（微电子学与固体电子学专业论文）mimoofdm系统信号检测技术研究及vlsi实现.pdf

摘要 摘要 与传统单天线技术相比，m i m o ( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ，多输入多 输出) 无线通信技术可提供更高的系统信道容量，近年来已成为无线通信系统算 法设计与硬件实现的研究热点之一，无论在3 g 、l t e 、4 g 中m i m o 技术都有着 广泛的应用。如i e e e 8 0 2 1 6 e 中采用了天线阵列为4 x 4 ，调制方式为6 4 q a m 的 m i m o 技术，数据率达到7 0 m b p s ，以同样指标实现的i e e e8 0 2 1 1 n 数据率更可 达到5 0 0 m b p s ，然而，随着收发天线数量的提高与调制方式的复杂化，m i m o 系统的复杂度也不断提高，如何设计m i m o 无线通信系统中的信号检测系统( 即 m i m o 信号检测器) ，使之以低复杂度实现，并能满足m i m o 无线通信技术高速 率的要求是通信领域研究的核心课题之一。同时，随着m i m o 技术在移动设备 上的普及，在同一系统中采用可配置多模调制这一架构方式更有利于应对信噪比 的变化，保证通信质量、实现低功耗策略，这也要求m i m o 信号检测器能够针 对不同调制方式进行可配置解调检测。文章针对m i m o 无线通信系统对信号检 测器的高速、低复杂度、可配置等一系列要求，提出了两种m i m o 信号检测器： 信道辅助型超前删除检测器与预删减折叠k b e s t 检测器的算法研究与电路实现。 文章首先分析了现有m i m o o f d m 信号检测算法。现有算法中，k b e s t 算 法以广度优先方式进行信号检测，其性能可达到次优最大似然检测性能，且具有 并行计算的特性，无回溯迭代过程，可应用于高速m i m o 通信系统，符合下一 代无线通信系统的高速需求，因此文章提出的信号检测器均基于k b e s t 检测算 法。 为满足检测性能，传统k b e s t 算法中参数k ( 代表各检测层保留输出节点 数) 必须随天线阵列数提高而增加，更重要的是，其扩展k 个输出节点的全部 子节点这一特性使其无法回避计算复杂度随调制方式复杂化线性上升这一缺陷， 使其在应对诸如i e e e 8 0 2 11 n 等协议中4 x 4 天线阵列、6 4 q a m 调制方式的系 统指标时不得不消耗极大的硬件资源。为克服这一问题，文章所提出的m i m o 信道辅助型超前删除检测算法与m i m o 预删减折叠k b e s t 检测算法以减少计算 复杂度为目标，创新性地分别在前者通过信道辅助分层对子节点超前删除、后者 通过子节点预删减与折叠计算方式，于1 6 q a m 与6 4 q a m 调制方式下，在保 持次优最大似然检测性能的基础上大幅减少了计算复杂度。 在硬件实现上，文章分别就m i m o 信道辅助型超前删除检测算法与m i m o 预删减折叠k b e s t 检测算法提出了电路实现方案，在输入信号的控制下，两者 分别可针对q p s k 1 6 q a m 与q p s k 1 6 - q a m 6 4 q a m 调制方式进行解调检测。 同时在系统架构中采用并行、流水线设计方案，使电路具有高速检测特性，在硬 摘要 件实现中采用模块复用、超前计算、时序匹配等技术，减少硬件资源的消耗。 通过x i l i n xv i r t e x 4f p g a ( x c 4 v l x 2 0 0 ) 平台对可配置型信道辅助型超前删 除m i m o 信号检测器硬件实现，在1 6 一q a m 调制方式下数据吞吐率可达到 2 g b p s ，此速率在同类信号检测器中达到很高的水平。通过对预删减折叠k - b e s t m i m o 信号检测器在s m i c 0 1 8 m 工艺a s i c 流程中实现，其在 q p s k j l6 - q a m 6 4 q a m 调制方式下数据吞吐率均可达到1 g b p s ，同样达到较高 水平。通过算法设计、硬件优化，文章所设计的两种m i m o 信号检测器与具有 相同性能指标的同类检测器相比具有很大的性能优势。 关键词：多天线，正交频分复用，信号检测器，超大规模集成电路 中图分类号：t n 4 9 2 v a b s t r a c t a b s t r a c t m i m o ( m u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t ) w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i s c a p a b l eo fp r o v i d i n gm u c h m o r es y s t e m c a p a c i t yc o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a l s i n g l e i n p u t - s i n g l e o u t p u ts y s t e m ，w h i c hh a sb e c o m et h eh o ts p o to fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m m i m ot e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nc