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太原理工大学硕士学位论文 部分并行干扰抵消检测器的研究与实现 摘要 由于多址干扰严重影响c d m a 通信系统的性能和容量，如何抑制或消 除多址干扰成为当前研究的热点课题。多用户检测技术因具备消除多址干 扰的能力而备受关注。在传统检测技术的基础之上，多用户检测技术把多 址干扰当作有用信息来处理，充分利用同时占用某个信道的所有用户或部 分用户的相关信息，对检测用户进行联合检测，多址干扰最终被抑制或者 消除，从而c d m a 通信系统的性能和容量显著提高。 本文首先分析了多用户检测算法的基本原理，研究了基于d e l t a 学习规 则的部分并行干扰抵消检测器的原理和工作过程，结合f p a g 硬件实现的 特点，给出一套完整的设计方案。主要工作如下： ( 1 ) 首先，根据所要实现算法的原理，对算法进行模块化，采取自定 向下，逐级深入，层层细化的设计方案。 ( 2 ) 从硬件的实际情况出发，在具体设计中多次采用乒乓操作技术、 流水线技术和串并转换技术，在速度和面积之间作出合理的选择，以提高 系统处理数据的速度。 ( 3 ) 在匹配滤波器设计模块中，采用求补码操作代替乘法运算；在干 扰抵消因子调整模块中，求算术平均采用移位操作，代替除法运算。大大 的节省了硬件资源。 ( 4 ) 在对数据进行必要的延时的时候，采用了延时线和时钟分频延时 t 太原理工大学硕士学位论文 相结合的方法，大大节省相应的硬件资源。当进行数据采集时，为避免因 数据抖动而采集不到有效数据，设置了有效采集数据时钟，避免这一现象 发生。 ( 5 ) 为了减少不必要的高频时钟操作，提高系统的稳定性，根据不同 模块对数据处理的速度，在系统时钟的基础上，进行了相应的时钟分频。 ( 6 ) 利用m o d e l s i m 对各个模块进行功能仿真，分析仿真波形是否满足 设计要求，并利用x i l i n xi s e 中的x s t 对各个模块进行了综合。 关键词：多用户检测，d e l t a 学习规则，f p g a ，并行干扰抵消 太原理工大学硕士学位论文 i 己e s e a r c ha n di 【p l e m e n l ：a t l o no f t h ep a i 己t i a 。lp a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t l 0 n d e t e c t o r a b s t r a c t b e c a u s eo fm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) a f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c e a n dc a p a c i t yo ft h ec d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e ms e r i o u s l y , i n h i b i t i n go r e l i m i n a t i n gt h em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c eh a sb e e nt h eh o tt o p i co fc u r r e n t r e s e a r c h w i t ht h ea b i l i t yt oe l i m i n a t em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，m u l t i u s e r d e t e c t i o nt e c h n i q u e sa t t r a c tg r e a ta t t e n t i o n o nt h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a l d e t e c t i o nt e c h n i q u e s ，m u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g yr e g a r d sm a ia su s e f u l i n f o r m a t i o nt ot a k ef u l la d v a n t a g eo ft h er e l a t e di n f o r m a t i o no fa l lt h eu s e r so r p a r to ft h eu s e r s ，w h i c hi so c c u p y i n gac h a n n e l ，a n dc o n d u c taj o i n td e t e c t i o no f d e t e c t e du s e r s ，i no r d e rt o s u p p r e s s o re l i m i n a t et h em a if i n a l l y , t h e r