CDMA20001x基带成形滤波器_一种低复杂度的设计和实现

第20卷　第3期　2006年6月

　　　　电子测量与仪器学报JO URNAL OF ELECTRON I C MEASURE MENT A ND I N STRUMENT

Vol . 20　No . 3

CD MA20001x 基带成形滤波器———一种低复杂度的设计和实现

吴明森　梁继业　刘海涛

(中科院上海微系统与信息技术研究所, 上海200050)

　　摘　要:本文采用查找表法实现了cd m a20001x 脉冲成形滤波器, 相对于传统的滤波器设计方法, 本文充分利用了滤波器系数对称的特性, 并考虑到4倍过采样是采用内插三个零来完成这一特点, 巧妙设计了数据查找存储表, 节省了大量硬件资源。整个系统用veril og HDL 语言RTL 级描述。系统经过了FPGA 验证并给出了仿真结果。

关键词:cd m a20001x , 查找表, 内插, verilog HDL , 基带脉冲成形滤波器

A Low -co mplexity Design and I mp le m ent of Baseband Pulse Shap i n g F ilter in CD M A20001x Syste m

W u M ing sen 　Liang Ji y e 　Liu H a itao

(Shanghai Instit ute o fM icrosyste m and Infor m ati on T echno legy , CA S , Shangha i 200050, Chi na )

Abst ract :In this pape r , a m e t h od to desi g n and i m ple m ent of baseband pluse shaping filter in cdm a20001x sy ste m based on Look -Up Tab le is proposed . C onside ring the coefficient sy mm e try of t h e filter and interposition of 3zeros fo r t h e oversa mp led rate of four fo ld , the desi g n is e fficient co m pared to the conven tiona ldesign way . Because

t h e ex tra sa m p l e po ints added are ze r os , they do not contribute to the outpu. t The nove l desi g n reduces the chip r e -sourecesm uch. The syste m is de scri b ed i n verilog HDL and is ve rified w it h X ili n x FPGA.. The i m ple m ented circu it is si m u lated and t h e result show s tha t the circuitw or ks reliab l y .

keyw ords :cdm a20001x , Look -Up Table , in t e r position , veriog HDL , baseband pu lse shaping filter . 　　cdm a2000是第三代移动通信中最具有竞争力的标准之一。其基本形式1x 是I S -95A 的改进形式, 它沿用了I S -95A 的关键技术, 又做了很多实质性的改进, 同时与I S -95A /B 完全兼容。从I S -95直接演进到cd m a20001x 可以很好地解决网络升级的问题, 实现网络运营商的平滑升级。本文研究了cdm a20001x 反向链路基带脉冲成形滤波器性质, 充分利用四倍过采样和其本身系数对称等特性, 采用ve rilog HDL 语言, 巧妙地实现一种低复杂度的完全符合要求的基带脉冲成形滤波器, 并在FPGA 上验证了其正确性, 可以进一步在AS I C 设计中采用。

1　CD MA20001x 反向链路中的

基带脉冲成型滤波器

　　在现代数字通信系统中, 数字化的数据信号必须通过某种适当波形的连续脉冲成形进行发射以完成它在信道内的传输。同时, 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。因此会造成符号间干扰(I SI ), 所以为了防止间干扰, 也要求基带信号脉冲成形。

cd m a20001x 脉冲成形滤波器采用的是平方根升余弦滤波器, 按四倍速率过采样进行。3GPP2明

本项目为中国科学院创新项目基金资助项目(编号:KG CX2-S W -108)。

5:; 梁继业:; :, 。

　68 电子测量与仪器学报2006年

确给出了成形滤波器长度在四倍采样时, cdm a20001x 时的滤波长度为48。滤波器的冲激响应时域表达式如(1) 式所示:

g (t 2

(πt /T ) [1-(4αt /T ) ]

(1)

