基于FPGA的成型滤波器的研究现状意义与方法

基于FPGA的成型滤波器的研究现状意义与方法在数字通信系统中，成型滤波器能够有效克服码间干扰，从而提高了整个通信系统的性能，因此一个通信系统能否有效、可靠地工作，成型滤波器起到了重要作用，是数字通信系统的一个必不可少的环节。

1 国内外研究现状：
随着现代数字通信技术的发展，频带拥挤问题日益突出。

由于数字信号传输信道的带限以及非线性，对发送信号的频谱提出了较高要求。

如何节省频带，提高频谱利用率，已成为数字通信领域的一个重要课题。

随着数字通信技术的发展，基带信号的频谱成形发展出了多种方法，作为数字通信中的核心模块之一，对于成型滤波器的研究也越来越受到重视并逐步成熟起来。

文献[1]中给出了一种适用于PHS基带系统中高性能成型滤波器，对比两种实现方法在基带芯片中的性能，利用最少的非零比特位来表示符号数的编码技术即符号数Canonic Sign Digit表示(CSD)，采用子结构共享技术改进数字滤波器，实现了二进制补码与CSD的转换盒系统中升余弦Nyquist成型滤波器的ASIC设计。

文献[2]中对一种用于CDMA系统平台的告诉FIR成型滤波器的设计方法及其FPGA实现过程中需要注意的问题进行了详细的讨论，给出了基于FPGA的视线方案并对其设计实现过程中需要注意的问题进行了详细讨论。

文献[3]中提出了一种成型滤波器的新构造方法，并给予了证明。

它适用于已知协方差阵多维随机向量的状态方程建模。

文献[4]中介绍了一种阶数可变的成型滤波器的实现方法。

采用这种方法实现的成型滤波器具有很强的灵活性，可以针对不同基带成形波形、滤波器阶数等参数在系统中方便地修改。

文献[5]中根据数字通信中的基带传输原理，分析基带传输中成形滤波的必要性和几种常见实现方法的优缺点，研究全数字基带成型滤波器的实现。

才用该技术实现的全数字成型滤波器可以针对不同速率及指标在系统中方便进行修改，符合未来苏子通信软件化得趋势，在软件无线电中有广阔的应用前景。

文献[6]中通过修改滤波器系数，以及提出的优化算法，在减少滤波器零响应系数的情况下，完成了FIR成型滤波器的FPGA实现，并在Xilinx FPGA上成功实现。

2 频谱成型的意义和方法
成形滤波器就是为了更加有效利用信道，提高频谱的利用率，在信号传输出去之前，对信号进行频谱压缩，使其在消除码间干扰和达到最佳检测的前提下，提高频带利用率。

频谱成型技术，可以在基带进行，也可以在中频(IF)和射频(RF)实现。

由于
中频和射频信号的频率较高，难以采用数字处理技术，技术实现的难度较大，且不易实现线性最佳化。

因此，频谱成型常常在基带实现。

奈奎斯特通过对信号传输无失真条件的研究，经过后来人们的发展，形成了数字传输系统普遍遵守的奈奎斯特准则。

奈奎斯特准则指出了数字信号在无噪声线性信道上无失真传输的条件。

奈奎斯特第一准则，又叫做无码间干扰准则，极限情况下可以从理想低通滤波器导出，理想低通滤波器在时域上形成的()t Sa 波形具有频带利用率高的优点，在无码间干扰的条件下，可以达到最高的频带利用率（2Baud/Hz ），此利用率是满足奈奎斯特第一准则的系统所能达到的最高频带利用率。

但是理想低通滤波器只是在理想情况下讨论的，不实用。

首先，有限的时延根本无法做出这样理想化急剧截止的滤波器，其次，x x /sin 型的响应也不实用，因为它要求抽样定时非常精确，抽样时刻的抽样间隔的任何偏差都会使码间干扰增大。

为了克服理想低通滤波器的缺点，奈奎斯特定理告诉我们：如有一实传递函数()ωY ，它对于理想低通滤波器的截止频率为奇对称，将它和理想低通滤波器的传递函数相加，则单位脉冲响应将仍保留与原来同样的轴线交点（即理想低通滤波器单位冲击响应的零点仍为零点）。

