（微电子学与固体电子学专业论文）ofdm系统中fft的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着集成电路技术和通信技术的不断发展，正交频分复用技术( o f d m ) 是近 年来无线通信领域的一个研究热点。理论与实践中的应用都已证明o f d m 技术 在无线宽带移动通信环境中有着广阔的发展空间。在o f d m 系统的设计中，f f t 处理器是一个非常重要的模块。而现今，对于无线宽带移动终端芯片的设计， 面积和功耗上有着非常高的要求，这样对o f d m 系统中的f f t 处理器设计也有 了更高的要求。 本文主要基于c m m b 标准的传输方案为信号模型，对其o f d m 系统的进 行研究，重点是系统中的f f t 处理器的设计与实现。针对f f t 处理器的实时性 和面积功耗的更高要求，在基4 算法单路径反馈结构( r i d i x - 4s i n g l e p a t hd e l a y f e e d b a c k ，r 4 s d f ) 基础上进行了结构改进。在满足设计要求的基础上设计出低延 迟、低存储、高精度的流水线型f f t 处理器。其主要内容： 1 o f d m 技术的基本理论以及c m m b 标准的简介，主要包括o f d m 技术的 基本原理，调制解调的实现，系统的架构，各个部分的基本功能，以及c m m b 标准的信号模型结构。 2 通过对f f t 处理器算法和实现结构进行分析，结合本设计要求，对r 4 s d f 流水线结构进行了改进，提出改进型r 4 s d f 流水线结构，它具有低延迟，低存 储，控制简单的优点，节省了大量的硬件资源。 3 对改进型r 4 s d f 流水线结构的有限字长效应和存储器利用率进行深入的 分析研究。结合本设计要求，采用增加字长的存储策略来解决有效字长效应。 利用c o r d i c 算法来实现一级蝶形运算的旋转因子相乘，也节省了大量的r o m 资源。 关键字：c m m bo f d mf f t 流水线c o r d i c a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o sd e v e l o p m e n to fi ct e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sb e c o m i n gar e s e a r c hh o t s p o t w i t h i nt h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si nr e c e n ty e a r s t h et h e o r ya n d a p p l i c a t i o nh a v ep r o v e nt h a to f d mt e c h n o l o g yh a sab r o a dd e v e l o p m e n ti nt h e w i r e l e s sb r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s f f ti sav e r yi m p o r t a n tm o d u l ei n o f d ms y s t e m s f o rt h ec h i pd e s i g no fw i r e l e s sb r o a d b a n dm o b i l et e r m i n a l ，a r e aa n d p o w e rc o n s u m p t i o na r er e x l u i r e dh i 出e ra n dh i g h e rt o d a y , s of f to fo f d ms y s t e m s i sa l s or e q u i r e dh i g h e rd e s i g n i n g t h eo f d ms y s t e mf o c u s i n go nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff f tf 0 rc m m b s t a n d a r di sm a i n l yr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s ap i p e l i n ef f tf o rl o w1 a t e n c y , l o w s t o r a g ea n dh i g i lp r e c i s i o ni sd e s i g n e db a s e do nr i d i x 4s i n g l e p a t hd e l a yf e e d b a c k ( r 4 s d f l a t 缶s t 。