CN102104391B - 一种中频滤波装置及滤波方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中频滤波装置及滤波方法，此中频滤波装置包括中频滤波器，包括相连的滤波系数存储器和系数选择及控制单元；所述系数选择及控制单元的输出端与中频滤波器相连；所述滤波系数存储器，用于存储所述中频滤波器在不同通信制式下的滤波系数；所述系数选择及控制单元，用于从所述滤波系数存储器中提取所述中频滤波器工作下的通信制式所对应的滤波系数并提供至所述中频滤波器；所述中频滤波器，用于使用从系数选择及控制单元获知的滤波系数进行数据滤波处理。本发明的中频滤波装置及滤波方法，可以在支持多模、混模、多天线多载波场景中节省数字中频信息处理所需的硬件资源。

Description

一种中频滤波装置及滤波方法
技术领域
本发明涉及无线通讯、数字信号处理及集成电路设计领域，尤其一种中频滤波装置及滤波方法。
背景技术
软件无线电技术(Software Radio，简称SDR)近年来成为了无线通讯的一个研究热点，各大设备制造商竞相推出基于SDR的***，传统的网络和基站***正处于新老交替的一个过渡时期：1、分离式的基站架构的应用，使得基带处理单元(Base Band Unit，简称BBU)--远端射频单元(RemoteRadio Unit，简称RRU)基站架构逐步成为了主流。2、基站小型化成为了发展趋势。3、对基站的能耗和效率的要求越来越高，并成为了衡量基站的一个关键技术指标。4、SDR技术的应用，使得2G、3G、4G通信技术可以平滑过渡和演进，甚至各种制式的混模基站也成为了运营商的重要需求。各公司也纷纷建立基于SDR的软基站平台，BBU-RRU的基站架构作为今后的主要基站形式，其发展趋势是：小型化、低成本、低功耗和多模式兼容。
随着SDR技术的发展，数字中频处理的硬件实现方式(FPGA或ASIC实现)也随之兴起，而且随着混模多模市场需求的增强，数字中频处理面临的成本、功耗、芯片面积的压力也越来越大。需要处理更多的天线通道数目，需要支持更大的带宽需求，需要支持多种模式的共模混模处理，都带来硬件实现面积的成倍膨胀。
信号的中频处理分为上行链路处理和下行链路处理，如图1所示，下行链路的处理过程为：基带处理单元输出基带信号，在中频处理单元中依次经过成型滤波、插值滤波、混频合路、削峰(Crest Factor Reduction，简称CFR)、数字预失真(Digital Pre-distortion，简称DPD)处理后，发送至数模转换器件(DAC)完成数模转换后发送至射频处理单元；同时数字预失真(DPD)处理器件还根据射频处理单元经模数转换(ADC)后的反馈信号进行预失真计算。如图2所示，下行链路的处理过程为：射频处理单元将信号输入中频处理单元，经过模数转换(ADC)后，在中频处理单元中经过混频处理，各载波分离，分别进行抽取滤波、成型滤波后得到基带信号并发送至基带处理单元。
由图1、图2可知，在中频处理的上下行链路中，成型滤波器、插值滤波器、抽取滤波器是其中影响硬件资源的关键运算单元。以成型滤波为例，使用不同通信制式的成型滤波器的系数不同，滤波器阶数也不同。通常的设计方法是每种制式对应一种成型滤波器，每种制式对应的成型滤波器个数由具体的天线数、载波数决定。所以在支持多模和混模的方案中，滤波器的数目将非常大。多模方式指同一套硬件电路可以支持多种制式的单模，混模方式指可以支持多种制式的同时运行，假设共有N种单模制式，可以支持M种制式的混模，M是大于1小于N的整数，M一般取2或3。
目前的实现方案中，往往采用简单复制的方法来实现对更多天线数目、更宽带宽以及多模、混模方式需求的支持，简单复制方法具体实现如下：假设支持单天线需要一套中频处理数字硬件单元，则支持两天线时，则采用两套相同的中频处理数字硬件单元实现；假设支持5M带宽需要一套中频处理数字硬件单元，则支持10M带宽时采用两套相同的中频处理数字硬件单元实现；假设处理单模制式时需要一套中频处理数字硬件单元，则支持混模需求时，则分别采用多套数字硬件单元处理不同模式的中频处理。
