CN104135310A - 一种适用于e波段无线传输系统的滤波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于E波段无线传输系统的滤波装置，包括M组延时单元、M倍抽取模块、L倍插值模块和成型滤波器，以及信号合并模块；所述延时单元用于对输入信号进行延时处理，其中，第一个延时单元进行一个单位的延时处理，第二个延时单元进行两个单位的延时处理，以此类推，第M个延时单元进行M个单位的延时处理；所述M倍抽取模块用于实现信号的M倍下采样并仅保留每M个连续样值中的第一个；所述L倍插值模块用于实现信号的L倍上采样，在每两个样值间插入(L-1)个0；所述成型滤波模块对信号进行成型滤波，采用平方根升余弦滚降滤波器实现；信号合并模块实现对M路信号的合并。本发明能够节省时间和硬件资源。
Description
技术领域
本发明涉及E波段无线传输技术领域，特别是涉及一种适用于E波段无线传输系统的滤波装置。
背景技术
无线通信正朝着超高速、大容量方向发展，急需大容量高速传输系统作为回传通道和进行点到点互联。现有解决方案中，光纤铺设往往比较困难，且价格昂贵；而传统微波技术存在传输距离短、速率不够高等局限性。E波段无线传输系统工作频率为70/80GHz，可用带宽达10GHz，支持超大容量点到点无线传输，且频段受环境干扰较小，适用于中远距离传输，能够实现无线环境下的超高速(10-30Gbps)数据率传输，可替代光纤干线传输。因此，E波段无线传输成为国际上公认的未来无线回传网络的首选方案，并有望应用于企业网点到点宽带接入、应急高速无线宽带接入等领域。
E波段无线传输滤波器主要涉及成型滤波和采样率变换技术。成型滤波器旨在匹配信号和信道特性，其实现方式主要有单级结构(先内插后抽取)、多级级联滤波、多相滤波和Farrow结构的滤波等。采样率变换技术旨在实现基带信号与AD/DA器件速率的变换，现阶段主要是通过改进滤波器的加乘结构来降低实现复杂度。E波段无线传输系统数据速率达Gbps，对滤波器的运算速度要求高。在对现有技术的研究中，发明人发现现有的成型滤波及采样率转换实现技术仍具有运算速度不够高、硬件资源占用率相对较大等缺陷，难以满足系统需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于E波段无线传输系统的滤波装置，能够节省时间和硬件资源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种适用于E波段无线传输系统的滤波装置，包括M组延时单元、M倍抽取模块、L倍插值模块和成型滤波器，以及信号合并模块；所述延时单元用于对输入信号进行延时处理，其中，第一个延时单元进行一个单位的延时处理，第二个延时单元进行两个单位的延时处理，以此类推，第M个延时单元进行M个单位的延时处理；所述M倍抽取模块用于实现信号的M倍下采样并仅保留每M个连续样值中的第一个；所述L倍插值模块用于实现信号的L倍上采样，在每两个样值间插入(L-1)个0；所述成型滤波模块对信号进行成型滤波，采用平方根升余弦滚降滤波器实现；信号合并模块实现对M路信号的合并。
所述平方根升余弦滚降滤波器采用查表法实现，相邻个输入值共同决定一组输出，其中，N为卷积运算过程中每一行长度的阶数，ceil()为取整运算；所述平方根升余弦滚降滤波器的输入值均为调制信号，具有有限种取值可能，通过遍历的方法得到输入到输出的映射表。
当查找表过大时，采用拆分子表、先查找后求和的方法进行优化。
所述平方根升余弦滚降滤波器由FPGA硬件实现，包括数据查找表模块，前导序列缓存模块和输出控制模块；数据将被分为实部和虚部两路并行数据，分别输入两个数据查找表模块；所述前导序列缓存用于存储前导预存储值；所述输出控制模块用于控制输出信号的状态，状态一为输出前导预存储值，状态二为输出前导预存储值与头部及数据块查表结果的叠加值，状态三为输出头部及数据块查表结果。
