（通信与信息系统专业论文）广义多载波合成滤波器组的算法仿真研究和fpga实现.pdf

摘要 摘要 近年来，移动通信业务在全球范围内发展迅猛。除了通话、短信等服务外，人们要求史多的多媒 体服务，以满足各种个性化的需求。在我国即将推出3 g 商用系统之际，国内外移动通信领域的专家 正在进行b 3 g 4 g 系统的研究和开发工作。根据国家“十五”8 6 3 无线通信f u t u r e 计划确定的研究 目标，东南大学移动通信国家重点实验室开展了“下一代移动通信无线传输链路技术”的课题研究， 本课题主要研究广义多载波掌盼双工混合多址( g m c f d d x d m a ) 蜂窝移动通信传输技术。 本人参与该课题研究工作，承担广义多载波( g m c ) 滤波器组的仿真研究和合成滤波器组的f p g a 实现工作。在学习多速率滤波器组理论的基础上本人研究了广义多载波合成分析滤波器组的快速 实现算法；并使用m a t l a b 语言对快速算法进行了浮点仿真研究；使用m a d a b7 新增加的f i x e d p o i n t 工具箱对快速算法进行了定点仿真研究；为了提供整个通信系统的定点链路仿真所需的大最测试数 据。使用c 语言对快速算法进行了定点仿真研究，并使用m e x 文件在m a t l a b 中调用c 程序。本人 在前期设计阶段提出的多种合成滤波器组f p g a 实现结构的基础上，经过修改，得到了最优的四大模 块实现方式，即子载波调制和前移频模块、i d f t 和后移频模块、循环扩展和点乘模块、移位相加模 块；采用v e r i l o gh d l ，在i s e 集成开发环境下，使用m o d e l s i m 、s y n p l i f y 等e d a7 - 具软件，完成 了硬件描述语言级仿真、综合及f p g a 性能测试。最后，在x i l i n xv i r t e x 1 1p r o1 0 0 ：占片上进行了在 线调试，通过了系统测试。 关键字：广义多载波。合成滤波器组定点仿真f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l yi nt h ew o r l d b e s i d e sp h o n ea n ds h o r t m e s s a g e ，p e o p l en e e dm o r em u l t i m e d i as e r v i c e st h a tc a ns u p p o r ta l lk i n d so fi n d i v i d u a ln e e d se v e r y w h e r e o nt h ee d g eo ft h ec o m m e r c i a la p p l i c a t i o no f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，e x p e r t sa r o u n dt h ew o r l d i nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n sf i e l dh a v eb e e nr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gb 3 go r4 gs y s t e m a c c o r d i n gt o t h ea i mo ft h e8 6 3f u t u r ep r o j e c to nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，n a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s r e s e a r c hl a b o r a t o r y ( n c r l ) o fs o u t h e a s tu n i v e r s i t yi sr e s e a c h i n go nn e w g e n e r a t i o nw i r e l e s st r a n s m i s s i o n l i n kt e c h n o l o g y i t st a s ki sr e s e a r c h e so fg e n e r a l i z e d m u l t i - c a r r i e r 均咛d i “s 1 0 i nd u p l e xx d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( g m c - i r d d x d m a ) c e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m t h ek e yt a s ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h es i m u l a t i o no fg e n e r a l i z e