DZ221在WCDMA中基带成形滤波器的设计
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DZ221在WCDMA中基带成形滤波器的设计,毕业设计
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在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 装 订 线 摘 要 WCDMA 技术已经普遍在全球范围内进行使用。针对 WCDMA 的相关技术的发展也越来越显重要。然而 WCDMA 技术并不完美，码间干扰就是其缺点之一 。 首先， 本论文 对第三代移动通信进行了讨论，介绍了 WCDMA 移动通信系统的发展以及我国第三代移动通信的研究情况 ； 讲述了基带成形技术和数字滤波技术 ；重点针对 WCDMA 系统中存在的 码间干扰 的问题 ， 提出以成形滤波器 来 解决 的 方案 。鉴于 MATLAB 的强大功能，本 文 分别用 窗函数法 、 双线性变换法 、 升余弦直接设计法和 FDAtool 法等方法 来实现基带成形滤波器 。 最后基于 MATLAB 对各种方法 进行比较，分析各个方法的特点， 得出最佳的 设计方法。 关键词 ： WCDMA，基带成形技术，数字滤波器 nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 装 订 线 ABSTRACT WCDMA technology has generally conducted on a global scale use. The WCDMA technology for the development is more and more important. WCDMA technology is not perfect, however, the code of the interference is one of its shortcomings. First, the article on third generation mobile communications were discussed on the WCDMA mobile communication systems and the development of Chinas third generation mobile communications research； the paper discussed on forming a base-band filter technology and digital filtering technology； the code of interference and its solution were discussed.It is proposed to form a filter paper for the WCDMA solution to solve the communication system in the code of the interference problem. In view of the power of MATLAB,the design of methods used to achieve a window function,bilinear transformation, directly or cosine law FDAtool design and methods. Finally that is based on MATLAB on various methods to be compared and analyzed the characteristics of the various methods, that the best design methods. KEY WORDS :WCDMA,Baseband forming technology,Digital Filter nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 装 订 线 目 录 第一章 前言 . 