基于FPGA的判決反饋均衡器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在移動(dòng)通信和高速無線數(shù)據(jù)通信中，多徑效應(yīng)和信道帶寬的有限性以及信道特性的不完善性導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不可避免的產(chǎn)生碼間干擾，成為影響通信質(zhì)量的主要因素，而信道的均衡技術(shù)可以消除碼間干擾和噪聲，并減少誤碼率。其中判決反饋均衡器（DFE）是一種非常有效且應(yīng)用廣泛得對(duì)付多徑干擾得措施。目前DFE大致有以下幾種實(shí)現(xiàn)方法：1）采用多片通用數(shù)字濾波器集成電路級(jí)聯(lián)方式，但同時(shí)由與多片帶來的體積和功耗的增加，在實(shí)際中運(yùn)用不多。2）采用DSP來實(shí)現(xiàn)，如Motorola SC140就是單片的可編程均衡器，采用軟件來實(shí)現(xiàn)算法，但由于受器件功能限制，在實(shí)時(shí)性要求極高的場合中受到限制。3）采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn),隨著可編程邏輯器件邏輯門數(shù)量和速度的不斷增加，在單片上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成已經(jīng)成為可能，而且FPGA特別適合實(shí)現(xiàn)可配置的判決反饋均衡器。

2．判決反饋均衡器的基本原理

判決反饋均衡器（DFE）是一種非線性均衡器。如圖1所示，由前饋部分(由FIR濾波器組成)和反饋部分(由IIR濾波器組成)組成，前饋部分可以抵消在時(shí)間上超前的碼間干擾和在時(shí)間是滯后的碼間干擾(由

均衡器的輸出為：

式中M,N分別為前饋濾波器和反饋濾波器的長度。抽頭系數(shù)更新采用DD_LMS(direct decision least mean square)和CMA(constant modulus algorithm)算法，CMA是一種盲自適應(yīng)算法，即不需要訓(xùn)練序列，可以讓均衡器收斂到較低的MSE水平，但由于CMA的誤差量較大，從而步長較小，CMA的跟蹤能力有限，因而，在DFE設(shè)計(jì)中，CMA常常作為均衡器的初始化算法，即對(duì)多徑信號(hào)的時(shí)延和幅度進(jìn)行粗略估計(jì)。而DD_LMS算法相對(duì)于CMA有更低的MSE水平，并且DD_LMS具有較低的誤差量，從而步長更大，跟蹤能力強(qiáng)，因而，在DFE設(shè)計(jì)中，DD_LMS常常作為均衡器穩(wěn)定后的自適應(yīng)算法。

3．設(shè)計(jì)思想

由于我們?cè)O(shè)計(jì)的DFE是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中根據(jù)功能塊自下而上分層次進(jìn)行，這樣可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，減少設(shè)計(jì)輸入的錯(cuò)誤，消除重復(fù)的電路元件，并能簡化校驗(yàn)于進(jìn)行修改，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，按照模塊的大小和功能分成三部分：如圖二所示，PART I包括接口和DFE均衡器，PART II包括判決器和誤差控制函數(shù)運(yùn)算模塊，PART III為抽頭系數(shù)調(diào)整部分。

出于靈活性的考慮，系統(tǒng)采用類似于集散控制而非集中控制的方案，也就是系統(tǒng)沒有一個(gè)中心控制器，這樣可以保持三個(gè)部分的相對(duì)獨(dú)立，若要改變?cè)O(shè)計(jì)，比如改變算法，只需要改變誤差控制函數(shù)運(yùn)算模塊即可。各模塊的恰當(dāng)分割大大增加了系統(tǒng)的靈活性。

4．各模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

4．1 接口模塊

本系統(tǒng)并未涉及具體的A/D器件，僅根據(jù)常用的A/D器件的工作信號(hào)設(shè)計(jì)系統(tǒng)接口模塊。

在轉(zhuǎn)換完成后，一般A/D器件輸出一個(gè)低電平信號(hào)作為A/D的允許信號(hào)。該信號(hào)在系統(tǒng)中為輸入信號(hào)ad_end，接口模塊系統(tǒng)時(shí)鐘始終監(jiān)控ad_end的電平變化，當(dāng)檢測到ad_end的低電平時(shí)，接口模塊產(chǎn)生一個(gè)“開始”脈沖作為允許信號(hào)，允許DFE的延遲環(huán)節(jié)接收輸入數(shù)據(jù)，并開始移位。其實(shí)現(xiàn)如圖三所示。

4．2 DFE模塊

均衡器分為FFE(Feedforward Equalizer)和FBE(FeedBackward Equalizer)兩部分,結(jié)構(gòu)類似，前饋濾波器為32階的FIR濾波器，反饋濾波器為64階的IIR濾波器，濾波器系數(shù)寬度都為16位，精度為15位，輸入數(shù)據(jù)寬度為12位，精度為10位，判決器輸出數(shù)據(jù)為2位，精度為0位，該模塊主要由輸入移位寄存器和卷積模塊組成。

（1）輸入移位寄存器

對(duì)于前饋濾波器，由于共有32階，因此輸入寄存器的長度為32。定義一個(gè)32