一種基于多通道并行接收的同步捕獲及速率判決方法

趙 晨

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,陜西 西安 710068)

0 引 言

在無線通信領(lǐng)域中,正確實(shí)現(xiàn)接收端與發(fā)射端信息的同步是保證接收端能正確接收發(fā)射端發(fā)射信息的前提[1-2]。同步捕獲的過程通常分兩步完成:首先通過2個(gè)同步序列的相關(guān)計(jì)算,確定兩者的相關(guān)程度;然后用一個(gè)合適的同步捕獲判決算法處理相關(guān)計(jì)算值,從而判斷捕獲是否完成[3-4]。在計(jì)算多路并行接收信號(hào)的同步捕獲時(shí),通常是先實(shí)現(xiàn)單通道全精度數(shù)據(jù)與本地相關(guān)碼進(jìn)行復(fù)數(shù)相關(guān)再累加求和[5],然后將單通道同步捕獲進(jìn)行多次調(diào)用,將每路結(jié)果累加,最后將累加結(jié)果與門限值進(jìn)行比較,通過門限值確定捕獲位置,從而實(shí)現(xiàn)多通道并行接收的同步捕獲[6]。

傳統(tǒng)的同步捕獲方法是將輸入的全精度數(shù)據(jù)與本地同步碼進(jìn)行復(fù)數(shù)相關(guān)然后計(jì)算累加之和,當(dāng)面臨多路并行輸入接收的同步捕獲時(shí),通常將單路同步捕獲運(yùn)算多次并行調(diào)用實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)方法在計(jì)算同步捕獲時(shí),需要占用大量的硬件資源以供系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)數(shù)相關(guān)和并行調(diào)用運(yùn)算[7],這種方法在輸入為多路并行接收數(shù)據(jù)時(shí),通常會(huì)面臨資源不夠的問題,無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)同步捕獲操作。

1 本文工作

本文提供一種基于多通道并行接收的同步捕獲及速率判決方法,首先將輸入數(shù)據(jù)量化,減少數(shù)據(jù)位寬;然后對(duì)多通道并行接收數(shù)據(jù)采用時(shí)分復(fù)用的方式將并行接收數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取折疊,利用空閑時(shí)間將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù),降低并行處理的數(shù)據(jù)路數(shù)。在進(jìn)行復(fù)數(shù)相關(guān)計(jì)算時(shí),采用查找表代替?zhèn)鹘y(tǒng)的乘法器,采用絕對(duì)值近似替代傳統(tǒng)模值計(jì)算中的開方運(yùn)算,減少運(yùn)算資源使用。將相關(guān)結(jié)果同時(shí)與多種速率模式的門限值進(jìn)行比較,通過合適的門限值實(shí)現(xiàn)多種速率模式情況下的速率判決[8]。該方法在保證同步精度的前提下極大地降低了資源消耗,提高了資源利用率,所采用的實(shí)現(xiàn)邏輯如圖1所示。

圖1 同步捕獲方法的邏輯圖

2 邏輯實(shí)現(xiàn)

基于多通道并行接收的同步捕獲及速率判決方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

2.1 本地相關(guān)碼預(yù)處理

本方法采用串行方式對(duì)多路并行接收同步碼進(jìn)行預(yù)處理,將接收的同步碼與本地調(diào)制系數(shù)進(jìn)行調(diào)制處理,然后將串行結(jié)果轉(zhuǎn)為并行,得到多路調(diào)制后的本地相關(guān)碼。

2.2 本地接收數(shù)據(jù)量化

本方法對(duì)輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部按照下式進(jìn)行量化:

(1)

(2)

式中:Iin和Qin分別表示輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部;sign(x)表示x的正負(fù);Idata和Qdata分別表示量化后數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部。

量化時(shí),保留輸入數(shù)據(jù)的符號(hào)位信息,將輸入數(shù)據(jù)實(shí)部和虛部的絕對(duì)值進(jìn)行比較,將絕對(duì)值較大的數(shù)據(jù)位設(shè)置成3,絕對(duì)值較小的數(shù)據(jù)位設(shè)置成1,通過量化使輸入數(shù)據(jù)從多比特?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?,3,-1,-3四種情況,數(shù)據(jù)位寬大幅降低,存儲(chǔ)器、運(yùn)算器等資源開銷明顯減少。