b a s i ct h e o r yo fo f d ma n dt h ec m m bs t a n d a r di si n t r o d u c e d i n c l u d i n g b a s i ct h e o r yo fo f d m ，t h ei m p l e m e n to fm o d e m ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h eb a s e f u n c t i o n a n dt h es i g n a lm o d e ls t r u c t u r eo ft h ec m m bs t a n d a r d s e c o n d l y , a ni m p r o v e dr 4 s d fp i p e l i n es t r u c t u r ew h i c hi sl o w1 a t e n c y , l o ws t o r a g e a n ds i m p l ec o n t r 0 1 s a v i n gal o to fh a r d w a r er e s o u r c ei sp r o p o s e da c c o r d i n gt o a n a l y z i n gt h ea l g o r i t h ma n dt h ei m p l e m e n to ff f t , a n dc o m b i n i n gw i t ht h ed e s i g n r e q u i r e m e n t t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，as t o r a g es t r a t e g yi n c r e a s i n gt h ew o r d l e n g t hi sa p p l i e dt or e s o l v et h ep r o b l e mo ff i l l i t ew o r d 1 e n g t he f f e c tb a s e do nt h e a d v a n c e dr e s e a r c hf o rf i n i t ew o r d 1 e n g t he f f e c ta n dm e m o r yu t i l i z a t i o no ft h e i m p r o v e dr 4 s d fp i p e l i n es t r u c t u r e t h eu s eo fc o r d i ca l g o r i t h mt oa c h i e v ea b u t t e r f l yt w i d d l e sf a c t o rm u l t i p l i c a t i o no p e r a t i o n s a l s os a v eal o to fr o m k e y w o r d c m m bo f d mf f t p i p e l i n e c o r d i c 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：锄签穆 弘。罗年占月岁目 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：名么新 。砷p 年6 月岁日 l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 第一章绪论 第一章绪论 随着通信技术的不断成熟与发展，无线通信时代已到来，人们把更多的注 意力集中在如何能够在复杂的无线信道中获取高质量的信号。未来的无线系统 不仅包括我们现在生活中已经广泛应用的移动蜂窝电话系统，还有数字电视、 宽带无线接入系统、无线局域网、智能交通系统、人工智能控制系统等等。伴 随移动通信系统的发展和数字移动电视系统的出现，系统数据传输速率不断增 加，必然要求产生新的调制技术，调制技术的改进是提高系统数据传输速率和 频带利用率的根本动力。 在恶劣的无线移动环境中，由于信道传输特性不理想，多径衰落会影响传 输信号，各类无线移动通信系统中也普遍存在着符号间干扰( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，解决i s i 的通常方法是采用自适应均衡器，但要在高速数字通 信系统中克服i s i ，往往要求均衡器的抽头数很大，大大增加了均衡器的复杂程 度，使设备成本很高。为满足各类新的无线移动通信系统性能指标的要求，同 时能很好地克服多径衰落、消除高速数据传输时严重的i s i ，并大大提高频谱利 用率，新兴的o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用) 调制技术应然而生，并很好的解决了这些问题。 本章主要介绍数字通信系统结构及基本特征、o f d m 调制技术的发展及现 状和a s i c 设计技术。 第一节数字通信系统概述 1 1 1数字通信系统的基本组成 随着计算机和数字信号处理技术在通信系统中的广泛应用，使得数字通信 系统越来越得到人们的关注。数字通信系统就是用于传输和交换数字信号的通 信系统，一个典型数字通信系统的基本功能框图如图1 1 所示。信源输出的可以 是模拟信号，也可以是数字信号。在数字通信系统中，由信源产生的消息变换 成二进制数字序列，理论上，应当用尽可能少的二进制数字来表示信源输出， 也就是我们要寻求一种信源输出的有效的表达方法，使其很少产生或不产生冗 余。这种将模拟或数字信源的输出有效地变换成二进制数字序列的处理过程称 第1 页 第一章绪论 为信源编码或数据压缩。 