1、學(xué)士學(xué)位論文面向5G的高階濾波器的研究與VLSI設(shè)計(jì)院系：微電子學(xué)院專業(yè)：微電子學(xué)姓名：王也學(xué)號：12307110166指導(dǎo)教師：陳赟 副教授完成日期：2016年5月16日目 錄目 錄II摘 要4Abstract5第一章 緒 論61.1 本課題的研究意義61.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.3 課題來源和本文工作71.4 本文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排7第二章5G競爭技術(shù)介紹92.1新空口之調(diào)制方式92.2新空口波形技術(shù)102.2.1 FBMC（Filter Bank Multi-Carrier）102.2.2 UFMC（Universal Filter Multi Carrier）112.2.3 GFDM（Ge

2、neralized Frequency Division Multiplexing）122.2.4 F-OFDM（Filtered/Flexible OFDM）132.3本章小結(jié)15第三章 濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式163.1 FIR數(shù)字濾波器163.2 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器163.3仿真結(jié)果及分析193.3.1 發(fā)射機(jī)帶外泄漏抑制性能193.3.2 F-OFDM下不同窗函數(shù)性能203.4濾波器實(shí)現(xiàn)方法選擇213.4.1實(shí)現(xiàn)方案分析223.4.2 實(shí)現(xiàn)方案選擇24第四章 MATLAB算法實(shí)現(xiàn)254.1 算法介紹254.2 MATLAB下算法實(shí)現(xiàn)274.3 Overlap-save Meth

3、od的定點(diǎn)仿真28第五章 基于Overlap-Save算法濾波器的設(shè)計(jì)315.1無線通信領(lǐng)域基于FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證的優(yōu)勢315.2 濾波器具體實(shí)現(xiàn)335.2.1 FFT IP核的選擇和例化335.2.2 復(fù)數(shù)乘法器的實(shí)現(xiàn)355.2.3 RAM IP核的選擇和例化365.2.4 指數(shù)處理模塊的實(shí)現(xiàn)375.2.5 輸入/輸出數(shù)據(jù)調(diào)整的實(shí)現(xiàn)395.3 仿真結(jié)果395.4 結(jié)果分析與后續(xù)進(jìn)一步工作的方向42結(jié)論與體會43參考文獻(xiàn)44致謝46摘要摘 要2015年國內(nèi)公司提出filtered-OFDM(F-OFDM)作為可能的5G空中接口技術(shù)備選方案。F-OFDM技術(shù)實(shí)質(zhì)上將系統(tǒng)帶寬劃分若干子帶，每種子

4、帶根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)場景需求配置不同的波形參數(shù)。各子帶通過濾波器進(jìn)行濾波，從而實(shí)現(xiàn)各子帶波形的解耦。所以F-OFDM技術(shù)的核心就是各個子帶發(fā)送和接收端濾波器的設(shè)計(jì)。本文以F-OFDM中使用的高階濾波器為應(yīng)用背景，著重于濾波器的研究和實(shí)現(xiàn)。主要完成了以下幾方面的工作：1. 分析了解5G技術(shù)調(diào)制技術(shù)競爭態(tài)勢，重點(diǎn)觀察研究F-OFDM系統(tǒng)，了解構(gòu)造，了解F-OFDM測試系統(tǒng)。 2. 在F-OFDM系統(tǒng)中測試不同的濾波器。分析比較不同濾波器作用下F-OFDM系統(tǒng)的性能。3. 選擇實(shí)現(xiàn)的合適方式(OLS算法)，在MATLAB上進(jìn)行濾波器算法實(shí)現(xiàn)，并分析誤差、定點(diǎn)仿真。4. 基于FPGA在頻域?qū)崿F(xiàn)（overla

5、p-save算法）濾波器，對設(shè)計(jì)實(shí)例用ModelSim軟件進(jìn)行了仿真，并用MATLAB對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：filtered-OFDM，窗口設(shè)計(jì)，數(shù)字濾波器，overlap add/save46AbstractAbstractIn 2015, Chinese companies posed filtered-OFDM (F-OFDM) as a possible modulation to 5G. F-OFDM system divide bandwidth into several sub-bands, each sub-bands with a different configur

6、ation of waveform parameters according to the reality. Each sub-band pass the filter, in order to decouple each sub-band waveform. So the core of F-OFDM is the designing of the sender and receiver filter of the sub-bands.This paper focuses on the implementation technology of digital filters based on

7、 FPGA，with the background of the application in F-OFDM systemIt contains main parts：1. Learning and Analyzing 5G system, focusing on researching F-OFDM system, and then try to understand the structure, and understand F-OFDM test systems.2. Testing different kinds of the filter in the F-OFDM system.

8、analyzing and comparing these filters performance in F-OFDM system I use. Finally choose a method to achieve (OLS algorithm)3. Use MATLAB to implement the algorithm, and then use the program to Error Analysis and fixed-point simulation.4. Implement the filter in the frequency domain (overlap-add alg

9、orithm) based on FPGA. And run the demo with ModelSim to get the result data. Finally use MATLAB to analyze the result data.Keywords: filtered-OFDM, window design, FPGA, digital filters, overlap add/save method第一章 緒 論第一章 緒 論1.1 本課題的研究意義OFDM一直是通信領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位的波形技術(shù)。在過去的很多年里，OFDM技術(shù)被廣泛關(guān)注和研究，并被應(yīng)用在有線和無線寬帶通信中。

10、其主要思想是將信道分成若干個正交的子信道，同時將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多路低速的并行子數(shù)據(jù)流，分別調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸。但OFDM技術(shù)有諸如靈活度較低，帶外泄露嚴(yán)重等缺點(diǎn)。F-OFDM技術(shù)作為5G技術(shù)的待選方案，支持豐富的業(yè)務(wù)場景，每種業(yè)務(wù)場景對波形參數(shù)的需求各不相同，F(xiàn)-OFDM能夠根據(jù)業(yè)務(wù)場景來動態(tài)地選擇和配置波形參數(shù)，同時又能兼顧傳統(tǒng)OFDM的優(yōu)點(diǎn)。F-OFDM即Filtered-OFDM，將系統(tǒng)帶寬劃分若干子帶，子帶之間只存在極低的保護(hù)帶開銷，每種子帶根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)場景需求配置不同的波形參數(shù)。各子帶通過濾波器進(jìn)行濾波，從而實(shí)現(xiàn)各子帶波形的解耦。所以F-OFDM技術(shù)的核心就是各個子帶發(fā)送