其中a 为滚降系数, T 为输入脉冲信号周期。平方

根升余弦滚降滤波器的频率响应如(2) 式表示:G (f )=1　0≤|f 2T

[1+cos ) ]

滤波器的频率响应满足图1给出的限值要求。表1给出了滤波器冲激响应的系数。注意到这些系数具有对称性, 即h (k )=h (47-k )。

表1　48阶FI R 滤波器的系数

0, 471, 462, 453, 444, 435, 426, 417, 408. 399, 3810, 3711, 36

h (k ) -0. 025288315-0. 034167931-0. 035752323-0. 0167337020. 0216025140. 0649384870. 0910021370. 0818949740. 037071157-0. 021998074-0. 060716277-0. 051178658

K 12, 3513, 3414, 3315, 3216, 3117. 3018, 2919, 2820, 2721, 2622, 2523, 24

h (k ) 0. 0078745260. 0843687280. 1268693060. 094528345-0. 012839661-0. 143477028-0. 211829088-0.

1405131280. 0946019180. 4413871400. 785875640

1. 0

图1　基带滤波器频率响应限值

2　滤波器的设计与实现

一个N 抽头的FI R 输出可以由(3) 式表示

N -1

y (n ) =∑h (i ) x (n -i )

i =0

(3)

式中x (n ) 是N 个输入采样序列, h (n ) 是滤波器的系数, N 是滤波器的阶数。由(3) 式推导出的FI R 的基本结构如图2所示。由于滤波器的系数偶对称

h (k ) =h (N -k ), 那么由(3) 式变换得到(4) 式, 这样运算量可以减少一半。

N /2-1

y (n )=∑h (i )[x (i ) +x (N -1-i )]

i =0

(4)

cd m a20001x48阶脉冲成形滤波器输出可以(5) 式表示。

O ut p ut =∑x i ×h 47-i

i =0

(5)

图2　N 阶F I R 的基本结构

　　x i 是采样输入数据。四倍过采样过程采取内插

3个零的方式来实现, 即12个数据对每个chip 数据后面插入3个0得48个sa m ple 数据, 每个sa m p l e 数据和对应的系数h i 相乘。输入信号x (n ) 是扩频, 常1的值变成-1, 0的值变成+1, 这样输入数据是

有符号数, 而FI R 滤波器的系数也有正有负, 在硬件设计中都是采用补码表示, 这样以解决符号问题。对于48个sa m ple 值中只有12个sa mp le 值是非零, 0,

第3期CDMA20001x 基带成形滤波器———一种低复杂度的设计和实现　69

果没有影响。这样(5) 式表示的输出值可能出现如下四个相位表达式:第一相位表达式如(6) 式所示,

乘累加, 由于系数h0-h47是固定的, 这样结果只取决于输入的d0-d11。因此可以预先将部分积和的所有值求出来制成列表。根据相位的对称性, 只要将(d0d1d2)、(d3d4d5) 四个相同相位值制成一张查

找表分别存入4个ROM 中, 而四组数据S1、S2、S3、S4输出值就是ROM 的地址。地址严格按照(d2d1d0), (d5d4d3), (d9d10d11), (d6d7d8) 的二进制的值来计算, 以读取ROM 1, ROM 2, ROM 3, ROM 4的地址。由于(d2d1d0) 和(d5d4d3) 分别有八种不同组合, 这样四个相位共有64种不同的组合。这里要特别注意到:(d9d10d11) 的第一相位是(d2d1d0) 的第四相位, (d6d7d8) 的第一相位是

Ou t p ut =∑d i ×h 47-4i

i =0

(6)

第二相位表达式如(7) 式所示,

Ou t p ut =∑d i ×h 46-4i

i =0

(7)

第三相位表达式如(8) 式所示,

Ou t p ut =∑d i ×h 45-4i

i =0

(8)

第四相位表达式如(9) 式所示,

Ou t p ut =∑d i ×h 44-4i

i =0

(9)