o m m u n i c a t i o nf i e l ds u c ha s3 g , l t eo r 4 gf o re x a m p l e ，4x46 4 一q a mm i m os y s t e mi su s e di ni e e e 8 0 2 16 ew h i c hi sa b l e t oa c h i e v e7 0 m b p st h r o u g h p u t t h et h r o u g h p u to fi e e e 8 0 2 1i ni sn e a r l y5 0 0 m b p s w i t ht h es a m es y s t e mc o n d i t i o n h o w e v e r , w i t ht h ei n c r e a s i n gi na n t e n n aq u a n t i t ya s w e l la st h em o d u l a t i o nc o m p l e x i t y , t h eh a r d w a r ec o m p l e x i t yo fm i m os y s t e mi sa l s o i n c r e a s e ds i m u l t a n e o u s l y a sam a t t e r o ff a c t , h o wt od e s i g nas i g n a ld e t e c t o ri n m i m os y s t e mw i t hl o wh a r d w a r ec o m p l e x i t ya n dh i g hs p e e dd a t at r a n s f e rc a p a b i l i t y h a sb e c o m et h et o p i ci nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l d i na d d i t i o n ，w i t ht h es p r e a do f m i m ot e c h n o l o g yi nm o b i l ee l e c t r o n i cd e v i c e sa r e aw h e r es n ri sa l w a y sc h a n g i n g ， i ti sm u c hm o r ea d v a n t a g e o u st ot h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o nt h a tt h ea r c h i t e c t u r e w i t hr e c o n f i g u r a b l em u l t i p l em o d u l a t i o ni sa p p l i e di nas i n g l es y s t e m i tm e a n st h a t t h em i m os i g n a ld e t e c t o r sn e e dt oh a v et h e a b i l i t y o fd e m o d u l a t i n gd i f f e r e n t m o d u l a t i o n sw i t ht h es a m eh a r d w a r es t r u c t u r e i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to f h i g hs p e e d ，l o wc o m p l e x i t ya n dr e c o n f i g u r a b l es t r u c t u r et h a ta r ed i s c u s s e da b o v e ，t w o m i m os i g n a ld e t e c t o r s ：c h a n n e l - a i d e dp r u n i n g a h e a dd e t e c t o ra n dp r e - p r u n i n g f o l d i n gk b e s td e t e c t o ra r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r c u r r e n tm i m o o f d ms i g n a ld e t e c t o ra l g o r i t h m sa r ea n a l y z e df i r s t l y b o t ht h e a l g o r i t h m sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ra r eb a s e do nk - b e s ta l g o r i t h m ，s i n c ei tp e r f o r m sa b r e a d t h f i r s ts e a r c h i n gp r o c e s si ns i g n a ld e t e c t i o nt h a ti sa b l et oa c h i e v eas u b - m l d e t e c t i o np e r f o r m a n c ea n