CN1095620C

CN1095620C - 基带成形滤波装置及其数字实现方法

Info

Publication number: CN1095620C
Application number: CN 99117212
Authority: CN
Inventors: 蒲迎春; 余建国
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2002-12-04
Anticipated expiration: 2019-11-12
Also published as: CN1263397A

Abstract

本发明公开了一种基带成形滤波装置及其数字实现方法，属于WCDMA移动通讯领域。所述装置包括数据组单元(21)、FIR系数组单元(22)及时分复接单元(23)；所述方法采用以1/T速率输入数据、先进先出进入数据组单元，并以1/NT速率移位，内部采用乘法器结构运算，从而适应多位输入、高速率数据传输的要求；本发明可以减少成形滤波装置数量，可最大限度减少量化误差和保持带外衰减，本发明结构简单，成本低廉，提高了成形滤波装置的性能。

Description

基带成形滤波装置及其数字实现方法

本发明涉及移动通信或卫星通信领域，具体地说，适用于码分多址系统(如WCDMA系统)的发射部分，也适用于码分多址系统的基带接收部分，特别是在基带滤波前有数字功率增益控制的场合。

基带成形滤波装置对无线通信系统有效利用频谱、消除码间干扰、提高系统性能起着重要作用。成形滤波装置的实现方法通常有两种：模拟实现和数字实现。

在美国专利US05237527中介绍了模拟的方式实现成形滤波装置。模拟实现的成形滤波装置的技术已趋成熟，可实现高速率传输；但设计复杂，误差不易控制，模拟元件值要求精确，设计的每一个滤波器均需分别进行调整，设计和生产效率低。模拟滤波器的最大缺点是很难做到线性相位，因此会导致码间干扰(ISI)，即使使用网络均衡器仍不能达到精确的线性相位。

与模拟方式相比，数字滤波器具有以下优点：精度高；可靠性高；灵活性高；便于大规模生产；可以得到很高的性能指标。

数字滤波器有无限脉冲响应滤波器IIR与有限脉冲响应滤波器FIR两种形式。IIR滤波器传输函数的极点可位于单位圆内的任何地方，因此可用较低的阶数获得高的性能，所用存储单元少，所以经济而效率高，但它的相位为非线性。而FIR滤波器要求的阶数高，可以得到严格的线性相位，同时可以具有任意的幅度特性。

现在普遍采用数字处理器实现数字信号处理，但由于硬件技术的发展水平，数字处理器的处理速度还只能处理中低传输速率的基带成形滤波。对于高速率传输的情况，如美国IS-95移动通信系统，通常采用ROM查表的方法来实现成形滤波，这样可以满足高速率的要求。但ROM的存储空间不可能无限制增加，这实际上限制了滤波器的阶数及应用场合，使得高性能、高阶数的滤波器很难采用ROM查表来实现。特别是采用ROM查表时，适合的输入符号数据是二进制的“0”、“1”比特流。当输入符号数据是多位时，如n位，ROM存储量将是输入符号数据是1位时的n次方。例如，对于一个16阶、系数量化为8bit的FIR滤波器，输入符号是1位数据时，需要存储量为2¹⁶×8bit。同样对于这样一个滤波器，如输入符号的数据位是16bit时，将需要(2¹⁶)¹⁶×8bit，这么大的存储量，显然是无法实现的。

针对实际应用情况，有特殊的减少ROM存储量的方法，例如在US05881109-“Pulse shaping filter for.pi./4-shift QPSK modulator”中，采用了一种可缩减ROM存储量的方法，适用于输入符号是2bit的情况，可应用于4-相移QPSK调制的成形滤波装置。