(d5d4d3) 的第四相位, (d9d10d11) 的第二相位是(d2d1d0) 的第三相位, (d6d7d8) 的第二相位是

(d5d4d3) 的第三相位。根据这四组数据就可以从ROM 读出对应的部分积。每个cl k 操作将4个同相位的ROM 的值相加即为滤波器的输出。由于滤波器系数比较小, 对部分积的计算结果乘以60, 然后四舍五入取整, 并以16进制表示。表2是按上述要求计算出的ROM 存储数据, 表内的数据是以补码形式表示的。

其中d i 是48个sa m ple 数据x i 中的间隔为4的不为零的12个sa m ple 值。将d0, d1... d11分为四组S1(d0d1d2)、S2(d3d4d5)、S3(d6d7d8)、S4(d9d10d11), 由于滤波器系数关于中心对称, 由(6) ～(9) 式知, (d6d7d8)、(d9d10d11) 的第一相位分别对应(d3d4d5)、(d0d1d2) 的第四相位, (d6d7d8)、(d9d10d11) 的第二相位分别对应(d3d4d5)、(d0d1d2) 的第三相位。滤波器的输出由d0-d11和h0-h47中的12个系数的不同组合的

表2　ROM 的部分积和列表

ROM 1ROM 2ROM 3ROM 4

d0d1d2第一相位d0d1d2第一相位d3d4d5第一相位d3d4d5第二相位d0d1d2第三相位d0d1d2第四相位d3d4d5第三相位d3d4d5第四相位

[1**********]12a 39

0505040d 04031b 2d

ff f90728f5f74349

02f d 061e f 9f 9343e

fe 03fa e20707cc c2

0107f 9d80b 09bd b7

fb fb fc f3fc fd e5d3

fe ff f b e900ff d6c7

　　在对滤波器进行后仿真时由于总线在布局布线时不一致引起的突变会有很大改善。

时所经历路径的不同, 这样将会导致总线信号的延时都不太一致, 信号跳变就会有先有后, 使得信号在以analog 格式下看波形的时候会有很大的尖锐出现。为了尽量减少这种尖锐, 从ROM 读出数据先经过一个触发器再进行相加, 以使数据对齐。存储表数据的8比特数据是有符号数, 在将四个相同相位的ROM 输出值相加时采用W allace 树结构以提高运算速度, 在用veril o g 语言描述时先扩展二位变成10比特等长字长数再进行运算, 最高位为符号位。, 滤波器用ve rilog HDL 语言描述, 采用X ilinx 公司V irtex2xc2v1000系列FPGA 进行验证。综合工具采用SynplifyPRo , 仿真工具采用m ode lsi m , 仿真结果如图3所示, 仿真结果表明了其正确性。滤波器的工作chip 时钟为3. 6573MH z , 四倍过采样的sa m ple 时钟为14. 6304MH z 。

3k , c k , r e -

3　仿真与结论

　70 电子测量与仪器学报2006年

set , 滤波器输入信号da ta _in , 滤波器输出信号data _out 和四个r o m 的输出结果。采用查找表法设计实

现了符合系统指标要求的cdm a20001x 脉冲成形滤

波器, 并充分利用系数的对称性及内插零的特性, 设计非常巧妙, 使得电路的硬件复杂度有很大程度的降低, 大大的节省了硬件资源。

图3　滤波器的仿真结果

参考文献:

[1]　T I A /ELA /IS-2000-2. Phy sica l Laye r Standard ofr CD -M A 2000Spread SPec tru m Sy ste m [s ]. 2000.

[2]　Jhong Sa m lee and L eonard E . M iller , CDMA Sy st em s En -g inee ri ng H andbook , A rtec H ouse , 1998.

[3]　A. Pe led and B . L iu , “A N ew H ard w are R ea liza tion o f

D ig ita l F ilt e r ”, IEEE T rans . on A coust ＆S i gnal P rocess . , N o . 6, pp . 456-462, D ece m be r , 1974.

