CN101938264A - Fir滤波器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

公开了有限冲击响应(FIR)滤波器及其实现方法。该FIR滤波器包括滤波单元，用于对输入数据进行速率变换；延迟抽取单元，用于抽取滤波单元的速率变换过程中产生的计算延迟和群延迟；标记产生单元，用于根据输入数据的帧开始标记和延迟抽取单元所抽取的计算延迟和群延迟计算新的帧开始标记，其中，帧开始标记是输入数据的开始指示；以及数据提取单元，用于根据标记产生单元产生的新的帧开始标记从滤波单元的输出数据中提取有效数据流，其中，该新的帧开始标记是有效数据流的开始指示。通过以上的技术方案，能够实现对不同速率的数据的无延迟适配。

Description

FIR滤波器及其实现方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体地，涉及FIR滤波器及其实现方法。

背景技术

如图7所示，在LTE-TDD(长期演进-时分双工)系统中，基带抽样速率是15.36MHz，基站射频(RF)的抽样速率是11.2MHz，因此针对数据抽样速率适配器设计了有限冲击响应(FIR)分数滤波器。对于下行链路数据通路，需要将OFDM(正交频分复用)载波的抽样速率从15.36MHz改变到11.2MHz用于无线处理，而针对上行链路数据通路，需要将OFDM载波的抽样速率从11.2MHz变换到15.36MHz用于基带处理。当在时域进行变换时，FIR分数滤波器中的LFP(低通滤波器)和运算器的时延将导致相位旋转，由于EVM(误差矢量幅度)很高，难以恢复星座图。设计一种FIR分数滤波器并同时消除群延迟和计算延迟成为一项挑战。

当前，相位旋转的解决方案是在DSP(数字信号处理)设备中使用频域算法实现的频率补偿。由于巨大的计算量需要额外的硬件设备开销，该方案消耗资源很高。同时，在实时系统中，无线空中接口存在传输延迟和相位偏移。由于这些不同的影响，很难固定频率偏移因素并恢复星座图。

因此，需要一种滤波器以提供无延迟的速率适配。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的实施方式提出了一种FIR滤波器及其实现方法。

根据本发明实施方式的一方面，提供了一种FIR滤波器，该FIR滤波器包括滤波单元，用于对输入数据进行速率变换；延迟抽取单元，用于抽取滤波单元的速率变换过程中产生的计算延迟和群延迟；标记产生单元，用于根据输入数据的帧开始标记和延迟抽取单元所抽取的计算延迟和群延迟计算新的帧开始标记，其中，帧开始标记是输入数据的开始指示；以及数据提取单元，用于根据标记产生单元产生的新的帧开始标记从滤波单元的输出数据中提取有效数据流，其中，该新的帧开始标记是有效数据流的开始指示。

根据本发明实施方式的一方面，提供了一种FIR滤波器，包括级联的多级以上所述的滤波器，其中，该多级FIR滤波器的每一级之后分别包括一个延迟消除单元，以对该级滤波器产生的分数延迟进行补偿。

根据本发明实施方式的一方面，提供了一种FIR滤波器实现方法，该方法包括对输入数据流进行速率变换；抽取速率变换过程中产生的群延迟和计算延迟；根据帧开始标记、所抽取的群延迟和计算延迟产生新的帧开始标记，其中，帧开始标记是输入数据的开始指示；并且根据新的帧开始标记从变换后的输出数据中提取有效数据流，其中，新的帧开始标记是有效数据流的开始指示。

根据本发明实施方式的一方面，提供了一种FIR滤波器实现方法，该方法包括将多级通过上述方法实现的滤波器级联使用；并且其中，该多级FIR滤波器的每一级之后分别包括一个延迟消除单元，以对该级滤波器产生的分数延迟进行补偿。

