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面向MIMO-OFDM系统的软件无线电处理器研究

作　者: 陈艇
导　师: 刘衡竹
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 软件无线电 4G OFDM MIMO 信道估计和均衡
分类号: TN919.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

当前无线通信基站平台在功能实现上过多地依赖于加速部件,导致处理器的架构灵活性较差,不易产品的升级,软件无线电技术是以软件实现无线电的功能,具有良好的灵活性和可扩展性,被认为是未来宽带无线通信发展的趋势。然而诸如FIR滤波、离散傅立叶变换(DFT)、信道估计和MIMO信道均衡等4G通信中关键技术,在运算量较大的同时,又有较大的并行性及一些特殊的运算模式,从而使得在处理器级采用专门指令和结构成为可能。本文以算法驱动软件无线电体系结构的设计,提出一种面向MIMO-OFDM系统的软件无线电数据处理单元(DPU)模型,为下一代无线通信软基站平台的研制提供参考。本文首先对现有软件无线电体系结构进行深入的探讨,并分析了各自的优点与不足,总结了软件无线电数字信号处理器未来可能的发展趋势;同时对未来4G可能采用的关键技术OFDM、MIMO、信道估计和信道均衡等原理和方法进行了详细的论述,并分析了其复杂度和计算特征,提出了一种基于VLIW+SIMD结构的软件无线电DPU模型,并根据算法分析提出多种面向应用的专用指令和结构。本文的主要工作集中于对未来4G可能采用的主要关键技术的原理和复杂度进行分析,完成了对处理器指令集系统以及功能部件的详细设计,并利用LISA语言编写了处理器的时钟精确型模型,得到汇编器和链接器;最后,本文将FIR滤波算法、FFT算法和矩阵乘法这三种4G无线通信标准中的典型算法在数据处理单元上进行了映射,利用自定义的指令手工编写三种算法的汇编程序,并利用模拟器进行模拟,与TI公司的高性能处理器C64x+进行性能的比较,FIR算法和FFT算法的最大加速比分别是7.95和8.66;而2×2矩阵乘法运算和4×4矩阵乘法运算加速比分别达到了11.2和12.6,综合分析表明DPU结构满足应用的需求。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章引言  12-22
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 软件无线电在4G 无线通信中的应用  13-14
  1.3 国内外研究现状  14-19
    1.3.1 从SODA 处理器到Ardbeg 处理器  14-16
    1.3.2 EVP 处理器  16
    1.3.3 conX BBE 基带引擎  16-17
    1.3.4 飞思卡尔的双芯片  17
    1.3.5 TI 公司C64x+处理器  17-19
  1.4 软件无线电处理器的发展趋势  19-20
    1.4.1 算法驱动的处理器体系结构设计  19
    1.4.2 更宽的SIMD 数据通路以及灵活的混洗网络  19-20
    1.4.3 多核结构和异构多核结构  20
  1.5 本文主要研究内容  20-21
  1.6 本文组织结构  21-22
第二章 MIMO+OFDM 技术的研究  22-31
  2.1 正交频分复用（OFDM）技术  22-23
  2.2 多输入多输出（MIMO）技术  23-29
    2.2.1 MIMO 的信道模型  24-25
    2.2.2 MIMO 的信道估计  25-26
    2.2.3 MIMO 的信道均衡  26-27
    2.2.4 MIMO 的空时编码  27-29
  2.3 MIMO-OFDM 技术  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章基于LTE 的MIMO-OFDM 系统负载特性分析  31-47
  3.1 LTE 物理层协议及相关参数  31-35
    3.1.1 LTE 帧结构  31-32
    3.1.2 LTE 的物理信道  32-33
    3.1.3 LTE 基站端数据处理流程  33-35
  3.2 LTE 核心算法描述与分析  35-45
    3.2.1 FFT/IFFT 算法  35-41
    3.2.3 FIR 数字滤波器算法  41-42
    3.2.4 信道估计算法  42-43
    3.2.5 MIMO 均衡算法  43-45
  3.3 本章小结  45-47
第四章软件无线电处理器的设计及其结构的映射  47-67
  4.1 面向软件无线电信号处理器结构  47-48
  4.2 DPU 单元的设计  48-53
    4.2.1 SPU 结构及功能设计  48-51
    4.2.2 VPU 结构及功能设计  51-53
  4.3 DPU 指令集设计  53-61
    4.3.1 专用指令设计  53-59
    4.3.2 通用指令设计  59-60
    4.3.3 指令格式设计  60-61
  4.4 DPU 结构的算法映射  61-65
    4.4.1 FIR 算法映射  61-63
    4.4.2 FFT 算法映射  63-64
    4.4.3 矩阵相乘算法映射  64-65
  4.5 本章小结  65-67
第五章 DPU 模拟器设计和性能评测  67-73
  5.1 DPU 模拟器设计  67-69
    5.1.1 DPU 模拟器的描述与调试  67-69
  5.2 DPU 性能测试与评估  69-71
    5.2.1 FIR 算法测试与评估  70
    5.2.2 FFT 算法测试与评估  70-71
    5.2.3 矩阵乘法测试与评估  71
  5.3 本章小结  71-73
第六章结束语  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-77
作者在学期间取得的学术成果  77-78
附录A 16tap FIR 滤波程序  78-80
附录B 2048 点FFT 程序  80-84
附录C 2×2 矩阵乘法程序  84

面向MIMO-OFDM系统的软件无线电处理器研究

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