[4]　郭继昌, 李香萍, 滕建辅, “基于位串行分布式算法和

FPGA 实现F IR 电路的研究”, 电子测量与仪器学报, vo. l 15, no . 2, 2001; 6∶15-21.

[5]　M cC l e ll an , J . H . , “F IR F I lter D esign and Synthe sis , ”Ch .

吴明森

5o f P rog ra m s for D ig ital Signa l P rocessing , Nw Yo rk :I EEE P ress , 1979.

作者简介:

吴明森:男, 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士生。研究方向为CDM A 基带信号处理和A SIC 设计。

梁继业:男, 中科院上海微系统所博士生。研究方向为CD M A 通信。

刘海涛:男, 中科院上海微系统所研究员, 博士生导师, 研究方向为CDMA 通信, 无线传感网络等。

第20卷　第3期　2006年6月

　　　　电子测量与仪器学报JO URNAL OF ELECTRON I C MEASURE MENT A ND I N STRUMENT

Vol . 20　No . 3

CD MA20001x 基带成形滤波器———一种低复杂度的设计和实现

吴明森　梁继业　刘海涛

(中科院上海微系统与信息技术研究所, 上海200050)

关键词:cd m a20001x , 查找表, 内插, verilog HDL , 基带脉冲成形滤波器

A Low -co mplexity Design and I mp le m ent of Baseband Pulse Shap i n g F ilter in CD M A20001x Syste m

W u M ing sen 　Liang Ji y e 　Liu H a itao

(Shanghai Instit ute o fM icrosyste m and Infor m ati on T echno legy , CA S , Shangha i 200050, Chi na )

1　CD MA20001x 反向链路中的

基带脉冲成型滤波器

cd m a20001x 脉冲成形滤波器采用的是平方根升余弦滤波器, 按四倍速率过采样进行。3GPP2明

本项目为中国科学院创新项目基金资助项目(编号:KG CX2-S W -108)。

5:; 梁继业:; :, 。

　68 电子测量与仪器学报2006年

确给出了成形滤波器长度在四倍采样时, cdm a20001x 时的滤波长度为48。滤波器的冲激响应时域表达式如(1) 式所示:

g (t 2

(πt /T ) [1-(4αt /T ) ]

(1)

其中a 为滚降系数, T 为输入脉冲信号周期。平方

根升余弦滚降滤波器的频率响应如(2) 式表示:G (f )=1　0≤|f 2T

[1+cos ) ]

滤波器的频率响应满足图1给出的限值要求。表1给出了滤波器冲激响应的系数。注意到这些系数具有对称性, 即h (k )=h (47-k )。

表1　48阶FI R 滤波器的系数

0, 471, 462, 453, 444, 435, 426, 417, 408. 399, 3810, 3711, 36

h (k ) -0. 025288315-0. 034167931-0. 035752323-0. 0167337020. 0216025140. 0649384870. 0910021370. 0818949740. 037071157-0. 021998074-0. 060716277-0. 051178658

K 12, 3513, 3414, 3315, 3216, 3117. 3018, 2919, 2820, 2721, 2622, 2523, 24

h (k ) 0. 0078745260. 0843687280. 1268693060. 094528345-0. 012839661-0. 143477028-0. 211829088-0.

1405131280. 0946019180. 4413871400. 785875640

1. 0

图1　基带滤波器频率响应限值

2　滤波器的设计与实现

一个N 抽头的FI R 输出可以由(3) 式表示

N -1

y (n ) =∑h (i ) x (n -i )

i =0

(3)

式中x (n ) 是N 个输入采样序列, h (n ) 是滤波器的系数, N 是滤波器的阶数。由(3) 式推导出的FI R 的基本结构如图2所示。由于滤波器的系数偶对称

h (k ) =h (N -k ), 那么由(3) 式变换得到(4) 式, 这样运算量可以减少一半。

N /2-1

y (n )=∑h (i )[x (i ) +x (N -1-i )]

i =0

(4)

cd m a20001x48阶脉冲成形滤波器输出可以(5) 式表示。

O ut p ut =∑x i ×h 47-i

i =0

(5)

