概率計(jì)算對(duì)通信信號(hào)處理的影響范文
本站小編為你精心準(zhǔn)備了概率計(jì)算對(duì)通信信號(hào)處理的影響參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
《無(wú)線電通信技術(shù)雜志》2015年第二期
利用概率序列來(lái)進(jìn)行概率計(jì)算的方法早在1969就開(kāi)始了，而后以明尼蘇達(dá)大學(xué)為主的研究學(xué)者將概率計(jì)算的理論與生物工程中的遺傳選擇進(jìn)行聯(lián)合研究并將重點(diǎn)放到了如何利用概率邏輯電路來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。他們采用的方法是將數(shù)值的表示和計(jì)算全部都用概率的形式來(lái)表征和實(shí)現(xiàn)。他們用序列中含1的個(gè)數(shù)占整個(gè)序列長(zhǎng)度的比例作為此序列的概率，如圖1所示。這樣通過(guò)簡(jiǎn)單的門級(jí)電路就能完成乘、加運(yùn)算，如圖2所示。概率計(jì)算的好處是可以極大地降低乘加運(yùn)算的復(fù)雜度，降低關(guān)鍵路徑的長(zhǎng)度。同時(shí)，概率計(jì)算的電路抗干擾性能也會(huì)大為提升。因?yàn)樵诟怕视?jì)算系統(tǒng)中，使用非權(quán)重表征系統(tǒng)。由于電路的不確定性，導(dǎo)致不同比特位置上的錯(cuò)誤，對(duì)應(yīng)最終的運(yùn)算結(jié)果影響是一樣的，而傳統(tǒng)的計(jì)算電路中錯(cuò)誤幅度與位置有關(guān)大小為2k。如果控制這種錯(cuò)誤發(fā)生的概率滿足一定的統(tǒng)計(jì)特性，而不是完全正確，就可以保障最終的計(jì)算達(dá)到系統(tǒng)的要求。概率計(jì)算與通信信號(hào)處理的“統(tǒng)計(jì)特性”相結(jié)合，可以為通信信號(hào)處理運(yùn)算單元實(shí)現(xiàn)技術(shù)在功耗、速度和復(fù)雜度等方面獲得突破提供新的技術(shù)途徑。
2概率計(jì)算在通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用前景
2．1應(yīng)用的可能性正如在引言中分析的，通信系統(tǒng)中信號(hào)處理的復(fù)雜度主要集中在通信的檢測(cè)。從信息論的角度看待通信信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程就是以最大的概率從接收到的觀察值中獲得對(duì)傳輸信號(hào)的正確估計(jì)，即是對(duì)攜帶信息的隨機(jī)過(guò)程的最大似然估計(jì)。從信號(hào)檢測(cè)的角度看，通信信號(hào)檢測(cè)本質(zhì)就是概率空間的各種計(jì)算；而且在這種計(jì)算中，由于運(yùn)算單元，如數(shù)字電路的基本邏輯門，以一定概率出現(xiàn)的錯(cuò)誤，可以被視為加入到系統(tǒng)通信系統(tǒng)中的隨機(jī)噪聲。只要這種隨機(jī)噪聲低于一定的門限，通信系統(tǒng)是可以接受其存在的。因此，從概率計(jì)算的機(jī)理上分析，這項(xiàng)技術(shù)是可以應(yīng)用到通信系統(tǒng)的集成電路實(shí)現(xiàn)。概率計(jì)算以在一個(gè)有限長(zhǎng)度的二進(jìn)制序列中“1”的比例來(lái)表征一個(gè)概率值，并進(jìn)行相關(guān)的乘、加、除等基本的概率域的計(jì)算。因此，概率計(jì)算在實(shí)現(xiàn)上以一個(gè)有限長(zhǎng)度序列的算術(shù)平均來(lái)代替統(tǒng)計(jì)平均并進(jìn)行概率域上的概率計(jì)算，這就造成了概率計(jì)算在數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的“天然”缺陷，這就是概率計(jì)算中的表征噪聲；但是文獻(xiàn)［21］提出了高精度率計(jì)算精度的方法，例如有確定序列計(jì)算法、分段概率計(jì)算法和高精度乘法器等。如圖3所示，我們提出的改進(jìn)概率計(jì)算乘法器，較傳統(tǒng)的概率乘法器計(jì)算性能已經(jīng)有了很大的提升。其中基于分段和DSC的概率乘法器，較傳統(tǒng)乘法器的性能提高了近20dB，而與TCS下的定點(diǎn)乘法器的性能相當(dāng)。并且由于概率計(jì)算中的符號(hào)位單獨(dú)計(jì)算，因此在相同量化位寬下，本文提出的概率計(jì)算乘法器的性能還略高于傳統(tǒng)TCS乘法器。這樣為概率計(jì)算在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用打下了必備的基礎(chǔ)。