e b y i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t yo f t h ec d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i s p a p e r f i r s t a n a l y z e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fm u l t i u s e r d e t e c t i o n a l g o r i t h m ，a n d r e s e a r c h e s p r i n c i p l e a n d p r o c e s s o ft h e p a r t i a lp a r a l l e l i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nd e t e c t o rb a s e do nt h ed e l t al e a r n i n gr u l e ，c o m b i n i n g c h a r a c t e r i s t i c so ff p a gh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，p r e s e n t sac o m p l e t ed e s i g n s c h e m e t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： i i i 太原理工大学硕士学位论文 ( 1 ) f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h ea l g o r i t h m ，t h ea l g o r i t h mi s m o d u l a r , s e l f - d i r e c t e du n d e rt h ei n - d e p t hs t e pb ys t e p ，t h el a y e r so fr e f i n e m e n t d e s i g n ( 2 ) i no r d e rt oi m p r o v et h es p e e do ft h es y s t e mt op r o c e s sd a t a ，p i n g p o n g o p e r a t i o n ，p i p e l i n et e c h n o l o g ya n ds t r i n g a n dc o n v e r s i o n t e c h n o l o g ya r e a d o p t e dr e p e a t e d l yi nd e s i g n ，a n dar a t i o n a lc h o i c eb e t w e e ns p e e da n da r e ai s m a d e ，f r o mt h ea c t u a ls i t u a t io no ft h eh a r d w a r e ( 3 ) i nt h em a t c h e df i l t e rd e s i g nm o d u l e ，c o m p l e m e n t a r yo p e r a t i o ni n s t e a d o f m u l t i p l i c a t i o n ；i nt h ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nf a c t o ra d j u s t m e n tm o d u l e ，t h e s h i f t o p e r a t i o n i n s t e a do fad i v i s i o n o p e r a t i o no nt h e a r i t h m e t i c a v e r a g e o p e r a t i o n m e a n w h i l ei ts a v e sh a r d w a r er e s o u r c e ss i g n i f i c a n t l y ( 4 ) t h ed a t aw i t hn e c e s s a r yd e l a y , t h ed e l a yl i n ea n dc l o c kf r e q u e n c yd e l a y m e t h o do f c o m b i n i n g a r e a d o p t ，w h i c h s a v e st h eh a r d w a r er e s o u r c e s s i g n i f i c a n t l y w h e nc o l l e c t i n gt h ed a t a ，i no r d e rt oa v o i dd a t aj i t t e ra n dc o l l e c t n ov a l