dh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fp a r a l l e lc a l c u l a t i o nw i t h o u t i t e r a t i o n ，w h i c hm a k e si tb es u i t a b l et ot h eh i g hs p e e dm i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dm e e tt h er e q u i r e m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n si nn e x tg e n e r a t i o n w h e nq u a n t i t yo fa n t e n n aa r r a y si si n c r e a s e d ，t h ep a r a m e t e rki nk - b e s ta l g o r i t h m ， w h i c hr e p r e s e n t st h en u m b e ro fs i g n a ln o d e st ob es t o r e da n do u t p u t t e di ne a c h d e t e c t i o nl a y e r , m u s tb ei n c r e a s e dt o o t om a k ei tw o r s e ，k b e s ta l g o r i t h me x p a n d s a n dc a l c u l a t e sa l lc h i l dn o d e so fks t o r e dn o d e s w h i c hm a k ei tu n l i k e l yt oa v o i dt h e d e f e c tt h a tt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yw i l ll i n e a r l yi n c r e a s ew i t ht h ec o m p l e x i t yo f m o d u l a t i o nm e t h o d s f o re x a m p l e h u g eh a r d w a r er e s o u r c e sw i l lb ec o n s u m e dw h e n v i a b s t r a c t i m p l e m e n t i n gak b e s ts i g n a ld e t e c t o ri n a4 46 4 q a mm i m o s y s t e mi ns o m e p r o t o c o ls u c ha si e e e 8 0 2 11n t oo v e r c o m et h i sd r a w b a c k ，t h et w oa l g o r i t h m p r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sa i m i n gt od e c r e a s et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo fs i g n a l d e t e c t i o n t h ec h a n n e l - a i d e dp r u n i n g - a h e md e t e c t o rd e l e t e st h ec h i l dn o d e si n a d v a n c ew i t ht h ea i do fc h a n n e li n f o r m a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c sw h i l et h ep r e p r u n i n g f o l d i n gk b e s td e t e c t o rp r u n e st h ec h i l dn o d e sa n dc a l c u l a t e st h er e m a i n i n go n e si n f o l d i n gm o d e b o t ho ft h ed e t e c t o r sh a v ed e c r e a s e dt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y d r a m a t i c a l l yw i t h o u tt h ed e g r a d a t i o no f d e t e c t i o np e r f o r m a n c e t h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n s o fc a p ad e t e c t o ra n dp p f k bd e t e c t o ra r e p r e s e n t e di nt h i sp a p e r c o n t r o l l e db yt h ei n p u ts i g n a l ，c a p ad e t e c t o ra n dp p f k b d e t e c t o ra r