所述FPGA硬件定义一个长度为30的移位寄存器组，每个时钟上升沿来临时，寄存器组右移6个数，同时以前级模块传来的6个数更新本地寄存器组的高6个数；然后将[26:0]作为查找表的第一组地址查找输出8个数，完成第一组8/3倍采样率的转换；同时将[29:3]作为查找表的第二组地址查找输出8个数，完成第二组8/3倍采样率的转换；最后将两个8路输出拼接实现16路的输出。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用查表法建立映射表，并且滤波器的输入能兼容BPSK/QPSK/16QAM等调制信号，还能同时实现成型滤波及采样率转换功能，与传统的基于卷积运算的滤波结构相比，仅需很少的加法运算且不需要任何乘法运算，节省了时间和硬件资源；具有实现复杂度低、运算速度快、时间和硬件资源占用率少等特点。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是卷积运算过程示意图；
图3是插0后的卷积运算过程示意图；
图4是平方根升余弦滤波器(RRC)的频域结构图；
图5是本发明中具体实施例的结构框图；
图6是本发明中具体实施例的帧结构图；
图7是本发明中具体实施例的连续帧处理方式示意图；
图8是本发明中具体实施例的FPGA硬件实现框图；
图9是本发明中具体实施例的查表结构实现框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种适用于E波段无线传输系统的滤波装置，如图1所示，包括延时单元、M倍抽取模块、L倍插值模块、成型滤波器和信号合并模块。其中，延时单元分别实现对输入信号1,2,…,M单位的延迟；M倍抽取模块实现信号的M倍下采样，仅保留每M个连续样值中的第一个；L倍插值模块实现信号的L倍上采样，在每两个样值间插入(L-1)个0；成型滤波模块对信号进行成型滤波，以解决信号特性与信道不匹配问题，可采用平方根升余弦滚降滤波器(RootRaised-Cosinefilter，RRC)；信号合并模块实现对M路信号的合并。信号处理流程为：串行输入信号先分别经过M组延时单元和抽取模块得到M路并行信号；然后对各路信号进行L倍的插0操作；接着再通过成型滤波器；最终信号合并模块将各路信号进行求和合并，由此得到滤波输出结果。
本发明所述的技术方案能同时完成倍的采样率转换及成型滤波，并且滤波器的输入兼容BPSK/QPSK/16QAM三种调制信号。当滤波器的有效带宽(即滤波器输出数据率)为Be，为了和后级AD/DA器件最大采样率R匹配，需进行倍的采样速率转换。此时，
本发明所述滤波结构采用查表法实现，其关键是制作输入到输出的映射表。以图1结构的第一路为例进行分析，y(n)＝x(n)*h(n)卷积运算可用图2过程表示，每一行的长度为h(n)的阶数(设为N)。同理，对x(n)进行L倍插零后，与h(n)的卷积运算过程如图3所示。由图3易知，相邻个输入值共同决定一组输出。则对于图1所述M相滤波结构，相邻个输入共同决定一组输出。而滤波器的输入值均为调制信号，具有有限种取值可能。因而通过遍历的方法可以得到映射表。当查找表过大时，可采用拆分子表、先查找后求和的方法进行优化。结合移位寄存器和映射表很容易在FPGA上实现上述滤波结构。
下面以一个具体的实施例来进一步说明本发明。
本实施例采用表1所示的系统参数。其中，成型滤波器采用平方根升余弦滤波结构。其相应的频谱结构如图4所示。其中，Bc为理想低通滤波器的带宽(即滤波输出数据率)，Be为RRC的有效带宽，Bg为保护间隔。根据计算可得，该系统每个通道的有效带宽Bc＝B-Bg＝2.25GHz，其中，B为射频带宽，RRC滤波器有效带宽Be＝1.875GHz。而后级DAC器件的最大采样率是5GHz。为确保模块数据速率匹配，需进行8/3倍的采样率转换。此时M＝3，L＝8，则本实施例采用的发送滤波器设计结构如图5所示。包括延时单元，3倍抽取，8倍插值，RRC滤波及信号合并模块。
表1 E波段微波传输系统参数
本实施例中采用图6所示的帧结构。其中，前导是固定数值，可采用预存储法；而头部和数据块是调制后的信号，具有有限种取值可能，可采用查表法。
本实施例中传输的是连续帧信号，前导和头部及数据块衔接部分会互相影响。实施例中采用图7所示的处理方式来消除这部分影响。首先，将头部和数据部分作为一个整体，首尾各增补24个零，一起作为查表输入，则多输出64(24*8/3)点。然后将前导输出值前后64点将叠加上头部和数据部分首尾64点数据再输出。然而，这种统一的帧处理方式将导致最后一帧的末尾多叠加了前导的预存储值。对于系统中连续帧数较多情况，由于仅在最后一帧的尾部引入误差，因此该误差可忽略不计。
