CN102685055B - 一种多数据流插值与抽取复用装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字通信技术领域，具体涉及一种多数据流插值与抽取复用装置及方法。所述装置包括：输入采样部件，用于采样插值与抽取的输入数据流，并根据插值或抽取模式选择采样数据输出给子滤波器；子滤波器，用于对采样数据进行滤波计算，并输出计算结果；输出处理部件，用于根据计算结果，生成且输出数据流的插值结果或抽取结果；控制部件，用于根据时钟节拍产生的状态控制字，控制输入采样部件、子滤波器、输出处理部件在状态控制字下协调运行。本发明还提供一种多数据流插值与抽取复用方法。本发明提高了各子滤波器运算单元的硬件利用效率，各运算单元可采用优化的无乘法器结构实现，可使时分复用收发机中采样速率变换的硬件开销减少约50%。

Description

一种多数据流插值与抽取复用装置及方法

技术领域

 本发明涉及数字通信技术领域，具体涉及一种多数据流插值与抽取复用装置及方法。

背景技术

近年来，随着高清电视、视频以及在线游戏等业务的发展，用户对通信系统的容量以及数据速率要求不断提高。多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）与正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术由于能够有效提高频谱利用率，已经被多种通信标准采用，比如：IEEE 802.11n，IEEE 802.16e，3GPP LTE等。在MIMO OFDM通信系统中，为了增强数据的传输速率，通常采用高带宽及高阶调制方式。高阶调制方式的性能对信号的相位失真及幅度失真十分敏感，因而需要使用具有线性相位、低纹波以及高速率的插值装置与抽取装置来完成系统中的采样速率变换。

线性相位的插值装置与抽取装置一般采用梳状积分（CIC）滤波器结构或有限冲激响应(FIR)滤波器结构实现。CIC滤波器结构不需要任何乘法或存储单元，但由于其在通带内有较大的衰减使其无法应用于上述宽带通信系统中。FIR滤波器结构能够在宽的通带内实现小的纹波，因而被广泛用于实现宽带OFDM通信系统中的插值装置与抽取装置，但其算法中包含了大量的乘法运算，在实际应用时需要大量的硬件资源，造成多个数据流采样速率变换所需的硬件开销大。

图1给出了典型的2×2 MIMO OFDM 收发机的模块框图。传统的插值装置与抽取装置均只能处理一路数据流，所以该收发机中共需要4个插值装置和4个抽取装置来完成同相（I）与正交（Q）数据流的采样速率变换。在数据发送链路，同相（I）与正交（Q）的基带数据需要输入到插值装置进行插值以匹配数模变换装置（DAC）的采样速率。在数据接收链路，自模数变换装置输出的I与Q数据流需要输入到抽取装置进行抽取以匹配基带处理器的采样速率。从图1中可以看出，MIMO收发机中需要的插值装置与抽取装置的总数目与数据流的数目之间为4倍的关系。当扩展至4×4 MIMO OFDM收发机时，插值装置与抽取装置的总数目将达到16个。因而，在实际系统实现时采样速率变换将占用大量的硬件资源，不利于系统的大规模集成。

发明内容

本发明的目的是提供一种多数据流插值与抽取复用装置，以降低MIMO OFDM通信系统中多个数据流采样速率变换所需的硬件开销。

本发明的另一目的是提供一种多数据流插值与抽取复用方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多数据流插值与抽取复用装置，包括：

输入采样部件，用于采样插值与抽取的输入数据流，并根据插值或抽取模式选择采样数据输出给子滤波器；

子滤波器，用于对采样数据进行滤波计算，并输出计算结果；

输出处理部件，用于根据所述计算结果，生成且输出数据流的插值结果或抽取结果；

控制部件，用于根据时钟节拍产生的状态控制字，控制所述输入采样部件、子滤波器、输出处理部件在状态控制字下协调运行。

上述方案中，所述输入采样部件包括插值采样保持单元、抽取采样保持单元及多路选通开关，所述插值采样保持单元和抽取采样保持单元分别与多路选通开关连接；所述抽取采样保持单元个数、所述多路选通开关的个数分别与子滤波器的个数相同；所述多路选通开关向各子滤波器输出插值采样保持单元和抽取采样保持单元的采样数据。

上述方案中，所述装置还包括输入端口和输出端口，分别用于插值和抽取数据流的输入以及插值和抽取数据流的输出，所述输入端口与所述输入采样部件连接，所述输出端口与所述输出处理部件连接。

上述方案中，所述子滤波器的数目与插值或抽取的倍数相同。

上述方案中，所述子滤波器内设有至少两条数据路径，各数据路径共用一个多路选通开关和一个滤波器计算单元，所述多路选通开关为滤波器计算单元输入来自不同数据路径的数据；各数据路径输入端和/或输出端分别插入不同数目的延迟寄存器，每条数据路径上延迟寄存器数目的总和相等。