输 信 图1 1 数字通信系统基本组成部分 由信源编码器输出的二进制数字序列被传送到信道编码器。信道编码器的 目的是在二进制信息序列中以受控的方式引入一些冗余，以便于在接收机中用 来克服信号在信道中传输时所遭受的噪声和干扰的影响。因此，所增加的冗余 是用来提高接收数据的可靠性以及改善接收信号的逼真度的。 数字调制的主要目的是将二进制信息序列经过所选取的星座图的映射，变 换成要发送数字符号，最后通过数模、成形滤波等变换后再由射频调制后发射 出去。 通信信道是指将发送信号进入接收机前通过的物理媒质。在无线传输中， 信道一般就是我们周围大气空间，包括各种建筑物等。另一种情况是电话等信 道，通常使用各种各样的物理媒质，包括有线线路、光缆和无线等。无论用什 么物理媒质来传输信息，其基本特点是发送信号随机地受到各种可能机理的恶 化，例如由电子器件产生的加性热噪声、人为噪声( 如汽车点火噪声) 及大气噪声 ( 如在雷暴雨时的闪电) 。 在数字通信系统的接收端，数字解调器首先对受到信道恶化的发送波形进 行解调处理，并将该波形抽样还原成一个数字序列，该序列表示发送数据符号 的估计值( 二进制或多进制) 。这个数字序列被送至信道译码器，它根据信道编码 器所用的关于码字的知识及接收数据所含的冗余度重构初始的信息序列。解调 器和译码器工作性能好坏的一个度量是译码序列中发生差错的频率。 最后，信源译码器从信道译码器接收其输出序列，并根据所采用的信源压 缩编码方式重构由信源发出的原始信号。由于信道译码的差错以及信源编码器 第2 页 第一章绪论 可能引入的失真，在信源译码器输出端的信号一般情况下只是原始信源输出的 一个近似。在原始信号与重构信号之间的信号差或信号差的函数是数字通信系 统引入失真的一种度量【l j 。 1 1 2无线传输信道特性 无线移动信道是通信信道情况最为复杂的一种。由于电磁波在空间传播时 受到不同的反射，折射，散射等，在接收端的接收信号都是经历不同衰减，不 同时延的多个原始信号样本的合成，再加上移动台本身的运动所产生的多普勒 频移，这使得移动台与基站之间的无线信道多变并且难以控制。 无线衰落信道具有两个基本特征：一是多径效应，即接收机所接收到的信 号是通过直射、反射、折射等不同的路径到达接收机的。如果发射端发送一个 窄带脉冲信号，则在接收端可以接收到多个窄带脉冲，每个窄带脉冲的幅度衰 减和时延都是不同的，这样就造成了信道的时间弥散性( t i m ed i s p e r s i o n ) ，使 得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，产生了频率选择性衰 落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 。当发送连续信号时，就会造成符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。 另一特性是多普勒频移效应，即接收机移动接收信号，使得接收信号频率 发生偏移，即： 厶：v e o s 秒= 车c o s 口= f c o s p 九c 其中z 表示载波频率，c 表示光速，厶表示最大多普勒频移，1 ，表示移动台 的运动速度，9 表示信号入射方向与接收端移动方向的夹角。可以看到，多普勒 频移与载波频率和移动台运动速度成正比。 由于多普勒频移的存在，所以当单一频率信号厶到达接收端的时候，其频 谱不再是位于频率轴f o 处的单纯6 函数，而是分布在( f o 一厶，厶+ 厶) 内的、 具有一定宽度的频谱。 从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时间，即 ( r ) 。= 士( 1 2 ) 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说， 相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关 性。如果基带信号带宽的倒数，一般指符号周期大于无线信道的相干时间，那 么信号的波形就可能会发生变化，造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也 第3 页 第一章绪论 称为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相干时间，则认为是非时间选择性衰 落，即慢衰落。 1 1 3单载波与多载波系统 我们通常采用的通信系统是单载波方案，如图1 2 。其中g ( f ) 是匹配滤波器， 这种系统在数据传输速率不太高的情况下，数据符号的周期相对较长，多径效 应对信号符号之间造成的干扰不是特别严重，可以通过使用合适的均衡算法使 得系统能够正常工作。但是对于宽带业务来说，由于数据传输速率较高，符号 周期相对较短，时延扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生了符号之间 的串扰( i s i ) ，这对均衡提出了更高的要求，需要引入复杂的均衡算法，还要考虑 到算法的可实现性和收敛速度。另外，当信号的带宽超过和接近信道的相干带 宽时，信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落，使得同个信号中不同的频 率成分体现出不同的衰落特性，这就使信号恢复变得更加困难。 