1 1.1 WCDMA技术发展 . 1 1.2 基带成形滤波器设计方法的发展 . 1 1.3 本课题研究的意义、技术要求和主要内容 . 2 第二章 WCDMA概论 . 3 2.1 第三代移动通信系统的发展 . 3 2.1.1 概述 . 3 2.1.2 WCDMA 移动通信系统 . 3 2.1.3 WCDMA 的发展 . 4 2.1.4 我国第三代移动通信的研究情况 . 4 2.2 WCDMA技术特点 . 5 2.2.1 3G各种技术比较 . 5 2.2.2 WCDMA 系统的技术特点 . 5 2.3 WCDMA的技术指标要求 . 7 第三章 基带成形滤波器的关键技术 . 9 3.1 基带成形技术 . 9 3.1.1 码间干扰 . 9 3.1.2 码间干扰的克服 . 9 3.1.3 基带成 型滤波器设计 . 10 3.2 数字滤波技术 . 11 3.2.1 数字滤波器概念 . 11 3.2.2 数字滤波器的分类 . 11 3.2.3 FIR滤波器的结构 . 12 3.2.4 FIR滤波器的设计方法 . 17 第四章 在 WCDMA 中基带成形滤波器的 MATLAB 实现 . 25 4.1 MATLAB简介 . 25 4.2 设计的基本步骤 . 25 4.3 性能指标 . 26 4.4 窗函数设计法 . 27 4.4.1 程序及仿真图 . 27 4.4.2 小结 . 27 4.5 双线性变换法 . 28 nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 装 订 线 4.5.1 程序及仿真图 . 28 4.5.2 小结 . 29 4.6 基于升余弦法直接设计 FIR数字滤波器 . 29 4.7 FDATOOL的实现 . 30 4.8 本章小结 . 36 结 论 . 37 致 谢 . 38 参考文献 . 39 nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 1 页 装 订 线 第一章 前言 1.1 WCDMA 技术 发展 第三代移动通信系统是按照国际电信联盟提出的 IMT 2000 标准而设计的新一代移动通信系统。与第一代和第二代蜂窝移 动系统相比，第三代移动通信系统采用了CDMA技术，基于全 IP网络，具有支持更多的用户数量、系统容量，支持多媒体等高速数据业务等特点。第三代移动通信技术的发展日新月异，正在向着任何人在任何地点、任何时间与其他任何人进行任何方式的通信目标迈进。 基于 WCDMA 技术标准的第三代移动通信系统已经在欧洲和亚的一些国家地区商用，并取得了较好的效果。 2007 年随着欧洲地区 WCDMA 用户发展的全面提速，其用户份额也大幅上升， 2007 年底预计将达到 57.64%，比 2006 年底上升 6.48 个百分点。从 2007年上半年开始， 韩国的主流运营商 SKT和 KTF都正在实施向 WCDMA/HSDPA的迁移。在发展 3G 时，日本决定采用国际标准 WCDMA 技术 ， 国际 漫游 和本国设备商拓展国际市场 不再受到限制。 不难看出，全球范围的 WCDMA商用已经初具规模，特别是从 2004 年以来， WCDMA商用已经呈现燎原之势。有鉴于此，在可以预见的将来， WCDMA技术在拥有全球最大的 GSM移动通信网络的中国移动市场也将会占有 重要的地位。 1.2 基带成形滤波器设计方法的发展 在数字基带通信系统中，为使传输误码率足够小，必须最大限度减小码间干扰。柰奎斯特第一准则指出了要消除码间干扰，系统从发送滤波器经信道到接收滤波器总体频率响应所应满足的条件。根据这一频率特性要求，在实际通信系统中，一般采用升余弦滚降特性作为系统总体频率特性。而在发送端，取其平方根作为发送滤波器的频率特性。 在数字移动通信系统中脉冲成形滤波器在减少码间干扰影响的同时，还能够减少调制带宽和抑制频带外的扩散，其中升余弦 (Raise cosine)滤波器以其优良的性能 被广泛应用。 基带成形滤波器技术是在限带信道中提高频谱利用率的简单易行而效果较好的方法（相对多进制、交叉极化等方法而言）。是现在许多数字通信系统设计中的关键技术之一。