李學(xué)華,彭江濤,王亞飛

(北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京100101)

60 GHz芯片間無線互連系統(tǒng)的MMSE-RAKE
接收機(jī)誤碼性能分析*

李學(xué)華**,彭江濤,王亞飛

(北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京100101)

針對60 GHz芯片間無線互連信道中存在的多徑衰落問題,將匹配濾波器和最小均方誤差算法應(yīng)用到60 GHz脈沖通信系統(tǒng),重點(diǎn)分析多徑信道下采用最小均方誤差合并算法的RAKE接收機(jī)的誤碼性能。在IEEE 802.15.3c信道模型的基礎(chǔ)上,對采用不同合并方式、不同干擾用戶數(shù)目下的RAKE接收機(jī)誤碼性能進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明,隨著干擾芯片數(shù)量的增加,引入匹配濾波器和最小均方誤差算法的RAKE接收機(jī)不僅降低了接收機(jī)的采樣率,而且有效提高了系統(tǒng)抗多用戶干擾的能力,為芯片間無線互連系統(tǒng)的RAKE接收機(jī)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

芯片間無線互連;60 GHz脈沖通信系統(tǒng);RAKE接收機(jī);最小均方誤差算法;匹配濾波器

1 引 言

高速大容量計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展,導(dǎo)致計(jì)算機(jī)印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)的芯片密度、布局布線的難度越來越大,傳輸線間的串?dāng)_、寄生電感、電容等信號完整性問題日益突出。為了徹底解決這些問題,學(xué)者們提出了多種芯片無線互連的實(shí)現(xiàn)方案,如三維堆疊技術(shù)、光互連技術(shù)、射頻互連技術(shù)和無線互連技術(shù)。文獻(xiàn)[1]給出了芯片間無線互連系統(tǒng)。無線互連取代了傳統(tǒng)的金屬連接線,不僅提高了PCB設(shè)計(jì)封裝的靈活性,同時(shí)降低了集成電路的功耗和成本。目前,國內(nèi)外關(guān)于芯片無線互連技術(shù)的研究已經(jīng)深入到諸多領(lǐng)域,研究熱點(diǎn)集中在片上天線的研究、芯片間無線信道模型的研究、收發(fā)芯片的研究等。

在芯片收發(fā)電路的研究中,超寬帶是物理層主要采用的技術(shù)。其中,脈沖超寬帶(Impulse Radio Ultra-Wide Band,IR-UWB)技術(shù)憑借其寬頻譜、低功耗、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),成為芯片無線互連系統(tǒng)普遍采用的技術(shù)方案。文獻(xiàn)[2]提出了信號形式為高斯單脈沖的IR-UWB系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)芯片間無線互連的方案,并且分析了該方案的各項(xiàng)性能指標(biāo),從而驗(yàn)證了該方案的可行性。隨著對高速率以及片上天線小型化的需求,60 GHz毫米波技術(shù)以其更寬的頻譜、超高的傳輸速率、更適合于短距離傳輸環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),成為該領(lǐng)域新的研究趨勢。目前,日本應(yīng)慶大學(xué)采用毫米波技術(shù),在14 mm距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了傳輸速率為11 Gb/s的芯片間高速無線互連[3]。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了脈沖周期僅有100 ps的60 GHz超寬帶脈沖發(fā)射機(jī),論證了將60 GHz脈沖無線電技術(shù)應(yīng)用于芯片無線互連的可行性。然而,上述文獻(xiàn)的研究都是在相對理想的兩芯片間的通信環(huán)境下,真實(shí)的傳播環(huán)境要復(fù)雜得多,文獻(xiàn)[5]已經(jīng)證實(shí)采用芯片無線互連的電腦機(jī)箱存在嚴(yán)重的多徑干擾,尤其在60 GHz頻段,干擾會更嚴(yán)重。雖然文獻(xiàn)[6]將RAKE接收技術(shù)應(yīng)用到芯片無線互連系統(tǒng),在一定程度上解決了多徑信道衰落問題,但其研究的是兩芯片間的理想通信,而真實(shí)的PCB板上芯片的數(shù)目一般有數(shù)十個(gè)甚至更多,通信環(huán)境復(fù)雜,這就不可避免地造成多用戶干擾。因此,研究一種可以有效地減小多徑、多用戶干擾的RAKE接收方案,以滿足芯片無線互連系統(tǒng)高速、可靠的傳輸要求是十分必要的。