上述简单复制的方法实现简单，运算能力扩展容易，但带来硬件资源以及芯片面积的极大浪费，造成基站体积的膨胀，功耗的上升，以及产口成本的浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种中频滤波装置及滤波方法，在支持多模、混模、多天线多载波场景中节省数字中频信息处理所需的硬件资源。
为了解决上述问题，本发明提供了一种中频滤波装置，包括中频滤波器，包括相连的滤波系数存储器和系数选择及控制单元；所述系数选择及控制单元的输出端与中频滤波器相连；所述滤波系数存储器，用于存储所述中频滤波器在不同通信制式下的滤波系数；所述系数选择及控制单元，用于从所述滤波系数存储器中提取所述中频滤波器工作下的通信制式所对应的滤波系数并提供至所述中频滤波器；所述中频滤波器，用于使用从系数选择及控制单元获知的滤波系数进行数据滤波处理。
进一步地，上述中频滤波装置还具有以下特点：
所述系数选择及控制单元，用于在所述中频滤波装置运行在多模或混模通信方式下，在所述中频滤波装置进行通信制式切换时，从所述滤波系数存储器提取出切换后的当前通信制式对应的滤波系数，并输出至所述中频滤波器。
进一步地，上述中频滤波装置还具有以下特点：
所述中频滤波装置运行多模通信方式或混模通信方式共包括N种单模制式，N为大于等于1的整数，如果各单模制式下均满足Ci*Ai＜F/Ni，则所述中频滤波器的个数为1；否则，中频滤波器的个数为各单模制式下对应的Ci*Ai＜F/Ni的值中最大值并向上取整的结果；其中，Ci为第i个通信制式对应的载波数，Ai为第i个通信制式对应的天线数，F为中频滤波器的工作时钟频率，Ni为第i个通信制式下中频滤波器的采样频率，i为大于等于1并小于等于N的整数。
进一步地，上述中频滤波装置还具有以下特点：
所述通信制式是指全球移动通讯***通信制式、码分多址***通信制式、通用移动通信***通信制式、长期演进***通信制式、时分同步码分多址***通信制式。
进一步地，上述中频滤波装置还具有以下特点：
所述中频滤波器是以下中一个或任意两个的组合或三个的组合：成型滤波器、插值滤波器、抽取滤波器。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种中频滤波方法，包括：在中频滤波装置中存储中频滤波器在不同通信制式下的滤波系数；所述中频滤波装置运行于多模或混模通信方式下时，提取所述中频滤波器工作下的通信制式所对应的滤波系数进行数据滤波处理。
进一步地，上述中频滤波方法还具有以下特点：
所述中频滤波装置运行在多模通信方式或混模通信方式下，在所述中频滤波装置进行通信制式切换时，提取出切换后的当前通信制式对应的滤波系数进行数据滤波处理。
进一步地，上述中频滤波方法还具有以下特点：
所述中频滤波装置运行多模通信方式或混模通信方式共包括N种单模制式，N为大于等于1的整数，如果各单模制式下均满足Ci*Ai＜F/Ni，则所述中频滤波器的个数为1；否则，中频滤波器的个数为各单模制式下对应的Ci*Ai＜F/Ni的值中最大值并向上取整的结果；其中，Ci为第i个通信制式对应的载波数，Ai为第i个通信制式对应的天线数，F为中频滤波器的工作时钟频率，Ni为第i个通信制式下中频滤波器的采样频率，i为大于等于1并小于等于N的整数。
进一步地，上述中频滤波方法还具有以下特点：
所述通信制式是指全球移动通讯***通信制式、码分多址***通信制式、通用移动通信***通信制式、长期演进***通信制式、时分同步码分多址***通信制式。
进一步地，上述中频滤波方法还具有以下特点：
所述中频滤波器是以下中一个或任意两个的组合或三个的组合：成型滤波器、插值滤波器、抽取滤波器。
本发明的中频滤波装置及滤波方法，可以在支持多模、混模、多天线多载波场景中节省数字中频信息处理所需的硬件资源。