dm u l t i c a r r i e r ( g m c ) f i l t e rb a n k ，a n d t h ef p g ai m p l e m e n t a t i o no fs y n t h e s i sf i l t e rb a n k f i r s t ，t h eb a s i cc o n c e p t so fm u l t i r a t ef i l t e rb a n ka r e i n t r o d u c e d ，t h ef a s ti m p l e m e n t a t i o na l g o r i t h mo fg e n e r a l i z e dm u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi ss t u d i e d t h e n ，t h es i m u l a t i o n so ft h ef a s ta l g o r i t h ma r ep e r f o r m e d m a t l a bi su s e dt od e v e l o pf l o a t p o i n ts i m u l a t i o n ； m a t l a b7n e wa d d e df i x e d - p o i n tt o o l b o xi su s e dt od e v e l o pf i ) ( e d - p o i n ts i m u l a t i o n ；f o rg e n e r a t i n ge n o r m o u s d a t af o rt h ef l 】【e d - p o i n tl i n ks i m u l a t i o no ft h ew h o l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，ci su s e dt od e v e l o pf e d - p o i n t s i m u l a t i o n ，m e xf i l e i su s e dt oc a l lcp r o g r a mi nm a t l a b o nt h eb a s i so fs e v e r a ls t r u c t u r e so fs y n t h e s i s f i l t e rb a n kp r o p o s e di nt h ee a r l ya g e ，a f t e ri m p r o v e m e n lt h eo p t i m a li m p l e m e n t a t i o ns c h e m ec o m p o s e db y f o u rm o d u l e s ，i e s u b c a r r i e rm o d u l a t i o n & f r o n tf r e q u e n c ys h i f tm o d u l e ，i d f t & b a c kf r e q u e n c ys h i f t m o d u l e ，e x t e n t i o n & m u l t i p l i c a t i o nm o d u l ea n ds h i f t a d dm o d u l e ，i sb r o u g h tf o r w a r d t h e n ，b yu s i n g v e r i l o gh d l ，u n d e rt h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fi s e ，w i t ht h ee d at o o l sm o d e l s i ma n ds y n p l ，t h e f a s ta l g o r i t h mo fs y n t h e s i sf i l t e rb a n ki ss i m u l a t e df i n ds y n t h e s i z e db yh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，a n di t s p e r f o r m a n c ei s t e s t e db yf p g a f i n a l l y ，f i e l dt e s ti sp e r f o r m e do nx i l i n xv i r t e x 一1 1p r o1 0 0c h i p ，a n ds y s t e m t e s ti sv e r i f l e d k e yw o r d s ：g m c ，s y n t h e s i sf i l t e rb a n k ，f i x e d - p o i n ts i m u l a t i o n ，f p g a 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究 生院办理。 