ea b l et op r o c e s ss i g n a ld e t e c t i o ni nq p s k 1 6 - q a mm o d u l a t i o na n d q p s k 16 - q a m 6 4 q a m m o d u l a t i o n r e s p e c t i v e l y t h ep a r a l l e l a n dp i p e l i n e d s t r u c t u r e sa r ei m p l e m e n t e ds oa st oi m p r o v et h ed e t e c t i o ns p e e d m o d u l em u l t i p l e x i n g ， t i m i n gm a t c h i n gi su s e dt or e d u c et h ec o n s u m p t i o no fh a r d w a r er e s o u r c e c a p am i m os i g n a ld e t e c t o ri si m p l e m e n t e do nf p g ap l a t f o r mo f x i l i n xv i r t e x - 4 f p g a ( x c 4 v l x 2 0 0 ) i th a sa c h i e v e da2 g b p st h r o u g h p u ti n 16 一q a mm o d u l a t i o n ， w h i c hh a sr e a c h e dah i g hl e v e lr e s u l ta m o n gt h ed e t e c t o r sw i t ht h es i m i l a r s p e c i f i c a t i o n s p p f k bm i m os i g n a ld e t e c t o ri si m p l e m e n t e di n a s i cf l o ww i t h s m i co 18 “m l i b r a r y i t h a sa c h i e v e d a1g b p s t h r o u g h p u t i n q p s k 16 一q a m 6 4 一q a mm o d u l a t i o n ，w h i c h h a sa l s oo b t a i n e dav e r y h i g h p e r f o r m a n c e w i t ht h ed e s i g no fa l g o r i t h m sa n do p t i m i z a t i o no fh a r d w a r es t r u c t u r e s ， t w om i m os i g n a ld e t e c t o r sp r e s e n t e di nt h ep a p e rh a v et h eg r e a ta d v a n t a g ei n p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m i m o ，o f d m ，s i g n a ld e t e c t o r , v l s i c l cn u m b e r ： in 4 9 2 ； 图汇总 图2 - im i m o 无线信道8 图2 2典型m i m o 系统框架9 图2 3m i m o 收发系统框图9 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 图4 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 2 x 2 天线、q p s k 、k = 4 的m i m o 算法树形运算搜索方式1 3 深度优先算法搜索示意图1 4 2 2 天线、q p s k 调制、k = 4 的k b e s t 算法树形查找结构1 5 c a p a 算法第一层计算，查找1 7 c a p a 算法第二层计算，查找1 8 c a p a 算法第三层计算，查找1 8 c a p a 算法第四层计算，查找，最终结果输出1 9 q p s k 调制下c a p a 与k b e s t 性能比较1 9 1 6 q a m 调制下c a p a 与k - b e s t 性能比较2 0 p p f k b 算法示意图2 2 6 4 q a m 不同c o 值的p p f k b 算法与传统k - b e s t 算法性能2 3 1 6 q a m 不同值的p p f k b 算法与传统k - b e s t 算法性能2 4 m i m o 信号检测系统模块划分2 6 4 x 4 矩阵q r 分解脉动结构图及时序输入输出2 9 q r 分解模块延时单元3 0 q r 分解运算模块3 0 传统全并行k b e s t 算法硬件架构3 1 k b e s t 层模块结构31 累积欧氏距离增量计算单元模块3 2 待选生成模块电路图3 3 上层干涉模块电路图3 4 增量计算模块电路图3 4 加法阵列电路图3 5 “比较交换”并行冒泡排序系统框图3 5 “比较交换”电路3 6 c a p a 算法( m = 3 ) m i m o 信号检测器系统框图。