附图说明
图1是现有技术中信号中频处理的下行链路的处理方式示意图；
图2是现有技术中信号中频处理的上行链路的处理方式示意图；
图3是实施例中中频滤波装置的结构图；
图4是滤波器运算单元结构图。
具体实施方式
如图3所示，中频滤波装置包括中频滤波器，还包括相连的滤波系数存储器和系数选择及控制单元；系数选择及控制单元的输出端与中频滤波器相连。此中频滤波器是以下中一个或任意两个的组合或三个的组合：成型滤波器、插值滤波器、抽取滤波器；
滤波系数存储器，用于存储中频滤波器在不同通信制式下的滤波系数。此滤波系数存储器可以是一个单独的存储器器件，也可以是多个子存储器器件的组合。例如，中频滤波器是成型滤波器时，可以有多个子存储器器件，每个子存储器器件存储一种通信制式的成型滤波器的滤波系数。中频滤波器是成型滤波器和插值滤波器时，每个子存储器器件存储一种通信制式下成型滤波器和插值滤波器的滤波系数，或者，还可以每个子存储器器件存储一种通信制式下的一种滤波器的滤波系数。
系数选择及控制单元，用于从滤波系数存储器中提取中频滤波器工作下的通信制式所对应的滤波系数并提供至中频滤波器。具体的，在中频滤波装置运行在多模通信方式或混模通信方式的情况下，在中频滤波装置进行通信制式切换时，从滤波系数存储器提取出切换后的当前通信制式对应的滤波系数，并输出至中频滤波器。滤波系数存储器是多个子存储器器件的组合时，系数选择及控制单元从相应的子存储器器件中提取中频滤波器工作下的通信制式所对应的滤波系数。
中频滤波器，用于使用从所述系数选择及控制单元获知的滤波系数进行数据滤波处理。
中频滤波器的结构如图4所示，主要包括延时单元Z-1、乘法器和加法器。a0，a1，...，an为滤波器系数，自滤波器系数存储器输入，x(n)为输入数据，y(n)为输出数据。
利用滤波器系数事先存储的方式可实现同一硬件对各种不同制式单模滤波共用，不同制式可分别配置不同的系数来实现对各自的支持，系数的配置方法是向滤波器系数存储器写入各制式对应的滤波器系数，此方法避免不同制式滤波器采用多个不同滤波器带来的硬件资源浪费。利用滤波器时分复用技术可进一步节省硬件资源。
中频滤波器工作于多模通信方式时，设中频滤波器的工作时钟频率为F，此多模通信方式下下共包括N种单模制式，输入采样率分别为N1，N2，...，Nn。则对应各种制式该滤波器的可时分复用处理的复用比分别为F/N1，F/N2，...，F/Nn。设N种制式对应的载波数分别为C1，C2，...，Cn天线数分别为A1，A2，...，An。则对应各制式的处理能力的需求分别为C1*A1，C2*A2，...，Cn*An。如果同时满足C1*A1＜F/N1，C2*A2＜F/N2，...，Cn*An＜F/Nn。则支持所有单模制式只需要1个该中频滤波器即可通过时分复用实现，否则，该中频滤波器的个数是C1*A1*N1/F，C2*A2*N2/F，...，Cn*An*Nn/F中的最大值Ci*Ai*Ni/F(i为1到n之间的任意值)向上取整的结果。
中频滤波器还可以工作于混模通信方式，所述的混模处理的前提是相对于单模处理，硬件总的处理带宽不变，即原来由单模处理享有的带宽现在由几种混模通信方式共同分享，所以硬件总的处理能力不变。混模方式下时分复用比单模方式下复杂许多，因为涉及到几种制式的时分复用，如果用同一个滤波器实现，则需要切换滤波器系数，当前一种制式在时分复用处理中结束时，需切换成下一种制式的滤波器系数进行计算，因此采用如图3所示的滤波器结构，设置M个系数存储器对应混模方式中M种不同制式，由系数选择和控制单元负责时分复用处理过程中系数存储器的切换以及控制滤波器的计算过程。采用滤波器提取共用技术，避免采用M个滤波器分别处理M中混模通信方式的滤波，相当于将M个滤波器的系数存储器都独立提取出来，在M个滤波器的运算单元部分，只保留其中一个滤波器运算单元(当只需要1个滤波器就可以时分复用处理混模通信方式时)，而M个系数存储器被保留下来，时分复用过程中通过切换系数存储器实现各个制式不同的滤波处理。从而节省了硬件资源。