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，由于用户对移动服务的高需求，移动通信业务在全球范围内迅猛发展。除了前第：代 移动通信所能提供的通话、短信等服务外，人们还要求更多的多媒体服务4 i 仪有新的心用，还要能 满足无所不在的各种个性化的服务。3 g 系统实际所能提供的最高速率也只有2m b p s ，不能满足未来 用户的实际需求，因此在我国即将推出3 g 商用系统之际，国内外移动通信领域的专家正在进行 b 3 g 4 g 系统的研究和开发工作i l l 。 9 0 年代早期欧洲就开始b 3 g 4 g 移动通信系统的研究，其目标速率是2 0 1 0 0m b p s ，预期在2 0 1 0 左右投入商用。国际电信联盟i t u - r 在1 9 9 9 年成立了w p s f - 1 - 作组，主要任务足负责3 g 朱来发展 和b 3 g 的研究。在2 0 0 1 年1 0 月举行的第六次会议上讨论提出了l m t 一2 0 0 0 未束发胜及超i m t 2 0 0 0 的远景框架及总目标( i m t - v i s ) 1 2 1 目前关于b 3 g 4 g 的一些热点技术有以下几个方面： 1 ) 自适应调制与编码( 刖c ) 。a m c 的原理是根据信道条件瞬时的变化改变调制与编码格式 ( 传输格式) 。a m c 允许按照信道条件分配给不同的用户不同的数据率。由于信道条件在时 间上的变化，接收机将收集一系列信道的统计数值，用来提供给发射机和接收机去优化系统 参数，如调制及编码、信号带宽、信号功率、训练周期、信道估值滤波器，以及自动增益控 制。 2 ) 自适应复合a r q 。一个成功的广带无线系统必须具有有效的媒体接入控制( m a c ) 层，在 有损无线信道上具有可靠的链路性能。设计相应的m a c 使t c p 1 p 层为一高质量的链路。它 由自动重传请求机制( a r q ) 获得。后者为接收机把从上层收到的信包分成更小的子信包， 并被依次地发出。如果子信包没有被正确地接收，则发射机被要求重传。a r q 可看成是将时 间分集机制引入到系统中，这是因为它的从噪声、干扰和衰落中恢复的能力。自适应a r q 比单独的链路自适应有更大的增益。 3 ) m i m o 技术。利用m 1 m o 信道的空间复用增益。可以提高无线信道容量，在小增加带宽和天 线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。同时m i m o 信道的空问分集增益，可以 提高信道的可靠性。降低误码率。 4 ) o f d m 技术。o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响心曲线大多是非 平坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子 信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的， 即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输， 信号带宽小于信道的相干带宽，因此就可以大大消除信号波形闻的干扰。o f d m 技术的最大 优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰，主要的技术难点是系统巾的频率和时问同步、基 于导频符号辅助的信道估计、峰均比问题和多普勒频偏的影响。 5 ) 全i p 技术。核心i p 网络不是专门用作移动通信，而是作为一种统一的网络，支持有线及无 线的接入，它就像具有移动管理功能的固定网络，其接入点可以是有线或无线。无线接入点 可以是蜂窝系统的基站，w l a n ( 无线局域网) 或者a dh o c 自组嘲等。对于公用电话网和2 g 以及未实现全i p 的3 g 网络等则通过特定的网关连接。 6 ) 软件无线电技术。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台， 东南大学硕十学位论文 利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的具有开放式结构的新技术。通过下载 不同的软件程序，在硬件平台上可以实现不同的功能，用以实现在不同的系统巾利用单一的 终端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件无线电的核心思想是 在尽可能靠近天线的地方使用宽带a d 和d a 变换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能 各种功能和信号处理都尽可能用软件实现，其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、 信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。 1 2 多载波技术简介 通信可以分为两大类：有线通信和无线通信。