MIMO体系的快速原型计划与验证

　　空间复用式多输入多输出 (MIMO) 发射器与吸取器据称可比其现有的单输入单输出 (SISO) 映射器件提拔更大的无线通讯体系性能。下一代无线标准，如 802.11n，将支持高达 600 Mbps 数据传输速率和高出 1 GHz 的无线局域网传输速率。

　　然而这些体系的计划，却必须在本钱和功耗方面做出折衷，这对利用电池运行的手持配置具有紧张影响。计划团队必要面对的挑衅便是针对他们的特定应用寻求这些计划请求之间的最佳均衡。

　　此项技能的内核是多径见解，即射频 (RF) 信号在物理环境中的反射。固然多径题目低落了现有的 802.11 配置的性能，但空间复用式正交频分复用 (OFDM) MIMO——802.11n 标准中的一个关键要素——却利用了这些反射来“调谐”发射器，最大程度地减小偏差，和进步总体性能。但在这些带宽上，位于传输路径中的物体对微波的散射、衍射和吸取是一个紧张的思量因素。计划 MIMO 体系时请求将这些影响尽大概正确地以信道模型的情势刻画出来。

　　有三种根本的信道模型源头：基于软件的数学模型，一样平常来自标准委员会；基于硬件的 MIMO 信道模仿器，自行计划或由 
诸如 Azimuth 之类的公司提供；最好的则是MIMO 体系将要运行的真实天下环境。在真实天下中验证 MIMO 体系，请求可以或许在面向 MIMO 的 FPGA 硬件平台上，如 Lyrtech 公司的 VHS-ADC-V4 卡，快速构建起发射器和吸取器原型。

　　MIMO 性能好处

　　空间复用式 MIMO 技能的好处是可以或许通过天线的数量进步传输速率。如今已有 SISO 体系的数据速率由以下公式决定：

　　R = Es * Bw

　　此中 R 为数据速率（位/秒），Es 为频谱服从（位/秒/赫兹），Bw 为通讯带宽 (Hz)。比方，对付 802.11a 标准，峰值数据速率由以下公式决定：

　　Bw = 20 MHz

　　Es = 2.7 bps/Hz
R = 54 Mbps

　　利用 MIMO 时，必要为该公式引入一个附加变量 “Ns”，它代表利用雷同带宽而通过差别空间路径同时发射的独立数据流的数量。如今频谱服从将按传输/流 Ess 来谋略，于是 MIMO 体系的数据速率变为：

　　R = Ess * Bw * Ns

　　我们把过去 802.11a 的例子和当前 802.11n 提案所能得到的结果举行一次比较，采取 20 MHz 带宽和四个天线：

　　Bw = 20 MHz

　　Ess = 3.6 bps/Hz

　　Ns = 4

　　R = 288 Mbps

　　MIMO 技能的利用让所体案的802.11n标准实现了 5.3 倍数据速率的提拔。

　　MIMO 体系硬件巨大度

　　空间复用式 MIMO 体系的性能提拔因此增长硬件巨大度为价格得到的。采取多个天线的发射/吸取体系不但在相应天线之间发射数据，并且还在相邻天线之间发射数据。在图 1 中您可以看到，数据因此“MIMO 信道矩阵”的情势吸取的。

　　在空间域对信道矩阵举行去耦，并规复发射的数据进程中，必要利用到线性多少技能如奇怪值分析 (SVD) 或矩阵求逆等。对 802.11g 标准的后向兼容性请求使 802.11n 标准的天线数量限定为两个或四个，从而使信道矩阵的尺寸限定为 2 x 2 或 4 x 4。

　　在硬件上开辟实行实际体系数据速率的 MIMO 体系原型必要利用基于 FPGA 的硬件平台。赛灵思? Virtex?-4 系列 FPGA 通过提供多达 512 个可实行并行运算的硬件乘法器，对此类应用提供了远远优于 DSP 处理惩罚器的性能。但是在计划这种原型体系时，您将面对两项较大挑衅：第一项挑衅是要利用硬件来计划象 SVD 或矩阵求逆那样巨大的东西，第二项挑衅是调解实现，使之到达最优性能。