11、和接收端濾波器的設(shè)計(jì)。圖1-1 F-OFDM收發(fā)端filter框圖1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀5G時代即將到來。新的標(biāo)準(zhǔn)必須足夠靈活，才能處理預(yù)期的多樣化通信類型，在第四代無線網(wǎng)絡(luò)(如cellular LTE和wifi802.11ac)，正交頻分復(fù)用(OFDM)已經(jīng)被廣泛采用7，它有各種優(yōu)點(diǎn)，比如對于LTE優(yōu)良的向后兼容性、易于在硬件上實(shí)現(xiàn)、time-localized低延遲傳輸可以以及可以和多天線傳播簡單結(jié)合4，所以基于OFDM的技術(shù)在5G中仍將占據(jù)優(yōu)勢。然而，OFDM也有不足，這時filtered-OFDM(F-OFDM)就作為一個重要的候選波形出現(xiàn)了。在F-OFDM技術(shù)中，濾波器對性能的影響非

12、常重要。窗函數(shù)設(shè)計(jì)法是FIR濾波器的一種常用設(shè)計(jì)方法。窗處理的宗旨是減小頻譜泄漏，但因?yàn)樾枰骖櫠喾N條件，需要達(dá)到一個性能的均衡最優(yōu)點(diǎn)。因此，對窗函數(shù)的研究對解決這個矛盾是很重要的。串行乘法、并行乘法和采用分布式算法的乘法是基于FPGA設(shè)計(jì)高階FIR濾波器的基本方法。但是本文決定采用用高速塊卷積的方法，較為新穎。卷積運(yùn)算在數(shù)字信號處理中占據(jù)重要的地位。但用一般方法實(shí)現(xiàn)高階卷積（時域），需要使用大量的乘累加器，增大工程實(shí)現(xiàn)的難度，進(jìn)而影響高階卷積的實(shí)際應(yīng)用。但是基于FFT的快速卷積算法的使這種現(xiàn)象大大改觀。FFT算法的出現(xiàn)使得卷積運(yùn)算可更加方便的由傅里葉變換算法轉(zhuǎn)到頻域相乘，再經(jīng)過傅里葉反變換反

13、轉(zhuǎn)到時域得出結(jié)果，降低了工程實(shí)現(xiàn)的難度，使得其應(yīng)用和前景都更加寬廣。1.3 課題來源和本文工作本課題來源于F-OFDM的工程實(shí)踐，團(tuán)隊(duì)需要分析各種濾波器的需要將設(shè)計(jì)的波形算法進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，本文主要研究實(shí)現(xiàn)了對于系統(tǒng)性能十分重要的高階濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)。工作體現(xiàn)在：1.介紹5G空口波形技術(shù)的的競爭態(tài)勢，以及國內(nèi)公司提出的5G技術(shù)的備選（F-OFDM）。分析了一套完整的F-OFDM仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)介紹了F-OFDM技術(shù)，包括F-OFDM的歷史沿革、產(chǎn)生、優(yōu)點(diǎn)、發(fā)展、實(shí)現(xiàn)原理、以及本實(shí)驗(yàn)所使用的開發(fā)環(huán)境。2.系統(tǒng)介紹FIR濾波器的窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的原理、要點(diǎn)，理論分析各種濾波器在系統(tǒng)中的性能，并使用MA

14、TLAB編寫各種濾波器代碼，在F-OFDM系統(tǒng)中仿真測試，綜合比較確定要硬件實(shí)現(xiàn)的濾波器的參數(shù)；3.最后從工程實(shí)現(xiàn)出發(fā)，分析系統(tǒng)所需求的高階濾波器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各類方法、原理介紹，并作出比較。選擇使用FFT的高速overlap save系統(tǒng)介紹了基于FFT的快速卷積算法，包括兩個有限長序列的線性卷積與有限長和無限長序列的卷積；并用較大精力研究基于FFT的高階高速塊卷積FIR濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)，包括所使用模塊的功能、結(jié)構(gòu)、性能，實(shí)現(xiàn)思路，注意要點(diǎn)等等。1.4 本文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排第一章為緒論，闡述了課題的來源、背景和意義。第二章介紹5G波形技術(shù)的競爭態(tài)勢。著重介紹國內(nèi)公司提出的F-OFDM技術(shù)，以

15、及本文所使用的F-OFDM的仿真平臺。第三章介紹、分析所使用的濾波器，使用MATLAB軟件生成符合要求的濾波器，基于F-OFDM平臺對仿真所選用濾波器的性能進(jìn)行測試、比較、篩選，并選擇對于FPGA實(shí)現(xiàn)的最佳方案。第四章介紹高速塊卷積在MATLAB平臺進(jìn)行的軟件實(shí)現(xiàn)，數(shù)的定點(diǎn)處理，預(yù)先進(jìn)行的仿真、精度分析。第五章著重介紹基于高速快速卷積算法濾波器的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。包括硬件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)思路描述，F(xiàn)FT模塊的分析選用，以及最后實(shí)現(xiàn)的overlap-save濾波器的仿真測試、結(jié)果的比較與分析。第二章5G競爭技術(shù)介紹第二章 5G競爭技術(shù)介紹空口就是“空中接口”的簡稱，這是相對于有線通信中的“線

16、路接口”概念而言的。在移動通信領(lǐng)域，“空中接口”是作為基站和終端用戶間的無線傳輸規(guī)范存在的，包括物理層，鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。5G在“空中接口”領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)之爭，主要是在物理層。因?yàn)楦鞣N移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別也體現(xiàn)在空中接口的物理層，而且物理層涉及的技術(shù)種類繁多（包括調(diào)制，編碼，接入，雙工，天線），實(shí)線復(fù)雜度也更高。因此，對于移動通信領(lǐng)域的從業(yè)者而言，物理層技術(shù)的發(fā)展就是移動通信系統(tǒng)發(fā)展的標(biāo)志。而對于空口而言，除了Massive MIMO涉及的空間信號處理，最重要的就是我們常說的調(diào)制技術(shù)、糾錯技術(shù)（通過編碼實(shí)現(xiàn)）、以及我們處理多用戶時遇到的多址接入技術(shù)。5G在這些方面都有了新的表現(xiàn)形式，所以我們將5G

17、的新物理層空口技術(shù)稱之為“新型空中接口”。圖2-1 5G技術(shù)介紹2.1 新空口之調(diào)制方式調(diào)制在通信系統(tǒng)中占有十分重要的地位?，F(xiàn)有主流的移動通信技術(shù)，調(diào)制分成兩大類，一類是單載波的擴(kuò)頻技術(shù)，以CDMA為代表；一類是多載波調(diào)制技術(shù)，以O(shè)FDM為代表。OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種非常優(yōu)秀的多載波調(diào)制技術(shù)，已經(jīng)被廣泛用于多種無線系統(tǒng)中，譬如現(xiàn)在主流的LTE和廣電的DVB，都是用的OFDM。OFDM的主要優(yōu)點(diǎn)是：頻譜利用率高；能夠很好地克服多徑傳播的影響；從基帶處理的角度看，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低。但也存在峰均比高，對頻率和時間敏感，容易引入載波干擾（ICI）和符號干擾（ICI）等問題。2.2 新空口波形技術(shù)根

18、據(jù)現(xiàn)有各大廠商提交的候選波形來看：OFDM作為一種重要的多載波技術(shù)，不僅僅在4G系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且作為5G系統(tǒng)的重要候選波形之一仍然被眾多研究人員所推崇。但是與前幾代移動通信系統(tǒng)相比，5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)時不僅要考慮移動寬帶業(yè)務(wù)，同時也會考慮未來對于海量機(jī)器連接以及高可靠低時延業(yè)務(wù)的支持。OFDM原來固有的一些缺陷，對于未來更加多樣化的業(yè)務(wù)，更高的頻譜效率以及海量連接，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此為了滿足未來應(yīng)用的需求，同時考慮到對于低時延，零碎頻譜使用，非嚴(yán)格同步以及在高速情況下系統(tǒng)魯棒性等5G系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，許多新的多載波波形方案被提出，比如：FBMC，UFMC，GFDM以及F-OFDM等。2.