上述方案中，所述滤波器计算单元采用乘法器，或采用硬连线的移位寄存器、加法器以及减法器。

一种多数据流插值与抽取复用方法，包括如下步骤：

采样插值输入的数据流与抽取输入的数据流；

选择与预设的插值或抽取模式对应的数据流采样值；

对所述数据流采样值进行滤波计算，根据计算结果，生成且输出数据流的插值结果或抽取结果。

上述方案中，所述对所述数据流采样值进行滤波计算，根据计算结果，生成且输出数据流的插值结果或抽取结果的步骤具体为：对所述数据流采样值按照预先设置的不同的时钟周期分别进行滤波计算，根据计算结果，生成且同时并行输出数据流的插值结果或抽取结果。

与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明提出的多路流水处理的实现方法使各子滤波器计算单元的硬件利用效率达到100%，同时各计算单元可采用优化的无乘法器结构实现；本发明提出的插值与抽取复用的实现方法可使时分复用收发机中采样速率变换的硬件开销减少约50%。

附图说明

图1是典型的2×2 MIMO OFDM 收发机的模块框图；

图2是本发明实施例提供的多数据流插值与抽取复用装置的结构框图；

图3是本发明实施例中子滤波器采用4路流水处理的结构示意图；

图4是本发明实施例中输入采样部件的结构示意图；

图5是本发明实施例中支持4路数据流时输入采样部件的结构框图；

图6是本发明实施例中输出处理部件的结构示意图；

图7是本发明实施例中支持4路数据流时输出处理部件的结构框图；

图8是本发明实施例在2×2 MIMO OFDM时分收发机中的应用框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图2所示，本发明实施例提供一种多数据流插值与抽取复用装置，该装置包括控制部件201、输入采样部件202、子滤波器203及输出处理部件206。

控制部件201用于根据时钟节拍产生状态控制字，输入采样部件、子滤波器、输出处理部件在状态控制字的协调下工作。在实际实现时，该部件可通过移位寄存器或者计数器实现。

输入采样部件202用于采样输入的数据流。在控制部件201的控制下，当输入采样部件为插值功能时，将插值输入端的采样数据输出给子滤波器203；当输入采样部件为抽取功能时，将抽取输入端的采样数据输出给子滤波器203。

子滤波器203分别代表滤波器多相分解实现时的各个相位。各子滤波器共同完成插值与抽取过程中数据流的滤波操作。由于各子滤波器采用一种多路流水处理的结构，从输入输出端口来看实现了并行处理多路数据流。在实际应用时，子滤波器的个数N与插值或抽取的倍数相同，若进行4倍插值或4倍抽取，则滤波器进行4相位分解，共需要4个子滤波器。

输出处理部件206用于产生插值与抽取输出的结果。子滤波器203的计算结果均输入到输出处理部件206中。对于各数据流，输出处理部件206将各子滤波器的计算结果依次在不同时刻选通输出，即实现插值功能。输出处理部件206将各子滤波器的输出结果相加后采样输出，即实现抽取功能。

图3给出了本发明实施例提出的一种4路流水处理的子滤波器结构。图中s0，s1，s2，s3与s0’，s1’，s2’，s3’分别表示4路并行输入的数据流以及4路并行输出的滤波结果。采用多相分解以及Nobel恒等式实现4倍插值或4倍抽取，若装置的工作时钟频率等于插值后或抽取前的数据采样速率，则各子滤波器每个时隙（4个时钟周期）计算一次，每次空闲3个时钟周期。本发明中提出的多路流水处理的实现方法正是利用空闲的时钟周期来处理不同的数据流，从而提高硬件资源的利用效率。为了使并行输入的数据流错开时间到达子滤波器的计算单元309，在各数据流路径上先插入1个至3个不等数目的延迟寄存器，图中分别标记为301，302以及303。再在各路径输出端再插入不等数目的延迟寄存器（图中标记为310，311以及312）使每条路径上的延迟寄存器总数均为3个，从而将各数据流的计算结果调整为并行输出。延迟链304，305，306以及307分别用于各路输入数据流的延迟寄存。四输入选通开关308在不同时钟周期为滤波器计算单元309输入来自不同数据路径的数据。该多路流水实现方法是利用空闲周期来处理多路数据流，由于4倍插值或4倍抽取一个时隙内的空闲周期为3个，那么最多只能实现4路数据流的流水处理。在实际应用时也可以通过提高装置的工作频率来进一步增加流水处理的数据流数目。另外，本发明提供的多路流水处理的实现方法中由于同一子滤波器计算的为不同数据流的同一相位值，滤波器计算单元中的滤波器系数恒定不变，因而计算单元可采用硬连线的移位寄存器，加法器或减法器来代替资源消耗多的通用乘法器。