i dd a t a ，i ts e t st h ee f f e c t i v ed a t aa c q u i s i t i o nc l o c k ，t oa v o i dt h eo c c u r r e n c e o ft h isp h e n o m e n o n ( 5 ) i no r d e rt or e d u c et h eu n n e c e s s a r yh i g h f r e q u e n c yc l o c ko p e r a t i o n ，t o i m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tm o d u l e so ft h e d a t ap r o c e s s i n gs p e e d ，o nt h eb a s i so ft h es y s t e mc l o c k ，i tc o n d u c t st h ec l o c k f r e q u e n c yr e l a t i v e l y ( 6 ) t h eu s eo fm o d e l s i mt oe a c hm o d u l ei nt h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o n ， s i m u l a t i o nw a v e f o r m sc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n du s ex i l i n xi s e i v 太原理工大学硕士学位论文 x s to ne a c hm o d u l ei ss y n t h e s i s e d k e yw o r d s ：m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，d e l t al e a r n i n gr u l e ，f p g a ，p a r a l l e l i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n v 太原理工大学硕士学位论文 v i 太原理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 多用户检测研究背景和意义 码分多址( c d m a ) 系统由于具有容量大、频带利用率高、频率规划灵活和系统通 信质量好等优点，已成为第三代移动通信系统的三大主流标准均采用的核心技术。目前 三大主流技术有：北美的c d m a 2 0 0 0 技术、欧洲的w c d m a 技术和我国的t d s c d m a 1 】 技术。实现c d m a 必须采用扩频技术，但是由于使用的扩频码集并非严格正交，互相 关系数将不为零，各用户之间的相互干扰由此产生，即为多址干扰【2 】( m u t i p i ea c c e s s i n t e r f e r e c e ，m a i ) 。而且在异步传输信道以及多径传播的环境中多址干扰更加的严重， 而且随着信号功率的增大以及用户数的增加，c d m a 系统中最主要的干扰将会是多址干 扰。虽然可以通过设计具有互相关特性的特征码，实现扩频波形的近似正交，但是只 有在到达接收机的各个用户信号具有大致相等的功率时，设计的近似正交扩频波形的接 收机才能正常工作，所以多址干扰和远近效应问题总是困扰着传统的匹配滤波接收机。 因此这种有害的多址干扰如何被降低或消除，使得c d m a 通信系统的容量和性能进一 步的提高，一直倍受关注。作为抑制多址干扰的有效手段，多用户检测技术在上个世纪 8 0 年代中期以来，一直是国际研究的热点问题。 分析多址干扰产生的原因，研究发现多用户检测( m u l t i p l ed e t e c t i o n ，m u d ) 技术 可以有效的克服多址干扰，提高系统的性能。多用检测技术的基本思想是把多址干扰当 作有用信息来处理，即综合利用多个用户的码元、时间、信号幅度、空间和相位等信息 联合检测单个用户的信号来达到很好的接受效剽3 1 。这样就能很好的抑制由于扩频码集 不严格正交所引起的一系列消极影响，使远近效应得到有效的缓解，减弱或消除有害的 多址干扰和多径干扰，使通信系统降低对功率控制的精度要求，小区的覆盖范围进一步 扩大，上行链路的频率资源能有效的利用，从而显著提高系统的容量，改善系统的性能。 1 2 多用户检测的研究现状 多用户检测技术最早由k s s c h n e i d e r 在1 9 7 9 年提出f 4 】，当时并未获得重视，这一 思想直到1 9 8 6 年才被s v e r d u 理论证明。起初，研究人员热衷于最佳多用户检测理论， 1 太原理工大学硕士学位论文 因为最佳多用户检测理论可以完全消除多址干扰，而且每个用户都可以到达最小的误 码率。但是，研究人员发现随着用户数的增加算法的复杂度呈指数增大，而且需要知道 所有用户信息的特征序列、信号幅度和相位，运算量相当大，在工程上难以实现。直到 2 0 世纪8 0 年代后期，人们才逐渐的把视线转到实现性较强的次最优多用户检测上。 