　　FPGA 上实现矩阵运算

　　实行中选择专用 SVD 或矩阵求逆算法将是数值稳固性和硬件服从之间的折衷。您必要开辟一个高级 MATLAB 模型来确定得当某个特定应用的最高效的算法。

　　对付 SVD 的环境，这大概涉及到在适应预计技能、矢量旋转或其他因具有对称等特性的信道矩阵而孕育产生的简化技能之间举行选择。

　　一旦终极确定算法，您将必要调解硬件性能，使之切合总体体系请求。在硬件上实现 MIMO 体系性能的最大化，请求在计划中将会对总体性能孕育产生最大影响的关键地方采取部分并行乘法运算来实现。图 2 中所示的给定旋转算法，给出了通过并行乘法运算实现性能提拔的一个精良典范。

　　通过利用 MATLAB 算法作为 FPGA 开辟的金色源码和免除重新编写为其他语言或计划环境的事变，淘汰了开辟和验证的循环次数。

　　给定旋转通常用于办理对称特性值题目，并且是 QRD 矩阵求逆的关键布局块。
 
　　您可以利用乘法器或 CORDIC 雷同法来实现该算法。赛灵思 AccelDSP? Synthesis 综合东西的计划探索成果被用于通过向架构中嵌入并行机制而无需重写代码来进步性能。如表 1 所示，这种要领可以得到比并行 CORDIC 实现高达 10 倍的性能提拔。基于给定旋转的算法近来受到更大的存眷，由于它们本身很适归并行实现。

　　对付大型体系来说，因进步并行机制而增长的硬件不得高出目标 FPGA 的资源。您必须举行评估的大概架构量大概会相称大。确定最优硬件架构的进程非常得当高级算法综合东西，如 AccelDSP。

　　一种基于MATLAB 的FPGA计划流程

　　The MathWorks 公司的 MATLAB 为空间复用式 MIMO 体系的计划和实现提供了一个真正唯一无二的环境。对循环、复数、矢量和矩阵运算的内涵语言支持，以及数学函数，为 MIMO 所需的线性多少算法提供了一种高效的建模环境。

　　图 3 演示了 AccelDSP Synthesis 综合东西的好处， 
包括利用浮点 MATLAB 在 FPGA 上为空间复用式 MIMO 体系定义和实现定制架构的机动性。

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　　浮点到定点的主动转换成果，可以资助办来由线性多少函数如 SVD 等的迭代性子而孕育产生的巨大的量化题目。一旦您确定了可担当的定点模型，您就可以通过算法综合快速地探究性能和硬件之间的折衷，快速地增长专用硬件乘法器的数量以进步性能和充分利用 Virtex-4 架构的机动性。

　　从 AccelDSP Synthesis 天生的 RTL 主动针对金色源码 (golden-source) MATLAB 举行验证，以确位真 (bit-true) 成果精确性。

　　结论

　　通过在信道矩阵 DSP 硬件开辟中采取基于 MATLAB 的计划流程，极大地简化了用于真实天下验证的空间复用式 MIMO 体系的原型计划。通过利用 MATLAB 算法作为 FPGA 开辟的金色源码和免除重新编写为其他语言或计划环境的事变，淘汰了开辟和验证的循环次数。别的，MATLAB 的高级性子还使得 AccelDSP Synthesis 综合东西可以或许快速探索得当一个算法的硬件更换要领，包括 DSP 块、RAM 和流水线的利用。
      

　　AccelDSP Synthesis 综合东西和 Lyrtech 原型计划环境均含有到 Xilinx System Generator for DSP 计划环境的接口，以提供一种主动化的 MATLAB 到原型计划的计划流程。