本文首先研究了采用60 GHz脈沖通信的芯片無線互連系統(tǒng)模型;其次,分析了適用于多芯片互連的MMSE-RAKE接收機(jī),并對其誤碼率進(jìn)行了理論分析;最后,對不同合并方案、不同用戶數(shù)目情況下的MMSE-RAKE接收機(jī)誤碼性能進(jìn)行了仿真分析。

2 系統(tǒng)模型

60 GHz無線通信系統(tǒng)主要采用單載波或者正交頻分復(fù)用技術(shù),其收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,文獻(xiàn)[4]已經(jīng)證實(shí)60 GHz頻段可以傳輸基帶的超寬帶無線電信號,因此,芯片無線互連系統(tǒng)可以將60 GHz脈沖作為其發(fā)射信號,調(diào)制方式采用脈沖幅度調(diào)制,從而降低收發(fā)器件的電路結(jié)構(gòu)和成本。圖1是文獻(xiàn)[6]給出的基于片上天線的60 GHz芯片無線互連系統(tǒng)示意圖。

圖1 芯片無線互連系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of inter-chip wireless interconnect

在多芯片無線互連系統(tǒng)中,假設(shè)有K個(gè)芯片,每個(gè)芯片產(chǎn)生的是0、1等概率的二進(jìn)制比特序列bk()

i,采用脈沖幅度調(diào)制,脈沖成形器的波形為

式中,p( t)是高斯脈沖信號;fc是中心頻率,這里取60 GHz;Tp是脈沖持續(xù)時(shí)間。則發(fā)射端的輸出波形為

由于芯片間多徑信道還處于研究階段,文獻(xiàn)[7-8]只是對電腦機(jī)箱環(huán)境進(jìn)行測量,沒有提出標(biāo)準(zhǔn)的信道模型。在60 GHz頻段,國際組織TG3c小組根據(jù)在辦公室、家庭、實(shí)驗(yàn)室和桌面環(huán)境進(jìn)行的寬帶測量結(jié)果提出了IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)[9],推薦了幾種60 GHz信道模型,在TG3c小組給出的模型中, CM7信道模型適用于視距條件下通信距離在0～1 m以內(nèi)的短距離桌面?zhèn)鬏敪h(huán)境,是目前最接近于芯片無線互連環(huán)境的信道模型,因此本文以此信道模型作為理論研究和實(shí)驗(yàn)仿真的基礎(chǔ)。

芯片無線互連系統(tǒng)的傳輸速率在Gb/s量級,而信道的變化通常很慢,因此可將其視作準(zhǔn)靜態(tài)信道,所以60 GHz信道的沖激響應(yīng)可以表示為

式中,αl是第l個(gè)路徑的幅度,Λl是路徑時(shí)延。

發(fā)射信號sk() t經(jīng)過信道后到達(dá)接收端,接收信號為

3 RAKE接收性能分析

3.1 RAKE接收方案設(shè)計(jì)

在研究芯片無線互連系統(tǒng)的接收機(jī)時(shí),既要考慮系統(tǒng)對高速率、低復(fù)雜度、低功耗的需要,又要兼顧系統(tǒng)高性能的要求。RAKE接收作為一種多徑分集技術(shù),可以利用互不相關(guān)的可分離路徑有效地捕獲信號能量,從而達(dá)到克服衰落、提高系統(tǒng)可靠性的目的[10]。將RAKE接收技術(shù)引入到60 GHz芯片間無線互連系統(tǒng)中,將有效地抵抗多徑衰落,降低判決時(shí)刻的誤碼率,提高系統(tǒng)的可靠性。在RAKE接收技術(shù)中,最大比合并法在服從瑞利衰落、噪聲是高斯白噪聲的信道環(huán)境中,系統(tǒng)的誤碼性能是最好的,但是,當(dāng)多用戶干擾存在的情況下,最小均方誤差合并算法的系統(tǒng)性能更好。為此,將具有較好性能的最小均方誤差算法引入RAKE接收機(jī)的合并策略中,利用兩者的優(yōu)勢,提高系統(tǒng)的可靠性,但這必然增加接收機(jī)的復(fù)雜度。而匹配濾波器可以使用符號速率對接收信號進(jìn)行濾波和采樣,很大程度上降低了接收機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。因此,為了降低接收端對采樣率的要求,在接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)可以引入匹配濾波器。