次最优多用户检测可以分为线性和非线性的两大类。图1 1 是多用户检测算分的分类示 意图。 多用户检测器 最优多用户检测器i1 次优多用户检测器 线性多用户检测器 非自适 应型 自适 应型 非线性多用户检测器 序列i | 分组i i 干扰抵 检测i | 检测l i 消型 解相关ll 最小均方误差| i| ll | 串行干| l 并行干l | 混合型 毳弱塞li 多它m 户t s 检e 测) 器ll 盲型l l 非盲型l | 巷s 抵i c 消) 笔p 抵i c 消) l | 曩藉检测器ll ( 1 |l l| | (i i (| |抵消 图1 - 1 多用户检测的分类 f i g 1 。1t h ec l a s s i f i c a t i o no fm u l t i u s e rd e t e c t i o n 线性次最优多用户检测算法有着很好的抗远近效应和多址干扰的能力，如相关检测 算法、最小多项式展开检测算法和最小均方误差检测算法( m m s e ) 等5 】i6 1 ，但是计算 复杂度高，实现较难。非线性多用户检测算法实时检测性能往往要优于线性的，而且现 在越来越多的智能算法被多用户检测技术采用，如，结合神经网络，有着自适应和自组 织特性的多用检测算法【7 】【8 】【9 】【10 1 ，其中一些实用价值较高的非线性多用户检测技术已成 为研究热点。 2 太原理工大学硕士学位论文 1 3f p g a 的发展和在通信领域中的应用 自1 9 8 5 年x i l i n x 公司推出第一片f p g a 至今，f p g a 数字系统现场集成技术取得 了巨大的发展：现场可编程逻辑器件从最开始的1 2 0 0 个可利用门，9 0 年代发展到2 5 万 可利用门。而后f p g a 著名厂商x i l i n x 公司、a l t e r a 公司又陆续推出了数百万门的f p g a 芯片。尤其是最近几年，x i l i n x 公司和a l t e r a 公司等不断更新优化产品构架和生产工艺， 降低了f p g a 系统成本和功耗，推出了很多高性能低价位的解决方案，将市场从传统的 高端通信扩展到汽车和消费类电子产品。现场可编程逻辑器件有着这么巨大的市场吸引 力，分析其原因，由于f p g a 不仅可以解决电子系统低功耗，小型化，高可靠性等问题， 而且其开发软件投入少、开发周期短、芯片价格不断下降，使f p g a 越来越多的取代了 a s i c 的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使f p g a 成为首选。 目前，f p g a 的主要发展趋势：系统设计进入“片上可编程系统”( s o p c ) 的新纪 元；芯片随着低电压、低功耗和高密度方向发展；国际上各大公司都在积极扩充其i p 库，用优化的资源更好的满足用户的需求以扩大市场；而且f p g a 动态可重构技术的开 拓，意味着数字系统设计观念将发生巨大的转变】。 由于f p g a 具有极强的实时和并行处理能力，使得f p g a 芯片在无线通信领域被广 泛使用，如软件无线电、c d m a 技术、多用户检测等技术。在数字通信系统中，许多 模块往往都需要做大量的滤波运算，而这些滤波函数都需要大量乘法和累加操作。而通 过f p g a 来实现分布式运算，可以有效的实现这些乘法和累加运算，这对于实现无线通 信系统中的高速数字信号处理相当有利。f p g a 芯片在一些具体方面的应用也得到了极 大地推动，如基带调制解调、频率控制、自动增益、脉冲整形、实现语音合成、符号检 测和匹配滤波器等。f p g a 在数字通信领域的广泛应用极大地推动了s o c 的发展，同 时通信系统的性能也得到了很大的改善。现在的数字通信设备中，一片f p g a 芯片就具 备系统级的处理能力。在第三代无线通信中，单片f p g a 不仅可以完成信源和信道方面 的物理层处理操作，还可以对高层信令进行控制和处理，对信令的操作则直接可以通过 f p g a 中内嵌的软核c p u 和硬核c p u 来完成【1 2 】。 1 4 论文的主要工作 多用户检测技术的研究一直侧重于算法的研究，而本文研究重点是多用户检测算法 3 太原理工大学硕士学位论文 的硬件实现。本文的主要内容和章节安排如下： 第一章介绍了多用户检测技术的研究背景、意义、研究现状、f p g a 的发展现状以 及在通信领域中的应用。 第二章首先介绍了多用户检测技术和直接序列码分多址系统模型，在此模型的基础 上研究了并行干扰抵消多用户检测算法的原理，接着介绍了匹配滤波器和d e l t a 学习规 则，最后研究了基于d e l t a 学习规则的部分并行干扰抵消多用户检测算法的工作原理和 工作流程。 第三章介绍了f p g a 的内部结构、f p g a 系统开发设计基本流程、硬件描述语言、 开发软件和芯片。 第四章完成了基于d e l t a 学习规则的部分并行干扰抵消多用户检测的f p g a 整体设 计，详细介绍了系统的各个子模块设计流程，通过了调试仿真验证和硬件综合，完成了 各模块的连接，最后通过了整个系统的调试仿真验证和硬件综合。 第五章，总结了本文所做的工作，并提出了下一阶段的研究方向。 