3 7 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 可配置型累积欧氏距离增量单元框图3 7 可配置型待选生成模块3 8 可配置增量计算模块电路图3 9 可配置加法阵列4 0 可配置迫零检测模块4 1 c a p a m i m o 信号检测器f p g a 实现的测试平台4 2 p p f k b m i m o 信号检测器系统框图4 5 p p f k b 模块电路结构框图4 5 p p f k b 待选生成模块4 6 p p f k bz r 选择模块4 7 p p f k b 上层干涉模块4 7 欧氏距离增量判断及节点选择示意图4 9 增量计算与累加模块5 0 p p f k b 节点累积欧氏距离计算单元折叠时钟节拍流程5 l 1 6 输入排序模块数据流结构 2 7 】5 2 流水线p p f k b 折叠内排序数据流结构图5 3 p p f k b 排序选择模块结构框图5 6 p p f k b 折叠内排序第三级折叠输出选择器5 7 p p f k b 检测器折叠时钟节拍流程5 8 p p f k b m i m o 信号检测器版图5 9 表汇总 表1 1m i m o o f d m 技术在通信标准中的应用2 表3 1 2 x 2 天线k b e s t 算法搜索计算节点数量l5 表3 24 x 4 天线k b e s t 算法搜索计算节点数量1 6 表3 3 q p s k 调制下k b e s t 与c a p a 性能比较2 0 表3 - 4 1 6 q a m 调制下k - b e s t 与c a p a 性能比较2 0 表3 5传统k b e s t 算法与p p f k b 算法节点计算量2 4 表4 1c a p a m i m o 信号检测器f p g a 实现的测试结果4 2 表4 - 2 4 x 4 天线q p s k 1 6 - q a m 调制m i m o 信号检测器性能参数4 3 表4 3 c a p a m i m o 与典型m i m o 信号检测器性能比较4 3 表4 4可配置p p f k b m i m o 信号检测器性能参数6 0 表4 5p p f k l 3 m i m o 与典型可配置型m i m o 信号检测器性能比较6 0 i i i 第一章引言 第一章引言 1 1 论文的研究背景 1 1 1 无线通信技术背景 无线通信意味着使用射频信号而非电缆在通信器件间传输信号。历史上， 无线通信所传输的信号往往是人与人之间通话的语音信号，现在越来越多的电 子器件都采用无线通信的方式传递信息。信息技术、多媒体、移动通信等不同 领域将整合为一。在不久的将来，便携设备将与电脑一样，能够方便地接入互 联网。这些移动终端利用网络，传输着各种多媒体信息，如语音、数据、图像、 g p s 、广播、电视、软件等。以上无线通信的应用都需要消耗大量带宽，即要求 未来通信系统具有高数据传输率的特性。为了满足人们对未来无线信息传输的 需求，设计者们必须建立具有高速特性的无线通信系统。 新一代移动通信标准( l t e 或4 g ) 将提供更高的无线通信速率，如i e e e 8 0 2 1 l n 标准可以提供高达5 0 0 m b p s 的传输速率。随着越来越多高速无线通信系 统的引入，近十年来，无线频谱成为了稀缺资源。不依赖于增加频谱而提高信道 容量只能由设计和实现更先进的无线通信技术来完成，如何在有限的频谱上设计 一个高传输数据率、低功耗、低硬件复杂度的通信系统是下一代无线通信研究者 所关心的主题。 多天线输入输出技术( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术能够在 空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，有效地提高了系统的传输速 率，在不增加系统带宽的情况下增加系统容量。在频谱资源不断减少的无线通信 领域，采用m i m o 技术无疑能够提高频谱效率。 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 ) 技术通 过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影 响，使在存在多径衰落的m i m o 信道环境下获得m i m o 增益。 如此将o f d m 和m i m o 两种技术相结合，就能切实提高的传输数据率，缓 解速率与带宽这一矛盾，实现高速、低成本无线通信。因此，m i m o - o f d m 技 术被广泛应用于无线通信国际标准中，表1 1 列举了应用m i m o o f d m 技术的 通信标准。 第一章引言 表1 1m 1 m o o f d m 技术在通信标准中的应用 标准天线阵列( 目前采用一最终目标) i e e e8 0 2 1 l n 2 2 4 4 i e e e8 0 2 16 2 0 0 42 xl ，4 4 i e e e8 0 2 1 6 e2 1 4 4 3 g p pr e l e a s e8 ( l t e )2 2 4 4 1 1 2m i m o o f d m 技术的发展 1 1 2 1o f d m 技术 o f d m 是一种多载波频分复用技术，其主要思想为，将信道分为若干正交 子信道，将高速数据信号转换为并行低速数据流，调制到每个子信道上进行传 输。