e 沁时 信道 p 一肌 图1 2 单载波系统基本结构 而多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流，这样每个子数据流将 具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制 相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。在单载波系统 中，一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一 时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。图1 3 中给出多载波系统的基 本结构示意图。 多载波传输技术有多种提法，如正交频分复用( o f d m ) 、离散多音调带i j ( d m t ) 和多载波调制( m c m ) ，这3 种提法在一般情况下等同，只是在o f d m 中各个子 载波保持相互正交，而在m c m 中这一条件并不总是成立。 子载波间存在3 种不同的设置方案，第1 种是传统的频分复用，将整个频 带划分成n 个不重叠的子带，在接收端用滤波器组进行分离，这种方法的优点 是简单、直接。缺点是频谱的利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且多 第4 页 第一章绪论 个滤波器的实现也有不少困难；第2 种采用偏置q a m ( s q a m ) 技术，在3 d b 处 载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性通过交错同相或正交子带的 数据得到( 即将数据偏移半个周期) ；第3 种方案即o f d m ，各子载波有1 2 的 重叠，但保证相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出来，避免使用滤波 器组，同时使频谱效率提高近1 倍2 1 。 信 道 e j w o 图1 3 多载波系统基本结构 第二节o f i ) m 调制技术的发展历史及研究现状 o f d m 是高速率无线通信系统中有广阔应用前景的一种特殊的多载波调制 ( m u l t i - - c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术【3 1 ，m c m 技术的来源要追溯到2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代早期，涉及军事上的高频无线链路。r w c h a n g 博士在2 0 世纪 6 0 年代中期发表的一篇论文 4 1 ，首次阐明了我们现在称之为o f d m 的技术。1 9 6 7 年，b r s a l t z b e r g 对c h a n g 提出的方法进行了性能分析，并且得出很重要的结论， 即在并行传输系统中，相邻信道间的串扰将是信道畸变的主要原因，因此系统 设计的重点应在于尽量减小相邻信道间的串扰，而不是完善每一个单独的子信 道【5 】。 早期的o f d m 技术主要用于高频军事系统中，如k i n e p l e x 、a n d e f t 以 及k a t h r y n 等。由于在早期的o f d m 系统中，发射机和接收机所需的子载波 阵列是由正弦信号发生器产生的，并且在相关接收时各子载波需要精确的同步， 第5 页 第一章绪论 因此当子信道数目较大时，系统就显得非常复杂和昂贵，限制了o f d m 技术的 应用和推广。 直到7 0 年代，s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 提出了一个完整的o f d m 系统【6 j ， 包括用d f t 产生信号以及在多径信道中加入空的保护间隔，不再使用子载波振 荡器组和相干解调器，简化了系统的结构，使o f d m 技术更趋于实用化。8 0 年 代，如何将它用于高速m o d e m 是o f d m 研究工作追寻的主要目标之一。为了 克服信道间干扰( i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 和i s i 的影响，p e l e d 和r u i z 于 1 9 8 0 年引入了循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 的概斜，用o f d m 符号的周期扩展 代替空的保护间隔，只要循环前缀大于信道的最大时延扩展，在色散信道上也 能获得较好的正交性，增加了o f d m 系统的抗多径能力。离散傅立叶变换和循 环前缀的引入，是o f d m 技术发展史上的两个重要的里程碑。1 9 8 5 年，c i m i n i 把o f d m 的概念引入蜂窝移动通信系统【8 】，为无线o f d m 系统的发展奠定了基 础。 进入9 0 年代以后，o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传 输。随着高速数字信号处理快速发展，傅立叶变换反变换、纠错编码技术、信 道自适应技术、减少均衡计算量等成熟的技术逐步引入到移动通信领域中来， 为o f d m 在无线数据通信领域的应用提供了良好的基础，最终在2 0 世纪9 0 年 代得以实际应用。