19、2.1 FBMC（Filter Bank Multi-Carrier）FBMC和OFDM在歷史并沒有關(guān)系。60年代中期提出FBMC基本概念的時候，OFDM還未出現(xiàn)，不過由于FBMC復(fù)雜度太高一直未被重視。但是隨著5G的興起，F(xiàn)BMC也進(jìn)入了熱門候選波形的行列。對于OFDM系統(tǒng)而言，系統(tǒng)帶寬內(nèi)只有一個濾波器，所有的子載波都在這個濾波器內(nèi)，而且需要子載波完全正交來保證子載波之間沒有干擾。但在FBMC系統(tǒng)內(nèi)，給每個子載波都根據(jù)需要加了一個單獨(dú)的濾波器，目的很簡單為了消除子載波之間的干擾。最開始的FBMC壓根不需要子載波完全正交，而且在FBMC系統(tǒng)中，只要濾波器足夠好，根本不需要所謂的CP來對抗載波干

20、擾，所以大大提高了頻譜效率2。但是對于FBMC還有很重要的一點(diǎn)就是它增加了OQAM的調(diào)制方式，來保證正交，最后做到完全的不依賴于CP和正交子載波來對抗ISI和ICI。而且可以根據(jù)設(shè)計(jì)的濾波器形式，滿足未來5G高速率和低時延的廣泛的應(yīng)用需求。圖2-2 FBMC示意圖優(yōu)點(diǎn)：提高了頻譜效率，且不要求正交，還能通過濾波器抑制帶外輻射、滿足不同場合需求。缺點(diǎn)：因?yàn)闉V波器設(shè)計(jì)的需要，首先增加了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的復(fù)雜度和增加了設(shè)備的硬件開銷；其次，因?yàn)镕BMC沒有通過CP而僅僅通過濾波器來抵抗ICI，在信道估計(jì)時存在很大困難，所以與MIMO結(jié)合存在很大的困難，這對FBMC而言，是個致命的缺點(diǎn)；最后，因?yàn)樽虞d波的帶寬

21、很窄，所以相應(yīng)濾波器的沖激響應(yīng)通常很長，階數(shù)要很多，所以對于某些短突發(fā)傳輸?shù)膱龊喜⒉贿m用。2.2.2 UFMC（Universal Filter Multi Carrier）從FBMC我們可以看到，雖然FBMC有一些優(yōu)勢，但在MIMO傳輸和低突發(fā)場景中存在的問題可能會降低FBMC的有效性。一種針對FBMC的改進(jìn)方案應(yīng)運(yùn)而生，這就是通用濾波多載波UFMC。UFMC不是像FBMC那樣對每個子載波獨(dú)立進(jìn)行濾波操作，而是對一組連續(xù)的子載波進(jìn)行濾波處理。很想然，當(dāng)每組子載波的數(shù)目變成1時，對應(yīng)的就是FBMC。對一組連續(xù)子載波進(jìn)行濾波可以使UFMC具有更大的靈活性，它除開具有FBMC傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)外，從低帶寬

22、、低功率的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到高帶寬的視頻傳輸，UFMC都可以支持。相比于FBMC的濾波器長度，UFMC技術(shù)可以使用較短濾波器長度，這樣可以支持短突發(fā)通信，可以作為未來5G無線系統(tǒng)支持大量MTC（機(jī)器通信）和低成本IOT（物聯(lián)網(wǎng)）傳輸?shù)囊粋€潛在候選技術(shù)。而UFMC只需控制一組連續(xù)子載波的旁瓣和帶外抑制，可以明顯減少旁瓣對鄰道的干擾，并降低濾波器實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度5。圖2-3 UFMC示意圖同時，在UFMC中，我們可以選擇支持增加CP。這會帶來兩個好處：首先，由于增加了CP，提高了抵抗ICI的能力，更方便的實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)，進(jìn)而和MIMO技術(shù)相結(jié)合；另外，根據(jù)CP配置的不同，UFMC可以提供不同的子載波帶寬和符號

23、長度，可以滿足不同業(yè)務(wù)的視頻資源要求。不過，雖然UFMC比FMBC有更多的優(yōu)勢，但在實(shí)際應(yīng)用中，大尺度的時延拓展，需要更高階的濾波器來實(shí)現(xiàn)。同時，在接收機(jī)處也需要更復(fù)雜的算法，而增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。而因?yàn)镃P并不是必須要添加，所以也會引起符號干擾和子載波間的干擾。2.2.3 GFDM（Generalized Frequency Division Multiplexing）雖然UFMC相比于OFDM和FBMC有了很多的優(yōu)勢，但因?yàn)镃P的添加并不是必選項(xiàng)，所以對于一些需要松散時間同步以節(jié)約能源的應(yīng)用并不適合。因此，另外一種靈活的多載波調(diào)制方法走入了我們的視野，這就是廣義頻分復(fù)用GFDM。根據(jù)GFDM

24、的實(shí)現(xiàn)原理：輸入數(shù)據(jù)在變成時域信號后，插入CP，然后再通過發(fā)射機(jī)發(fā)出。根據(jù)濾波，信號和業(yè)務(wù)的變化要求，理論上GFDM可以插入不同類型的CP，允許低復(fù)雜度的均衡，因而具有CP-OFDM的簡單性。同時，GFDM將若干個時隙和若干個子載波上的統(tǒng)一的處理對象，也是基于多個子載波和符號來實(shí)現(xiàn)調(diào)制，因而具有UFMC的靈活性3。同時GFDM通過尾比特操作將調(diào)制過程由線性卷積轉(zhuǎn)化為循環(huán)卷積，增加了帶外抑制能力，因而具備FBMC的抗子載波干擾能力。而且，GFDM的每一個或每一組子載波處理都可以當(dāng)成是單載波的頻域均衡，所以在減少信號的峰均比上有明顯優(yōu)勢。性能上來看，GFDM比FBMC和UFMC更適合未來5G的傳輸