r w c h a n g 等分析了多载波通信系统中如何使经过带通滤波的子载波保持正 交【1 】，【2 】，【3 】，s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 提出了使用离散傅立叶变换( d f t d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o m ) 实现基带调制和解调 4 ，由此奠定了o f d m 技术发 展的基础。 o f d m 技术的主要优点为： 1 ) 频谱利用率高 由于子载波频谱相互重叠，依靠各子信道信号的频谱在频域上相互正交来 分离各子信道信号，可以充分利用频带，因此频谱利用率高。o f d m 的各子信 道上还可以采用多进制调制，如正交幅度调制( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ， q a m ) ，进一步提高o f d m 系统的频谱效率。 2 ) 采用快速傅立叶变换技术实现调制解调，实现比较简单 o f d m 系统在发送端采用快速傅立叶反变换( i f f t ) 把频域的调制数据转 换为时域的信号发送出去，接收端再通过快速傅立叶变换( f f t ) 把时域信号转 化为频域信号，然后进行判决解调。 3 ) 抗多径干扰，抗衰落能力强 o f d m 系统采用多个子载波并行传输信息，调制符号的持续时间大于信道 的时延扩展，减少了系统对时延扩展的敏感程度，在衰落信道中受到的码间干 扰( i s i ) 相对减小。此外，o f d m 系统可以采用时域插入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ， c p ) 的方法，当循环前缀的持续时间大于最大时延扩展时，可以完全消除信号 的多径传播造成的码间干扰及径传播对载波间正交性的破坏，因此o f d m 系统 具有很好的抗多径干扰能力。同时，o f d m 技术使码元占用频带远小于信道相 关带宽，即每个子信道近似平坦衰落，易于子信道的信道均衡。 1 1 2 2 m i m o 技术 第一章引言 m i m o 无线通信系统在系统收发两侧同时配置多个天线，随着空间维的引 入，在适当的信道环境下，相对传统单天线系统可以提供额外的空间复用增益。 贝尔实验室的e t e l a t a r 和g j f o s c h i n i 论证了理论上的m i m o 信道的香农容量 4 】，【5 】。他们指出，使用m n 信道矩阵描述n 个发射天线和m 个接收天线 系统的无线信道，如果m n 信道矩阵的元素间具有理想的独立衰落，系统容 量将会随发射方和接收方天线数中最小一方的天线数m i n ( m ，n ) 的增加而线性增 加。这可以在单天线基础上成倍地增加系统容量。同时，f o s c h i n i 还开发了用于 m i m o 系统的实际发射接收算法，这就是著名的贝尔实验室分层空时码 ( b l a s t ) 算法 6 】。这些信号处理方案可以提高m i m o 系统的容量，因而吸引 了大量的研究开发人员和工程技术人员进行更深入的研究。m i m o 技术在各种 无线通信国际标准，如3 g 、i e e e 8 0 2 1 i n 、i e e e 8 0 2 1 6 e 标准等中被广泛应用。 如表1 1 所示，在各标准中，天线阵列均达到4 4 。其中i e e e8 0 2 1 l n 等 还将采用6 4 q a m 调制方式以进一步提高系统性能。由此带来了m i m o 通信系 统复杂度提高，硬件实现困难这一问题，这是集成电路设计者需要面临的一个 巨大挑战。尤其是如何设计作为m i m o 系统核心模块之一的m i m o 信号检测器， 以检测、恢复经过m i m o 信道后的发送信号已成为接收系统的瓶颈模块。 1 1 3 m i m o 信号检测器的设计发展方向 通信协议中采用复杂度更高的天线阵列与调制方式将带来更高的数据吞吐 率，这要求m i m o 信号检测器具有更快的数据检测速率，这将给m i m o 信号检 测器的设计带来不小的困难。与之相对，天线阵列数增加与调制方式复杂化也 将造成m i m o 信号检测器硬件复杂度提高，这一点对电路实现将造成更大的障 碍。如何克服通信系统复杂度提高对m i m o 信号检测器设计所带来的速率、硬 件两方面的困难，是设计者急需解决的难题。 现有m i m o 信号检测器中，【7 】设计了基于s d 算法的信号检测器。其每时 钟周期搜索单一节点的特性使之能以较少的硬件开销完成m i m o 信号检测，但 串行结构限制了其数据率，不适用于下一代高速无线通信。【8 】中设计了基于 k b e s t 算法的m i m o 信号检测器，其数据率达到4 2 4 m b p s 。【9 】中基于f p g a 实 现的固定数据率s d 算法检测器的速率达到6 0 0 m b p s 。然而在m i m o 信号检测 领域仍然缺乏一个速率更高，成本更低的信号检测器。 由此可见，如何利用m i m o 信道的高信道容量，设计数据率超过1 g b p s ， 硬件复杂度较低的信号检测器将成为下一代高性能无线通信系统的关键。 另一方面，新一代无线通信标准需要在同一系统中采用可配置多模调制这 一架构方式，以应对信噪比的变化，保证通信质量并且实现低功耗策略。m i m o 第一章引言 信号检测器的调制方式可配置化无疑是未来设计实现的趋势。设计具有可配置 特性的高速低复杂度的m i m o 信号检测器已成为m i m o 无线通信系统的核心课 题之一。 1 2 论文的主要工作和创新点 1 2 1 论文主要工作 ( 一) m i m o 信号检测算法研究 本文主要研究m i m o o f d m 系统信号检测算法及其v l s i 实现。