4 太原理工大学硕士学位论文 第2 章基于d e lt a 学习规则的部分并行干扰抵消多用检测 2 1 多用户检测技术 多用户检测器和传统的匹配滤波检测器的区别在于：在匹配滤波器的基础之上增加 了多址干扰抵消的多用户检测算法模块。在对用户信息进行检测时，多用户检测器不再 是各个用户相互独立进行，而是综合利用各种可能利用的信息，对所有用户进行一种联 合检测，从而达到利用所有用户信息，使单用户的信息检测的性能得到最大限度改善1 1 3 1 。 多用户检测器往往采用多级级联的形式进行检测，其目的是为了尽量降低误码率，提高 检测的可靠性【】4 i 。其基本结构如下图2 1 所示： l j 多 用 户 检 算 - 2 ； 法 图2 1 多用户检测系统模型 f i g 2 1 m u l t i - u s e rd e t e c t i o ns y s t e mm o d e l 2 2 直接序列码分多址( d s c d m a ) 系统模型 在d s c d m a 系统中，对用户信号先以直接扩频方式进行扩频，然后调制到单载波 上进行传输，通常被称作直扩系统。在d s c d m a 中，不同的特征波形对应着不同的用 户，在接收端接收的信号是：首先，对每个用户传递信号用不同的特征波形扩频，然后 在接收端把它们迭加起来，再加上信道噪声。由于每个信号源都有唯一的一组码，在对 用户信息进行调制之后，产生的扩频信号带宽比普通信号带宽大得多，这组码是伪噪声 序列( p n 码) 。扩频信号可以抵抗严重的同频干扰正是由于这种冗余的存在【l5 1 。 5 太原理工大学硕士学位论文 d s c d m a 利用这一特性，在其它各路信号具有随机噪声特征的情况下，接收机对其中 一路的信号可以采用相应的p n 码将其恢复。调制方式是二进制的相移键控相干调制 ( c o h e r e n tb i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ，c b p s k ) ，图2 - 2 所示分别为d s c d m a 系统中第 个用户的发射机、接收机的示意图。 数据流0 ( f )扩频码s j ( t )载波c o s ( 2 n f o t ) ( a ) 发射机 载波c o s ( 2 7 c f o t ) 扩频码s j ( t ) 发射信号x j ( t ) ( b ) 接收机 图2 2d s c d m a 系统模型 f i g 2 - 2t h es y s t e mm o d l eo fd s - c d m a 假设当前一个d s - c d m a 的通信系统，其中同时有足个用户通过同一条普通的加性高 斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ，a w g n ) 信道，采用异步传送信息，采用相 干b p s k 解调方式，则基带信号可表示为【1 6 】： x o o 厂( f ) = 彳，b ) s ，( t - i t - r ) + ，z ( f ) ( 2 1 ) ，= l f = 一o o 其中，a 为第j 个用户的接收幅度：b j ( i ) 一1 ，+ 1 ) 是第_ ，个用户发送的字符序列， 成等概率发布，由持续时间，的矩形脉冲组成；s j ( t ) 为第个用户的具有单位功率的特征 波形；，是符号( 比特) 间隔；r ，表示第个用户的时延：，z ( f ) 表示具有单位功率谱密 度的零均值高斯白噪声。 2 3 部分并行干扰抵消多用户检测 尽管并行干扰抵消检测能够很好的抑制多址干扰，但是由于其对匹配滤波器的依 6 太原理工大学硕士学位论文 赖性很强，一旦匹配滤波器的检测结果失真，那么再进行多址干扰抵消时，其检测性能 就会大打折扣，甚至还有可能严重下降。由此，人们经过研究，又提出了部分并行干扰 抵消多用户检测算法【1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 0 1 。图2 3 是d s c d m a 系统中的部分并行干扰抵消多用 户检测的系统模型。 第1 级 b ( n 夕 判决 l 一 k 掣一。4 矿( i ) = l l 心( n 。 判决 k 4 沪，( i ) 图2 - 3 部分并行干捌氐消的多级结构 第s 级 f i g 2 3t h em u l t i s t a g es t r l l c t u r eo fp p i c 部分干扰抵消检测将重构的基本原理是：将多址干扰从判决变量中抵消，而重构的 多址干扰将与一个干扰抵消因子( i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nf a c t o r ，i c f ) 相乘，根据上 一级判决结果的准确程度，通过调整干扰抵消因子，灵活的控制干扰抵消量，减小信号 经过干扰抵消后含有的噪声分量和干扰分量的方差，最终使因判决结果失真造成的错误 抵消得以避免，以达到降低系统误码率的目的【2 l 】【2 2 】【2 3 】【2 4 】。 在d s c d m a 系统中，匹配滤波器输出的判决变量为： x 杈f ) = 4 吃( 卅p ：a 。