25、需求。當(dāng)然，它是以增加復(fù)雜度作為代價的。圖2-3 GFDM示意圖2.2.4 F-OFDM（Filtered/Flexible OFDM）重點(diǎn)介紹本文使用的的F-OFDM仿真系統(tǒng)，F(xiàn)-OFDM本質(zhì)上是為了進(jìn)一步擴(kuò)展OFDM的應(yīng)用范圍而進(jìn)行的升級和更新。對于傳統(tǒng)的OFDM，頻域子載波帶寬核時域符號周期長度是固定的，CP和保護(hù)時隙（GP）也是固定的。但是對于5G的廣泛應(yīng)用范圍，單一的固定參數(shù)就無法滿足要求。例如高速的車聯(lián)網(wǎng)和低速的物聯(lián)網(wǎng)，對系統(tǒng)的要求是相互矛盾的。因此，F(xiàn)-OFDM就提出了一個新的理念面對各種不同的應(yīng)用需求，OFDM應(yīng)該能夠靈活的配置各種參數(shù)（如子載波帶寬，符號長度，CP和GP長度）

26、如圖2-45所示。圖2-4 F-OFDM的應(yīng)用F-OFDM的實(shí)現(xiàn)是基于子帶的切割和濾波，使其形成相互獨(dú)立的OFDM信號（甚至是其他可能的波形）。子帶之間的正交被完全的放棄的了，主要是為了實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：l 減少同步開銷，并在相鄰的子帶之間支持異步傳輸。l 最小化子帶之間保護(hù)頻帶的消耗，增加頻率的利用率。l 為特定的服務(wù)靈活配置波形。下行鏈路的收發(fā)器結(jié)構(gòu)的F-OFDM在圖中所描繪的，獨(dú)立OFDM系統(tǒng)具有不同配置，即，副載波（SC）的間距，循環(huán)前綴的長度（CP）和傳輸時間隔（TTI），都被包含在不同的子帶，通過濾波器分開。子帶不互相重疊。子帶之間，一個小的保護(hù)帶被保留以容納子帶間干擾。在如4G LT

27、E4G LTE上行鏈路中所用的波形中，即，SCFDM,也可以和子帶濾波以相類似的方式結(jié)合圖2-5 F-OFDM收發(fā)端示意圖如在圖2-5所示中，F(xiàn)-OFDM的時間頻率配置是非常靈活的。下面給出應(yīng)用的兩個實(shí)例：l 為了避免快速移動的車輛之間的碰撞，需要較短的通信TTI，擴(kuò)大子載波間隔就可以降低時延.l 對于機(jī)器類型通信，可啟用單載波波形，做到廣覆蓋，低功耗，同時將TTI延長來提高準(zhǔn)靜態(tài)信道的可靠性。在一般情況下，不同的波形和配置可以在F-OFDM的框架下共存，時間-頻率安排也可以被動態(tài)地調(diào)整。在設(shè)計(jì)上，為了實(shí)現(xiàn)基于子帶濾波，從而享受用F-OFDM的益處，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)濾波器是需要的。在一般情況下，濾波

28、器的設(shè)計(jì)涉及到折衷時域和頻域特性。之間一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則已歸納如下：l 限制在時域中的能量擴(kuò)散，降低通過過濾引入的符號間干擾的影響。l 為了在頻域上上嚴(yán)格限制其傳輸，推薦使用保護(hù)帶。l 為了降低計(jì)算復(fù)雜性，建議采用重疊保留方法來實(shí)現(xiàn)在頻域中的濾波器。2.3本章小結(jié)這些新波形方案一個共同點(diǎn)是通過濾波器的方式來降低帶外泄露以及減小對于時頻同步的要求。FBMC原理方案中所使用的濾波器組是以每個子載波為粒度的。通過優(yōu)化的原型濾波器設(shè)計(jì)，F(xiàn)BMC可以極大的抑制信號的旁瓣，而且與UFMC類似FBMC也通過去掉CP的方式來降低開銷。而UFMC和F-OFDM方案中的濾波器組都是以一個子帶為粒度的。兩者的主要差別是：

29、一方面，UFMC使用的濾波器階數(shù)較少，相比而言F-OFDM需要使用較長的濾波器階數(shù)；另一方面，UFMC不需要使用CP，而考慮到后向兼容的問題F-OFDM仍然需要CP，其信號處理流程與傳統(tǒng)的OFDM基本相同。對于GFDM方案而言，根據(jù)一個GFDM塊中不同的子載波以及子符號數(shù)配置，該方案可以把OFDM以及單載波的頻域均衡作為它的一個特例。除此之外，與OFDM中每個符號添加CP不同，GFDM通過在一個GFDM塊前統(tǒng)一添加一個CP的方式來降低開銷。同時，在FBMC以及GFDM中通常使用OQAM調(diào)制，來減小鄰道干擾以及降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。由此可以看出，對于5G系統(tǒng)來說，實(shí)現(xiàn)一個高性能、低復(fù)雜度的濾波器是一件

30、值得的事。第三章 濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式第三章 濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式3.1 FIR數(shù)字濾波器FIR濾波器是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最常用的組件之一，他能完成信號濾波，頻帶選擇，信號預(yù)調(diào)等功能。雖然在FIR數(shù)字濾波器在頻帶陡峭性方面等性能方面不如IIR濾波器，但是FIR濾波器具有嚴(yán)格的線性相位特性而不像IIR濾波器存在穩(wěn)定性方面的問題。雖然FIR濾波器也存在著乘法器需求較多，輸出延遲長等缺點(diǎn)，但是隨著FPGA的發(fā)展，F(xiàn)IR的缺點(diǎn)將被逐漸克服，所以FIR濾波器能得到了廣泛的應(yīng)用21。設(shè)一個FIR濾波器單位沖激響應(yīng)h(n)的長度為N，其系統(tǒng)函數(shù)為： （3-1）H(z)為N-1次多項(xiàng)式，它在z平面上有N-

31、1個零點(diǎn)，原點(diǎn)z=0是N-1階重極點(diǎn)。因此，H(z)永遠(yuǎn)穩(wěn)定，穩(wěn)定和線性相位特性是FIR濾波器突出的優(yōu)點(diǎn)27。設(shè)計(jì)FIR濾波器的主要任務(wù)是如何選擇有限長度的h(n)，使系統(tǒng)傳輸函數(shù)H(ejw)滿足既定的要求14。3.2 窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)濾波器時，最理想的實(shí)現(xiàn)當(dāng)然就是“理想濾波器的特性”。即:在通帶內(nèi)振幅特性為1，在阻帶內(nèi)為0；且在通帶內(nèi)的具有線相位的特性。即 （3-2）它對應(yīng)的理想單位沖擊響應(yīng)為 （3-3） 由此可見，理想低通濾波器的單位沖激響應(yīng)是無限長的非因果序列。但是我們要設(shè)計(jì)的FIR濾波器，其單位沖擊響應(yīng)必然是有限長的，為了能在物理上可實(shí)現(xiàn)，我們就用窗函數(shù)截取長度為N的一