2．2應(yīng)用的橋梁根據(jù)文獻(xiàn)［20］的研究表明，概率計(jì)算在構(gòu)造概率域上的“和－積”運(yùn)算具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。我們是否可以利用“和－積”運(yùn)算作為概率計(jì)算在常規(guī)通信信號(hào)處理算法，如濾波、Turbo接收、信道譯碼和DFT等之間的橋梁？答案是肯定的，根據(jù)文獻(xiàn)［20］研究給出了因子圖（FactorGraph）及“和－積”與大量的通信信號(hào)處理常用算法之間的聯(lián)系，這些算法包括前向／后向計(jì)算、Viterbi算法、Turbo迭代檢測(cè)算法、BP（BeliefPropagation）算法、卡爾曼濾波和FFT等。在文獻(xiàn)［10］的研究中，將原來(lái)的全局函數(shù)分解為多個(gè)局部函數(shù)，利用因子圖建立局部函數(shù)間的廣義消息傳遞關(guān)系，用“和－積”運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了這些消息的傳遞和更新，以完成全局函數(shù)的功能。這就為概率計(jì)算在概率域上的“和－積”運(yùn)算與通信信號(hào)處理算法應(yīng)用建立了橋梁。另一方面，在信號(hào)處理過(guò)程中有大量關(guān)于條件概率的計(jì)算，或者將原來(lái)二進(jìn)制系統(tǒng)中的除法運(yùn)算映射為概率域中條件概率域的計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)［6－9］研究表明，條件概率的計(jì)算可以轉(zhuǎn)換成為有限狀態(tài)的馬爾可夫鏈中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。概率計(jì)算中可以利用J⁃K觸發(fā)器和簡(jiǎn)單的邏輯門電路完成相關(guān)的條件概率計(jì)算，如圖4（a）所述。
2．3概率計(jì)算在信號(hào)處理系統(tǒng)中的典型應(yīng)用
高速LDPC譯碼器設(shè)計(jì)Tehrani等利用概率計(jì)算構(gòu)造了隨機(jī)LDPC碼譯碼電路［11－13］，在該譯碼器中，以16bit長(zhǎng)度的序列來(lái)表征LDPC碼中變量節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的似然信息，其校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)更新和變量節(jié)點(diǎn)更新在概率計(jì)算中可以用非常簡(jiǎn)單的電路形式實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。正是由于概率計(jì)算大幅度地降低了LDPC譯碼的運(yùn)算復(fù)雜度，使得隨機(jī)的LDPC碼可以并行實(shí)現(xiàn)。在FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為222MHz，譯碼速度1．66Gbps，當(dāng)Eb／No＝4．25dB時(shí)誤碼率達(dá)到10－8。該LDPC譯碼器的性能如圖5所示，采用概率計(jì)算域雙精度浮點(diǎn)log⁃SPA算法32次迭代相比性能下降了約0．2dB，達(dá)到了傳統(tǒng)二進(jìn)制定點(diǎn)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的性能；但是在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、譯碼速度和功耗等方面，概率計(jì)算有很大的優(yōu)勢(shì)。利用概率計(jì)算得到的8階FIR濾波的性能如圖7所示。基于優(yōu)化方法的概率計(jì)算濾波器，性能較傳統(tǒng)TCS的計(jì)算損失只有0．5～1dB左右。而較傳統(tǒng)概率計(jì)算的SNR性能提升有3～5dB左右，完全能滿足系統(tǒng)需求。另一方面，概率計(jì)算的功耗和硬件復(fù)雜度遠(yuǎn)小于TCS。
3面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)