玩( f ) + 刀) ，j = l ，k ( 2 2 ) = l ，七j 其中，k 为系统中的用户数，为训练比特数，纵表示第j 个用户和第k 个用户的 互相关系数。判决后得到的估计值为： 耷1 ( f ) = s 印 巧1 ( f ) ，j = l ，k 7 ( 2 3 ) 太原理工大学硕士学位论文 加入干扰抵消凼子后的部分并行干扰抵消在第s 级的判决变量为： 伽) = 4 + 。磊k 。野4 仇( f ) _ 艄叫+ 删，= 1 ，“，州，m ( 2 4 ) 其中，姑为第k 个用户在第s 级的干扰抵消因子，相应的判决输出为： 叭泸s g n 牲州，j ：l ，k ，j = 2 ，m ( 2 5 ) 2 4 匹配滤波器 匹配滤波器的性能优异，具有大的时间带宽积，因此在信号检测和时延估计中有着 广泛的应用，使得它在c d m a 通信系统中受到了极大重视。例如，匹配滤波器不仅作 为r a k e 接收和快速捕获等传统技术的最佳方案，而且在智能天线技术和多用户检测 技术等方面也发挥了巨大的优势。但是，由于大的时间带宽积的存在，实现匹配滤波器 比较困难。因此，实现匹配滤波器成本较大且复杂。直到大规模集成电路工艺取得了巨 大的发展和声表面波延迟线的出现，这个问题才得到了很好的解决。伴随着集成电路技 术的不断发展，越来越多的采用数字技术，数字滤波器的优势已经日趋明显，相对于传 统的模拟滤波器来说，它没有噪声的积累问题，不存在固有噪声，而且具有可编程、实 现简单、对元件参数变化不敏感等众多优点【2 5 】。 输 图2 4 匹配滤波器的基本结构 f i g 2 - 4 t h eb a s i cs t r u c t u r eo f m a t c h e df i l t e r 数字匹配滤波器是一种在最大信噪比准则下可获得最大输出信噪比的滤波器。目 前，数字匹配滤波器一般是在基带上实现的，即处理的是零中频信号，在接收机中一 般在中频进行a d 变换，将数据进行数字下变频后，变成数字基带信号送入匹配滤波 r 太原理工大学硕士学位论文 器中。图2 - 4 是数字匹配滤波器的基本结构，其主要部分是移位寄存器和累加器。匹 配滤波器能十分迅速的捕获到扩频信号，对扩频码的解扩和捕获可在一个扩频码周期内 同时完成。 本文所选的p n 码是3 1 位的m 序列，它是最长线性以为寄存器序列的简称。m 序 列规律性强、容易产生、性能优良，基于这些有点，使得它在扩频通信中被广泛的使用。 2 5d e l t a 学习规则 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，n n s ) 是一门新兴的学科，是对人脑的 抽象、模拟和简化，且具有高速的信息处理能力和高度的并行性，反应了人脑的基本特 征2 6 1 2 7 1 。d e l t a 学习规则应用很广泛，其基本原理是：连续不断的修改神经元之间的连 接权值，使得待处理单元中实际输出值与希望输出值之间的差异不断减小。这个规则起 初用于简单感知机的学习，后来改进为w i d r o w h o f f 学习规则和最小均方( l e a s tm e a n s q u a r e ，l m s ) 学习规则，w i d r o w h o f f 学习规则一般用于单元输入输出函数为可微分 函数的感知机网络的学习，而l m s 算法的出发点是使用网络输出的均方误差最小化， l m s 算法推广到由非线性可微分单元组成的多层前馈网络，便是误差逆传播算法，也 称广义d e l t a 规则。 输 入 单 兀 图2 5d e l t a 学习规则原理图 f i g 2 - 5t h eb l o c kd i a g r a mo fd e l t al e a r n i n gr u l e 本文采用简单d e l t a 规则，即误差修正规则，其原理图如图2 5 所示。它的基本原理 是利用某个单元的希望输出与实际输出之间的差来调整该单元与上一层中对应单元的 连接权值，以达到减小这种偏差的目的。它规定：单元之间连接权值的变化正比于输出 单元希望输出与实际输出之差。假如如为第g 个输入向量p 。的第，个元素，口由为把p ，提 交给网络时网络实际输出的第f 个元素，瓯为把p ，提交给网络时网络希望输出的第f 个 q 太原理工大学硕士学位论文 元素，那么单元之间连接权值w 扩的变化量为： w 口= n t a i q a i q 、) p j q ( 2 6 ) 其中，口为学习速度，通常取值范围为0 a 1 。所以，简单d e l t a 规则可以表示为： = w u ”+ 6 w u = ”+ 口( a 由一口却) p 为 ( 2 7 ) 还可以在实际应用中，对d e l t a 规则的具体实现形式进行有针对性的修正。为了能够 使i c f 值更精确地被调整，将( 2 7 ) 式q h d e l t a 规则的加性公式相应的修改为下面的乘性公 式： ”w = 删 1 + 口( f i 姆一口由) p 为】 ( 2 8 ) 由此得出，新的权值嵋“的调整幅度大小将依赖于学习速度口，而通过改变口的值， 能对权值进行连续和更为精细的修正。 2 6d s c d m a 系统中的d e l t a p p i c 在c d m a 系统的接收端，传播环境是需要考虑的主要因素，但是由干扰用户的数 量和噪声的功率水平决定着传播环境的好坏。