32、段，或者參看公式，即用一個有限長度窗口函數(shù)序列來截取，目前使用較多的幾種窗函數(shù)分別為。矩形窗、漢寧窗、三角形窗、哈明窗、布萊克曼窗和凱澤窗等具體性能參看圖3-1和表3-1。圖3-1 不同窗函數(shù)的幅度頻譜響應(yīng)曲線表3-1 主要窗函數(shù)性能FIR濾波器窗函數(shù)的選擇對實(shí)際結(jié)果有著重要的影響。在工程實(shí)現(xiàn)時針對不同的處理目的和不同的信號和來確定窗函數(shù)的選擇才能收到良好的實(shí)現(xiàn)效果。在一般情況下，窗函數(shù)選擇的原則是：1.要從消除旁瓣和保持最大信息的綜合效果出發(fā)來考慮問題。窗函數(shù)頻譜中的主瓣寬度盡量窄，能量要盡可能集中在主瓣內(nèi)，從而獲得較高的頻率分辨力，并且獲得較小的過渡帶。2.窗函數(shù)頻譜的旁瓣高度應(yīng)盡可能小而

33、且隨頻率盡快衰減，以減小帶外泄露。還應(yīng)在設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時考慮減小通帶的波動，提高阻帶的衰減。但是，主瓣既窄，旁瓣又小衰減又快的窗函數(shù)是很難找到的，比如矩形窗雖然主瓣寬度是最窄的，但其旁瓣很大。因此，在設(shè)計(jì)濾波器時，要綜合考慮多種因素。3.在應(yīng)用窗函數(shù)時，還應(yīng)當(dāng)充分考慮實(shí)際信號的特點(diǎn)以及具體的處理要求。例如要考慮信號中信息量的分布，以增強(qiáng)信號中所需要的信息部分，過濾不需要的部分。如果要分析具有較強(qiáng)的干擾噪聲的窄帶信號時，應(yīng)選用旁瓣幅度較小的窗函數(shù)，如Hamming窗等。而如果干擾距離信號較遠(yuǎn)，則可以選用旁瓣衰減速度較快的窗函數(shù)，如Papoulis窗等。4.對于實(shí)際要處理的信號，往往情況復(fù)雜，不知

34、選用哪一種時窗函數(shù)時，多用幾種窗函數(shù)進(jìn)行處理，之后比較用幾種窗處理的結(jié)果，再試驗(yàn)驗(yàn)證調(diào)整參數(shù)綜合考慮該采取什么窗函數(shù)15。窗函數(shù)參數(shù)值采用FDATOOL工具自動生成。3.3 仿真結(jié)果及分析3.3.1 發(fā)射機(jī)帶外泄漏抑制性能我們使用的是512階和1024階的漢寧窗，分別畫出了在不同的子帶保護(hù)間隔下，未加窗和加窗后的帶外泄漏情況。圖3-2 N1=0,N2=1發(fā)射機(jī)帶外泄漏(OOB)抑制圖3-2是在N1=0和N2=1的配置下帶外泄漏情況。(a)是未加窗時的帶外泄漏情況，可以看到在未加窗時，子帶1的帶外泄漏對子帶2的影響比較嚴(yán)重，(d)是(a)的放大圖。(b)是在加512階漢寧窗后的帶外泄漏情況，(c

35、)是在加1024階漢寧窗后的帶外泄漏情況，可以看到在使用子帶濾波器后，帶外泄漏性能可以被大幅度抑制，減少相鄰子帶間的干擾。為更加清晰的看到兩個子帶間的保護(hù)間隔，(e)、(f)分別是(b)、(c)按比例放大后的圖。圖3-3 N1=0,N2=1發(fā)射機(jī)帶外泄漏(OOB)抑制圖3-3是在N1=0和N2=3的配置下帶外泄漏情況。(d)(e)(f)分別是對(a)(b)(c)的放大圖，可以看到相比于N1=0、N2=1配置的情況下，在N2=3時，兩個子帶之間有明顯的保護(hù)間隔。在零頻處，子帶1有一個凹陷，是因?yàn)榱泐l處的子載波并沒有映射數(shù)據(jù)。3.3.2 F-OFDM下不同窗函數(shù)性能本小節(jié)結(jié)果是在 N1=0,N2=

36、1的條件下替換不同濾波器的性能對比的性能對比，其中為了排除干擾，每種參數(shù)的濾波器均作了20次測試，取平均值。圖3-4 15kHz子帶性能圖3-5 30 kHz子帶性能本F-OFDM系統(tǒng)仿真將帶寬分為15kHz和30kHz兩個進(jìn)行，在分別添加如圖3-4和圖3-5所示相同階數(shù)不同參數(shù)濾波器時，可以看到性能并沒有太大差別。圖3-6 不同階數(shù)Hamming窗性能對比接下來嘗試不同階數(shù)的濾波器，可以看到，隨著濾波器的階數(shù)的增加，性能有顯著的提升。鑒于實(shí)現(xiàn)難度和性能上的綜合考慮，采取512階的漢寧窗作為選用的參數(shù)。3.4 濾波器實(shí)現(xiàn)方法選擇由于濾波器用加窗截?cái)嗟姆绞皆O(shè)計(jì)，因此我們可以采用FIR結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，

37、下面主要介紹濾波器結(jié)構(gòu)的選擇。3.4.1 實(shí)現(xiàn)方案分析1）直接型的FIR常采用乘累加（MAC）結(jié)構(gòu)，如下圖所示25：圖3-7 FIR濾波器實(shí)現(xiàn)原理但是上面的結(jié)構(gòu)會因?yàn)槭褂幂^多的乘法器而占用的面積較大，一個優(yōu)化的方式是將濾波器的系數(shù)分解，用加法和移位代替乘法單元，如下圖藍(lán)框所示：圖3-8 優(yōu)化的FIR濾波器實(shí)現(xiàn)原理如果濾波器的系數(shù)較多，就不便于處理25 DA（Distributed Arithmetic）DA（Distributed Arithmetic）結(jié)構(gòu)的濾波器主要采用查表然后累加的方式計(jì)算輸出24。由于濾波器的輸入數(shù)據(jù)常用有符號的數(shù)，可以表示為： (3-5)(B-1代表最高位，代表數(shù)據(jù)位