通过以上的技术方案，能够实现对不同速率的数据的无延迟适配。

附图说明

根据结合附图的以下描述，本发明的优点将变得易于理解，其中：

图1示出了根据本发明的实施方式的FIR滤波器的结构框图；

图2示出了根据本发明的另一实施方式的FIR滤波器的结构框图；

图3示出了根据本发明的实施方式的FIR滤波器实现流程图；

图4示出了根据本发明的实施方式新的帧开始标记在数据流中位置的示意图；

图5示出了一种针对分数延迟的解决方案示意图；

图6示出了根据本发明的实施方式的分数延迟补偿方法的示意图；

图7示出了现有技术中的速率适配方案示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。

本发明的实施方式提供了一种FIR滤波器，如图1所示，该FIR滤波器包括：滤波单元110，用于对输入数据进行速率变换；延迟抽取单元120，用于抽取滤波单元110的速率变换过程中产生的计算延迟和群延迟；标记产生单元130，用于根据该输入数据的帧开始标记和延迟抽取单元120所抽取的计算延迟和群延迟计算新的帧开始标记，其中，帧开始标记是输入数据的开始指示；以及数据提取单元140，用于根据标记产生单元130产生的新的帧开始标记从滤波单元110的输出数据中提取有效数据流，其中，该新的帧开始标记是该有效数据流的开始指示。

延迟抽取单元120可以包括计算延迟抽取模块121，用于基于对滤波单元110的RTL(实时链路)仿真抽取计算延迟；群延迟抽取模块122，用于基于对滤波单元110的算法仿真抽取群延迟。

标记产生单元130包括帧长度限定模块131，用于针对每一个数据帧的长度，定义被称为帧长度的参数，以确保帧长度能够被滤波单元110的抽取因子所整除；计数模块132，用于对输入数据进行监控，并从0到帧长度限定模块131所限定的帧长度实时地对输入数据的序列号进行计数；产生模块133，用于根据计数模块132的计数在每一个输入数据帧的开始同步地产生帧开始标记。

此外，计数模块132还用于对输出数据进行监控，从帧开始标记到帧长度限定模块131所限定的帧长度实时地对输出数据的序列号进行计数并在计数过程中加入所述计算延迟和所述群延迟的时间；以及产生模块133还用于根据计数模块132的计数在每一个输出数据帧的开始同步地产生新的帧开始标记。

本发明的实施方式还提供了一种FIR滤波器，如图2所示该滤波器由多级上述的FIR滤波器级联组成，该多级FIR滤波器的每一级之后还分别包括一个延迟消除单元，以对该级滤波器产生的分数延迟进行补偿。

当将该FIR滤波器用于上行链路时，该多级FIR滤波器包括两级级联的FIR滤波器，其中，第一级FIR滤波器的插值因子是8，抽取因子是7，第二级FIR滤波器的插值因子是6，抽取因子是5。

当将该FIR滤波器用于下行链路时，该多级FIR滤波器包括两级级联的FIR滤波器，其中，第一级FIR滤波器的插值因子是7，抽取因子是8，第二级FIR滤波器的插值因子是5，抽取因子是6。

虽然上面以分离的功能模块的形式描述了本发明实施例的FIR滤波器，但是图1和图2中示出的每一个组件在实际应用中可以用多个器件实现，示出的多个组件在实际应用中也可以集成在一块芯片或一个设备中。该FIR滤波器也可包括用于其它目的的任何单元和模块。

