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

(中國電子科技集團公司第二十研究所,陜西 西安 710068)

0 引 言

在無線通信領域中,正確實現接收端與發射端信息的同步是保證接收端能正確接收發射端發射信息的前提[1-2]。同步捕獲的過程通常分兩步完成:首先通過2個同步序列的相關計算,確定兩者的相關程度;然后用一個合適的同步捕獲判決算法處理相關計算值,從而判斷捕獲是否完成[3-4]。在計算多路并行接收信號的同步捕獲時,通常是先實現單通道全精度數據與本地相關碼進行復數相關再累加求和[5],然后將單通道同步捕獲進行多次調用,將每路結果累加,最后將累加結果與門限值進行比較,通過門限值確定捕獲位置,從而實現多通道并行接收的同步捕獲[6]。

傳統的同步捕獲方法是將輸入的全精度數據與本地同步碼進行復數相關然后計算累加之和,當面臨多路并行輸入接收的同步捕獲時,通常將單路同步捕獲運算多次并行調用實現。傳統方法在計算同步捕獲時,需要占用大量的硬件資源以供系統進行復數相關和并行調用運算[7],這種方法在輸入為多路并行接收數據時,通常會面臨資源不夠的問題,無法準確實現同步捕獲操作。

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,首先將輸入數據量化,減少數據位寬;然后對多通道并行接收數據采用時分復用的方式將并行接收數據進行抽取折疊,利用空閑時間將并行數據轉為串行數據,降低并行處理的數據路數。在進行復數相關計算時,采用查找表代替傳統的乘法器,采用絕對值近似替代傳統模值計算中的開方運算,減少運算資源使用。將相關結果同時與多種速率模式的門限值進行比較,通過合適的門限值實現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,所采用的實現邏輯如圖1所示。

圖1 同步捕獲方法的邏輯圖

2 邏輯實現

基于多通道并行接收的同步捕獲及速率判決方法具體實現步驟如下。

2.1 本地相關碼預處理

本方法采用串行方式對多路并行接收同步碼進行預處理,將接收的同步碼與本地調制系數進行調制處理,然后將串行結果轉為并行,得到多路調制后的本地相關碼。

2.2 本地接收數據量化

本方法對輸入數據的實部和虛部按照下式進行量化:

(1)

(2)

式中:Iin和Qin分別表示輸入數據的實部和虛部;sign(x)表示x的正負;Idata和Qdata分別表示量化后數據的實部和虛部。

量化時,保留輸入數據的符號位信息,將輸入數據實部和虛部的絕對值進行比較,將絕對值較大的數據位設置成3,絕對值較小的數據位設置成1,通過量化使輸入數據從多比特數據轉變為1,3,-1,-3四種情況,數據位寬大幅降低,存儲器、運算器等資源開銷明顯減少。

2.3 多路并行數據抽取預處理

本方法對多路并行接收數據采用時分復用的方式進行抽取折疊,若輸入數據為X×Y路并行,每一路數據Y×N倍采樣,復數相關計算時采用N倍采樣數據,X,Y,N分別為正整數,傳統方法中多路并行數據分別進行處理,單路數據從Y×N倍采樣抽取成N倍,然后重復調用X×Y次,這種方式對資源的消耗是單路資源消耗的X×Y倍,同時,單路數據抽取后某些時刻無需運算,導致資源利用率較低。為了降低資源開銷,采用如圖2所示的方法進行數據抽取處理。首先將單路Y×N倍數據抽取為N倍,然后利用單路數據抽取后的空閑段,采用時分復用的方法,將并行的X×Y路數據中的每Y路進行合并,將每Y路數據抽取合并成1路,最終將X×Y路并行數據轉化為X路。

圖2 本技術中數據抽取處理示意圖

2.4 基于查找表的實數復相關

本方法采用查找表代替傳統的復數乘法操作。傳統的實數復相關如下:

(DI+jDQ)·(PI·jPQ)=(DI·PI+

DQ·PQ)+j(DQ·PI-DI·PQ)

(3)

式中:DI表示數據實部;DQ表示數據虛部;PI表示相關碼實部;PQ表示相關碼虛部。

由公式(3)可以得出一次實部和虛部的計算分別需要2個乘法器和1個加法器。采用表1所示的查找表代替乘法運算,則計算1次復數相關僅需要2個加法器。然后根據下式計算一次相關結果的模值:

表1 復數相關運算查找表

(4)

式中:Scorr為單路相關運算模值;Isum、Qsum分別為單用戶實部與虛部相關累加結果。

公式(4)將平方根運算近似為絕對值求和,再次代替乘法器的使用。

2.5 脈沖累加及速率判決

當完成X路并行相關運算后,將每路運算得到的相關計算模值采用加法器樹的形式進行累加,以8路加法為例,其過程如圖3所示。得到多路并行數據的累加結果,然后將累加結果與多種速率捕獲門限進行比較,找到大于門限的數據位置和當前門限對應的速率模式,從而得到捕獲標記及速率模式。

圖3 本技術中加法器樹示意圖

3 仿真驗證

本實驗采用64路輸入數據,共8種速率判決的情況下,使用多速率多通道并行低復雜度接收捕獲與速率判決技術后,仿真捕獲性能在不同速率和不同信噪比下的相關峰值如圖4、圖5所示。

圖4 速率1、SNR=-9 dB同步捕獲相關峰值

圖5 速率2、SNR=-10 dB同步捕獲相關峰值

該基于多通道并行接收的同步捕獲及速率判決方法對資源優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際工程應用中對于資源消耗的優化具有明顯的作用。

4 結束語

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據進行量化,減少數據位寬,采用時分復用方式將數據由并行轉為串行處理,將X×Y路并行數據轉化為X路,節省了Y倍的資源開銷;在單路數據進行實數復相關操作時采用查找表代替乘法運算,同時利用絕對值求和代替傳統的開方計算模值,顯著降低了邏輯資源消耗和處理延時,在工程應用領域具有明顯的應用價值。