38、）則濾波器對應(yīng)的輸出就可以寫為： (3-6)是濾波器的系數(shù)，代表系數(shù)的組合，因此可以用查表來實(shí)現(xiàn)，如下圖所示，一個串行的DA結(jié)構(gòu)的FIR為：圖3-8 查表法FIR濾波器實(shí)現(xiàn)原理（3）通過頻域?qū)崿F(xiàn)（overlap add/save method）實(shí)際上是通過循環(huán)卷積來計(jì)算線性卷積12，如果濾波器的長度為P，輸入數(shù)據(jù)的分段大小為L，則實(shí)現(xiàn)過程如下圖3-10 FIR濾波器頻域?qū)崿F(xiàn)原理硬件實(shí)現(xiàn)需要的結(jié)構(gòu)為：3.4.2 實(shí)現(xiàn)方案選擇本文將選擇overlap save method的方法實(shí)現(xiàn)濾波器，理由如下：l 傅立葉變換是數(shù)字信號處理中兩個最常用，最基本的運(yùn)算之一。FFT算法作為DFT的快速算法，可使D

39、FT的運(yùn)算時間縮短一到兩個數(shù)量級，進(jìn)而推動了其在工程應(yīng)用中更廣泛應(yīng)用。l FFT的實(shí)際理論算法有很多種，例如庫利圖基(Cooley-Tukey)算法、混合基算法、基-4FFT算法、分裂基FFT算法、素因子算法(Prime Factor Algorithm，PFA)、WFTA算法等1011，當(dāng)然相應(yīng)地也出現(xiàn)了一些FFT算法的實(shí)現(xiàn)。卷積也是數(shù)字信號處理中最常用最基本的運(yùn)算之一。但用一般方法實(shí)現(xiàn)高階卷積（時域），需要使用大量的乘累加器，增大工程實(shí)現(xiàn)的難度，進(jìn)而影響高階卷積的實(shí)際應(yīng)用。但是基于FFT的快速卷積算法的提出改變了這一切。FFT算法的出現(xiàn)使得卷積運(yùn)算可更加方便的由傅里葉變換算法轉(zhuǎn)到頻域相乘，

40、再經(jīng)過傅里葉反變換反轉(zhuǎn)到時域得出結(jié)果，降低了工程實(shí)現(xiàn)的難度，使得其應(yīng)用和前景都更加寬廣。l 另外，在頻域?qū)崿F(xiàn)該濾波器，也能利用到現(xiàn)代FPGA系統(tǒng)的DSP blocks，節(jié)約算數(shù)單元和memory，提升器件使用效率，降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。綜合考慮，本文將基于快速卷積算法（overlap add/save method）進(jìn)行具體的實(shí)現(xiàn)描述并且給出系統(tǒng)且詳細(xì)的算法原理、實(shí)現(xiàn)過程和相應(yīng)的結(jié)果。第四章 MATLAB算法實(shí)現(xiàn)第四章 MATLAB算法實(shí)現(xiàn)4.1 算法介紹快速循環(huán)卷積12： (4-1)y(n)也可以這樣計(jì)算 運(yùn)算開銷12：l 直接計(jì)算N2（復(fù)數(shù)乘法）N (N 1)（復(fù)數(shù)加法）l 經(jīng) FFTs（乘法）

41、（復(fù)數(shù)乘法）（復(fù)數(shù)加法）實(shí)際上在實(shí)際情況當(dāng)中H(k)可以被提前計(jì)算，那運(yùn)算開銷可以被進(jìn)一步降低至。快速線性卷積12：DFT產(chǎn)生循環(huán)卷積。對于線性卷積，我們必須在序列后加零。要使用快速循環(huán)卷積實(shí)現(xiàn)線性卷積，必須用零填充使序列長度大于NL+M1。圖4-1 快速線性卷積示意圖通常選擇 (4-2)說明:雖然添加0序列之后運(yùn)算開銷增大了，但是相比直接計(jì)算還是有O復(fù)雜度可以被節(jié)省下來12。Overlap-Save(OLS)Method假設(shè)L=，比如在一個實(shí)時濾波器應(yīng)用，或。這有一種更有效率的計(jì)算方法-Overlap-Save(OLS)Method如果一個長度為M的濾波器h(n)和x(n)的一個長度為N的一

42、截相卷積，最開始的M1的是不準(zhǔn)確的。但是對于，這是線性卷積的一部分，這些數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，所以每個長度為N循環(huán)卷積有 個良好輸出。Overlap-Save(OLS)Method：把超過信號轉(zhuǎn)換成每塊有N個樣本的連續(xù)塊，每個塊由M-1樣品前一塊重疊。執(zhí)行與網(wǎng)絡(luò)連接？濾波器h(m)每個塊的循環(huán)卷積。在每個輸出塊，舍掉段落開始的M-1個點(diǎn)，并連接剩余的點(diǎn)，生成y(n)。對于每一個長度為N的片段，運(yùn)算花銷為（假設(shè) 已被預(yù)先處理好）直接計(jì)算每個點(diǎn)需要 ，相比之下，OLS可以根據(jù)給定的M，選擇N的大小，通常對每一段分割塊的數(shù)據(jù)數(shù)目。圖4-2 Overlap-Add(OLA)Method（重疊保留法圖解）18O

43、verlap-Add(OLA)Method也是相類似的原理。4.2 MATLAB下算法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對一個很長的 的輸入序列建立一個MATLAB函數(shù)實(shí)現(xiàn)Overlap-save Method，這個算法中關(guān)鍵一步是要對這個分段有一個合適的編號，已知 作為開始批處理，必須置前（M-1）個樣本為零，令這個增擴(kuò)序列為： （4-3）并令，那么第塊就是給出為： （4-4）總的塊數(shù)給出為： （4-5）其中是的長度是截?cái)噙\(yùn)算?，F(xiàn)在每一塊都能與基于FFTs進(jìn)行快速卷積： （4-7）最后，從每個中丟棄前個樣本，并將余下的樣本串接在一起得到線性卷積119。4.3 Overlap-save Method的定點(diǎn)仿真數(shù)的定標(biāo)：在

44、MATLAB仿真過程中，內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理都是采用浮點(diǎn)型，而在實(shí)際FPGA處理數(shù)據(jù)的過程中，并不能對浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行直接處理，所以在仿真的過程中，如果要得到與PFGA可以相比較的結(jié)果就必須進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)的仿真13。整型數(shù)只要字長給定，那么這個整形數(shù)的取值的范圍也就確定了。因此可知，隨著字長的變長，整型數(shù)能夠表示的數(shù)值的范圍就越大，計(jì)算精度也就越高。首先以16位的字長進(jìn)行分析，F(xiàn)PGA芯片中數(shù)據(jù)是以補(bǔ)碼的形式存放的，用15位表示數(shù)值本身的大小，用最左邊的一位來表示符號位（1表示為負(fù)數(shù)，0表示正數(shù)）。如下所示：0010000000000111b=8199 1111111111111100b=-4在FPGA處理過

