基帶信號(hào)QPSK調(diào)制與脈沖成型濾波器ASIC實(shí)現(xiàn)

摘要：WCDMA基帶處理器上行方向采用QPSK調(diào)制方式與根升余弦脈沖成型濾波器產(chǎn)生3GPP WCDMA協(xié)議25．213 Release6中規(guī)定的基帶信號(hào)。文章介紹了QPSK調(diào)制與此同時(shí)脈沖成型的基本原理，并給出了該調(diào)制方式與成型濾波器的ASIC設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：正交相移鍵控；ASIC根升余弦濾波器；WCDMA

0 引言
    通常情況下，帶通信號(hào)可以借由相對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)表示，比如若使用Sm表示一個(gè)實(shí)的帶通信號(hào)，則該帶通信號(hào)可以表示為如下情況：
   
    其中Sl(t)為帶通信號(hào)S(t)相對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)。一般情況下，信號(hào)Sl(t)是一個(gè)復(fù)值信號(hào)，由對(duì)應(yīng)的實(shí)部與虛部構(gòu)成，也即I路與Q路數(shù)據(jù)。并且我們也可以證明對(duì)于一個(gè)帶通系統(tǒng)函數(shù)，我們也有與之相對(duì)應(yīng)的基帶系統(tǒng)函數(shù)。
   
    因此，現(xiàn)代基帶處理器也采用類似的方法首先處理處于基帶的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后通過模擬基帶完成D／A轉(zhuǎn)化后，再發(fā)送給射頻器件完成上變頻與信號(hào)發(fā)射。圖1表示了WCDMA R-6協(xié)議中上下行方向上信號(hào)處理的過程。

    從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)在數(shù)字基帶處理器首先接收上層單元傳送的bit數(shù)據(jù)流，然后對(duì)一組數(shù)據(jù)按某種規(guī)則進(jìn)行映射，將bit流映射為符號(hào)。比如QPSK或者QAM等等。單獨(dú)的數(shù)字信號(hào)無法在帶通信道中傳輸，而且對(duì)于WCDMA而言，帶通信號(hào)大約占用5MHz的帶寬，不然就會(huì)對(duì)相鄰的工作頻點(diǎn)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)的總體性能下降。所以完成數(shù)據(jù)流到符號(hào)的轉(zhuǎn)換后，仍然需要通過成型濾波器降低信號(hào)的帶寬。
    按照WCDMA協(xié)議，首先采用QPSK調(diào)制方式形成符號(hào)，然后再通過根升余弦濾波器處理，形成協(xié)議規(guī)定的基帶信號(hào)。下文簡(jiǎn)要介紹原理，然后給出相應(yīng)的ASIC設(shè)計(jì)。

1 基帶信號(hào)QPSK調(diào)制原理簡(jiǎn)介與ASIC設(shè)計(jì)
    QPSK調(diào)制屬于相位調(diào)制的一種。因此由上文提到的帶通信號(hào)一般表達(dá)式可知：
   
    基帶信號(hào)調(diào)制就是將bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成了符號(hào)坐標(biāo)[cos2π(m-1)／M，sin2π(m-1／M)]，其中g(shù)(t)為基帶脈沖成型后的信號(hào)，在成型濾波中介紹。
    按照WCDMA 25．213 R-6協(xié)議規(guī)定，上行方向上對(duì)于碼片采用π／4QPSK的調(diào)制方式，將二進(jìn)制碼片轉(zhuǎn)換為符號(hào)。首先在高層傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)包經(jīng)過各種其它處理，如分段、打孔、交織、Turbo編碼、擴(kuò)頻與加擾處理后，形成碼片，其速率達(dá)到3．84Mchip／s。一般對(duì)WCDMA基帶處理器而言，采用16倍的主時(shí)鐘對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，即每16個(gè)clk對(duì)應(yīng)一個(gè)碼片，每個(gè)碼片進(jìn)行4個(gè)樣點(diǎn)的采樣，4個(gè)clk對(duì)應(yīng)一個(gè)采樣。π／4QPSK星座圖如圖2所示。

    上圖中由于ASIC設(shè)計(jì)中定點(diǎn)化的需要，我們將1映射為1464即12’h5a8，而0映射為-1464即12’ha58。其ASIC設(shè)計(jì)如圖3所示。