图2　N 阶F I R 的基本结构

　　x i 是采样输入数据。四倍过采样过程采取内插

有符号数, 而FI R 滤波器的系数也有正有负, 在硬件设计中都是采用补码表示, 这样以解决符号问题。对于48个sa m ple 值中只有12个sa mp le 值是非零, 0,

第3期CDMA20001x 基带成形滤波器———一种低复杂度的设计和实现　69

果没有影响。这样(5) 式表示的输出值可能出现如下四个相位表达式:第一相位表达式如(6) 式所示,

Ou t p ut =∑d i ×h 47-4i

i =0

(6)

第二相位表达式如(7) 式所示,

Ou t p ut =∑d i ×h 46-4i

i =0

(7)

第三相位表达式如(8) 式所示,

Ou t p ut =∑d i ×h 45-4i

i =0

(8)

第四相位表达式如(9) 式所示,

Ou t p ut =∑d i ×h 44-4i

i =0

(9)

(d5d4d3) 的第四相位, (d9d10d11) 的第二相位是(d2d1d0) 的第三相位, (d6d7d8) 的第二相位是

表2　ROM 的部分积和列表

ROM 1ROM 2ROM 3ROM 4

d0d1d2第一相位d0d1d2第一相位d3d4d5第一相位d3d4d5第二相位d0d1d2第三相位d0d1d2第四相位d3d4d5第三相位d3d4d5第四相位

[1**********]12a 39

0505040d 04031b 2d

ff f90728f5f74349

02f d 061e f 9f 9343e

fe 03fa e20707cc c2

0107f 9d80b 09bd b7

fb fb fc f3fc fd e5d3

fe ff f b e900ff d6c7

　　在对滤波器进行后仿真时由于总线在布局布线时不一致引起的突变会有很大改善。

3k , c k , r e -

3　仿真与结论

　70 电子测量与仪器学报2006年

set , 滤波器输入信号da ta _in , 滤波器输出信号data _out 和四个r o m 的输出结果。采用查找表法设计实

现了符合系统指标要求的cdm a20001x 脉冲成形滤

波器, 并充分利用系数的对称性及内插零的特性, 设计非常巧妙, 使得电路的硬件复杂度有很大程度的降低, 大大的节省了硬件资源。

图3　滤波器的仿真结果

参考文献:

[1]　T I A /ELA /IS-2000-2. Phy sica l Laye r Standard ofr CD -M A 2000Spread SPec tru m Sy ste m [s ]. 2000.

[2]　Jhong Sa m lee and L eonard E . M iller , CDMA Sy st em s En -g inee ri ng H andbook , A rtec H ouse , 1998.

[3]　A. Pe led and B . L iu , “A N ew H ard w are R ea liza tion o f

D ig ita l F ilt e r ”, IEEE T rans . on A coust ＆S i gnal P rocess . , N o . 6, pp . 456-462, D ece m be r , 1974.

[4]　郭继昌, 李香萍, 滕建辅, “基于位串行分布式算法和

FPGA 实现F IR 电路的研究”, 电子测量与仪器学报, vo. l 15, no . 2, 2001; 6∶15-21.

[5]　M cC l e ll an , J . H . , “F IR F I lter D esign and Synthe sis , ”Ch .

吴明森

5o f P rog ra m s for D ig ital Signa l P rocessing , Nw Yo rk :I EEE P ress , 1979.

作者简介:

吴明森:男, 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士生。研究方向为CDM A 基带信号处理和A SIC 设计。

梁继业:男, 中科院上海微系统所博士生。研究方向为CD M A 通信。

刘海涛:男, 中科院上海微系统所研究员, 博士生导师, 研究方向为CDMA 通信, 无线传感网络等。

CDMA20001x基带成形滤波器_一种低复杂度的设计和实现

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