在MIMO OFDM收发机中，数据发送链路需要插值装置，数据接收链路需要抽取装置。而对于一些时分复用系统，如IEEE 802.11n无线局域网通信系统，收发机中插值装置与抽取装置始终工作在不同的时刻。对此，本发明提出一种多数据流插值与抽取复用的方法，利用该方法可实现插值装置与抽取装置中各子滤波器完全复用，从而可减少时分收发机中采样速率变换约50%的硬件资源开销。图4给出了本发明中提出的输入采样电路结构。采样保持单元401用于采样插值的输入数据流，插值模式时同一路数据流在一个时隙内输出到各相位（子滤波器）的值相同，因而4个相位共用一个采样保持单元。采样保持单元402，403，404以及405用于采样抽取输入数据流，抽取模式时同一路数据流同一个时隙内输出到各相位（子滤波器）的值不同，因而采用四个采样保持单元在一个时隙的4个周期分别采样抽取的输入端。双路选通开关406，407，408以及409用于根据插值或者抽取模式选择采样值输出到各相位（子滤波器）。本实施例中输入采样部件202最终按照如图5所示框图实现，其中包含4个图4中所示的采样模块用于支持4路并行数据流的插值与4路并行数据流的抽取。

图6给出了本发明中提出的输出处理电路结构。四输入选通开关601与寄存器602用于产生一路数据流的插值输出。一个时隙内的4个时钟周期，四输入选通开关601依次选通自相位0，自相位1，自相位2以及自相位3的计算结果作为输出。四输入加法器603用于将自各相位的计算结果求和。二输入选通开关604与寄存器605组成一个采样保持单元。每四个时钟周期该采样保持单元采样一次加法器603的输出结果作为抽取的输出，从而实现一路数据流的4倍抽取。本实施例中输出处理部件206最终按照如图7所示的框图实现，其中包含4个图6中所示的处理模块用于支持4路并行数据流的插值与4路并行数据流的抽取。

图8给出了上述实施例在2×2 MIMO OFDM时分收发机中的应用框图。当为发射模式时，基带处理器801将4路I、Q数据输入到实施例802中进行4倍插值。插值后数据的采样速率与数模变换装置803，804，805以及806的采样速率一致。数字信号转换为模拟信号后进一步输入到射频模块811中，射频调制信号最终通过天线辐射到空中传播。当为接收模式时，射频模块先将接收到的信号下变频为基带模拟信号再输入到模数变换装置807，808，809以及810中。4路I、Q基带模拟信号转为数字信号后输入到实施例802中进行4倍抽取。抽取后的数据最终输入到基带处理器801中进行基带解调。本发明中的实施例由于能够同时支持4路并行的数据流，并且在同一装置中实现了插值功能与抽取功能，因此相对于图1中传统的插值装置与抽取装置能够有效降低硬件资源开销。在实际应用中，可以根据具体的系统需求利用本发明提出的参考电路结构与实现方法设计其他任意路并行处理任意倍数的插值与抽取复用装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多数据流插值与抽取复用装置，其特征在于，包括：

输入采样部件，用于采样插值与抽取的输入数据流，并根据插值或抽取模式选择采样数据输出给子滤波器；

子滤波器，用于对采样数据进行滤波计算，并输出计算结果；

输出处理部件，用于根据所述计算结果，生成且输出数据流的插值结果或抽取结果；

控制部件，用于根据时钟节拍产生的状态控制字，控制所述输入采样部件、子滤波器、输出处理部件在状态控制字下协调运行；

其中，所述子滤波器内设有至少两条数据路径，各数据路径共用一个多路选通开关和一个滤波器计算单元，所述多路选通开关为滤波器计算单元输入来自不同数据路径的数据；各数据路径输入端和/或输出端分别插入不同数目的延迟寄存器，每条数据路径上延迟寄存器数目的总和相等；

其中，所述输出处理部件将各所述子滤波器的计算结果依次在不同时刻选通输出，即实现插值功能；所述输出处理部件将各所述子滤波器的输出结果相加后采样输出，即实现抽取功能。

2.如权利要求1所述的多数据流插值与抽取复用装置，其特征在于：所述输入采样部件包括插值采样保持单元、抽取采样保持单元及多路选通开关，所述插值采样保持单元和抽取采样保持单元分别与多路选通开关连接；所述抽取采样保持单元个数、所述多路选通开关的个数分别与子滤波器的个数相同；所述多路选通开关向各子滤波器输出插值采样保持单元和抽取采样保持单元的采样数据。

3.如权利要求1所述的多数据流插值与抽取复用装置，其特征在于：所述装置还包括输入端口和输出端口，分别用于插值和抽取数据流的输入以及插值和抽取数据流的输出，所述输入端口与所述输入采样部件连接，所述输出端口与所述输出处理部件连接。

4.如权利要求1所述的多数据流插值与抽取复用装置，其特征在于：所述子滤波器的数目与插值或抽取的倍数相同。

5.如权利要求4所述的多数据流插值与抽取复用装置，其特征在于：所述滤波器计算单元采用乘法器，或采用硬连线的移位寄存器、加法器以及减法器。