自从 1932 年 Nyquist 在他的经典著作中证明了数字传输应满足的三个准则以来，对成形滤波器的各方面应用逐步深入和发展，尤其是对升余弦滚降滤波器的理论和设计研究得比较全面。 最初的成形滤波器设计是在频域上进行的，其过程是根据一个要求形成的频谱，寻找一个普通滤波器（比如 Butterworth 滤波器）来近似，然后用幅度均衡和群延时nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 2 页 装 订 线 网络来校正，结构相 当复杂而效果却并不理想，特别是对时域波形不能在设计中加以严格的控制。 1979 年， Nader 和 Linder 为最佳数字传输系统成形滤波器的设计建立了一种解析理论，是一种经典的极值求解法和计算机技术相结合的优化设计理论。用这种方法实现的滤波器能提供很好的时域特性，但缺少对频域特性的严格控制手段，很难适应对通带和阻带特性要求均很严格的场合。另外 1969 年 Spaulding 提出来的一种利用修改的 Temes和 Gyi函数直接优化脉冲的方法，但这种发法在设计过程中很容易陷入局部最优点中。这些传统的成形滤波器设计均是用网络综 合的方法从传递函数的零极点来计算元件值，其实现技术是模拟的。随着数字信号处理技术和超大规模集成电路（ VLSI）技术的发展，特别是数字信号处理硬件技术（ DSP）的快速发展，使利用数字式处理来实现频谱波形成形滤波的情况越来越广泛。 1.3 本 课题研究的 意义 、技术要求 和主要内容 当矩形脉冲通过限带信道时，脉冲会在时间上延伸，每个符号的脉冲将延伸到相邻符号的时间间隔内。这会造成符号间干扰（ ISI），并导致接收机在检测一个符号时发生错误的概率增大。 本文主要是基于 WCDMA 码间干扰得缺点，进行基带成形滤波器得设计，使得 码间干扰得到一定得改善。 WCDMA的主要技术指标是：支持高速数据传输 (慢速移动时 384kb/s，室内走动时2Mb/s)，异步 BS，支持可变速传输，帧长 10ms，码片速率 3.84Mb/s。 主要内容为： 第二章主要讲述 WCDMA概论，包括 第三代移动通信系统 的 国际、国内 发展 状况，WCDMA的技术特点 和技术要求 等。 第三章 讲述 基带成形技术 ，包括 基带成形技术和数字滤波技术。 第四章是在 WCDMA中基带成型滤波器的设计内容，包括设计方法，相应程序和图形。 使用的软件为 MATLAB。 nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 3 页 装 订 线 第二章 WCDMA 概论 2.1 第三代 移动通信系统的发展 2.1.1 概述 模拟蜂窝系统通常被称为第一代移动通信系统，现今正在使用的数字系统则都是第二代系统，例如 GSM,PDC,cdmaOne(IS-95)和 US-TDMA(IS-136)。在众多主要市场中，这些系统已经使话音通信无线化，而且消费者也日益认识到诸如文本消息传送、数据网的接入等正在迅速成长的其他业务的价值所在。 第三代系统是为多媒体通信而设计的：通过该系统提供的高质量图象和视频，使人与人 (PTP)的通信能力进一步增强；而第三代系统所带来的更新灵活通信能力和更高的数据速率 使得公用网和专用网上的信息与业务的接入能力大大的增强。所有的这一切，连同第二代系统向第三代系统的平滑过渡，不仅为设备制造商、运营商，同时也为使用这些网络的内容和应用提供了新的商机。 在标准化论坛中， WCDMA（ Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）技术已经成为了被广泛采纳的第三代空中接口，其规范已经在 3GPP（ the 3rd Generation Partnership Project，第三代移动通信伙伴计划）中制定， 3GPP 使由来自欧洲、日本、韩国、美 国和中国的标准化组织组成的一个联合标准化项目。在3GPP 中， WCDMA 被称作 UTRA（ Universal Terrestrial Radio Access，通用地面无线接入） FDD（ Frequency Division Duplex，频分双工）和 UTRA TDD（ Time Division Duplex，时分双工）， WCDMA这个名字涵盖了 FDD和 TDD两种工作模式。 