為了達(dá)到系統(tǒng)抗衰落、抗干擾的性能要求與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間的平衡,本文在設(shè)計(jì)適用于多芯片互連系統(tǒng)的MMSE-RAKE接收機(jī)時(shí)主要從以下方面考慮:

(1)接收機(jī)的射頻前端選用匹配濾波器,匹配濾波器采用模擬電路實(shí)現(xiàn),經(jīng)過濾波之后使用符號速率對接收信號進(jìn)行采樣,從而有效降低接收機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度;

(2)接收機(jī)的叉指數(shù)目L直接決定著并行相關(guān)器的個(gè)數(shù),叉指數(shù)為L的RAKE接收機(jī)就對應(yīng)著L個(gè)并行的相關(guān)器,這無論是對前端模擬電路的設(shè)計(jì)還是對功耗來說都是很大的挑戰(zhàn)。因此,根據(jù)文獻(xiàn)[6]對60 GHz信道的分析,可以設(shè)計(jì)兩叉指的部分RAKE接收機(jī),既能有效收集多徑能量,又不過多地增加接收機(jī)復(fù)雜度;

(3)當(dāng)接收機(jī)的叉指數(shù)設(shè)為2時(shí),根據(jù)最小均方誤差算法推導(dǎo)RAKE接收機(jī)的加權(quán)因子,使得輸出信號的均方差最小,從而獲得最優(yōu)性能。

圖2是綜合以上因素設(shè)計(jì)的多芯片無線互連系統(tǒng)的MMSE-RAKE接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖2 采用MMSE-RAKE的芯片無線互連系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of MMSE-RAKE receiver in inter-chip interconnect system

如圖2所示,當(dāng)PCB板上多芯片進(jìn)行通信時(shí),通信的雙方首先發(fā)送導(dǎo)頻信號,可以利用導(dǎo)頻信道或在發(fā)射信號的結(jié)構(gòu)中周期性地插入導(dǎo)頻信號,完成對信道的估計(jì),得到信道的損耗、時(shí)延等特性參數(shù),然后再建立數(shù)據(jù)通信。本文設(shè)計(jì)的訓(xùn)練序列為長度為10的全1比特。信號幀由導(dǎo)頻序列和數(shù)據(jù)序列兩部分構(gòu)成,導(dǎo)頻序列用于信道估計(jì)。在芯片接收端,發(fā)射信號經(jīng)過多徑信道的傳播到達(dá)接收天線,接收信號() r t通過匹配濾波器進(jìn)行接收、采樣、判決后得到兩路分離信號,采樣速率為符號速率,在RAKE合并方案上,采用最小均方誤差算法得到叉指權(quán)值,最后判決得到輸出信號。

3.2 誤碼性能分析

在RAKE接收機(jī)中,叉指數(shù)設(shè)為2,可以從時(shí)域上寫出接收機(jī)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中,ωp是叉指權(quán)值,θp是叉指時(shí)延。接收信號經(jīng)過叉指為2的RAKE接收機(jī)后,采樣輸出為

定義W=[ω1,ω2]T是RAKE接收機(jī)的合并權(quán)值矢量,同時(shí)定義

那么式(6)可以重寫為

采用最小均方誤差算法,信號的均方差為

式(7)可以看成是矢量W的一元二次方程,最小值對應(yīng)的最佳權(quán)值為

根據(jù)此權(quán)值,可以設(shè)定MMSE-RAKE接收機(jī)的合并權(quán)值。從式(10)可知,最佳權(quán)值取決于信道估計(jì)得到的衰減系數(shù)、路徑時(shí)延以及發(fā)射脈沖信號,其計(jì)算結(jié)果是2階矩陣。

根據(jù)式(9),可得到接收信號總能量為

由此,可以得到RAKE接收機(jī)的輸出信噪比為

最終,多徑衰落信道下多芯片無線互連系統(tǒng)的誤碼率為

4 仿真分析

系統(tǒng)仿真采用MATLAB數(shù)值仿真軟件,信道模型是IEEE 802.15.3c中的CM7信道,發(fā)送端采用DS-PAM調(diào)制,信源信號是等概二進(jìn)制序列0和1,通過擴(kuò)頻編碼以區(qū)分多用戶,發(fā)送信號的波形為g( t),符號速率為10 Gb/s,發(fā)射功率為-30 dBm,收發(fā)芯片的通信距離為一般PCB板的物理尺寸,本文取20 cm,同時(shí)假設(shè)收發(fā)理想同步,RAKE接收的分支數(shù)L=2,最后通過蒙特卡洛法仿真MMSE-RAKE接收機(jī)的誤碼性能。