下面结合附图3详细描述上述FIR滤波器的具体结构和操作过程。

如图3所示，该方法的主要步骤如下：

在步骤310中，标记产生单元130对输入数据流产生帧开始标记。

首先，帧长度限定模块131针对每一个数据帧的长度，定义被称为帧长度的参数，确保该数能被FIR分数滤波器的抽取因子所整除。

然后，计数模块132监控数据流并从0到帧长度实时地对数据的序列号进行计数。

接着，产生模块133在每一个数据帧的开始同步地产生被称为帧开始标记的指示符。

在步骤320中，滤波单元110对输入数据流进行速率变换。

在步骤330中，延迟抽取单元120抽取滤波单元产生的延迟。

计算延迟抽取模块121基于对滤波器的RTL仿真，抽取计算延迟。在用于Matlab模型的算法固定后，计算延迟也被固定。

群延迟抽取模块121基于对滤波器的算法仿真，抽取群延迟。在用于Matlab模型的算法固定后，群延迟的也被固定。

在步骤340中，标记产生单元130根据帧开始标记、计算延迟和群延迟产生新的帧开始标记。

新的帧开始标记是FIR分数滤波器之后使用每一个帧的有效数据流的开始指示。

步骤340与步骤310的不同之处仅在于，计算模块132从帧开始标记开始计数，并在计数过程中加入计算延迟和群延迟的时间。

图4示出了本发明的实施方式中新的帧开始标记在数据流中位置的示意图。如图4所示，新的帧开始标记在旧的帧开始标记延后所提取的群延迟和计算延迟的位置，代表新的一帧(帧1)的开始。

在步骤350中，数据提取单元140根据新的帧开始标记从变换后的数据中提取有效数据流。

在本发明的实施方式中，由于当FIR滤波器的模型固定后，计算延迟和群延迟也被固定，因此，步骤320中的延迟提取步骤可以放在模型固定后到新的帧开始标记产生前的任何时刻。

通过该实施方式所提出的技术方案，由于在新的帧开始标记的产生中考虑了FIR滤波器所产生的延迟，因此根据新的帧开始标记所提取的有效数流在完成速率匹配的同时消除了FIR滤波器产生的延迟。

在本发明的另一个实施方式中，使用多个上述的FIR滤波器实现所需的速率变换功能。

下面以LTE-TDD系统的下行链路为例进行说明，在该示例中滤波单元110可以是FIR分数滤波器。

LTE-TDD系统网络侧的基带抽样速率是15.36MHz，射频的抽样速率是11.2MHz，根据数据链路的需求，需要在该系统的下行链路中使用35/48FIR分数滤波器，即整个滤波器电路中的插值因子是35，抽取因子是48。假设子载波的数目是600，载波间隔为15kHz，在FIR分数滤波器上可覆盖三种时钟域，包括15.36MHz、13.44MHz和11.2MHz。

为了实现的容易起见，可通过两级上述FIR滤波器来实现35/48FIR分数滤波器，第一级FIR滤波器的插值因子是7，抽取因子是8，即7/8FIR滤波器；第二级FIR滤波器的插值因子是5，抽取因子是6，即5/6FIR滤波器。每一级FIR滤波器分别进行速率变换、延迟抽取、新的帧开始标志产生和有效数据流提取等功能。

在下行链路的输入数据流(即基带信号)中，每192个有效数据插入一个帧开始标记，经过7/8FIR滤波器后，每168个有效数据插入一个帧开始标记，再经过5/6FIR滤波器后，每140个有效数据插入一个帧开始标记。

上行链路的情况与下行链路的不同之处在于需要实现的是48/35FIR分数滤波器。除了插值因子和抽取因子不同外，其它处理(如速率变换、延迟抽取、新的帧开始标志产生和有效数据流提取等)与下行链路的情况相同。相应地，上行链路的第一级FIR滤波器是6/5FIR滤波器，第一级FIR滤波器是8/7FIR滤波器。

在上行链路的输入数据流(即射频信号)中，每140个有效数据插入一个帧开始标记，经过6/5FIR滤波器后，每168个有效数据插入一个帧开始标记，再经过8/7FIR滤波器后，每192个有效数据插入一个帧开始标记。

由此可以看出，上行链路的输入/输出中每一个帧包含的数据数与下行链路的输出/输入中每一个帧包含的数据数相等，实现了速率的匹配。

在本发明的另一个实施方式中，针对每一级FIR滤波器可能产生的分数延迟进行处理。

以下行链路为例，假设7/8FIR滤波器的延迟是77Ts(Ts：抽样时间间隔)，而5/6FIR滤波器的延迟是100Ts，可得到两级滤波器的总延迟是(77×5/6)+100＝((64+100)+1/6)Ts。对于该两级滤波器中出现的分数延迟(1/6Ts)不能在时域进行补偿。