在M个制式的混模通信方式下，某级滤波器，最多只需要M个系数存储器和ceil(Ci*Ai*Ni/F)个滤波器运算单元，ceil为天花板函数。
上述方法中，滤波器系数存储器提取共用技术可以很有效的提高混模方式下滤波器复用度，极大降低混模方式下硬件资源消耗。
本发明中的多模通信方式或混模通信方式中支持的单模通信制式包括以下制式：全球移动通讯***(Global System for Mobile Communications，简称GSM)通信制式、码分多址***(Code-Division Multiple Access，简称CDMA)通信制式、通用移动通信***(Universal Mobile TelecommunicationsSystem，简称UMTS)通信制式、长期演进***(Long Term Evolution，简称LTE)1.4M通信制式、LTE3M通信制式、LTE5M通信制式、LTE10M通信制式、LTE15M通信制式、LTE20M通信制式、时分同步码分多址***(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，简称TD-SCDMA)通信制式。
为了更清楚地阐述本发明提出的方法和硬件装置的工作原理，下面结合具体的实施例进行说明。
以成型滤波器设计为例进行说明，其它滤波器设计方法类似。
按照要求，各制式成型滤波器的输入采样率及滤波器使用情况如下表所示：
  制式   输入采样率   天线载波数(下行)   单模复用比245.76M时钟   滤波器数目
  GSM   1.28   4*8   96   1
  TD-SCDMA   1.28   4*12   96   1
  LTE1.4M   1.92   4*8   64   1
  CDMA   1.92   4*8   64   1
  UMTS   3.84   4*4   32   1
  LTE3M   3.84   4*4   32   1
  LTE5M   7.68   4*4   16   1
  LTE10M   15.36   4*2   8   1
  LTE15M   30.72   4*1   4   1
  LTE20M   30.72   4*1   4   1
上表中，天线载波数是单模制式下4天线支持的最大载波数，表中天线数为统一为4，单模复用比按照245.76M的电路工作时钟计算，其中各制式输入数据为I、Q复用数据。因为从表中可见各制式单模复用比数值都大于或等于需要处理的天线载波数，所以采用滤波器时分复用技术可以利用1个成型滤波器就可以支持各制式单模成型滤波。混模方式下，总处理带宽不变，例如支持GUL三种制式混模的情形为：GSM制式2载波/天线，UMTS制式1载波/天线和LTE10M制式1载波/天线。三制式混模时依然可以利用1个成型滤波器进行时分复用处理，但则此时需要3个系数存储器，分别存储GSM对应的成型滤波器系数，UMTS对应的成型滤波器系数以及LTE10M对应的成型滤波器系数。因为三种制式中GSM制式输入采样率最低，按GSM计算复用比为96，将整个滤波器的处理时间分为96个相等的时间片段，则单天线2载波GSM处理需要占用其中的2个片断，4天线则占用8个片断；UMTS的输入采样率是GSM的3倍，其处理单天线单载波需要占用3个时间片断，则处理4天线共需要12个时间片断；LTE10M输入采样率是GSM的12倍，其处理单天线单载波需要占用12个时间片断，4天线共需48个时间片断，所以三种制式总的时分复用处理占用68个时间片断，仍然有28个时间片断的处理时间空余。三种制式混模时分复用处理过程中，在第一个时间片断起始时刻，滤波器系数自系数存储器1读入，系数存储器1存储GSM制式对应的滤波器系数，GSM在第8个时间片断结束时滤波计算完成，此时将系数切换到自系数存储器2输入，系数存储器2存储UMTS制式对应的滤波器系数，UMTS在第20个时间片断结束时滤波计算完成，此时将系数切换到自系数存储器3输入，系数存储器3存储LTE10M制式对应的滤波器系数。