然而，这些减少ROM存储量的方法，对于输入符号位数多达数十位时，还是无能为力的。这样，只能采用数字处理的方法来实现多位输入数据的情况。

如前所述，由于硬件技术的限制，使得数字处理器的处理速度只能处理中低传输速率的基带成形滤波。而在实际应用中，已提出了高速率应用的要求，如第三代移动通信WCDMA系统的传输速率为3.84MHz。CDMA(码分多址)移动通信系统中，必须采用功率控制来解决相邻小区干扰和“远近效应”。图1的增益模块12用来调整各个信道的发射功率，以克服不同移动环境下产生的衰落影响。在有多个信道和功率控制如12-1、…、12-n的情况下，采用ROM查表实现成形滤波时，就必须在每个信道上做成形滤波11-1、…、11-n，使得成形滤波装置的数量庞大，实现复杂。因此，从实现简单和提高滤波器性能的角度，在信道增益与合成后，采用一个成形滤波装置对所有信道统一滤波更为合理。这时，滤波器输入的符号位数是多位，如16位，只能用数字处理器来实现。问题在于，如滤波器采用8倍过采样，数字处理器对滤波器每一阶的处理速度将是8×3.84MHz，这是目前数字处理器难以达到的。

因此，用数字实现成形滤波装置必须同时解决两个主要问题：高速率传输，如第三代移动通信W-CDMA系统(3.84MHz)；输入符号数据有多位(可达数十位)。

目前在国内外还未见可以满足这两个要求的滤波器的有关的专利文献或其他出版物。

本发明的目的是提供一种适应高速率数据传输和多位数据输入的基带成形滤波装置及其数字实现方法。

本发明所述的基带成形滤波装置，包括：由N个输入数据组构成的数据组单元；由N个FIR系数组构成的系数组单元；以及时分复接单元。

所述数据组单元的N个输出端与所述系数组单元的N个输入端一一对应连接，所述系数组单元的N个输出端接所述时分复接单元的输入端；输入数据送到所述数据组单元的第一组，所述时分复接单元的输出即为本发明所述的基带成形滤波装置的输出。

本发明所述的一种基带成形滤波装置的数字实现方法，其步骤是：

1.在1/T时刻，输入数据送到所述数据组单元的第一组，再与所述系数组

单元的第一组进行乘法运算，运算结果经所述时分复接单元送出；

2.在1/T+1/NT时刻，将所述数据组单元第一组内的数据送到所述数据组

单元第二组，再将该第二组内的数据与所述系数组单元的第二组进行乘

法运算，运算结果经所述时分复接单元送出。

3.在1/T+2/NT到1/T+(N-1)/NT的各时刻，数据送到下一个数据组，

经该数据组和与其相对应的系数组进行乘法运算后经所述时分复接单元

输出。

4.在时刻1/T+(N-1)/NT后，所述系数组单元的各系数组都经过运算并

通过所述时分复接单元逐次输出结果。

本发明所述的基带成形滤波装置采用乘法器的结构，满足了输入数据为多位的数据处理，同时，将输入高速率降低N倍，适应了数字处理器工作。由于本发明的工作原理是在信道增益和合成单元之后再进行成形滤波，与以往的CDMA系统相比可以减少成形滤波装置数量，可最大限度地减小量化误差和保持带外衰减。本发明结构简单，实现了高速率数据传输、多位输入性能。

下面结合附图和实施例详细说明本发明的工作原理，将更有助于清楚地了解本发明的特性、目的。

图1示出了在IS-95系统中的一种基站发射结构。图2示出了本发明基带成形滤波装置的结构示意图。图3示出了本装置所采用的FIR滤波器冲击调制原理。图4示出WCDMA系统采用本发明基带成形滤波装置构成的基站发射结构。

图1给出了美国IS-95移动通信系统中的部分结构，可以看出，成形滤波单元11在增益控制单元12和信道合成单元13之前，而且有多少路增益控制，就需要有多少路的成形滤波装置，其中的FIR滤波器通常采用ROM查表的方法来实现成形滤波，这样可以满足高速率的要求。但ROM的存储空间不可能无限制增加，这实际上限制了滤波器的阶数及应用场合，使得高性能、高阶数的滤波器很难采用ROM查表的方式实现。

