1、隨著信息技術(shù)的發(fā)展,人們對數(shù)據(jù)的需求也日益增長,人類將逐步跨入大數(shù)據(jù)時代,而作為大數(shù)據(jù)時代的一個重要支撐就是無線通信技術(shù)。伴隨著通信業(yè)務量的爆發(fā)式增長,未來無線通信系統(tǒng)將以有限的頻譜資源支持復雜的數(shù)據(jù)傳輸、交換與處理,無線通信系統(tǒng)的算法也將更加復雜。因此,基于無線通信數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)的超大規(guī)模集成電路(Very Large Scale Integration, VLSI)設(shè)計和實

2、現(xiàn)將面臨著高速、高復雜度、高功耗等技術(shù)挑戰(zhàn)。特別是當面向綠色通信系統(tǒng)時,如何將未來超高復雜度的通信算法在可接受的硅片面積及功耗條件下進行實現(xiàn),將是一個重大的研究熱點和挑戰(zhàn)。
　　本文以未來無線通信中基帶信號處理的實現(xiàn)技術(shù)為主要研究對象,以高速、低復雜度、低功耗通信信號DSP系統(tǒng)VLSI實現(xiàn)方法為切入點,提出了一種基于概率計算的通信信號處理VLSI實現(xiàn)方法和結(jié)構(gòu)。包括基本的計算單元、信號處理單元、信道譯碼器、多天線(Multiple

3、-Input Multiple-Output, MIMO)檢測器及迭代接收架構(gòu)等幾個方面。本論文的主要創(chuàng)新點包括:
　　1.針對目前傳統(tǒng)概率計算的延時大、精度差的問題,提出了高性能的概率基本計算單元。包括加、減、乘、除等基本運算。所設(shè)計概率基本計算單元不僅在傳統(tǒng)概率計算硬件效率的基礎(chǔ)上提高了10倍以上,而且還能夠達到和傳統(tǒng)定點計算相同的精度。而其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單,硬件開銷只為傳統(tǒng)計算單元的10分之一,且其硬件效率較傳統(tǒng)運算器提高了約1

4、0％左右。
　　2.利用所提出的高性能概率計算單元,設(shè)計了基本的信號處理算法。其中包括有限響應(Finite Impulse Response, FIR)濾波器和快速傅里葉變換器(Fast Fourier Transform, FFT),其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)更為簡單。例如串行的 FIR濾波器只需要一個多路選通器即可,而并行的濾波器則完全為“零”邏輯開銷,只通過線路選擇即可實現(xiàn)。這樣基于概率計算的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)具有很小的邏輯開銷,這是在傳統(tǒng)計算中所

5、無法達到的。本文進一步利用所提的高效概率計算單元實現(xiàn)了一種全并行的 FFT變換器,其硬件效率是傳統(tǒng)的3倍。
　　3.提出了全并行Turbo譯碼器的架構(gòu),并進行了理論分析和推導;基于分析結(jié)果提出了高性能的概率Turbo譯碼器。由于傳統(tǒng)的Turbo譯碼算法是基于貫序譯碼的方式,因此其不能像 LDPC譯碼器一樣能夠直接的進行全并行實現(xiàn)。本文通過理論推導和仿真分析,研究和驗證了全并行Turbo譯碼的性能和譯碼特性,證明了其能夠達到和傳統(tǒng)譯

6、碼相當?shù)恼`碼率性能,從而能夠大幅度提高譯碼速率。為了減少全并行譯碼的復雜度,提出了兩種高性能的概率Turbo譯碼器,其譯碼吞吐量較傳統(tǒng)方法提高近1個數(shù)量級,并且硬件效率提高了30％。同時,本文針對概率LDPC譯碼器也提出了相應的優(yōu)化方法。
　　4.利用概率計算,設(shè)計了高性能的MIMO檢測器,有效的提高了硬件效率和吞吐率。概率計算利用了本身計算簡單、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)靈活的特點,基于所提出的滑窗法和似然信息計算法,高效地實現(xiàn)了馬爾科夫蒙特卡洛

7、鏈的( Markov Chain Monte Carlo, MCMC)算法。為了提高吞吐效率,本文提出了一種全并行的概率檢測器,同時也避免了和譯碼器之間的復雜數(shù)據(jù)存貯和路由操作。利用高性能概率計算基本單元,實現(xiàn)了基于最小均方誤差檢測的(Minimal Mean Square Estimation, MMSE)MIMO檢測器。其主要的基本運算單元,矩陣乘法和矩陣求逆都可以利用概率計算來高效實現(xiàn),這種概率MMSE檢測器硬件效率比傳統(tǒng)方法提高

8、約15％左右。最后,本文提出了一種基于譯碼器更新的迭代MIMO檢測系統(tǒng),其將譯碼器的譯碼比特直接反饋給MCMC檢測器進行迭代更新。因為譯碼器的譯碼比特相較于 MCMC檢測的更新比特要更準確,所采用譯碼器更新的 MIMO迭代檢測系統(tǒng)能夠達到很高的檢測譯碼性能;由于采取了全并行的實現(xiàn)結(jié)構(gòu),所提方法能夠達到很高的吞吐率,在相當于四次外信息迭代的性能條件下,可達到947Kbps的速率;而概率計算又大大減少了硬件實現(xiàn)復雜度,硬件效率較傳統(tǒng)方法提高