2.3 多路并行數(shù)據(jù)抽取預(yù)處理

本方法對(duì)多路并行接收數(shù)據(jù)采用時(shí)分復(fù)用的方式進(jìn)行抽取折疊,若輸入數(shù)據(jù)為X×Y路并行,每一路數(shù)據(jù)Y×N倍采樣,復(fù)數(shù)相關(guān)計(jì)算時(shí)采用N倍采樣數(shù)據(jù),X,Y,N分別為正整數(shù),傳統(tǒng)方法中多路并行數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理,單路數(shù)據(jù)從Y×N倍采樣抽取成N倍,然后重復(fù)調(diào)用X×Y次,這種方式對(duì)資源的消耗是單路資源消耗的X×Y倍,同時(shí),單路數(shù)據(jù)抽取后某些時(shí)刻無需運(yùn)算,導(dǎo)致資源利用率較低。為了降低資源開銷,采用如圖2所示的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取處理。首先將單路Y×N倍數(shù)據(jù)抽取為N倍,然后利用單路數(shù)據(jù)抽取后的空閑段,采用時(shí)分復(fù)用的方法,將并行的X×Y路數(shù)據(jù)中的每Y路進(jìn)行合并,將每Y路數(shù)據(jù)抽取合并成1路,最終將X×Y路并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為X路。

圖2 本技術(shù)中數(shù)據(jù)抽取處理示意圖

2.4 基于查找表的實(shí)數(shù)復(fù)相關(guān)

本方法采用查找表代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復(fù)數(shù)乘法操作。傳統(tǒng)的實(shí)數(shù)復(fù)相關(guān)如下:

(DI+jDQ)·(PI·jPQ)=(DI·PI+

DQ·PQ)+j(DQ·PI-DI·PQ)

(3)

式中:DI表示數(shù)據(jù)實(shí)部;DQ表示數(shù)據(jù)虛部;PI表示相關(guān)碼實(shí)部;PQ表示相關(guān)碼虛部。

由公式(3)可以得出一次實(shí)部和虛部的計(jì)算分別需要2個(gè)乘法器和1個(gè)加法器。采用表1所示的查找表代替乘法運(yùn)算,則計(jì)算1次復(fù)數(shù)相關(guān)僅需要2個(gè)加法器。然后根據(jù)下式計(jì)算一次相關(guān)結(jié)果的模值:

表1 復(fù)數(shù)相關(guān)運(yùn)算查找表

(4)

式中:Scorr為單路相關(guān)運(yùn)算模值;Isum、Qsum分別為單用戶實(shí)部與虛部相關(guān)累加結(jié)果。

公式(4)將平方根運(yùn)算近似為絕對(duì)值求和,再次代替乘法器的使用。

2.5 脈沖累加及速率判決

當(dāng)完成X路并行相關(guān)運(yùn)算后,將每路運(yùn)算得到的相關(guān)計(jì)算模值采用加法器樹的形式進(jìn)行累加,以8路加法為例,其過程如圖3所示。得到多路并行數(shù)據(jù)的累加結(jié)果,然后將累加結(jié)果與多種速率捕獲門限進(jìn)行比較,找到大于門限的數(shù)據(jù)位置和當(dāng)前門限對(duì)應(yīng)的速率模式,從而得到捕獲標(biāo)記及速率模式。

圖3 本技術(shù)中加法器樹示意圖

3 仿真驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)采用64路輸入數(shù)據(jù),共8種速率判決的情況下,使用多速率多通道并行低復(fù)雜度接收捕獲與速率判決技術(shù)后,仿真捕獲性能在不同速率和不同信噪比下的相關(guān)峰值如圖4、圖5所示。

圖4 速率1、SNR=-9 dB同步捕獲相關(guān)峰值

圖5 速率2、SNR=-10 dB同步捕獲相關(guān)峰值

該基于多通道并行接收的同步捕獲及速率判決方法對(duì)資源優(yōu)化前后的同步捕獲模塊的資源消耗情況如表2所示。

表2 資源優(yōu)化前后的資源消耗情況

由表2可知,該基于多通道并行接收的同步捕獲及速率判決方法在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)于資源消耗的優(yōu)化具有明顯的作用。

4 結(jié)束語

本文所提出的基于多通道并行接收的同步捕獲及速率判決方法將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行量化,減少數(shù)據(jù)位寬,采用時(shí)分復(fù)用方式將數(shù)據(jù)由并行轉(zhuǎn)為串行處理,將X×Y路并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為X路,節(jié)省了Y倍的資源開銷;在單路數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)數(shù)復(fù)相關(guān)操作時(shí)采用查找表代替乘法運(yùn)算,同時(shí)利用絕對(duì)值求和代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開方計(jì)算模值,顯著降低了邏輯資源消耗和處理延時(shí),在工程應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。