然而不论是有线电缆，无线电射频或者是光纤，这 些传输信道的频率响应都不是完全理想的，数据传输速率越高，所占用的信道带宽越宽，信号的失真 就越明显，需要越来越复杂的均衡算法来克服它。多载波调制( m c m ) 的出发，! i 足把一个带宽较宽 的非线性信道，划分成若干个子信道。从每个子信道来看，它的频率响应是近似、r 坦的。这样，就可 以把高速的数据流分解成若干个低速的子数据流，分别在各个子信道上并行传输i j j 。 多载波调制的思想源于五、六十年代，当时人们提出了在相互间隔一个码元速率的多个载波上进 行并行的交错q a m 调制来传输信号，但由于受条件限制，产生独立、稳定的并行多路载波，并在接 收端很好的恢复它比较困难，使得该技术一度难以实用。随着通信技术和数字信号处理技术的发展， 采用n 可使实现多载波调制成为可处理技术多载波调制才又重新被人们所重视，并得到广泛的应用。 目前多载波调制的方式主要有离散多音调制( d m t ) 、正交频分复用( o f d m ) 、离散小波多音调制 ( d w m t ) 等。 1 2 1 正交频分复用( o f d m ) o f d m 是一种适用子无线环境下的多载波方式。由于地面情况的复杂性。发射出的无线电信号往 往是经过多条路径到达接收端，即存在多径传播效应。从而造成接收信号相互重叠，产生信号波形问 的相互干扰( i s i ) ，造成接收端的错误判断，影响信号传输质量。这种特性称为无线信道的时间弥散 特性。当传输高速的数据时，信号会产生频率选择性衰落，i s l 将变得非常严重，使得系统性能下降。 如果无线终端存在着快速的移动，则传输信道特性也会快速变化。而且在接收端会产生多普勒效应， 信号会产生时间选择性衰落，这些同样影响着系统性能。此外，无线信道中还存在着各种脉冲噪声， 窄带干扰等，使得无线信道变得非常复杂。 o f d m 技术能同时分开多个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行，这种特殊的信号“穿 透能力”使o f d m 适合于在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地区使用，o f d m 能够持续不断 地监控传输介质上通信特性的突然变化。通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，o f d m 能动态 地与之相适应，并且接通和切断相庸的载波以保证持续地进行成功的通信。它可以自动地检测传输介 质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载 波进行成功通信。 o f d m 采用i f f t 与f f t 实现基带信号的调制与解调，子信道之问相互正交频谱相互交叠。其 各个子信道传输的数据速率是固定的。它的优点主要有以下几个方面： 1 ) 通过各子信道的联合编码，o f d m 具有很强的抗衰落和抗窄带干扰能力。o f d m 技术本身已 经利用了信道的频率分集，如果衰落不足特别严重，就不需要加时域均衡器。通过将各个信 道联合编码，就可以使系统性能得到提高。 2 第l 章绪论 2 ) o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时问就柏j 剜也比同速率的竹 载波系统上的信号时间长很多倍，增加了o f d m 对脉冲噪声和j s i 的抵抗力。此外o f d m 对 每个子信道的数据都增加了循环保护c p 。可以进一步提高抗i s l 和l c l 的能力。 3 ) o f d m 允许重叠的正交子载波作为子信道，有较高的频率利用效率。 4 ) o f d m 适合于采用自适应调制机制，使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使 用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候 采用抗干扰能力强的调制方式。因此，o f d m 技术非常适合高速数据传输。 当然，o f d m 存在着一些缺点它对频率偏移和相位噪声很敏感，峰值与均值功率比相对较大 这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。根据不同的应用领域，o f d m 也发展出了如c o f d m f l a s h o f d m ，o f d m c d m a 等多种方式。 o f d m 良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲高清晰度数字电视( h d t v ) 传输 系统已经采用c o f d m 技术，它具有很高的频谱利用率和抗干扰能力满足了电视系统的传输要求。 在无线局域网领域中，1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 n a 通过了一个5 g h z 的无线局域网标准，其中o f d m 调制 技术被采用为它的物理层标准。