在实际的移动通信过程中，在较短的时间 内，噪声的功率水平和干扰用户数都不会发生太大变化，而是会被保持在一个相对稳定 的范围内。所以，通信系统在进行正式的通信前，事先将一定长度的训练序列发送出去， 让其通过实际的传播环境到达基站接收端，在这一过程中，d e l t a 学习规则将被应用于 序列中，来生成实时的干扰抵消因子，这些实时生成的i c f 值在最后将被用于正式的 通信过程中。在训练过程中，生成的实时干扰抵消因子能真实的反映当前噪声、多址干 扰和多径干扰等环境因素对系统传输的影响，然后依据这些相关信息，相应的调整干扰 抵消因子，保证用户信息的正确恢复。 以d s - c d m a 通信系统为例，应用d e l t a 学习规则部分并行干扰抵消检测的系统模型 如图2 6 所示。 在部分并行干扰抵消的第1 级中，第个用户的第f 个判决比特可表示为式( 2 - 9 ) t 2 9 ： 1 0 j = 1 ，k ，i = 1 ，m ( 2 - 9 )u + u 以 4 陬 k 非 + o 乞4 = u 一， 太原理工大学硕士学位论文 第1 级 l 第s 1 级 ll 第s 级 f i g 2 - 6t h ed e l t a p p i cs y s t e mm o d e l 其中， f 为训练比特数。判决后得到的估计值为： 岛1 ( i ) = s 印 ( i ) ，= 1 ，k ，i = 1 ， ( 2 - 1 0 ) 在第s 级中，第j 个用户的第f 个判决比特为： ( i ) ：a y b y ( i ) + k 艮a k b k ( i ) 一( 嗽川( 明+ n j ( m j = 1 ，k ，s = 2 ，m ，i = 1 ，f ( 2 1 1 ) 其中， k 保4 姑( f ) 反h ( i ) 是重构的多址干扰，以s ( i ) 是第尼个用户的第f 个比 特在第s 级中的干扰抵消因子。相应的判决输出为： b ( j s ) ( i ) = s g n r ；5 ( f ) ，j = l ，k ，5 = 2 ，m ( 2 - 1 2 ) 根据公式( 2 8 ) 对干扰抵消因子砖( i ) 进行调整： w ( k s ) c d = s a t i n 1 c z ， ，+ 口c d l 凌p c r ，一凌”c d 口) ，s = 2 ， 4 ( 2 - 1 3 ) 太原理工大学硕士学位论文 其中，s a t l i n 为饱和线性函数，如图2 7 所示，确保学习过程的收敛，即确保有 o 以5 ( f ) 1 ；以1 ( i ) = 1 ，k = 1 ，k ；i = l ，f 表示匹配滤波；反( f ) 表示第k 个用 户的第f 个比特在第s 一1 级的实际输出；窿h ( i ) 表示第七个用户的第f 个比特在第5 1 级 的希望输出。 j 1 j。 0 1 图2 - 7 线性饱和函数 f i g 2 7l i n e a rs a t u r a t i o nf u n c t i o n 在干扰抵消因子的调整过程中，必须在系统接收端生成了一个k x m 的三维i c f 矩阵。该矩阵的元素是基于训练比特产生的实时i c f ，在系统进行正式通信前需要将这 个三维矩阵拟合成kx m 的二维矩阵。考虑算法的复杂度和实际情况，本文将对 每个用户在每一级的所有实时i c f 取算术平均，由此生成的 c f 值可表示为： 砖k 专蕃以( i ) ，七_ 1 ，k ，j _ 1 ，m ( 2 - 1 4 ) 根据算法原理和图2 6 ，可以总结出应用d e l t a 部分并行干扰抵消多用户检测器的工 作流程：首先，接收信号先进行匹配滤波，得到各个用户信号的初始判决值；与此同时 应用d e l t a 学习规则训练出用于正式通信的实时干扰抵消因子。接着，对每个用户进行多 址重构，干扰抵消，重构过程需要利用其他用户的初始判决值，和各用户之间的相关系 数。最后，恢复用户信息。 2 7 本章小结 本章首先简单介绍了多用户检测技术，给出了d s c d m a 的系统模型，然后在 d s c d m a 系统中，详细介绍了并行干扰抵消算法和部分并行干扰抵消算法，随后介绍 1 2 太原理工大学硕士学位论文 了匹配滤波器和d e l t a 学习规则。d e l t a 学习规则可以利用某个单元的希望输出与实际输 出之问的差来调整该单元与上一层中相应单元的连接权值，减少输出的偏差，能够有效 的抑制多址干扰，而且硬件实现比较简单。最后，详细介绍了基于d e l t a 学习规则的部 分并行干扰抵消检测算法( d e l t a p p i c ) 。 1 3 太原理工大学硕士学位论文 1 4 太原理工大学硕士学位论文 第3 章f p g a 开发平台 随着数字化和信息化的时代的到来，现代数字产品在性能提高、复杂度增大的同时， 更新换代的步伐也越来越快，生产制造技术目前己进展到深亚微米阶段。数字芯片经历 了从s s i 到m s i 、l s i ，再到v l s i 的阶段，直到现在的系统芯片( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ， 把完整的电子系统集成到一个芯片上。