直到第68个时间片断结束时完成滤波计算。在整个时分复用过程中，通过切换系数存储器，实现共用一个滤波器对三种制式完成成型滤波。节省了硬件资源消耗。系数存储器的个数决定于所需要支持的最大混模通信制式数目，各制式对应的系数根据混模配置情况预先写入系数存储器。单模制式时只需要使用其中1个系数存储器，根据单模配置，预先将该单模制式对应的滤波器系数写入系数存储器。
本发明提出的方法结合滤波器时分复用、滤波器系数可配以及滤波器系数存储器提取复用等技术可以实现硬件资源的最大优化。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种中频滤波装置，包括中频滤波器，其特征在于，
包括相连的滤波系数存储器和系数选择及控制单元；所述系数选择及控制单元的输出端与中频滤波器相连；
所述滤波系数存储器，用于存储所述中频滤波器在不同通信制式下的滤波系数；
所述系数选择及控制单元，用于从所述滤波系数存储器中提取所述中频滤波器工作下的通信制式所对应的滤波系数并提供至所述中频滤波器，包括：在所述中频滤波装置运行在多模或混模通信方式下，在所述中频滤波装置进行通信制式切换时，从所述滤波系数存储器提取出切换后的当前通信制式对应的滤波系数，并输出至所述中频滤波器；所述中频滤波装置运行多模通信方式或混模通信方式共包括N种单模制式，N为大于等于1的整数，如果各单模制式下均满足Ci*Ai<F/Ni，则所述中频滤波器的个数为1；否则，中频滤波器的个数为各单模制式下对应的Ci*Ai*Ni/F的值中最大值并向上取整的结果；其中，Ci为第i个通信制式对应的载波数，Ai为第i个通信制式对应的天线数，F为中频滤波器的工作时钟频率，Ni为第i个通信制式下中频滤波器的采样频率，i为大于等于1并小于等于N的整数；
所述中频滤波器，用于使用从系数选择及控制单元获知的滤波系数进行数据滤波处理。
2.如权利要求1所述的中频滤波装置，其特征在于，
所述通信制式是指全球移动通讯***通信制式、码分多址***通信制式、通用移动通信***通信制式、长期演进***通信制式、时分同步码分多址***通信制式。
3.如权利要求1所述的中频滤波装置，其特征在于，
所述中频滤波器是以下中一个或任意两个的组合或三个的组合：成型滤波器、插值滤波器、抽取滤波器。
4.一种中频滤波方法，其特征在于，
在中频滤波装置中存储中频滤波器在不同通信制式下的滤波系数；所述中频滤波装置运行于多模或混模通信方式下时，提取所述中频滤波器工作下的通信制式所对应的滤波系数进行数据滤波处理，包括：所述中频滤波装置运行在多模通信方式或混模通信方式下，在所述中频滤波装置进行通信制式切换时，提取出切换后的当前通信制式对应的滤波系数进行数据滤波处理；
所述中频滤波装置运行多模通信方式或混模通信方式共包括N种单模制式，N为大于等于1的整数，如果各单模制式下均满足Ci*Ai<F/Ni，则所述中频滤波器的个数为1；否则，中频滤波器的个数为各单模制式下对应的Ci*Ai*Ni/F的值中最大值并向上取整的结果；其中，Ci为第i个通信制式对应的载波数，Ai为第i个通信制式对应的天线数，F为中频滤波器的工作时钟频率，Ni为第i个通信制式下中频滤波器的采样频率，i为大于等于1并小于等于N的整数。
5.如权利要求4所述的中频滤波方法，其特征在于，
所述通信制式是指全球移动通讯***通信制式、码分多址***通信制式、通用移动通信***通信制式、长期演进***通信制式、时分同步码分多址***通信制式。
6.如权利要求4所述的中频滤波方法，其特征在于，
所述中频滤波器是以下中一个或任意两个的组合或三个的组合：成型滤波器、插值滤波器、抽取滤波器。
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