4.1 合并方式對誤碼率的影響

圖3是芯片無線互連系統(tǒng)的RAKE接收機(jī)采用不同合并方式下的誤碼率性能?？梢钥闯?接收機(jī)的合并方式分別采用了等增益(Equal Gain Combining,EGC)、最大比(Maximal Ratio Combining, MRC)和最小均方誤差3種算法來得到合并的權(quán)重,其中,EGC和MRC方式的誤碼性能相當(dāng),但隨著信噪比的增加,兩者的誤碼性能變化不大,當(dāng)信噪比大于15 dB時(shí),EGC和MRC方式的誤碼率仍然保持在10-3左右,已經(jīng)不能滿足芯片無線互連系統(tǒng)可靠性的要求。MMSE方式的誤碼性能要明顯好于EGC和MRC,并且隨著信噪比的增加,誤碼率減小得更明顯,尤其是當(dāng)信噪比大于15 dB時(shí),MMSE方式的誤碼率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于EGC和MRC方式,因此采用MMSE合并方式的RAKE接收機(jī)能夠?yàn)樾酒瑹o線互連系統(tǒng)提供可靠性能。

圖3 CM7信道下3種合并方式的性能Fig.3 Performance of three combining methods

圖4 是在接收機(jī)3種合并方式的基礎(chǔ)上加入線性均衡器的系統(tǒng)誤碼性能仿真圖。從圖4可以看出,加入線性均衡器后,EGC和MRC方式的誤碼率性能曲線有明顯變化,在信噪比大于15 dB時(shí),兩者的性能得到明顯改善,但是對MMSE方式的誤碼性能改善并不明顯。同時(shí)還可以看出,3種合并方式都加入線性均衡器后,在相同信噪比時(shí),三者的誤碼率差別不大,這說明引入均衡器能夠降低RAKE接收機(jī)的誤碼率,但是均衡器的加入必然增加電路的復(fù)雜度,相對于EGC和MRC,MMSE在不增加均衡器的條件下,誤碼率性能也能滿足系統(tǒng)的要求。因此,在用于多芯片無線互連的MMSE-RAKE接收機(jī)的設(shè)計(jì)中,不引入信道均衡,這樣可以減少復(fù)雜度,同時(shí)保證系統(tǒng)的可靠性能。

圖4 CM7信道下加入均衡的誤碼性能Fig.4 BER performance of receiver with equalization

4.2 多用戶對誤碼率的影響

圖5是采用3種不同合并方式情況下2叉指部分RAKE接收機(jī)存在10個(gè)干擾用戶時(shí)的誤碼率性能曲線。

圖5 10個(gè)干擾用戶條件下系統(tǒng)誤碼性能Fig.5 BER performance of system with 10 interference users

圖6 是存在50個(gè)干擾用戶的情況下,2叉指部分RAKE接收機(jī)采用3種不同合并方式下的誤碼性能曲線。

圖6 50個(gè)干擾用戶條件下系統(tǒng)誤碼性能Fig.6 BER performance of system with 50 interference users

由圖5和圖6可以看出,當(dāng)干擾用戶為10時(shí), EGC和MRC的誤碼性能已經(jīng)明顯差于MMSE的誤碼性能,而且隨著用戶數(shù)的增加,三者的誤碼性能都有所下降,但是EGC和MRC的誤碼率大于10-3,已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)要求了,而MMSE表現(xiàn)出較好的抗干擾性能。因此,在多芯片無線互連時(shí),RAKE接收機(jī)引入MMSE合并算法能夠明顯提高接收機(jī)抗多用戶干擾的能力,改善系統(tǒng)的誤碼性能。

