1 6c y c l o n ei o es t r u c t u r e i o e 包含的三个寄存器分别为输入寄存器、输出寄存器和输出使能寄存器。输 入寄存器可以用作需要快速建立时间的外部数据的输入寄存器。输出寄存器可以 作为要求快速“时钟到输出”性能的数据输出寄存器1 3 l 】。另外，设计者可以使用输 出使能寄存器来实现要求快速“时钟到输出”的性能。 3 5 太原理工人学硕