同时，可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ，p l d ) 的发明和使用，使得电子系统的设计制作方式产生了极大的改变。p l d 器件经历了由可编程逻辑阵y i j ( p r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ，p l a ) 、通用阵列逻辑( g e n e r i c a r r a yl o g i c ，g a l ) 等简单形式，到可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ， c p l d ) 和现场可编程门阵y u ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 等复杂形式的发展。 由于提高了系统可靠性，简化了电路设计，降低了成本，被广泛的使用，p l d 器件正向 着功耗更低、功能更强、密度更高和速度更快的方向不断发展【2 9 1 。 3 1f p g a 的内音1 5 资源 圜 国豳 i 哪_ 到 b _ _ _ ： i b r a m 1 0 b 删，一c l b _ i i c l b t n di ； ， p i l o b 1 7 l 9 i o b c l b c l b b r a m c l b l 。i ，o b9 目 角田压虱压捆眶角匡l压 太原理工大学硕士学位论文 技术，简化的f p g a 芯片基本由七部分组成：可编程输入输出单元( i o b ) 、基本可编 程逻辑单元( c l b ) 、数字时钟管理模块( d c m ) 、嵌入式块r a m 、丰富的布线资源、 底层嵌入式功能单元和内嵌专用硬树2 9 1 。f p g a 芯片内部结构如图3 1 所示。 3 2f p g a 系统开发设计基本流程 本节以i s e ( i n t e r g r a t e ds o f t w a r ee n v i r o n m e n t ) 设计平台为例，简单介绍f p g a 的 设计流程。图3 2 是设计的基本流程。 ( 1 ) 设计输入 图3 - 2 f p g a 设计流程 f i g 3 2t h ep r o c e s so ft h ef p g ad e s i g n 1 6 太原理工大学硕士学位论文 第一步，设计输入主要有原理图输入、硬件描述语言h d l 和状态图输入。h d l 语 言描述在状态机、控制逻辑、总线功能方面较强。而原理图输入在顶层设计、数据通 路逻辑、手工最优化电路等方面具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点【3 0 。 ( 2 ) 功能仿真 功能仿真又叫前仿真，是最基本的仿真验证。仿真过程没有加入时序信息，不涉及 具体器件的硬件特性，如延时特性。其主要目的是验证设计文件的逻辑功能是否正确， 是否满足设计要求。m o d e lt e c h 公司的m o d e l s i m 、x i l i n x 公司的i s e 软件等软件都是 比较常用的仿真工具。 ( 3 ) 设计综合 综合是将较高级的抽象层次描述转化为较低层次描述，即设计输入被翻译成由与、 或、非门和触发器、r a m 等一系列基本逻辑单元组成的逻辑网表，而非真实的门级电 路。综合完成后可以输出报告文件，列出资源使用情况、综合后层次信息等。 ( 4 ) 工程实现 实现是利用实现工具把逻辑映射到目标器件结构的资源中，决定逻辑的最佳布局， 选择逻辑与输入输出功能连接的布线通道进行布线，并产生相应文件。在i s e 中，f p g a 设计的实现主要包括转换( t r a n s l a t e ) 、映像( m a p ) 、布局布线( p l a c e & r o u t e ) 和时间 参数提取( t i m i n g ) 。转换，将多个设计文件和约束文件合并成一个文件。映像，将网 表中逻辑门映射成物理元素，即把逻辑设计分割到构成可编程逻辑阵列内的可配置逻 辑块与输入输出块及其资源中。布局布线将影响产生的物理单元在目标器件上放置和连 接，并提取相应的时间参数，时间参数提取输出的时序报告可以反映当前的设计是否满 足时序约束【3 l 】。 ( 5 ) 时序仿真 随着集成电路工艺的发展，芯片的工作频率有了很大的提高，但是工作频率的提 高带来了两个问题：时序冲突概率变大以及电路的稳定性下降。因此对于高速的设计 ( 5 0 m h z 以上) ，时序仿真就显得尤为重要了。时序仿真又称后仿真，通过计算各个信 号之间的时间延迟，时序仿真能有效的分析设计中可能存在的竞争和冒险，从而确定设 计的实际性能3 2 1 。 ( 6 ) 下载验证 在功能仿真和时序仿真正确的前提下，将综合后形成的位流下载到具体的f p g a 1 7 太原理工大学硕士学位论文 芯片中，然后进行实际的物理测试即为电路验证。当得到正确的结果时就证明设计的正 确性，电路验证对f p g a 投片生产具有重要意义。 3 3 硬件描述语言 原理图输入和硬件描述语言设计是电子电路的设计最主要有两种的两种方式。在设 计电路规模较小的时，原理图设计是经常被采用的方法，设计系统可以直接用原理图的 形式表现出来，具有直观、形象等优点。但是原理图输入法的通