本实施例基于上述连续帧处理方式，设计出图8所示的FPGA硬件实现结构。主要包括数据查找表，前导序列缓存和输出控制模块。数据将被分为实部和虚部两路并行数据，分别输入两个数据查找表模块。输出控制模块用于控制输出信号的状态。状态一输出前导预存储值，状态二输出前导预存储值与头及数据块查表结果的叠加值，状态三输出头部及数据块查表结果。
本发明实例采用312.5MHz晶振，根据每个时钟上升沿有6个数据来临。根据相邻9个输入值x(1),x(4),...,x(25)共同决定一组输出。则对于3相滤波结构，相邻27个输入x(1),x(2),...,x(27)共同决定一组输出。因此，本地需定义一个长度为30的移位寄存器组，具体方式如图9所示。每个时钟上升沿来临时，寄存器组右移6个数，同时以前级模块传来的6个数更新本地寄存器组的高6个数；然后将[26:0]作为查找表的第一组地址查找输出8个数，完成第一组8/3倍采样率的转换；同时将[29:3]作为查找表的第二组地址查找输出8个数，完成第一组8/3倍采样率的转换；最后将两个8路输出拼接实现16路的输出。
本发明实例中，针对不同调制方式，实部或虚部查找表的大小如表2所示。其中，查找表最大情况为727。对于这种查找表规模过大的情况，本设计通过先拆分成9个大小为73的子表并行查找、然后求和的方式来进行优化。
表2 不同调制方式下，实部(虚部)的查找表大小
通过验证，与传统的基于卷积运算的滤波结构相比，本发明实例仅需要16.7％的加法运算且不需要任何乘法运算，极大节省了时间和硬件资源；本设计适用于各种E波段无线传输系统，有效提高了滤波效率，降低了系统硬件复杂度。
Claims (5)
1.一种适用于E波段无线传输系统的滤波装置，其特征在于，包括M组延时单元、M倍抽取模块、L倍插值模块和成型滤波器，以及信号合并模块；所述延时单元用于对输入信号进行延时处理，其中，第一个延时单元进行一个单位的延时处理，第二个延时单元进行两个单位的延时处理，以此类推，第M个延时单元进行M个单位的延时处理；所述M倍抽取模块用于实现信号的M倍下采样并仅保留每M个连续样值中的第一个；所述L倍插值模块用于实现信号的L倍上采样，在每两个样值间插入(L-1)个0；所述成型滤波模块对信号进行成型滤波，采用平方根升余弦滚降滤波器实现；信号合并模块实现对M路信号的合并。
2.根据权利要求1所述的适用于E波段无线传输系统的滤波装置，其特征在于，所述平方根升余弦滚降滤波器采用查表法实现，相邻个输入值共同决定一组输出，其中，N为卷积运算过程中每一行长度的阶数，ceil()为取整运算；所述平方根升余弦滚降滤波器的输入值均为调制信号，具有有限种取值可能，通过遍历的方法得到输入到输出的映射表。
3.根据权利要求2所述的适用于E波段无线传输系统的滤波装置，其特征在于，当查找表过大时，采用拆分子表、先查找后求和的方法进行优化。
4.根据权利要求2所述的适用于E波段无线传输系统的滤波装置，其特征在于，所述平方根升余弦滚降滤波器由FPGA硬件实现，包括数据查找表模块，前导序列缓存模块和输出控制模块；数据将被分为实部和虚部两路并行数据，分别输入两个数据查找表模块；所述前导序列缓存用于存储前导预存储值；所述输出控制模块用于控制输出信号的状态，状态一为输出前导预存储值，状态二为输出前导预存储值与头部及数据块查表结果的叠加值，状态三为输出头部及数据块查表结果。
5.根据权利要求4所述的适用于E波段无线传输系统的滤波装置，其特征在于，所述FPGA硬件定义一个长度为30的移位寄存器组，每个时钟上升沿来临时，寄存器组右移6个数，同时以前级模块传来的6个数更新本地寄存器组的高6个数；然后将[26:0]作为查找表的第一组地址查找输出8个数，完成第一组8/3倍采样率的转换；同时将[29:3]作为查找表的第二组地址查找输出8个数，完成第二组8/3倍采样率的转换；最后将两个8路输出拼接实现16路的输出。
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