欧洲电信标准协会( e t s i ) 的宽带射频接入网( b r a n ) 的局域网标 准也把o f d m 定为它的调制标准技术。在未来的宽带接入系统中，o f d m 将是一项基本的技术。 1 2 2 离散多音调制( d m t ) 和离散小波多音调制( d w m t ) 离散多音调制是按照各个子信道的不同特征，通过某种能量分配算法。把一个高速的数据流，非 均匀的分成若干个子数据流分别在各个子信道上传输。d m t 各子信道上的数据均采用矩形窗来截取。 在频谱上呈现s i n c 函数的形式，子信道之间功率在3 d b 处重叠，而且相互正交。 d m t 目前已经成功运用于a d s l 系统中，它将铜线信道1 1m h z 以下的可用带宽划分为2 5 6 个 子信道，每个子信道的带宽为4k h z l 4 j 。系统根据每个子信道的传输能力将发送数据分配给它们， 不能传送数据的信道都被关掉i 工作信道采用正交幅移键控( q a s k ) 方式。根据其传输特性确定每 码元载送的比特数( 1 1 1b i t s ) 。d m t 采用l 兀丌和f f t 来实现调制与鳞调，非常适合于用数字信号 来实现，相对于正交调幅( q a m ) 和无载波调幅调相( c a p ) ，d m t 具有较强的抗脉冲干扰能力。 能够灵活动态地调整其功率谱，以适应不同用户线路特性，而且有利于重新配制上、下行信号速率。 然而，d m t 的灵活性和高性能是靠设备复杂性换取的就成本而言。d m t 技术目前还是比较昂贵的。 由于d m t 中采用的是离散傅立叶变换来实现信号的多路调制与解调，其生成的调制信号的频谱 旁瓣功率较大，达到一1 3 d b ，这使得整个系统的传输性能受到影响。为了进一步提高系统的性能，9 0 年代初有人在d m t 的基础上又提出一种新的多载波调制技术离散小波多音调制( d w m t ) 1 4 1 。 它是用离散小波变换来代替d m t 中的离散傅立叶变换，通过仔细地设计调制信号的频谱特性来提高 系统的传输性能二相对于d m t 技术，d w m t 最大的优势在于子信道信号主瓣能最集中。阻带衰减快。 邻近子信道之间的干扰小。 1 3 多载波技术的应用广义多载波传输系统 传统的o f d m 技术能够方便地与t d m a 和c d m a 技术相结合，构成灵活的、易于调配的空中 接口，且能够方便地利用f f t 进行实现。但其在应用于蜂窝移动通信系统时存在一系列固有的缺点： 首先，难以实现与3 g 和增强型3 g 的后向兼容：其次为便于f f t 实现，需增加循环保护时间间隔 c p ，将使频谱利用率下降2 0 以上：第三，对反向信道引入的定时误差和频牢偏差、多普勒频偏极 3 东南大学硕士学位论文 为敏感，若每个子载波的带宽为1 0 0l o l z ，则频偏应控制在lk h z 以内，实际应用r f l 难以满足；第四 较难解决传输信号的峰均比问题及对非线性效应的敏感性。因此，东南大学高西奇教授提出了广义多 载波( g m c ，g e n e r a l i z e dm u l t i c a r r i e r ) 调制技术1 5 i 。 g m c 技术可作为o f d m 的广义形式。通过精心的构造，既能吸取o f d m 的易于f f r 实现的优 点，又能调节各个子载波的带宽、子载波之间的交叠程度、以及各子载波调制方式，克服o f d m 系 统的定时和频偏敏感性、难以与3 g 和增强型3 g 的后向兼容、以及因c p 引入所造成的频谱利用率下 降等缺点，且能与f d m a 、t d m a 和c d m a 直接结合构成混合多址( x d m a ) 接入方式，具有不 同业务需求的用户，可以动态地占用一个或多个子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、码道 等，从而克服o f d m 系统的高峰均比问题、对非线性效应的敏感性问题、以及较难实现不同用户移 动终端所需成本的合理性问题等。g m c 技术具有技术上的开放性和未来发展的灵活性。 本课题根据国家“十五”8 6 3 计划无线通信f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d i o e n v i r o n m e n t ) 计划确定的研究目标，开展下一代移动通信无线传输链路技术研究。本课题研究，“义多 载波( g m c 。g e n e r a l i z e dm u l t i - c a r r i e r ) 竣分双工( t d d , 懒d i v i s i o nd u p l e x ) 混合多址( x d m a ， x d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信传输技术。 g m c t d d x d m a 方案以3 g 技术演进为出发点。充分考虑新一代蜂窝通信系统的后向兼容性； 以基于多天线环境的网络结构为构架：以基于分块传输的联合空时信号处理和新型t u r b o 接收机技术 为提高系统性能的主要手段：以高效的多相分解滤波器组实现方式为降低系统实现复杂性的主要方 法：并充分借鉴了o f d m 系统易于f f t 实现的优点。