概率計(jì)算在通信系統(tǒng)集成電路實(shí)現(xiàn)中有美好的前景，作為一項(xiàng)新興技術(shù)也面臨巨大的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，有待進(jìn)一步加以解決。這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)主要包括：①在集成電路實(shí)現(xiàn)中，表征概率值的序列設(shè)計(jì)方法及對(duì)計(jì)算性能的分析研究。由于表征概率值的序列統(tǒng)計(jì)特性直接影響其所參與的運(yùn)算結(jié)果；而且不同的序列對(duì)相同的運(yùn)算，相同的序列產(chǎn)生方法在不同的運(yùn)算級(jí)聯(lián)條件下，所表現(xiàn)出來(lái)影響的性質(zhì)是不同。在已有的研究中，只是要求這些序列以及序列中的各比特從統(tǒng)計(jì)的角度看相互獨(dú)立。目前產(chǎn)生的方法是以擊穿二極管形成的噪聲作為序列生成的基礎(chǔ)，但是這種方法受到工藝條件限制，在批量生產(chǎn)過(guò)程中噪聲的統(tǒng)計(jì)特性無(wú)法得到保障。因此需要研究基于數(shù)字邏輯電路產(chǎn)生和分析的數(shù)學(xué)方法，而這些方法與通信系統(tǒng)中序列設(shè)計(jì)有本質(zhì)區(qū)別，需要進(jìn)一步加以解決。②傳統(tǒng)的二進(jìn)制表征域的通信信號(hào)處理算法到概率域表征的映射。雖然因子圖可以將大量常用的通信信號(hào)處理算法表征為“和－積”運(yùn)算的級(jí)聯(lián)形式，并以此作為映射到概率表征域運(yùn)算的橋梁；但是這只給出最基本的思路，而沒(méi)有給出相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。其中需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容包括，在概率域中流水信號(hào)處理過(guò)程中表征噪聲的“擴(kuò)散”規(guī)律及其矯正方法；概率域計(jì)算中的誤差傳遞過(guò)程及其矯正方法；概率域計(jì)算及表征在通信信號(hào)處理系統(tǒng)的位置劃分等。③PSoC［9］技術(shù)在通信信號(hào)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用。PSoC是概率計(jì)算在SoC中的應(yīng)用，根據(jù)PSoC的設(shè)計(jì)思想，通信信號(hào)處理系統(tǒng)中的控制邏輯和信號(hào)用性能確定的制造工藝實(shí)現(xiàn)，而運(yùn)行速度高且是系統(tǒng)中功耗主要消耗部分的數(shù)據(jù)通道（DataPath）實(shí)現(xiàn)概率計(jì)算。兩種工藝在同一顆芯片上實(shí)現(xiàn)，無(wú)疑將對(duì)通信集成電路的設(shè)計(jì)和加工提出巨大的挑戰(zhàn)，包括工藝間數(shù)據(jù)的有效傳遞、分區(qū)供電、梯度供電、時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)同步等。
4結(jié)束語(yǔ)
通信系統(tǒng)的信號(hào)處理過(guò)程就是一個(gè)對(duì)有噪信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程，其本質(zhì)是對(duì)概率的計(jì)算和判決。因此，通信系統(tǒng)中的數(shù)字信號(hào)處理算法都可以通過(guò)一定的數(shù)學(xué)變換映射到概率域中，并且找到對(duì)應(yīng)的概率邏輯予以實(shí)現(xiàn)；即利用概率計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)通信基帶的數(shù)字信號(hào)處理是可行的，并且具有很高的實(shí)現(xiàn)效率；根據(jù)前期他人利用概率計(jì)算在通信處理模塊上所取得的成果就很有力地印證了這一點(diǎn)。未來(lái)需要研究完整的基于概率計(jì)算方法的通信信號(hào)處理系統(tǒng)及其優(yōu)化算法；同時(shí)結(jié)合集成電路工藝，研究面向概率計(jì)算的數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)方法。
作者：胡劍浩陳杰男單位：電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