2.1.2 WCDMA 移动通信系统 WCDMA移动通信系统是以欧洲移动通信厂商为代表提出的第三代移动通信技术，其无线传输技术 (RTT)被 1999 年 11 月的国际电联赫尔辛基会议以家族 (Family)的概念确定为推荐的三个标准之一。相对于第三代移动通信系统来说，它的先进特性可以描述为：多速率业务；分组数据业务；复杂的扩展；一致上行链路使用用户专用导频；在下行信道附加导频信道；无缝内部频率切换；下行信道快速功率控制；可选的多用户判别。为这些先进特性的实现，我们不但需要采用新的技术，更需要纳入新的思想，软件无线电思想的应用即是其中一个很好的例子。事实上，现在无线通信系统正从2G向 3G过渡，移动通信具有多模式、多频段和多用户的特点，面对多种移动通 信标准，为实现全球移动通信无缝连接，对用户通话时提供不间断业务，在新的系统中应用软件无线电也是必须的 ;而且技术革新灵活、造价较低、产品化较快。 遵照 3GPP TS 25 和 26 系列的建议， WCDMA 移动系统的调制技术为 QPSK(与其相对应的 2G 系统 GSM 的调制技术为 GMSK)，信道编码技术除传统的卷积码外，还有新nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 4 页 装 订 线 的 Turbo编码，信源编码根据新的多速率业务要求采用了具有自适应码率的 AMR语音编码技术。考虑论文背景的项目因素，本文将就 QPSK（重点在其中的成形滤波器设计上 )和 GMSK技术、 Turb。编码 的母交织器设计和 AMR语音编码的话音激活检测算法(VAD )作为主要研究内容，这些内容都属于基带数字信号处理范畴，可以考虑用专门的 DSP器件编程实现 . 2.1.3 WCDMA 的发展 日本对 IMT 2000 的研究非常的重视，事第三代移动通信的最积极的倡导者之一，这是因为日本在第二代移动通信上操去了自成体系的政策，先后推出的 JDC（后改为 PDC）蜂窝系统及 PHS无绳电话系统虽然在日本市场非常普及，但却未能成为国际主流产品，从而使得日本移动通信厂商在国际市场竞争中几乎未占领任何本土之外市场份额。日本急切希望通过第 三代移动通信产品的推出，改变这种不利的局面。从1993年开始，日本便开始进行 IMT 2000 的研究， 1994年 10月日本正式开始征集无线传输技术， 1997 年初已基本定为 W-CDMA 技术。在研究过程中，具体的标准制定和技术开发工作由 ARIB 和 TTC 负责， ARIB 主要负责无线部分的研究， TTC 主要负责网络方面技术的研究。 欧洲早在 20 世纪 80 年代中期已经开始研究第三代移动通信系统， 1987 年正式提出了 UMTS 的概念，并且欧共体由很多大的研究计划，如基于欧洲先进的通信研究计划 RACE、先进通信系统和业务计划 ACTS 以及科研领域合作计划 COST 等。 UMTS 的标准化工作主要由 ETSI SMG负责， SMG的 UMTS标准化工作分三步走，第一步以欧洲技术报告（ ETR）的形势提出目标，第二步提出详细的要求和框架文件，第三步提出详细的标准，包括测试标准在内。 1997 年中，方案的也逐步缩小在两个主要的候选技术，即 WCDMA和 TD-CDMA技术之间。 1998 年初已确定 UMTS的无线传输技术 UTRA，其 FDD模式采用 WCDMA， TDD模式采用 TD-CDMA，并且积极进行 UMTS 的标准化工作。 同时，以爱立信和诺基亚为代表的欧洲移动通信 厂商也是第三代移动通信的积极参与者，他们在第二代移动通信系统 GSM 的研究、生产与制造中占尽了先机，获取了极为丰厚的市场回报。他们希望通过第三代移动通信系统的研制抵御来自北美 IS-95 CDMA 技术的强劲挑战，并保持他们在移动通信方面的领先地位。按照他研究计划，于 2002年前后推出第三代移动通信系统的商用化产品。 1998年欧洲 ETSI的 UTRA WCDMA与日本的 W-CDMA融合为现在的 WCDMA系统，成立 3GPP组织。因此 WCDMA也成为影响范围最大的标准。 