本发明可应用于第三代移动通信WCDMA系统的空中接口中物理层的基带部分，见图4，其中成形滤波装置407对移动通信系统的基站(移动台)的基带数据进行滤波，通过模拟发射部分409发射出去。移动台(基站)接收解调后，用匹配的成形滤波装置412在基带部分滤波后恢复数据。3GPP TS25.213 V2.1.0Section 5.3.2规定，基带滤波采用α＝0.22的成形滤波装置。特别之处在于WCDMA系统的多信道，每条信道有不同的发射功率，见图4的增益模块405-1、……，405-n，各信道经合成单元406后，送入成形滤波装置407。这就要求成形滤波要适应大的输入数据位数和高速率(3.84MHz)的要求，本发明提出了可以满足这种要求的装置和实现方法。

本发明的基带成形滤波装置采用FIR滤波器实现。FIR滤波器具有冲击调制功能，在该滤波器中的信号处理速度为Chip rate的N倍，N为过采样倍数，即每输入一个数据，FIR滤波器输出N个数据，这样一来，滤波器的工作速度将达到N×chip rate。以第三代移动通信WCDMA系统为例，码片速率是3.84MHz，当过采样倍数为8时，成形滤波装置的运算速度是3.84MHz×8＝30.72MHz。这种运算速度难于用数字处理实现，本发明利用FIR滤波器的特点来降低滤波器的运算速度。

根据FIR滤波器的冲击调制原理，当过采样倍数为N时，输入信号在滤波器中应做如下转化：

x：x00……0 (x后面有N-1个零)

如图3所示。在同一时刻最多有L/N个位置是有效的(L为滤波器阶数，N为过采样倍数)，即只有L/N阶的数据不为零，其余位置的数据均为零。如在t时刻，系数h(1)，h(N+1)，h(2N+1)……对应的数据不为零，过1/NT节拍，滤波器中的数据移位一次，数据不为零的阶顺序向后延，数据不为零对应的系数为h(2)，h(N+2)，h(2N+2)……。过N/NT时刻后，输入下一个数据X(t+T)，系数h(1)，h(N+1)，h(2N+1)……对应的数据不为零，这样循环往复。

在本发明的装置图2中，基于图3所示的FIR冲击调制原理，把FIR滤波器系数组22的系数h(i)按过采样倍数N分为N组，分别为FIR系数组1：[h(1)，h(N+1)，……]；FIR系数组2：[h(2)，h(N+2)，……]；……；FIR系数组N：[h(N)，h(2N)，……]。

把一个数据输入周期1/T分为N段。数据以1/T的速率送入数据组单元21，数据组单元21内的数据量等于FIR系数组22的系数数量，数据与系数是一一对应的关系。按1/T的速率，先入先出地更新数据组单元21。数据组单元21中的数据组1首先送给FIR系数组单元22的系数组1进行乘法运算，运算结果通过时分复用单元23以1/NT的速率输出。经过1/NT时间后，数据组1的数据送到数据组2，数据组2送给FIR系数组单元22系数组2进行乘法运算，经时分复用单元23以1/NT的速率输出。依此类推，每1/NT时间把数据单元组21的上一数据组的数据送到下数据组和与其对应的FIR系数组进行乘法运算，在N/NT时间后数据移到数据组N，与系数组N进行乘法运算后从时分复接23单元输出。然后，下一1/NT时刻，输入一新的数据到数据组1，更新数据组1，开始进行下一轮的循环。

因此，在图2所示的装置中，基带成形滤波装置的输入数据速率是1/T，各系数组22的运算速度也是1/T，输出数据率是1/NT。这样一来，每输入一个数据，滤波器输出N个数据，实现了N倍过采样，同时，各运算单元仍以1/T的速率工作。对于上面提到的数据速率为3.84MHz、滤波器的过采样倍数N＝8时，滤波器的运算速度为3.84MHz，输出数据速度为8×3.84MHz＝30.72MHz。