图5示出了对该情况的一种处理，在图5中，5/6FIR滤波器之后统一对时间偏移进行补偿，如上所述，如果产生了分数延迟，不能在时域进行补偿，但可以在频域进行补偿，然而当频率偏移过大时，在频域同样也不能进行补偿。在图5中，FIFO(先入先出)存储器用于数据缓存。

本发明的实施方式针对这种情况提出以下的解决方案。

简而言之，当滤波因子(插入因子和抽取因子)固定时，因为群延迟等于滤波器抽头数(Nt)的一半(Nt/2)，可产生控制信号并在(Nt/2)Ts处进行触发以使得FIR分数滤波器过滤后的IQ数据可以通过。在simulink中示出了当数据流通过该FIR滤波器并且使用64QAM(正交幅度调制)时，EVM小于1％。

图6示出了根据本发明的实施方式针对分数延迟进行补偿的示意图。以7/8FIR滤波器为例，如图6所示，有7个信道输入，每一个信号的抽样速率是15.36MHz，因此输入数据流的抽样速率15.36*7MHz，并且输出抽样速率是13.44*8MHz，等于15.36*7MHz。输入7/8FIR滤波器的ChannelValid信号是重复比特序列1111000，输出ChannelValid信号序列是11110000，“1”表示对应信道的数据流是有效的。ChannelCount信号用于群延迟的计数，如上所述，由于群延迟等于滤波器抽头数(Nt)的一半(Nt/2)，因此ChannelCount信号计数长度也是Nt/2，在群延迟期间，将ChannelValid和ChannelCount都设置为零，在群延迟后，也就是Nt/2后，将ChannelCount设置为“1”，允许IQ信号输出。

本发明实施方式所提供的FIR滤波器可以在一个或多个硬件中实现，例如DSP(数字信号处理器)和/或FPGA(现场可编程门阵列)等，但也不排除其它被视为“处理器”和/或“控制器”的硬件。

虽然是以LTE TDD为例进行说明，然而本发明的实施方式所提供的技术方案也可用于其它需要对信号速率进行变换的通信系统中。本发明不对此进行限制。

本领域技术人员应该很容易认识到，可以通过编程计算机实现上述方法的不同步骤。在此，一些实施方式同样包括机器可读或计算机可读的程序存储设备(如，数字数据存储介质)以及编码机器可执行或计算机可执行的程序指令，其中，该指令执行上述方法的一些或全部步骤。例如，程序存储设备可以是数字存储器、磁存储介质(如磁盘和磁带)、硬件或光可读数字数据存储介质。实施方式同样包括执行上述方法的所述步骤的编程计算机。

描述和附图仅示出本发明的原理。因此应该意识到，本领域技术人员能够建议不同的结构，虽然这些不同的结构未在此处明确描述或示出，但体现了本发明的原理并包括在其精神和范围之内。此外，所有此处提到的示例明确地主要只用于教学目的以帮助读者理解本发明的原理以及发明人所贡献的促进本领域的构思，并应被解释为不是对这些特定提到的示例和条件的限制。此外，此处所有提到本发明的原则、方面和实施方式的陈述及其特定的示例包含其等同物在内。

上面的描述仅用于实现本发明的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本发明的权利要求来限定的范围，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种有限冲击响应(FIR)滤波器，包括：

滤波单元(110)，用于对输入数据进行速率变换；

延迟抽取单元(120)，用于抽取所述滤波单元(110)的速率变换过程中产生的计算延迟和群延迟；

标记产生单元(130)，用于根据所述输入数据的帧开始标记和所述延迟抽取单元(120)所抽取的计算延迟和群延迟计算新的帧开始标记，其中，所述帧开始标记是所述输入数据的开始指示；以及

数据提取单元(140)，用于根据所述标记产生单元(130)产生的所述新的帧开始标记从所述滤波单元(110)的输出数据中提取有效数据流，其中，所述新的帧开始标记是所述有效数据流的开始指示。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述延迟抽取单元(120)还包括：

计算延迟抽取模块(121)，用于基于对所述滤波单元110的实时链路(RTL)仿真抽取所述计算延迟；以及

群延迟抽取模块(122)，用于基于对所述滤波单元(110)的算法仿真抽取所述群延迟。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述标记产生单元(130)包括：