根据上述定理，可对理想低通滤波器的锐截止特性按一定规律滚降，同样可以实现信号的无失真传输。

这种滚降特性不仅易于实现，而且其时域响应波形的前导和收尾起伏小、衰减快，因而在接收端对系统定时和实现网络的精度要求较理想低通滤波器低。

然而它的这些优点是以牺牲频带的利用率换来的。

频带利用率只有()∂+12Baud/Hz （∂称为滚降系数， 10≤∂<）。

在实际系统中，常采用的是以奈奎斯特频率为中心，具有奇对称特性的升余弦滚降滤波器和平方根升余弦滤波器。

3 数字成型滤波器的意义
在基带上实现频谱成型，可以通过模拟滤波器，用电容、电感等模拟器件来实现。

但是，在模拟网络中，要达到元器件的高精度十分不易，并且模拟系统中的各种参数都有一定的温度系数，会随环境条件变化而变化，且容易出现感应、杂散效应甚至振荡等现象，同时它的制作和调整较复杂，体积不易缩小，因而随着超高速数字集成电路的发展，成形滤波器已经可以由过去的基带频域模拟成形，变成现在的基带时域数字成形实现。

与基带模拟成形滤波器相比，基带数字成形滤波器具有高精度、高可靠性、高灵活性等优点，同时，还具有便于大规模集成、易于实现线性相位等特点。

因此在现代通信系统中，数字成型技术大多在数字域进行。

随着超高速数字集成电路的发展，成形滤波器已经可以由过去的基带频域模拟成形，变成现在的基带时域数字成形来实现。

数字滤波器按特定的运算改变输入信号的频谱分布，用软件或硬件实现。

软
件实现是在通用计算机上执行数字信号处理程序。

这种方法灵活，但一般不能完成实时处理。

硬件处理是根据数字滤波器的算法，设计专用的数字信号处理集成电路，使计算程序全部硬件化，这种方法的优点是处理速度高，单灵活性差，设备开发周期长。

根据结构形式的不同，数字滤波器可以分为FIR(Finite Impulse Response)滤波器和IIR(Infinite Impulse Response)滤波器。

由于FIR具有严格的线性相位，同时又可以具有任意的幅度特性，其单位冲击响应()n
h是有限长、稳定的，可以通过一些快速算法来实现。

在许多实际应用中，通常用FIR滤波器来实现信号的滤波功能。

4多相实现成型滤波器的意义和方法
对任何信号的传输，为了提高频谱的利用率，信号在传输之前必须经过成形。

对基带传输，成型后的信号可直接进行传输。

但在射频传输中，成型后的基带信号常常要经过调制以及上变频后再进行传输。

根据奈奎斯特采样定理，要正确实现复用信号的调制与解调而不出现信号的混迭失真，在发射端，必须对基带信号进行插值处理，以提高数据速率，减少传输过程中带来的失真。

在信号接收端，所接收到的信号被告诉采样后，数据流速很高，可能导致后续信号处理的速度跟不上，特别是对有些同步解调算法，其计算量大，数据吞吐率高，难以满足适时处理的要求。

内插与抽取理论是多速率信号处理中最为基础的理论，由它们引出了滤波器的多相结构等理论，而后者则有更为广泛的应用。

经过内插后，原始数字信号序列频谱被压缩I（I-1为两离散序列间插入的零点数）倍后得到了内插后的信号频谱，频谱结构并没有发生变化。

因而内插后大大提高了时域分辨率，且数据流速率也提高了。

经过抽取后，信号的频谱被扩展为原来的I倍，数据流速降为原来的1/I，不同频率的信号也被分开，而各自信号频谱的结构却没有发生变化，但是信号频谱分辨率却大大提高。

由于抽取和内插的实现对运算速度要求较高，对实时处理时极为不利的，必须要用多相结构形式的滤波器才能实现。

采用多相结构，一方面可以减少运算负担，提高运算速度，另一方面也可减少滤波运算的累积误差，提高计算精度。