到目前o f d m 技术已经广泛应用于广播式的音频、视频领域 和民用通信系统，主要包括：非对称数字用户环路( a d s l ) 、数字音频广播( d a b ) 、 地面数字视频广播( d v b t ) 、高清晰度电视( h d m 、无线局域网( w l a n ) 标准 i e e e 8 0 2 1 l a 和中国移动多媒体广播 9 ( c m m b ) 。为了确保最终用户最大限度地从 o f d m 技术中获得益处，并降低制造成本，1 9 9 9 年1 2 月，包括e r i c s s o n 、n o k i a 和 w i l a n在内的七家公司发起了国际o f d m论坛 ( h t t p ：w w w o f d m f o r u m c o m ) ，致力于策划一个基于o f d m 技术的全球性统一标 准。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 的无线 城域网委员会提交了一份建议书，提议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域 网的物理层标准，我国的信息产业部也己参加了o f d m 论坛。 进入2 1 世纪以后，o f d m 引起了更加广泛的关注。随着近代通信技术的迅 速发展，以及日益走向高速、综合、大容量业务的要求，o f d m 技术的发展步 伐加快，出现了许多新的研究领域和新的发展动向。一是o f d m 技术和其它多 址技术的结合，正交频分多址接入【1 0 1 ( o f d m a ) 给每个用户分配一定数量的子载 第6 页 第一章绪论 波，这种技术与f d m a 相似，但相邻的用户不需要保护频带以抑制信道间干扰。 o f d m c d m a 1 1 】是将o f d m 调制技术和c d m a 结合在一起的多载波c d m a ， 能够提供大容量、高速率的数据通信，现已成为4 g 的研究热点。二是o f d m 技术与多天线技术相结合，m i m o o f d m 技术【1 2 】就是在系统中组合使用o f d m 调制技术和多输入多输出( m i m o ) 天线技术，是下一代互联网和多媒体业务的关 键技术。 第三节a s i c 设计技术 专用集成电路简写为a s l c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，是面向某 个专门应用的电路，自7 0 年代末8 0 年代初a s i c 出现以来，它的产值、集成度 等各方面发展迅速，它也同时推动着设计方法学的研究及设计工具的完善，促 使系统设计人员与芯片设计人员相互结合与渗透。实现a s i c 可使用一系列技 术：p l d 、f - j 阵列、f p g a 、标准单元和全定制。然而，与计算机领域的其他类 属定义，如r a m 一样，a s i c 代表的是一个更为专业化的意思。p l d 和f p g a 被称作可编程逻辑，而a s i c 则指标准单元和门阵列，其芯片实际上是制造而不 是在用户端进行编程【l 引。 采用a s i c 设计方法，一个复杂的数字系统只要一片或数片专用芯片即可实 现，制成的设备具有面积小、重量轻、功耗低、速度高、生产周期短、成木低、 保密性好等优点。a s i c 设计不同于一般的板级电路设计，由于流片的投资大、 复杂度高，不可修复，因此a s i c 设计过程要尽可能的正确，并且使设计没有严 重缺陷，能够进行生产制造。完整的a s i c 设计是一个复杂的过程，基本的a s i c 设计流程如图1 _ 4 。设计流程从已写出的设计规范开始。设计规范文件是包括功 能、时序、硅面积、功耗、可测性、故障覆盖率以及决定其他设计准则的一个 详细说明书。 设计a s i c 电路的方法中，需要把大型电路划分形成一个构造体 ( a r c h i t e c t u r e ) ，也就是由许多相互关联的功能单元组成的一个配置，这样就可以 用行为模型对每个功能单元的功能特性进行描述。划分的过程就是把一个复杂 设计逐渐划分成较小而且较为简单的功能单元，这样一个过程通常被称为自项 而下( t o p d o w n ) 的设计方法。 第7 页 第一章绪论 图1 4a s i c 设计流程 编写代码和功能仿真与验证，首先是使用h d l 语言进行电路描述，写出可 综合的代码。然后用仿真工具作前仿真，对理想状况下的功能进行验证。这一 步可以使用v e r i l o g 或v h d l 作为工作语言编写代码和t e s t b e n c h ，使用s y n o p s y s 的v c s ( f o rv e r i l o g ) 、v s s ( f o rv h d l ) 、c a d e n c e 的v e r i l o g - x l 或n c v e r i l o g 、m e n t o r 的m o d e l s i m 等工具做功能仿真与验证。 功能仿真通过以后，使用综合工具将行为级描述转化为结构化的门级网表， 门级网表由a s i c 库中的基本单元组成；这个综合过程可能需要多次迭代，因为 综合过程受延时、面积和功耗的影响。目前业界使用最广泛的综合工具是 s y n o p s y s 的d e s i g nc o m p i l e r 。 