2.1.4 我国第三代移动通信的研究情况 到 2003 年底，我国的第二代通信网络已跃居世界第一位，用户已经达到 2.69亿而且仍然保持着非常快的发展速度。据 EMC 预计到 2008 年我国的移动用户将达到5亿左右。中国无疑是世界上第三代移动通信系统最大的潜在移动通信市场。 nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 5 页 装 订 线 我国有关于第三代移动通信系统的研究始于 1997 年。 1998 年 6 月中国第三代移动通信评估协调小组（ ChEG)（中国的标准化组 CWTS的前身）向 ITU提交了自己的第三代移动通信建议标准 TDS-CDMA， 9月完成了对其他国家有关提案的评估报告，并提交到 ITU。 1998 年 11 月，国家第三代移动通信 系统研究开发重大项目启动，该项目的主要目标即是在 2000年 12月以前，通过自主科研开发拥有一批核心专利技术，建立具有第三代移动通信基本特征的实验系统，为制定我国的第三代移动通信体制标准提出建议。 2000 年 5 月， TDS-CDMA 被国际电联接纳为第三代移动通信系统三大主流标准之一。 2001 年 3 月， 3GPP TSG RAN 第 11 次全会将 TDS-CDMA 列为第三代移动通信系统标准之一，包括在 3GPP R 4中。 2.2 WCDMA 技术特点 2.2.1 3G 各种技术比较 全球现在有 GSM 用户约 6.6 亿用户，约占全球移 动用户的 68%;其中成功的关键在与标准严密，全球漫游，众多手机制造商的鼎立支持。 全球 CDMA 用户有 1 亿用户，只占全球移动用户的 10%，其中用户主要集中分布在北美和东亚地区。 WCDMA 的信道带宽为 5MHZ/3.84Mcps,是 CDMA2000 多径分辩精度的 3 倍从而还提高了无线信道的衰减能力。它采用 8 种速率 AMR 语音，其中在系统负载轻时提供 12.2Kbps 语音；然而如果网络负载加重时会动态调整为 AMR 速率，最低可以达到 4.75Kbps,可以容纳更多的用户使用；并支持了 HSDPA 技术，顺利达到到了未来高速无线 数据业务的需要；顺应 IP 技术发展的潮流，告诉另一方面更好的能使运营商动态调整其网络容量和服务质量。 WCDMA 在以下几个方面也做的很好： 1.内环是采用 1500HZ 快速功率控制，这就能使在抗衰减性能更好表现，提供更优质的通信质量，也提高了容量和信号的覆盖范围。 2.它还支持异步或同步，不依赖单独的 GPS，方便了基站组网；在异步方式时，手机多消耗电约 13%。 3.它引入了压缩模式，异频或异系统测量不中断连接，减低系统的掉话率的出现。 4.其支持开环发射分集（ TSTD、 STTD）和闭环发射分集方式，使得在信道环 境应用中能力加强；终端也支持；在低速移动时，闭环发射分集提供了更高的分集增益，还提高了系统下行的容量和覆盖范围。 2.2.2 WCDMA 系统的技术特点 WCDMA由于技术的先进性，所以与以前的 GSM等移动通信方式相比，具有以下的技术特点。 （ 1） 更大的系统容量 nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 6 页 装 订 线 WCDMA由于自身的带宽较宽，抗衰落性能好，上下行链路实现相干解调，大幅度提高链路容量。 WCDMA 系统采用快速功率技术，使发射机的发射功率总是处于最小的水平，从而减少了多址干扰。这些技术都提高了系统容量。 系统容量大，单用户设备成本降低，建设 WCDMA网络的投资要比 2G低。 （ 2） 更多的业务种类 WCDMA系统可以提供和开展的业务种类非常丰富，分为两大类： CS域业务和 PS 域业务。 其中 CS域业务主要包括：基本电信业务（语音、特服、紧急呼叫）、补充业务、点对点短消息业务、电路型承载业务、电路型多媒体业务、智能网业务 PS 域业务主要包括。 PS 域的短消息业务：移动 QICQ、移动游戏、移动冲浪、视频点播、手机收发、 E-mail智能网业务等。 （ 3） 更高的数据速率 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持 Internet 业务。 