这种新一代移动通信系统传输技术将是开放式 的，能够灵活地吸收其它技术优点，具有高频谱利用率、低发射功率和支持大动态范围分组数据传输 的能力。其总体目标是： 1 ) 支持峰值速率为2 0m b p s i 0 0m b p s 的高速i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 分组传输在车载环境， 峰值速率不低于2 0m b p s 。 2 ) 支持8k b p s 一2 0m b p s 速率变化、不同q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 和非对称的多媒体业务 3 ) 系统容量达到3 g 系统的3 5 倍。 4 ) 提供与3 g 系统反向兼容性和与其它无线通信系统交互工作的可能性。 5 ) 提供无线资源优化配置的灵活性。 6 ) 具备不同业务需求的用户其移动手持终端所需成本的合理性。 系统方案的总体框架为： 1 ) 系统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模式下，可把总带宽( 连续或非连续) 为2 0 m h z 的信道分解成1 6 个3d b 带宽为1 2 8m h z 的基本子载波，通过1 6 个子带的滤波器组( f i l t e r b a n k ) 进行多载波合路和分路。多载波滤波器组可通过本课题组的发明专利技术多相分 解和f f t 快速实现；在扩展模式下，可把稠邻的基本子载波合成为带宽为3 8 4m h z 扩展子 载波，可根据未来不同国家的频谱分配情况，灵活地分配不同的扩展子载波并可实现与3 g 系统的共存与后向兼容。 2 ) 支持x d m a 混合多址方式：每个基本子载波或扩展子载波可采用t d m a 方式、多码道c d m a 方式、自适应调制编码、空时联合发送与联合检测、自适应时隙结构等技术以及它们之问的 相互组合，以达到支持高效分组传输之目的。 3 ) 采用极为灵活的x d m a 混合多址方式共享无线资源，每个移动用户可动态地 用个或多个 基本子载波或扩展子载波。或 i 用一个子载波的一个或多个时隙、码道等，从而达到从lk b p s 4 第1 章结论 至1 0 0m b p s 的大动态范围传输的要求：并可通过彳i 同小区问的基本子载波或扩胜子载波的灵 活分配避免系统所可能遇到的时隙碰撞问题。 4 ) 可扩展至多天线环境，通过设置多子发射天线数的接收天线侵系统频谱利用率线性提高， 或使发射功率线性降低，从而满足系统容量提高3 5 倍，发射功率降低1 0d b 以上之要求。 1 4 论文的主要工作和结构 本文是作者在攻读硕士学位期间，参与f u t u r e 项目g m c f d d x d m a 通信系统巾j ，义多 载波滤波器组的研制时所作工作的总结。工作包括三个方面。其一着重讨论了多载波滤波器组的算 法，从实现角度对广义多载波滤波器组的数字实现方法予以介绍，包括合成滤波器组和分板滤波器组 的数字快速实现算法。其二，使用m m l a b 、c 等工具对快速算法进行浮点和定点仿真，并得到了算法 性能。其三。使用v e r i l o g h d l 语言。在i s e 集成开发环境下应用m o d e l s i m 、s y n p l i f y 等t 具软件 对合成滤波器的快速算法完成了f p g a 实现，将m o d e l s i m 仿真结果与定点仿真结果加以比较，并在 x i l i n xv i r t e x i ip r o 】o o 芯片上进行了现场调试，得到了正确的结果。 本文总共分为六章，主要内容如下： 第1 章介绍了多载波技术及其应用； 第2 章探讨了多速率信号处理的一些基本概念。如差值和抽取等，并介绍了多速率滤波器 f i 的基 本概念； 第3 章主要介绍了g m c h ) d x d m a 系统的广义多载波滤波器组结构，研究了相应的原理和算 法推导，并从硬件的实现角度考虑，研究了合成滤波器维和分析滤波器组的快速实现算法； 第4 章针对上述快速实现算法进行了基于m a f l a b 的浮点仿真、基于m a t l a b7 新增加的f i x e d p o i n t 工具箱的定点仿真和基于c 的定点仿真，并且给出了仿真所得到的算法性能： 第5 章着重描述了系统的多载波合成滤波器组的f p g a 实现结构和过程，并且给出了硬件测试结 果与定点仿真结果的比较，并且得到了板上测试结果： 第6 章对上述工作做了总结。 参考文献 11 t z a h a r i a d i s ，d k a z a k o s ，“r e v o l u t i o nt o w a r d4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，”i e e ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 1 0 ，n o 4 ，l a p 6 7 ，a u g 2 0 0 3 【2 】b ge v a n s ，k b a u g h a n ，“v i s i o n so f 4 g , ”e l e c t r o n i c s c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n gj o u r n a l , v 0 1 12 ， 1 1 0 6 ，p p 2 9 3 3 0 3 ，d e c 2 0 0 0 。 