帧长度限定模块(131)，用于针对每一个数据帧的长度，定义被称为帧长度的参数，以确保所述帧长度能够被所述滤波单元(110)的抽取因子所整除；

计数模块(132)，用于对所述输入数据进行监控，并从0到所述帧长度限定模块(131)所限定的帧长度实时地对所述输入数据的序列号进行计数；以及

产生模块(133)，用于根据计数模块(132)的计数在每一个输入数据帧的开始同步地产生所述帧开始标记。

4.根据权利要求3所述的滤波器，其中，所述计数模块(132)还用于对所述输出数据进行监控，从所述帧开始标记到所述帧长度限定模块(131)所限定的帧长度实时地对所述输出数据的序列号进行计数并在计数过程中加入所述计算延迟和所述群延迟的时间；以及

产生模块(133)还用于根据计数模块(132)的计数在每一个输出数据帧的开始同步地产生所述新的帧开始标记。

5.一种FIR滤波器，包括级联的多级根据权利要求1至4中任意一项所述的FIR滤波器，其中，所述多级FIR滤波器的每一级之后分别包括一个延迟消除单元，以对所述级的滤波器产生的分数延迟进行补偿。

6.根据权利要求5所述的FIR滤波器，其中，当将所述多级FIR滤波器用于上行链路时，所述多级FIR滤波器包括两级级联的FIR滤波器，其中，第一级FIR滤波器的插值因子是8，抽取因子是7，第二级FIR滤波器的插值因子是6，抽取因子是5。

7.根据权利要求5所述的FIR滤波器，其中，当将所述多级FIR滤波器用于下行链路时，所述多级FIR滤波器包括两级级联的FIR滤波器，其中，第一级FIR滤波器的插值因子是7，抽取因子是8，第二级FIR滤波器的插值因子是5，抽取因子是6。

8.一种FIR滤波器实现方法，包括：

对输入数据流进行速率变换；

抽取所述速率变换过程中产生的群延迟和计算延迟；

根据帧开始标记、所抽取的群延迟和计算延迟产生新的帧开始标记，其中，所述帧开始标记是所述输入数据的开始指示；并且

根据新的帧开始标记从变换后的输出数据中提取有效数据流，其中，所述新的帧开始标记是所述有效数据流的开始指示。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述抽取群延迟和计算延迟包括：

基于对滤波器的RTL仿真，抽取计算延迟；并且

基于对滤波器的算法仿真，抽取群延迟。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述根据帧开始标记、所抽取的群延迟和计算延迟产生新的帧开始标记包括：

针对每一个数据帧的长度，定义被称为帧长度的参数，以确保所述帧长度能够被所述FIR分数滤波器的抽取因子所整除；

监控所述输出数据并从所述帧开始标记到所述帧长度实时地对数据的序列号进行计数并在计数过程中加入所述计算延迟和所述群延迟的时间；

在每一个输出数据帧的开始同步地产生所述新的帧开始标记。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：

在进行所述速率变换之前，监控所述输入数据，从0到所述帧长度实时地对所述输入数据的序列号进行计数；

在每一个所述输入数据帧的开始同步地产生所述帧开始标记；

为所述输入数据插入所述帧开始标记。

12.一种FIR滤波器实现方法，包括：

将多级根据权利要求8至权利要求11中任意一项所述的方法实现的滤波器级联使用；并且

在每一级FIR滤波器后对所述级的FIR滤波器产生的分数延迟进行补偿。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，当将所述多级FIR滤波器用于上行链路时，所述多级FIR滤波器包括两级级联的FIR滤波器，其中，第一级FIR滤波器的插值因子是8，抽取因子是7，第二 级FIR滤波器的插值因子是6，抽取因子是5。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，

当将所述FIR滤波器用于下行链路时，实施多级FIR滤波器包括两级级联的FIR滤波器，其中，第一级FIR滤波器的插值因子是7，抽取因子是8，第二级FIR滤波器的插值因子是5，抽取因子是6。

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