需要指出的是，为了说明方便，图2中每个数据组与对应的FIR系数组进行乘法运算的乘法器有N个，实际上乘法器的个数可以简化到L/N个，若该比值不是整数，根据取舍可能会得到两个整数，取其中大的，比如比值L/N为1.2，乘法器的个数取2个；比值为1.8，乘法器的个数也取2个。

上面的分析表明，本发明可以把成形滤波装置的运算速度降低N倍(滤波器过采样倍数)，从而满足宽带移动通信高传输速率的要求，可广泛应用于如第三代移动通信WCDMA系统等移动通信或卫星通信。

图4表示了第三代移动通信WCDMA系统中基站发数据、移动台收数据的示意图。信源401是从上层来的用户数据，经过信道编码复用单元402后，经信道映射403映射到各条物理信道上去。各物理信道的数据经404-1、404-n扩频加扰，再对每条信道单独进行功率增益控制405-1、405-n，根据功率控制的精度决定405-1、405-n输出数据的位数，假定对WCDMA系统要求的功率调整步长为1dB，功率调整动态范围30dB，405-1、405-n输出数据应要10位。如信道合成406对64条信道合成，则406输出的数据位数为16位。这样，成形滤波装置407的输入数据为16位、3.84MHz(WCDMA系统规定)。成形滤波装置407用本发明所采用的方法，可在8倍过采样的情况下，FIR滤波器407内各阶抽头以3.84MHz速率运算，以30.72MHz速率输出数据到D/A转换器408，通过发射机409发射出去。

移动台通过接收机410接收信号，A/D转换器411以8倍采样率进行A/D转换，412用与407相同的方法进行成形滤波，413解扩解扰，414解复用，415信道译码，送入信宿416使用。

图4是基站发、移动台收的过程。显而易见，对于移动台发、基站收的过程，本发明也同样使用适用。

Claims

1 一种基带成形滤波装置，其特征在于：包括：由N个输入数据组构成的数据组单元(21)；输入数据送到所述数据组单元(21)的第一组，所述N个输入数据组依次相连接，以便向下一输入数据组传递数据；由N个FIR系数组构成的系数组单元(22)；以及时分复接单元(23)；所述数据组单元(21)的N个输出端与所述系数组单元(22)的N个输入端一一对应连接，所述系数组单元(22)的N个输出端接所述时分复接单元(23)的输入端：所述时分复接单元(23)的输出即为所述基带成形滤波装置的输出。

2 如权利要求1所述的一种基带成形滤波装置，其特征在于：所述数据组单元(21)和系数组单元(22)的组成个数N等于过采样倍数。

3 如权利要求1或2所述的一种基带成形滤波装置，其特征在于：所述数据组单元(21)与所述系数组单元(22)进行乘法运算的乘法器的个数最少应为L/N个，最多可以是N个，其中L为滤波器的阶数。

4 一种基带成形滤波装置的数字实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在1/T时刻，输入数据送到所述数据组单元(21)的第一组，再与所述系数组单元(22)的第一组进行乘法运算，运算结果经所述时分复接单元(23)送出；

2)在1/T+1/NT时刻，将所述数据组单元(21)第一组内的数据送到所述数据组单元(21)第二组，再将该第二组内的数据与所述系数组单元(22)的第二组进行乘法运算，运算结果经所述时分复接单元(23)送出；

3)在1/T+2/NT到1/T+(N-1)/NT的各时刻，输入数据依此送到所述数据组单元(21)的下一个数据组，经该数据组和与其相对应的系数组进行乘法运算后经所述时分复接单元输出；

4)在时刻1/T+(N-1)/NT后，所述系数组单元的各系数组都经过运算并通过所述时分复接单元(23)逐次输出结果。

5 如权利要求4所述的一种基带成形滤波装置的数字实现方法，其特征在于：所述系数组单元(22)的FIR系数组的系数是按过采样倍数N分为N组的，即FIR系数组1：[h(1)，h(N+1)，……]；FIR系数组2：[h(2)，h(N+2)，……]；……；FIR系数组N：[h(N)，h(2N)，……]。