静态时序分析( s t a t i ct i m i n ga n a l y s i s ，s t a ) 提取整个电路的所有时序路径， 第8 页 第一章绪论 通过计算信号在路径上的传播延时，找出违背时序约束的错误，主要是建立时 间( s e t u p ) 和保持时i n ( h o l d ) 是否满足要求，建立时间与保持时间通过对最大路径 延时和最小路径延时的分析得到。静态时序分析的特点是可以分析所有的时序 路径，运行速度快，占用内存很少，而且不依赖激励，适合进行较大设计的验 证。静态时序分析是整个设计过程的灵魂，主要出现在两个地方，一是逻辑综 合之后的静态时序分析( p r e s t a ) ，主要偏重于建立时间的检查。二是提取寄生 参数之后的静态时序分析( p o s t s t a ) ，主要是建立时间和保持时间的检查。两处 的主要区别：提取寄生参数之后的时序路径上包含了连线延迟；时钟信号的属 性( d e l a y , s k e w , t r a n s i t i o n ) 也经时钟树计算出来，使得时钟信号更加贴近芯片实际 工作的时钟信号。目前最著名的静态时序分析工具是s y n o p s y s 的p r i m e t i m e 。 a s i c 设计中的自动布局布线就是将设计单元排放在晶片上，并且连接信号 线。在基于标准单元的设计工艺上，需要将各个设计单元整合在一起，形成一 个能把逻辑门电路刻制在硅晶片上的完整掩膜板。首先要确定整个芯片的顶层 规划( f l o o r p l a n ) ，通常需要考虑芯片面积、p a d 位置、电源方案、引脚位置；然 后由工具自动完成布局，将电路各单元按照时序的要求摆放到合适的位置，最 后是时钟树综合和布线，初步完成电路的物理设计。版图工具各大e d a 厂商都 有相应的工具，如s y n o p s y s 的a s t r o 。 由自动布局布线工具完成的版图并不能保证完全正确，版图物理验证就是 对版图进行校验，作为a s i c 设计过程的一部分，常用的校验有设计规则的检查 ( d r c ) 、电气规则的检查( e r c ) 和逻辑版图对照( l v s ) 的检查。d r c 检查版图是 否满足工艺上各层次的设计规则；e r c 主要检查电源、地的连接是否正常；l v s 检查版图的连接是否符合电路的逻辑功能。版图物理验证方面，各大e d a 厂商 都有相应的工具，如m e n t o r 公司的c a l i b r e 。 自动布局布线所形成的连线电阻、寄生电容能够通过软件工具提取，并用 所提取的参数对设计的电气特性和定时特性进行更精确的校验。利用提取步骤 得到的结果来校正定时计算中所得到的连线模型，再次检查定时约束条件，以 确保在特定的时钟速度下设计方案有效。在参数提取方面，提取二维模型比较 成功的有m e n t o r 公司的c a l i b r e ，s y n o p s y s 的s t a r - r c x t 则能提取从版图的三维 空间提取寄生参数，使得提取的参数更加精确。 完成寄生参数提取过程后，软件工具可以生成一个由连线电阻、寄生电容 和晶体管组成的s p i c e 网表，通过后仿真工具可以实现v e r i l o gt e s t b e n c h 和s p i c e 第9 页 第一章绪论 网表的混合仿真，考察在增加准确的连线寄生参数后，电路功能是否仍然满足 设计要求。作为后仿真工具的代表，s y n o p s y s 的n a n o s i m 不论在仿真速度还是 在仿真精度方面都具有明显的优势。 最后，我们的设计通过了上面的每一步检验之后，把我们的设计交给 f o u n d r y 进行t a p e o u t 。 第四节本文的主要工作 本课题中对f f t 处理器的研究是以f f t 在c m m b 接收机中的应用而展开 来的。主要研究内容如下： 1 对各种f f t 算法进行分析比较。 2 提出适合c m m b 标准的o f d m 调制解调器中f f t 处理器的可行性算法， 结合硬件实现的难度来比较各种算法，选择其中最适合的算法设计。 3 对有效字长效应进行分析，结合本设计，采用定点数运算，采取增加字 长的数据存储策略达到所需的信噪比。 4 对f f t 实现结构进行分析，提出改进型r 4 s d f 结构来减少面积和降低 功耗。 5 通过对蝶形运算单元的研究，改进蝶形运算单元电路以提高流水线频 率。 6 通过对c o r d i c 算法的研究，使其替代第一级流水线中旋转因子的相 乘。 本文包括六章： 第一章首先介绍数字通信相关的基础知识，o f d m 技术的发展历史和研究 现状，最后介绍a s i c 相关的设计技术。 第二章介绍o f d m 系统的基本原理。结合系统模型，对o f d m 接收系统的 各个部分的原理、实现进行具体分析。本文的信号模型主要是针对c m m b 方案 的，在本章节最后给出c m m b 的信号传输方案。 第三章介绍了离散傅立叶变换以及f f t 的理论基础。并详细介绍了按时域 抽取( d i t ) 和频域抽取( d i f ) 的f f t 算法，并对基2 、基4 、分裂基算法的运算量 进行了比较，综合运算量和硬件实现上资源的开销选取基4 算法实现本课题的 f f t 专用芯片。