45、程中，芯片不能識別小數(shù)。但在許多情況下，數(shù)學(xué)運(yùn)算過程中的數(shù)不一定都是整數(shù)，處理的關(guān)鍵就必須由程序員指定小數(shù)點(diǎn)的位置在數(shù)據(jù)中的哪一位，這個過程就是數(shù)據(jù)的定標(biāo)。數(shù)的定標(biāo)實(shí)質(zhì)上就是一個將浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行人為的擴(kuò)大，并將數(shù)據(jù)取整的過程。經(jīng)過定標(biāo)的數(shù)就可以送入FPGA當(dāng)中進(jìn)行運(yùn)算，只需在最后對運(yùn)算結(jié)果再進(jìn)行相應(yīng)的倍數(shù)進(jìn)行縮小，就可以得到實(shí)際的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的結(jié)果了。這對于二進(jìn)制數(shù)來說，實(shí)質(zhì)上就是小數(shù)點(diǎn)位置的移動過程。在FPGA芯片中，數(shù)據(jù)一般就是以二進(jìn)制數(shù)表示，而長度取決于給定的字長。將FPGA的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行移位，所得到的結(jié)果就是將原始數(shù)據(jù)擴(kuò)大或縮小了2的冪次方倍的結(jié)果。目前，一般都是用S表示法和Q來表示數(shù)據(jù)

46、的定標(biāo)。以16位的數(shù)據(jù)為例來說他們是相同的表示方法。見下表。表4-1 Q表示、S表示以及數(shù)字范圍綜上可知在定點(diǎn)數(shù)中，所得到的數(shù)據(jù)的范圍和精度是互相矛盾的。所以在實(shí)際的處理過程中，必須將數(shù)據(jù)的精度和范圍都兼顧，才能得到好的處理性能性能。在實(shí)際的處理過程中，若要將浮點(diǎn)數(shù)和定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的關(guān)系可以表示如下：浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)（xq）定點(diǎn)數(shù)（xq）轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)（x）根據(jù)上面的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對于浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換到定點(diǎn)，將數(shù)據(jù)乘以就可以得到相應(yīng)的定點(diǎn)表示。例如，浮點(diǎn)數(shù)x=0.5，定標(biāo)Q=15，則定點(diǎn)數(shù)xq=0.5*32768=16384，式中表示下取整。反之，一個用Q=15表示的定點(diǎn)數(shù)16384，其浮點(diǎn)數(shù)為

47、。浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)時，為了降低截尾誤差，在取整前可以先加上0.5。本次實(shí)現(xiàn)將數(shù)字定標(biāo)為Q=15。利用程序處理輸入輸出數(shù)據(jù)，模擬FPGA中精度有限的定點(diǎn)運(yùn)算，以此驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確度以及合理性。下面是仿真的誤差值，歸一化總值為“1”。圖4-3 算法MATLAB定點(diǎn)仿真結(jié)果計(jì)算得平均誤差率：0.237%。精度在接受范圍內(nèi)，可以以此為基礎(chǔ)在FPGA上實(shí)現(xiàn)。第五章 基于Overlap-Save算法濾波器的FPGA頻域?qū)崿F(xiàn)第五章 基于Overlap-Save算法濾波器的設(shè)計(jì)FPGA具有密度高、功耗低、速度快、可配置性強(qiáng)和ASIC的快速性等優(yōu)點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，包括數(shù)字信號處理方面。本章首先介紹

48、FPGA技術(shù)，主要其應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域方面的具有的優(yōu)勢。余下部分重點(diǎn)討論了基于Overlap-Save算法濾波器的FPGA頻域?qū)崿F(xiàn)過程，主要包括FFTIP核的調(diào)用、復(fù)數(shù)乘法器的實(shí)現(xiàn)、RAM的模塊的實(shí)現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整模塊的的實(shí)現(xiàn)，參數(shù)的選擇等等。采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)濾波器時，不可避免會產(chǎn)生量化誤差或舍入誤差。在前面章節(jié)的研究中，是利用模擬的模型假設(shè)，進(jìn)行軟件上的精度計(jì)算，利用了連續(xù)數(shù)學(xué)的優(yōu)點(diǎn)但是當(dāng)實(shí)際高階濾波器用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)時，模塊數(shù)據(jù)的輸入和在模塊內(nèi)部所進(jìn)行的運(yùn)算都必是有限精度的，在量化的過程中，由于存在著尾數(shù)的截取或者是舍入偏差，所以得到的實(shí)際輸出值也會與理論值存在著偏差。本章也用MATLAB對FP

49、GA濾波器產(chǎn)生的測試結(jié)果進(jìn)行了分析。5.1 無線通信領(lǐng)域基于FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證的優(yōu)勢FPGA是Xilinx公司在1984年首先開發(fā)出來的一種通用性的用戶可編程器件，它具有門陣列器件和可編程邏輯器件兩方的優(yōu)點(diǎn)，也就是高度集成度和用戶可編程的靈活性。FPGA屬于ASIC中的一種半定制電路，在同一片F(xiàn)PGA芯片中，可以通過硬件描述語言或原理圖的輸入產(chǎn)生不同的電路功能。目前，F(xiàn)PGA已在從航天軍工到民生科技的各個行業(yè)中占據(jù)了重要的地位。隨著EDA軟件的完善，F(xiàn)PGA器件性能的提高、成本和功耗的降低，F(xiàn)PGA必將在更多領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的功能。FPGA具有ASIC外的優(yōu)點(diǎn)：(1)FPGA的可編程性在

50、項(xiàng)目開發(fā)中遇到設(shè)計(jì)BUG或者需求更改時，可以迅速更改設(shè)計(jì)，降低開發(fā)風(fēng)險；方便設(shè)備的升級，升級時設(shè)備不需改動硬件，直接更新代碼文件即可，降低升級成本；做到縮短產(chǎn)品的上市時間，搶占先機(jī)。(2)高集成度隨著工藝的進(jìn)步，F(xiàn)PGA的規(guī)模越來越大，采用FPGA的設(shè)備也能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能。(3)高可靠性市場上的FPGA芯片是經(jīng)過芯片廠商全面測試后發(fā)布的商品，減少了投片的風(fēng)險，具有較高的可靠性。FPGA在許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，特別是在無線通信領(lǐng)域。由于其具有極強(qiáng)的實(shí)時性和并行處理能力，使系統(tǒng)對信號的實(shí)時處理成為可能。FPGA全稱是是現(xiàn)場可編程門陣列，它由N輸入的查找表，存儲數(shù)據(jù)的復(fù)路器和觸發(fā)器等組成基本功能模