f 3 1b r s a i t z b e r g ，“c o m p a r i s o no fs i n g l e c a r r i e ra n dm u l t i t o n ed i g i t a lm o d u l a t i o n f o ra d s l a p p l i c a t i o n s ，”i e e e c o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e ，v 0 1 3 6 ，n o 1 l ，p p ，1 1 4 - 1 2 1 ，n o v 1 9 9 8 f 4 1m a t z a r m e s ，m c t z a r m e s ，j p r o a k i s ，e ta 1 ，“d m ts y s t e m s ，d w m ts y s t e m sa n dd i g i t a lf i l t e r b a n k _ i nl e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o m m u n i c a t i o n s ( 1 c c9 4 , s u p e r c o m l c c 9 4 ) 、m q 1 9 9 4 v 0 1 1 。p p 3l l 一3 1 5 ， 【5 1高西奇广义多载波并行传输系统的优化设计与快速实现( b 3 g 研究系列报告) 南京：东南大学 移动通信国家重点实验室b 3 g 研究组2 0 0 3 5 第2 孽多速率数。 信号处卿理论 第2 章多速率数字信号处理理论 2 1 多速率系统简介 系统不同部分有着不同采样率的离散时问系统称为多速；簪系统( m u l t i r a t es y s t e m ) 1 。多速率系 统在数字滤波器、信号编码、数据压缩等许多领域有厂泛的应用。 假设有一个带限模拟信号x a ( ，) ，它的频谱仅在卜刀互，州互】内有非零值，以正为周期来对它采 样，得到数字信号x ( 册) = x a ( m 瓦) ，m z 。把x ( m ) 和一个周期的冲击信号相乘，可以得到一个等 效的模拟信号 五( r ) = x ( m ) 8 ( t 一朋正) ( 2 1 ) 朋= - t 工，( t ) 的频谱是以2 万l r , 为周期的，为了恢复出原始的x 。o ) ，必须使工。( f ) 通过一个滤波器a ( f ) ， j l z ( f ) 的频率响应h ( j t o ) 为 于是， 州i e 嚣州刚 仁2 ， x o ( f ) = x t ( f ) ( f ) = 工( 嬲) s i t i c 【( t - 明互) 】 ( 2 3 ) j im 2 m1 l 这时。对x 。o ) 以周期乏重新采样，椁到数字信号x 7 ( 玎) = x o ( n 互) ，n z ， x b ) ：寺圭加瑚m 【寺( n 瓦叫硼 ( 2 4 ) 1lm 2 _ i 这是一个采样速率变换的通用表达式。这里没有对正和疋进行限制，然，如果瓦 z ，为了 避免频谱混叠，( 2 2 ) 式中当国仨卜万正，州疋】时h ( j o j ) 必须为零。上式中包含了无数个s i n c 函数 的和，这在实际过程中是没有用的。一般来说，对于合理的采样率变换，通常不会丢失感兴趣的信息， 在离散时问域可以得到期望的结果。下面将讨论最常见的两种情况，抽取( d e c i m a t i o n ) 和插值 ( i n t e r p o l a t i o n ) 1 1 1 2 1 。 2 1 1 抽取 对一个数字信号x ( 朋) 进行m 倍的抽取，即把它的采样率降低m 倍，每肘个样本信号只保留一 个。图2 1 是抽取操作的框图。 塑生爪i 斟 图2 1m 倍抽取的框图 图2 2 是m = 2 时的数据抽取永意图，：名+ 的关系非常明显， j r d ( 刀) = x ( n m ) 7 东南人学硕士学位论文 x ( m 劫( 图2 2 ，倍抽取示意图 在频域，如果x ( m ) 的频谱是x 0 归) ，那么抽取以后信号勤o ) 的频谱将是 靠个击笔字， ( 2 5 ) 该式说明了抽取后的信号工d ( 甩) 的频谱是由原信号x ( m ) 的频谱先扩展m 倍，然后以2 7 r 为周期 重复所得到的。图2 3 是m = 2 时的二者频谱的对比。 图2 3 ( a ) 原信号的频谱( b ) 2 倍抽取后的频谱 为了避免抽取以后信号频谱的混叠，原信号x ( m ) 的带宽必须被限制在卜刀m ，m 】以内。所 以，通常在抽取之前信号先要通过一个低通滤波器忆( 坍) ，理想情况下它的频率响为 删妒船是竺州圳 ， 如果把低通滤波和抽取合并起来，用一个方程来表示，那么时域的表达式就足 屯( ，) = x ( m ) h a ( n m - m ) ( 2 7 ) 2 1 2 插值 与抽取相反，对信号x ( m ) 进行倍插值是在任意的相邻样本之间插a l 一1 个零。