通过讨论几种不同的硬件结构，衍生出现在比较常用的几种流水 第1 0 页 第一章绪论 线型结构，根据本系统性能和硬件资源的折中考虑，本设计对基4s d f 流水线 结构进行改进。最后进行了f f t 实现过程中数据存储策略的分析和c o r d i c 算 法实现旋转因子的原理分析。 第四章讨论f f t 专用芯片中各个电路模块的结构。首先介绍了基4 蝶形运 算单元的改进电路设计，然后介绍每级流水线中存储器r a m 电路的设计，最后 介绍了基本复数乘法器设计和以c o r d i c 算法为基础的复数乘法运算，并给出 了c o r d i c 算法实现旋转因子相乘的设计。 第五章结合本设计讨论a s i c 前端设计流程，并给出相应的本设计结果，且 对其结果加以分析。 第六章总结与展望 第1 l 页 第二章o f d m 系统的基本原理 第二章o f d m 系统的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 的基本原理就是把高速的数据流经过串并转换，分配 到多个子信道中进行传输。在总的数据率不变的情况下，每个并行的子信道的 符号周期都相对延长，这就减轻了多径时延产生的时间弥散性对系统造成的影 响。同时数据由多个子载波的传输，对于频率选择性衰落信道，一般只会影响 到少数几个子信道，这样就可以利用相关信息完全的知道信号内容。另外，o f d m 系统由于采用了相互正交的子载波，允许子信道间有1 2 的重叠，这样就大大节 省了频谱资源，提高了频谱利用率。 第一节o f d m 系统基本模型 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 是一种多 载波调制方式，其基本思想是把高速率的信源信息流通过串并变换，变换成低 速率的n 路并行数据流，然后用n 个相互正交的载波进行调制，将n 路调制后 的信号相加即得发射信号。 设基带调制信号的带宽为b ，码元调制速率为r ，码元周期为f 。，且信道的 最大迟延扩展t 。，o f d m 的基本原理是将原信号分割为n 个子信号，分割后 码元速率为r n ，周期为z = f 。，然后用n 个子信号分别调制n 个相互正交的 子载波，由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。当调制 信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用， 子载波之间不能保持良好的正交状态，因而，发送前就在码元间插入保护时间。 如果保护间隔6 大于最大时延扩展t 。，则所有时延小于6 的多径信号将不会延 伸到下一个码元期间，因而有效地消除了码间串扰。 在发射端，发射数据经过常规多进制星座图( q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a j v l 等) 的调制形成速率为r 的基带信号，这里要求码元波形是受限的，并且数据要成 块处理，然后经过串并变换成为n 个子信号，再去调制相互正交的n 个子载波， 最后相加形成o f d m 发射信号。 在接收端，输入信号分为n 个支路，分别用n 个子载波混频和积分，恢复 出子信号，再经过并串变换和常规q a m ( 或q p s k 等) 解调就可以恢复出数据。 第1 2 页 第二章o f d m 系统的基本原理 由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效地分离各个子信道。 o f d m 系统基本模型见图2 - 1 。 图2 1o f d m 系统基本模型 第二节o f d m 系统主要技术分析 2 2 1o f d m 系统的正交性原理 o f d m 系统的一个重要特点就是子载波间的正交性，它的很多性能表现也 是在系统保持足够好的正交性条件下获得的。为了更直观的理解o f d m 系统的 正交性原理，我们给出一个o f d m 符号包括4 个子载波的实例，如图2 2 所示， 其中所有的子载波都具有相同的幅值和相位，但在实际应用中，根据数据符号 的调制方式，每个子载波的幅值和相位都可能是不同的。从图2 2 中可以看到， 每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含其整数倍周期，而且各个相邻子载 波之间相差一个周期，可以看到如果正确的选择载波频率间隔( 取为1 厂r ) ，则 o f d m 信号可以保持其正交性。 正交性的定义可以用下式表示： 第1 3 页 第二章o f d m 系统的基本原理 争r “p 肌饥= 三：三： 亿， 丁j 0lnm 船 ￥“7 当信号中的各个子载波满足频率间隔为1 厂r 的条件时，假设在接收端对第j 个子载波进行相干解调，即在时间长度t 内进行积分，得到： 3 j = 等p 弓? 篙d 黟a t ：彳1 二n - 1 d ，j ) p - - 。研 ( 2 2 ) = d j 根据2 1 ，2 2 式可以看到，对第j 个子载波进行解调，在第j 个子信道做积 分后，可以恢复出期望符号d ；。而对于其他子信道，由于在积分间隔内，频率 差别( q ) t 可以产生整数倍个t 周期，所以其积分结果等于零。 这种正交性还可以从频域的角度来理解。