现有的移动通信系统 主要以提供语音业务为主，一般能提供 100 200Kbit/s 的数据业务， GSM演进到最高阶段能提供 384Kbit/s 的数据业务。而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进，支持话音、数据和多媒体业务，并且可根据需要提供宽带。 第三代移动通信无线传输技术满足以下三种要求，即： 快速移动环境：最高速率达 144Kbit/s 室外到室内或步行环境：最高速率达 384Kbit/s 室内环境：最高速率达 2Mbit/s （ 4） 更好的无线传输 无线信道是一种较恶劣的通信介质。由于它的特性难以预测，因此一般 根据实际测量的数据以统计的方法来表征无线信道的模型。通常认为其具有莱斯或瑞利特性，其中瑞利衰落信道是最恶劣的移动无线信道。 要在衰落信道中实现良好的性能，采用分集技术非常关键。在 WCDMA 中 仿真结果表明，衰落信道情况下，发射分集可以改善性能 1 2dB，因此通过采用发射分集技术，可以更有效地保证无线传输的质量。 在无线传输中，频率选择性衰落和多径是一种普遍现象。 WCDMA 是宽带信号，信号带宽是 5MHz。宽带信号可以更好地抗频率选择性衰落，保证传输能。另外如果发射信号带宽比信道的相干带宽更宽，那么接收 机就能分离多径分量。由于 WCDMA的带宽更宽，因此它具有更好的多径接收处理能力。 （ 5） 更高的语音质量 采用 AMR语音编码技术，语音传输速率最高达到 12.2Kbit/s（ R99）。 WCDMA的带nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 7 页 装 订 线 宽达到 5MHz，使得其具有更大的扩频因子，从而带来更大的处理增益。同时宽使其具有更强的多径分辨能力，改善 RAKE接收机性能。 另外， WCDMA 采用发射分集技术，有效改善下行链路的接收性能。并通过交织和卷积编码技术来有效保证传输误码率。 通过采用这些技术，使得 WCDMA网络语音质量接近固定网的语音质量。 （ 6） 更低的传送功率 采用 CDMA技术，通过扩频将窄带信号转换为宽带信号后再进行发射。由于 WCDMA的带宽达到 5MHz，使得其扩频因子可以更高，带来更大的接收机处理增益，使得 WCDMA系统具有更高的接收灵敏度，终端需要的发射功率可以很低。 另外，通过采用快速功率控制技术，可以降低发射功率，软切换提高提高业务信道接收增益，也可以降低终端发射功率的要求。 一般地， WCDMA 终端的发射功率在室内为 20mW，室外 300mW，电磁辐射少，对人身体影响很小，是一种绿色手机。同时由于发射功率低，使得其待机时间很长。 总之， WCDMA 先进的技术特点更多的适应于当今移动通信发展的要求，对 WCDMA技术的研究也成为一件非常有意义的事情。 2.3 WCDMA 的技术 指标 要求 这套系统能够架设在现有的 GSM 网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡，而 GSM 系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高。因此 WCDMA具有先天的市场优势 。 WCDMA系统的空中连接采用 5MHz、 10MHz 或 20MHz的无线信道，尽管一些运营商将在只有 5MHz 的较窄的频谱宽度上提供 3G 业务，大多数的运营商将分配更宽的频谱 :10、 15、 20MHz。 WCDMA 与 CDMA2000 这两类宽带 CDMA 技术都属于 FDD（频分数字双工）制式，大多数关键技术非常接近，性能上也基本没有太大差别。 WCDMA继承了第二代移动通信体制 GSM 标准化程度高和开放性好的特点，标准化进展顺利，网络运营商可以通过在 GSM 网络上引入 GPRS 网络设备和新业务，培育数据业务消费群体，逐步过渡到 3G。 WCDMA的主要技术指标是：支持高速数据传输 (慢速移动时 384kb/s，室内走动时2Mb/s)，异步 BS，支持可变速传输，帧长 10ms，码片速率 3.84Mb/s。