基于自动编译码器的端到端无线通信系统FPGA实现
2023年电子技术应用第5期
黄沛昱，高磊，宋佳波
（重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065）
摘要： 基于自动编译码器的通信系统是近年来无线通信的一个热门研究领域，如何将其部署在嵌入式设备中具有非常重要的实践意义。提出了一种基于自动编译码器的端到端无线通信系统的FPGA设计方案，在FPGA上部署基于自动编译码器的端到端无线通信系统，使用AD9361射频芯片作为射频前端处理模块，实现真正意义上的空中传输。并且对系统中的卷积神经网络设计了硬件加速方案，在卷积计算单元内进行并行性探索，设计了流水线架构，加速卷积运算。对于存储单元，采用双缓冲设计，利用乒乓操作，提高数据通信速率。实验结果表明，在不同的调制方式下，系统实测误块率与在瑞利信道下的仿真结果相接近。在误块率相当的情况下，与通用CPU Intel i5-9300相比，所设计的系统的网络推理速度提升了3.98倍。与英伟达1650 GPU相比，功耗约是它的0.18倍。
中圖分類號：TN92
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223229
中文引用格式： 黃沛昱，高磊，宋佳波. 基于自動編譯碼器的端到端無線通信系統FPGA實現[J]. 電子技術應用，2023，49(5)：105-110.
英文引用格式： Huang Peiyu，Gao Lei，Song Jiabo. FPGA implementation of end-to-end wireless communication system based on auto-encoder[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(5)：105-110.
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223229
中文引用格式： 黃沛昱，高磊，宋佳波. 基于自動編譯碼器的端到端無線通信系統FPGA實現[J]. 電子技術應用，2023，49(5)：105-110.
英文引用格式： Huang Peiyu，Gao Lei，Song Jiabo. FPGA implementation of end-to-end wireless communication system based on auto-encoder[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(5)：105-110.
FPGA implementation of end-to-end wireless communication system based on auto-encoder
Huang Peiyu，Gao Lei，Song Jiabo
(School of Opto-electronic Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China)
Abstract： The communication system based on auto-encoder is a hot research field of communication system in recent years, and how to apply the end-to-end learning communication systems to embedded devices is a hot topic worthy of research. This paper proposes a FPGA design scheme for end-to-end wireless communication system based on auto-encoder, deploys the end-to-end wireless communication system based on auto-encoder on the FPGA, and uses the AD9361 radio frequency chip as the radio frequency front-end processing module to achieve real air transmission. In addition, a hardware acceleration scheme is designed for the CNN in the system, parallelism is explored in the convolution computing unit, and a pipeline architecture is designed to accelerate the convolution operation. For the storage unit, the double buffer design is adopted, and the ping-pong operation is used to improve the utilization rate of data communication bandwidth. The experimental results show that under different modulation methods, the BLER performance is close to the simulation results under the Rayleigh fading channel. Compared with the general-purpose CPU i5-9300, the network inference speed of the designed system is 3.98 times higher than that of the general-purpose CPU i5-9300 with the same block error rate. Compared to the Nvidia 1650 GPU, the power is about 0.18 times higher.
Key words : FPGA；auto-encoder；end to end communication；pipeline；AD9361
0 引言
對于一個完整的通信系統來說，其本質可以表示為發射端為所需要發送的信息設計一種合適的編碼方式，以便于在傳輸過程中即使遇到各種外界干擾，也能將信息從發射端準確安全地傳輸到接收端。傳統的通信系統通過將發射端和接收端設計為若干個子模塊，如信源編碼、調制、解調、信道解碼、信道均衡等，通過對系統中的每個模塊進行單獨優化保證通信質量。但傳統通信系統實現的是局部優化，無法對系統進行全局最優設計。
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作者信息：
黃沛昱，高磊，宋佳波
（重慶郵電大學 光電工程學院，重慶 400065）
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