我们知道，每个o f d m 符号在其 周期t 内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲 的频谱与一组位于各个子载波频率上的函数的万的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为 s i n c ( f i ) 函数，这种函数的零点出现在频率为1 厂r 整数倍的位置上。 归一化符号周期 图2 - 2o f d m 符号内4 个子载波 第1 4 页 第二章o f d m 系统的基本原理 2 2 2f f t 在o f d m 系统中的应用 o f d m 系统的一个重要优点就是根据其自身系统特点可以利用离散傅里叶 变换( d f t ) 实现调制和解调，从而避免了直接生成n 个载波时由于频率偏移而产 生的交调，而且采用快速傅里叶变换( f f t ) 技术，可以大大简化系统实现的复杂 度，便于利用v l s i 技术。 一个多载波信号s ( f ) 可写为如下复数形式： s ( f ) ：艺咖c f ( f 一一要) e 口垮i 卜u ( 气f + r ) ( 2 3 ) i = o 二 其中d i 是信息数据，r e c t 是矩形函数，t 是符号周期 对上式的信号s ( f ) ，我们忽略矩形函数，以t n 的速率对信号进行抽样，即 令t = k t n ( k = o ，1 ，2 n 一1 ) ，可以得到： n 一1 2 z 疆 & = j ( 打加= z p 可( 0 k n - 1 ) ( 2 4 ) i = 0 将其与i d f t 形式 1n 一1 2 n n k g ( 刀) = 寺g ( 后) e 可( 0 n n - 1 ) ( 2 5 ) k = o 进行比较，乘以i 1 两式等价，传输符号殴等效为对呸进行i d f t 运算。同 样在接收端，为了恢复出原始数据符号d i ，可以对& 进行逆变换，即d f t 得到： n - 1 2 袱 d i ：y s 。p 一 r ( o f 一1 )( 2 6 ) 。 k = o 由此可见，若选择载波频率间隔l t ，则o f d m 信号不但保持了正交性， 而且可以用d f t 来定义。 由于o f d m 采用的基带调制为逆离散傅里叶变换( i f f t ) ，所以我们一般认 为数据的编码映射是在频域进行，经过i f f t 转化为时域信号发送出去，接收端 通过f f t 恢复出频域信号。 为了使信号在i f f t ( f f t ) 前后功率不变，d f t 按下式定义： 。f t x ( d = 丽1n 虿- i 净 唧叫班嘉篓p 簪 ( o k n - 1 ) ( o ，z n - 1 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 使用d f t 技术对并行数据进行调制解调时，频谱是s i n e 函数的叠加，如图 2 3 所示。在每一子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。 第1 5 页 第二章o f d m 系统的基本原理 由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每一子载 波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子 信道符号，而不会受到其它子信道的干扰。 ( a ) 单个o f d m 子带频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 3 单个o f d m 子带频谱和o f d m 信号频谱 o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不 存在相互干扰，但这是出现在频域中的。因此这种某个子信道频谱的最大值对 应于其他子信道频谱的零点可以避免子信道间干扰( i c i ) 的出现。 应用o f d m 的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过 把输入的数据流串并变换到n 个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波 的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的n 倍，因此时延扩展与符号周 期的比值也同样降低n 倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个 o f d m 符号之间插入保护间隔，而且该保护间隔长度l 一般要大于无线信道的 最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 传统的保护间隔插入方案，是在保护间隔时间内不插入任何信号，即是一 段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道 间干扰，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。每个 o f d m 符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该o f d m 符号 的时延信号，由于在一个符号解调的时间长度内，某一子载波与带有时延的另 一子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对其中一