在分析 m i m o o f d m 系统信号模型以及无线多天线系统信道特点的基础上，本文从信 号检测性能、算法复杂度和硬件实现适用性等方面详细分析了最大似然算法 ( m a x i m u ml i k e - h o o d ，m l ) ，迫零算法( z e r o - f o r c i n g ，z f ) 和球面解码( s p h e r e d e c o d e r ，s d ) 算法的优缺点。为了满足下一代无线通信高数据率的要求，本文针 对适于并行流水线结构实现的k b e s t 算法进行改进。在详细分析多天线信道模 型分布特点和k b e s t 树型搜索算法特性的基础，提出了信道辅助型超前删除检 测算法( c h a n n e l a i d e dp r u n i n g a h e a d ，c a p a ) 和预删减折叠k b e s t 检测算法 ( p r e p r u n i n gf o l d i n g k b e s t ，p p f k b ) 两种新型m i m o o f d m 系统信号检测算 法。 ( 二) m i m o 信号检测器v l s i 实现 针对提出的信号检测算法，和高速、低成本、低功耗要求，本文重点研究信 号检测算法的v l s i 实现。本文从数据吞吐率、硬件利用率和硬件灵活性等方面 分析了现有信号检测其结构的缺点，并提出了新的解决方案。针对多天线系统超 高数据吞吐率的要求，本文设计了结构紧凑的全并行流水线结构；针对无线通信 系统多模式传输的要求，本文设计了多模折叠结构：针对系统商用推广低成本、 低功耗的要求，本文设计了模块复用、超前计算等技术。 为了验证算法及其v l s i 架构的可靠性和优越性，本文分别利用x i l i n x v e r t e x 4f p g a 和s m i co 1 8 p mc m o s 数字工艺实现了提出的两款 m i m o o f d m 系统信号检测器，实现结果表明，本文设计的信号检测器能够满 足高速、要灵活性的要求。和国内外相同研究成果相比，本文设计的信号检测电 路达到了速度、成本和功耗的较优权衡。 1 2 2 论文主要创新点 ( 一) 针对高检测性能及高速、低成本v l s i 实现的要求，提出新型m i m o o f d m 系统信号检测算法 4 第一章引言 a ) 信道辅助型超前删除算法 通过m i m o 信道矩阵与信噪比的对应关系，以及k b e s t 算法分层计算中各 检测层信噪比特性，c a p a 算法对不同检测层采用不同子节点扩展策略，由仿真 确定临界层数，对信噪比高的各层采用迫零算法，减少子节点扩展数量，达到降 低计算复杂度的目的。 b ) 预先判定节点欧氏距离增量，采取子节点删减策略的p p f k b 算法 针对6 4 q a m 调制方式下需要扩展更多子节点，不利于硬件实现这一难题， p p f k b 算法预先判定检测层中各子节点的欧氏距离增量，对增量较大的子节点 预删减，减少子节点展开数量以降低计算复杂度。 ( - - ) 针对调制方式可配置化，高速、低成本要求以及新型信号检测算法特点设计 独特的v l s i 架构 a ) 可配置化高速全并行深度流水型v l s i 结构 在c a p a m i m o 信号检测器中，本文构建了1 6 q a m 调制全并行检测的架 构，通过部分模块关断实现q p s k 调制的可配置设计。这一方案不仅能实现可配 置型解调检测功能，还能使检测器具有极高的数据吞吐率。 b ) 高灵活性部分并行、多模折叠v l s i 结构 在p p f k b m i m o 信号检测器中，本文设计了q p s k 调制全并行检测架构， 通过每次输出2 个节点，分多次输出的折叠式检测节点实现1 6 q a m 与6 4 q a m 调制方式下的检测。这一方案充分利用了折叠计算的优势，以较小的硬件资源完 成高复杂度的信号检测。 c ) 时钟节拍匹配型v l s i 结构 通常的m i m o 信号检测器中如果采用折叠而非全并行方式访问节点，由于 节点的计算被划分在不同的时钟节拍，往往会造成其后的排序算法设计困难，或 需要额外硬件开销将节点归一至同一时钟节拍。本文在p p f k b m i m o 信号检测 器中设计了时钟节拍匹配技术，通过对排序特性的研究和证明，反而利用了在不 同的时钟节拍下计算节点这一特性，对随后的节点欧氏距离采用分布式排序，不 仅使排序模块实现硬件复用，还使所有节点归一至同一时钟节拍下，完全克服了 折叠所带来的缺陷。 ( 三) 低复杂度、高效率复杂数字信号电路 a ) 节点选择电路 折叠式计算中，节点输出的顺序选择需要以欧氏距离增量作为判断依据。本 文设计的节点选择技术无需实际计算各节点欧氏距离即可按升序折叠式输出各 节点，结合预删减算法，使删除节点的过程在欧氏距离增量计算过程之前完成， 减少待计算节点数量，降低了硬件复杂度。 第一章引言 b ) 模块复用电路 不仅通过时钟节拍匹配使排序模块能够复用，还通过对无相关性数据的统一 超前计算使部分计算模块对同一父节点的不同子节点完全复用，进一步降低了硬 件复杂度。 1 3 论文的组织结构 论文一共分为五章 第一章介绍了m i m o 信号检测器的研究背景、研究现状，包括m i m o 技术 的发展简介，m i m o 技术在标准中的应用，m i m o 技术存在的问题和挑战以及 m i m o 技术下一步的发展方向。同时介绍了本文的贡献和创新点。 第二章描述了m i m o 技术与o f d m 技术的基本原理，介绍了基于m i m o o f d m 技术的无线通信系统的系统框架及信号模型。 第三章介