51、塊。由內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定，F(xiàn)PGA可以很容易地實(shí)現(xiàn)分布式的算法，這一點(diǎn)對于高速數(shù)字信號處理尤為重要。通過FPGA來實(shí)現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，就可以非常有效的實(shí)現(xiàn)高速信號處理中大量的濾波運(yùn)算。目前，無線通信正向話音和數(shù)據(jù)綜合的方向發(fā)展。隨著無線移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，以及市場對更為完善的便攜式系統(tǒng)的期望，組成系統(tǒng)模塊的處理器就必須更加強(qiáng)大。這一要求對無線通信的FPGA芯片提出了重要挑戰(zhàn)，其中最重要的三個方面就是功耗、性能和成本。目前已有許多方法來平衡這三個要求。利用SOC(系統(tǒng)芯片)就是一個重要的方法。它可以將盡可能多的功能集成在一片F(xiàn)PGA芯片或芯片集上，做到提高速度，降低功耗，降低復(fù)雜性的目的。由于具

52、有極強(qiáng)的實(shí)時性，SOC在無線通信領(lǐng)域作用尤其重要，它使對話音進(jìn)行實(shí)時處理成為可能。并且系統(tǒng)是通過面向芯片的軟件編程來實(shí)現(xiàn)功能的，因而僅修改軟件就可以改進(jìn)系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)方案或原有功能，給部署系統(tǒng)帶來極大的靈活性；又由于其采用的FPGA并非特殊，可以利用規(guī)模優(yōu)勢將價格壓得很低，所以FPGA將會越來越多地應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)中。OFDM技術(shù)，軟件無線電，多用戶檢測等現(xiàn)有移動通信中的關(guān)鍵技術(shù)，都需要依靠并行處理器來實(shí)現(xiàn)。隨著這些應(yīng)用的發(fā)展，實(shí)際工程中FPGA已經(jīng)演變成了構(gòu)件內(nèi)核，通過與專用邏輯組合在一起，形成專用的FPGA方案來滿足今天的信號處理需要。目前一些中高端芯片將DSP核和FPGA集成在一起。特別

53、是調(diào)制解調(diào)器的使用，需要用到的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算，并且對大小、重量、功耗特別關(guān)注，這就對FPGA提出更高的要求。但是，對于當(dāng)今復(fù)雜的移動通信運(yùn)算需求，一片F(xiàn)PGA難以達(dá)到系統(tǒng)級處理的能力。比如對于現(xiàn)在廣泛使用的3G通信，一片F(xiàn)PGA只能進(jìn)行信道和信源方面的物理層處理，而不能處理控制和高層信令。只有與另外的DSP或者CPU相結(jié)合才能完成整個任務(wù)。因此，基于DSP/CPU加FPGA的無線網(wǎng)絡(luò)將成為市場的熱點(diǎn)?？傮w來說，更加優(yōu)良的FPGA性能將會促進(jìn)無線通信的發(fā)展，而隨之而來蓬勃發(fā)展的無線通信又將會進(jìn)一步促進(jìn)FPGA技術(shù)的不斷進(jìn)步，相輔相成。5.2 濾波器具體實(shí)現(xiàn)基于FPGA的Overlap-Save算高

54、階濾波器的具體的實(shí)現(xiàn)過程。包括2個FFT單元和1個IFFT單元還有指數(shù)調(diào)整模塊，存放濾波器參數(shù)的RAM和復(fù)數(shù)乘法器。IFFT單元與FFT單元是類似的，所以FFT單元是整個程序的核心。FFT有3種工程實(shí)現(xiàn)方法：用DSP芯片實(shí)現(xiàn)、用專ASIC芯片實(shí)現(xiàn)以及用FPGA實(shí)現(xiàn)。各有優(yōu)劣?，F(xiàn)代較為高階的FPGA嵌入DSP模塊，相比在時域?qū)崿F(xiàn)濾波器，采用Overlap-Save算法實(shí)現(xiàn)濾波器可以利用到更多的DSP blocks，進(jìn)而節(jié)省更多的MEMORY和乘法器。5.2.1 FFT IP核的選擇和例化實(shí)際當(dāng)中，為了節(jié)省開發(fā)時間，加速產(chǎn)品的投放，使用FFT IP核來實(shí)現(xiàn)FFT和IFFT功能是理想的選擇。本設(shè)計(jì)使

55、用的Altera FFT IP核函數(shù)，這是一個參數(shù)化、高性能的快速傅里葉變換(FFT)處理器，支持Altera的FPGA全系列，可以完成變換長度為2m(6m14)的基2、基4按照頻率抽選的高性能復(fù)數(shù)FFT以及IFFT運(yùn)算。支持自然順序輸入自然順序輸出，給實(shí)現(xiàn)功能帶來了很大的便利性。此外，該IP核還對實(shí)際波形作出優(yōu)化（比如正弦波）在實(shí)際工程應(yīng)用中，能兼顧效率與精度。FFT IP核支持4種數(shù)據(jù)流模式，突發(fā)(Burst)模式、緩沖突發(fā)模式(Buffered Burst)、流模式(streaming)，可變流模式（variable streaming）。轉(zhuǎn)換點(diǎn)數(shù)的設(shè)置可在初始化階段完成。在實(shí)際使用時也

56、可以控制其變換方向(FFT/IFFT) 9.基于效率的考慮，我采用流模式(streaming)的FFTIP核。下面給出流模式的參數(shù)（Stratix III）23圖5-1 流模式參數(shù)以及例化后的模塊示意圖圖5-2 FFT/IFFT模塊示意圖參考FFT IP核datasheet，得知。為了在整個轉(zhuǎn)換計(jì)算過程中保持較高信噪比和運(yùn)算效率，該FFT IP核在全浮點(diǎn)結(jié)構(gòu)與定點(diǎn)結(jié)構(gòu)之間作了折中，使用塊浮點(diǎn)結(jié)構(gòu)（BFP）來表示轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)據(jù)每次經(jīng)過FFT核基數(shù)-2或基-4引擎時，加法和乘法運(yùn)算都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)比特寬度增加。換句話說，總數(shù)據(jù)比特寬度與FFT操作遍數(shù)成比例。而在FFT / IFFT運(yùn)算的遍數(shù)則取決于數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)。定點(diǎn)架構(gòu)FFT需要一個巨大的乘數(shù)和存儲器模塊，來容納大比特寬度的增長來表示高的動態(tài)范圍。雖然浮點(diǎn)在算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)大，但是也會帶來較高的設(shè)計(jì)復(fù)雜性成本，如浮點(diǎn)乘法和一個浮點(diǎn)加法器。而 BFP算法結(jié)合浮點(diǎn)和定點(diǎn)算術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。在同樣的硬件開銷下， BFP算法提供了更好的信噪比（SNR）。在一個塊浮點(diǎn)架構(gòu)FFT，每個基2或基4計(jì)算通過共享相同的硬件，以將數(shù)據(jù)從內(nèi)存中讀取，傳遞通過核心發(fā)動機(jī)，并寫回存儲器。進(jìn)入下一過程