    輸入信號(hào)為1bit數(shù)據(jù)流，每隔4個(gè)clk計(jì)數(shù)器產(chǎn)生使能信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)流與符號(hào)之間的轉(zhuǎn)換運(yùn)算。如此便形成了調(diào)制后的基帶信號(hào)。數(shù)字信號(hào)無法在帶通行道中傳輸，所以還需要成型濾波器對(duì)減少信號(hào)的ISI與控制信號(hào)帶寬。即在上文中提到的g(t)。

2 成型濾波器
    在帶限信道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，相鄰符號(hào)間會(huì)產(chǎn)生符號(hào)間干擾。采用合適的成型濾波器可以有效地減小符號(hào)間干擾。按3GPP協(xié)議中規(guī)定，對(duì)于QPSK調(diào)制，采用升余弦脈沖成型濾波器。RC濾波器可以有效減小符號(hào)間串?dāng)_ISI，有效地減少信息傳輸?shù)膸?。同時(shí)也是QPSK調(diào)制信號(hào)成形濾波器，滾降系數(shù)a=0．22，調(diào)制后信號(hào)帶寬為(1+a)／2T，其中T≈0．26042μs，計(jì)算后可得其基帶信號(hào)有效帶寬約為4．6847MHz，協(xié)議規(guī)定為5MHz。下面給出升余弦脈沖成型濾波器的頻率域函數(shù)。此函數(shù)是連續(xù)的，但是數(shù)字基帶濾波器輸出的是離散的數(shù)字信號(hào)，所以下面我們要將升余弦脈沖成型濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器的形式。

    在進(jìn)行轉(zhuǎn)換之前，考慮到匹配濾波的情況，我們還可以進(jìn)一步將該升余弦脈沖成型濾波器變換為兩個(gè)根升余弦脈沖成型濾波器。并且將其放置于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)。根升余弦脈沖成型濾波器的形式如下：

    通過軟件仿真我們可以發(fā)現(xiàn)其頻率幅度響應(yīng)如圖6所示。

    由圖6我們可以發(fā)現(xiàn)離散信號(hào)在數(shù)字頻率域上的幅度響應(yīng)范圍得到了一定的控制。再通過Fourier反變換，我們可以得其時(shí)域響應(yīng)：
   
    該時(shí)域表達(dá)式對(duì)于時(shí)間軸對(duì)稱，所以物理無法實(shí)現(xiàn)，故需要引入一定相位延遲，并且考慮到對(duì)于時(shí)時(shí)通訊而言，線性相位具有非常重要的意義，所以我們可以采用FIR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)根升余弦脈沖成型濾波器，采用沖擊響應(yīng)不變法，我們可以獲得根升余弦脈沖成型濾波器的時(shí)域離散值；圖7根升余弦成型濾波器時(shí)間離散域幅度。

    上圖中為了保證濾波器性能，我們采用了65階濾波器設(shè)計(jì)，因此我們只需要引入32個(gè)clk的延遲，就可以形成FIR形式的濾波器。并且因?yàn)槭堑屯V波器，我們采用基數(shù)階的系數(shù)。所以可得下式：
   
    由上式我們發(fā)現(xiàn)FIR結(jié)構(gòu)濾波器系數(shù)，我們采用如下的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)根升余弦成犁濾波器的ASIC設(shè)計(jì)：

    由于FIR濾波器特有的線性相位特性，使得其前后濾波系數(shù)對(duì)稱。所以可以節(jié)約乘法器資源，減小資源。所以我們可以先將乘法系數(shù)相同的信號(hào)先相加，然后再與乘法系數(shù)相乘。
    其輸入輸出時(shí)序圖如圖9所示。

3 結(jié)論
    本文簡(jiǎn)要分析了WCDMA協(xié)議上行調(diào)制方向的數(shù)據(jù)處理方式與原理，然后給出了ASIC電路的實(shí)現(xiàn)。具有一定的理論參考價(jià)值和很強(qiáng)的實(shí)用性。在根升余弦成型濾波器中引入了延遲，使得根升余弦成型濾波器可以物理實(shí)現(xiàn)，并且采用了FIR結(jié)構(gòu)可以有效地減少芯片資源的占用。