5 結(jié)束語

本文針對目前芯片無線互連系統(tǒng)中尚未解決的多徑干擾問題,將最小均方誤差算法引入到RAKE接收機(jī);搭建了60 GHz芯片間無線互連系統(tǒng)仿真平臺,以IEEE 802.15.3c信道模型為基礎(chǔ),對MMSERAKE接收機(jī)的誤碼性能進(jìn)行了理論分析和仿真比較。結(jié)果表明,在CM7信道環(huán)境下,MMSE-RAKE性能要優(yōu)于EGC-RAKE和MRC-RAKE,并且隨著干擾芯片的增加,EGC-RAKE和MRC-RAKE接收性能惡化較為嚴(yán)重,而MMSE-RAKE接收機(jī)在不需要信道均衡的情況下仍然表現(xiàn)出較好的性能。因此,在設(shè)計(jì)適用于多芯片無線互連系統(tǒng)的RAKE接收機(jī)時(shí),通過引入匹配濾波器和最小均方誤差算法,在一定程度上解決了芯片間多徑信道衰落問題,但其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度需要進(jìn)一步研究。

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LI Xuehua was born in Changsha,Hunan Province,in 1977.She is now an associate professor with the Ph.D.degree and also the instructor of graduate students.Her research concerns wireless communication technology and signal integrity in high-speed circuit.

Email:lixuehua@bistu.edu.cn

彭江濤(1989—),男,河南周口人,2011年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,2015年于北京信息科技大學(xué)獲碩士學(xué)位,主要研究方向?yàn)樯漕l通信;

PENG Jiangtao was born in Zhoukou,Henan Province,in 1989.He received the B.S.degree from Harbin Institute of Technology and the M.S.degree from Beijing Information Science and Technology University in 2011 and 2015,respectively. His research concerns RF communications.

Email:pjthit@163.com

王亞飛(1981—),男,博士,實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)與高速電路信號完整性。

WANG Yafei was born in 1981.He is now an experimentalist with the Ph.D.degree.His research concerns signal integrity of wireless communication system and high speed circuit.

Email:yafeiwang@bistu.edu.cn

BER Performance Analysis of MMSE-RAKE Receiver in 60 GHz Inter-chip Wireless Interconnect System

LI Xuehua,PENG Jiangtao,WANG Yafei
(School of Information and Telecommunication Engineering,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100101,China)

To solve multipath fading problems in 60 GHz inter-chip wireless interconnect system,matched filter and minimum mean square error(MMSE)algorithm are applied to 60 GHz impulse communication system,and the bit error rate(BER)performance of MMSE-RAKE receiver is researched.Based on the IEEE 802.15.3c channel module,the performance of RAKE with different weighted consolidation strategies and interference users is analyzed.The simulation results show that,with the increasing of interference users,the MMSE-RAKE receiver with matched filter and MMSE not only effectively reduces the sample rate of receiver,but also improves the anti-multiuser interference ability of system.The research provides the technical reference for RAKE receiver design of inter-chip interconnect system.

inter-chip wireless interconnect;60 GHz pulse communication system;RAKE receiver;MMSE algorithm;matched filter

The Special Funds of the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61171039);The Science and Technology Project of Beijing Municipal Education Commission(KM201311232009);The Importation and Development of High-Caliber Talents Project of Beijing Municipal Institutions(CIT&TCD201404114)

date:2015-03-11;Revised date:2015-07-10

國家自然科學(xué)基金專項(xiàng)基金(61171039);北京市教委科技面上項(xiàng)目(KM201311232009);北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(CIT&TCD201404114)

**通訊作者:lixuehua@bistu.edu.cn Corresponding author:lixuehua@bistu.edu.cn

TN928

A

1001-893X(2015)12-1349-06

李學(xué)華(1977—),女,湖南長沙人,博士,副教授、碩士生導(dǎo)師,主要從事無線通信關(guān)鍵技術(shù)、高速電路信號完整性等方面研究;

10.3969/j.issn.1001-893x.2015.12.007

李學(xué)華,彭江濤,王亞飛.60 GHz芯片間無線互連系統(tǒng)的MMSE-RAKE接收機(jī)誤碼性能分析[J].電訊技術(shù),2015,55(12):1349-1354.[LI Xuehua,PENG Jiangtao,WANG Yafei.BER Performance Analysis of MMSE-RAKE Receiver in 60 GHz Inter-chip Wireless Interconnect System[J].Telecommunication Engineering,2015,55(12):1349-1354.]

2015-03-11;

2015-07-10