插值的符号框 图如图2 4 所示，插值以后的信号为 8 1“，j=二j=r-1=_= l=二一 il上“。_u，-1xu，上，j，hu：jeu，4，j3上2 ，j l，0j0 t上舄_1，上b，上，0，14-，lj3，2，l，l_1u 、j 一 第2 章多速率数手信号处理理论 枷，书化x 尝z 插值的示意图如图2 5 所示。其中l = 2 。 j ( 历 i ，( 图2 4 三倍插值的框图符号 ) 11f11 x ，( 2 ) 11 1 1 图2 5 倍插值示意图 从频域来看，假设j c ( m ) 的频谱是x ( e 归) ，那么插值后的频谱是 只 扣) = x ( e j 础) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 把原信号的频谱压缩倍，然后以2 2 1 为周期扩展，就可以得到插值以后的信号频谱，图2 6 是l = 2 时插值前后的频谱对比。 图2 6 ( a ) 原信号的频谱( b ) 插值后的频谱 原信号的频谱j ；i j 期是2 n ，而插值以后变成了2 t 1 1 ，为了在插值以后获得一个比较、卜坦光渭的 信号，同时又具有和原信号同样的频谱形状，可以让插值之后的信号置( 玎) 通过一个低通滤波器 ( 九) ， 9 尔南大学颀士学位论文 把在【一州厶, r s , 1 以外的那些重复的频谱分量都过滤掉。低通滤波器红( 以) 的理想频率响应为 r 1 q u 纠2 恼 缈卜, r l t ，万l s - , 】 o t h e r w i s e ( 2 i o ) 滤波后的信号葺( 哟等于毫( ，1 ) 和滤波器冲击响应红( 行) 的卷积，可以得到它的时域表达式为 ( 力= k 。( m ) h c n - m ) = x ( k ) h ( n - k l ) ( 2 1 1 ) m = - i = 2 2 多速率滤波器组的基本概念 多速率滤波器组以其灵活的处理各种速率要求的数宁信号而受到广泛关注，并且还可将信号划分 为不同的子带，针对各个子带的特点做力i 同的处理。随着微电子技术的迅猛发展，多速率滤波器组在 电子系统中的应用也越来越受到重视。 滤波器组是一组数字滤波器的集合，它由分析滤波器组和合成滤波器组组成，分析滤波锯组具有 共同的输入信号，合成滤波器组具有共同的输出信号，图2 7 所示是膨带滤波器组原理图。其中。工( 行) 是输入信号，y ( n ) 是输出信号，x o ( n ) ，五( 九) ，h 一( 门) 是分解得到的子信道信号。( 胛) ， ( 刀) ，k 一。( 力) 是各个分析滤波器。二( 功，彳( 以，厶一。( 一是各个合成滤波器。当滤波器组的子信道数膨与其抽取倍 数( 或插值倍数) n 相等，即= 肘时，称为最大采样滤波器组：当n m 时，则称为冗余滤波器 组1 3 1 1 4 1 。 y o ( n ) 卜分析滤波器组一卜合成滤波器组一 图2 7 肘带滤波器组原理图 不失一般性，下面以最大采样滤波器组为例，介绍滤波器组的基本概念假设 h o ( z ) ，h i ( z ) ，乩一。妇) 是分析滤波器的相应的z 变换，兀( z ) e ( z ) ，露一，( 2 ) 是合成滤波器的相应的 z 变换。 分析滤波器组的目的是将输入信号x ( 门) 通过一组分析滤波器 h a z ) j 及与其级联的m 倍抽取器 产生m 个子带信号 _ ( 吣) ，输出的符子带信号可表示为 ( 吣= x ( m n m ) 吃( m ) ( 2 1 2 ) = 古善酢古矽州z 击峭，籼i 肌l l o 第2 章多速率数f 信号处理理论 由上式可以看出，分析滤波器组的输出是由m 个频段的信号混叠在一起的结果，当 - 。( z ) ) 选择 不当时，便会引入交叠干扰。 一 合成滤波器组是将射个子带信号经过一组m 倍的插值器及与其级联的合成滤波器 五( z ) 得到 信号y ( 疗) 合成后的信号可以表示为 m ll i y ( 月) = x k ( n - 砌) 五( 所) ( 2 1 4 ) # 0 m = o y ( z ) = ( z ) 五( ) =-2。x()篆纵扪wi-i 眦) lm ，一l 参考文献 ( 2 1 5 ) 【l 】s m i t r a , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ：ac o m p u t e rb a s e da p p r o a c h ，2 e ，m c g r a w h i l l ，n e wy o r k ，n y ， 2 0 0 1 【2 】宗孔德多抽样率信号处理北京：清华大学出版社1 9 9 6 f 3 1p p | v a i d y a n a t h a n ，m u l t i r a t es y s t e m sa n df i l t e rb a n k s ，p r e n t i c eh a l l ，e n g l e w o o dc l i f f s ，n 3 ，19 9 3 f 4 1r