其主要特点如下： （ 1）基站同步 方式：支持异步和同步的基站运行方式，组网方便、灵活 ; （ 2）调制方式：上行为 BPSK，下行为 QPSK; （ 3）解调方式：导频辅助的相干解调 ; （ 4）接入方式： DS-CDMA方式 ; （ 5）三种编码方式：在话音信道采用卷积码 (R=1/3， K=9)进行内部编码和nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 8 页 装 订 线 Veterbi解码，在数据信道采用 ReedSolomon 编码，在控制信道采用卷积码 (R=1/2，K=9)进行内部编码和 Veterbi解码 ; （ 6）适应多种速率的传输，可灵活地提供多种业务，并根据不同的质量和业务速率分配不同的资源，同时对多速率 、多媒体的业务可通过改变扩频比 (对于低速率的 32kb/s、 64kb/s、 128kb/s的业务 )和多码并行传送 (对于高于 128kb/s的业务 )的方式来实现 ; （ 7）上、下行快速、高效的功率控制大减少了系统的多址干扰，提高容量，同时也降低了传输的功率 ; （ 8）核心网络基于 GSM/GPRS网络的演进，并保持与 GSM/GPRS 网络的兼容性 ; （ 9） BTS 之间无需同步因 BS 可收发异步的 PN 码，即 BS 可跟踪对方发出的 PN码，同时 MS也可用额外的 PN码进行捕获与跟踪，因此可获得同步，来支持越区切换及宏分集， 而在 BTS之间无需进行同步 ; （ 10）支持软切换和更软切换，切换方式包括三种，即：扇区间软切换、小区间软切换和载频间硬切换。 nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 9 页 装 订 线 第三章 基带成形滤波器的关键技术 FIR 数字滤波器是这次设计得选择。同时，本设计还使用 Matlab 对滤波器进行实现。下面对 FIR 数字滤波器作一简单介绍。 3.1 基带成形技术 3.1.1 码间干扰 当矩形脉冲通过限带信道时，脉冲会在时间上延伸，每个符号的脉冲将延伸到相邻符号的时间间隔内（如图 3.1）。这会造成符号间干扰（ ISI），并导致接收机在检测一个符号时发生错误的概率增大。 一个显而易见的减少符号间干扰的方法时增加信道带宽。然而，移动通信系统需要占用带宽小，以及可以减少调制带宽和抑制带外辐射，同时又非常需要减小符号间干扰。移动无线系统中在相邻信道内的带外辐射，一般应比带内的辐射低 40dB 到 80dB。因为很难在 RF 频率上对发射机的频谱直接进行操作，脉冲成形就在 IF 或基带上进行。通过一些脉冲成形技术可用来同时减少符号间干扰和已调数字信号的带宽。 图 3.1 单脉冲通过带限信道时的码间干扰示意 3.1.2 码间干扰的克服 奈奎斯特（ Nyquist）准则能够克服符号间干扰又保持小的 传输带宽。 当把通信系统（包括发射机、信道和接收机）的整个响应设计成在接收机端每个抽样时刻只对当前的符号有响应，而对其他符号的响应全等于零，那么符号间干扰 ISI的影响就能完全被抵消。 这就意味着，基带传输系统的合成冲击响应必须满足 10()00snx n Tn （ 3.1） 公式 (3.1)就是无码间干扰基带传输时，系统冲激响应必须满足的条件。其充分必要条件是 ()xt 的傅氏变换 ()Xf必须满足 公式（ 3.2） nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 10 页 装 订 线 ()sm smX f TT （ 3.2） 该充分必要条件被称为无码间干扰基带传输的奈奎斯特准则。其中，sT是符号周期，n 是整数。 在移动通信中最普遍的脉冲成形滤波器是升余弦滚降滤波器。升 余弦滚降滤波器属于满足奈奎斯特准则的那类滤波器。升余弦滚降滤波器的传递函数 如式 （ 3.3） ： 1 0 (1 ) / 2( 2 ) 11( ) 1 c o s ( ) (1 ) / 2 (1 ) / 2220 (1 ) / 2SsSSSfTTfX f T f TfT （ 3.3） 其中， 是滚降因子， 0 1。 升余弦滚降频谱图 如图 3.2所示 ： 图 3.2 升余弦滚降频谱图（ 0.22） 3.1.3 基带成型滤波器设计 本次设计的是基带脉冲成形滤波器，因此设 计只要研究基带传输系统的基本系统模型，其模型如图 3.3所示。 nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 11 页 装 订 线 图 3.3 基带传输系统模型 在设计过程中，可认为传输信道是理想的，即图中 ( ) 1C 。此时系统频谱特征表达式为： ( ) ( ) ( )TRH G G 。考虑到最佳基带系统的传输必须满足无码间干扰这一要求，因此总信道特征 ()H 必须满足 升余弦滚降滤波器 传递函数 的要求。在设计的系统中，为了在满足调制性能的条件下简化接收时的计算量，不能使用接 收滤波器，那么接收端滤波器特征 ( ) 1RG ，得到发送滤波器特征 ( ) ( )THG，则发送滤波器应该是具有升余弦特性的滤波器，也就是基带成形滤波器为具有升余弦特性的滤波器。 3.2 数字滤波 技术 3.2.1 数字滤波器概念 所谓数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过一定的运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件。数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不要求阻抗匹配以及实现模拟 滤波器无法实现的特殊滤波功能等优点。 3.2.2 数字滤波器的分类 根据数字滤波器冲激响应函数的时域特性。可将数字滤波器分为两种，即无限长脉冲响应（ IIR）滤波器和有限长脉冲响应（ FIR）滤波器。 IIR滤波器的特征是具有无限持续时间的冲激响应； FIR滤波器脉冲响应只能延续一定时间。其中 FIR滤波器很容易实现严格的线性相位，使信号经过处理后不产生相位失真，舍入误差小，稳定等优点。能够设计具有优良特性的多带通滤波器，微分器和希尔伯特变换器，所以在数字系统，多媒体系统中获得极其广泛的应用。 FIR数字滤波器的设计方 法有多种，如窗函数设计法，等波纹逼近法和频率取样等。 MATLAB 语言是一种用于科学计算的高效率语言。随着 MATLAB信号处理工具箱（ Signal Processing Toolbox）的不断完善，使数字滤波器的计算机辅助设计得以实现。而随着 MATLAB软件尤其是 MATLAB的信号工具箱和 Simulink 仿真工具的不断完善，不仅数字滤波器的计算机辅助设计有了可能，而且还可以使设计达到最优化。 nts 在 WCDMA中基带成形滤波器的设计 共 39 页 第 12 页 装 订 线 数字滤波器从功能上分类，可分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器。 有些数字滤波器的输出 y(n)只取决 于有限个过去的和现在的输入，x(n),x(n-1), x(n-M),这种数字滤波器的输入输出关系可以用差分方程表示为 )()(0rnxny Mr rb (3.4)如果用单位抽样函数 )(n 代替 x(n)，则数字滤波器的输出称为单位抽样响应，用 h(n)表示。上式所表示的算法的单位抽样响应在时间上是有限延续的，即 n 大于 M 后0)( nh 。即 )()()( 10rnxrhny Mr (3.5)这样的数字滤波器称为 FIR数字滤波器。 还有些数字滤波器的输出不仅取决于过去的和现在的输入，而且也取决于过去的输出，这样的数字滤波器的差分方程表示为： )()()(01rnxknyny Mr rNk k ba (3.6)这个差分方程的单位抽样响应是无限延续的，这样的数字滤波器称 IIR数字滤波器。 3.2.3 FIR 滤波器的结构 设 FIR 数字滤波器的单位响应为 h(n),因为其长度是有限的 (n=0,1 ,N-1)，所以对于给定 的输入信号 x(n)，其滤波后的输出 y(n)可直接由以下卷积公式求得： (3.7) 系统传输函数为： (3.8) 显然，该函数具有 N 个零点和 N 个极点，且其极点全在 z 0 处，所以其流程结构上一般没有反馈回路。 （ 1） 直接型 直接型是 卷积公式的直接实现。 (3.9) 其信号流图如
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