一种幅度调制下的成型滤波器实现方法

于茫

摘 要：针对通信系统成型滤波器实现过程中逻辑资源紧张的问题，提出了一种正弦曲线模板方法。利用该方法可以解决FPGA中占用大量LUT和DSP资源的问题，减少有效地址位数，提高寻址速度。该方法利用并行及流水线处理方式，提升了运算速度。最后通过仿真及频谱仪测试，占用带宽完全满足国家标准。

关键词：正弦曲线;成型滤波器;FPGA;MATLAB;仿真;ModelSim

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）07-00-02

0 引 言

通信系统中信源输出的信号会经过基带处理、DAC器件、放大器、调制器、滤波器、衰减器、功率放大器……，最后到达天线负载输出给信宿。基带处理过程包括MAC层编码、数据链路层编码、调制编码、滤波器设计等。而信源采用滤波器设计用以限制发送信号的带宽，降低带外干扰及带内的码间干扰[1]。

成型滤波器在FPGA有多种实现方案。

方案一：利用FIR算法，通过MATLAB中的滤波器仿真选取满足系统要求的滤波器系数，然后把该组系数写入FPGA中的FIR IP核内并仿真及验证[2]。

方案二：为了节省逻辑资源，把MATLAB中仿真满足系统要求而生成的FIR系数归一化后存入ROM，按照分布式算法，对查找表进行切割处理，累加乘运算得到最终结果[3-4]。

方案三：CIC插值滤波器中只有加法器，无乘法单元，因此进行上变频处理，满足DVB-S系统要求[5]。

方案一的实现过程简单明了，但逻辑的资源消耗最大，且要求FPGA器件具有大量DSP和LUT资源，支持FIR的IP;方案二相比方案一省却了资源，但在实现过程中需要考虑参数归一化的字长位数，每级乘法中需要考虑尾数截取的范围，同时对ROM的存储深度和存储字长也有要求;方案三中信号字长位宽的增加会对级联的加法器性能产生一定限制。随着滤波器阶数的增加，三种方案对逻辑资源的消耗将呈几何级增加。

本文针对无线通信的幅度调制提出了一种新的成型滤波器设计方法，首先把正弦曲线模板生成的参数存入ROM，然后把调制编码完成的信号与ROM表中的曲线参数进行累加乘运算，最终输出波形。该法不仅限制了带外干扰，节省了资源，而且占用带宽满足国家标准[6]。

1 正弦模板算法

本文所阐述基带处理系统FPGA的采样频率Fs为26 MHz，先对Fb进行TPP编码（见图1），Tb=6.25 μs，然后进行DSB调制编码[6]，最后经成型滤波器输出给14 bit的DAC器件。具体实施步骤如下。

（1）选取标准正弦函数y=cos（t），t取（0，），y值用来表示信号的变化沿。计算Fb信号一个码元持续时间内所需要的采样点的个数N=Fs/Fb=162，构造y（n）=acos（2πxn）+b，已知y（0）=1，y（162）=0，a=b。求出y（n）=0.5cos（（2πn）/324）+0.5，保留（0，162）区间的y值（图2）。

把从MATLAB获取的y（n）值按照16 bit量化取整，处理后的数据写入FPGA的ROM。

（2）对输出信号s（t）进行调制编码，字长宽度与DAC器件保持一致，采用14 bit。码元1取十进制数4095，二进数补码为00_1111_1111_1111，码元0取十进制数低电平值是-4 096，二进数补码为11_0000_0000_0000。

（3）检测到s（t）的沿变化（上升沿和下降沿），s（t）延迟两拍输出s（t）_2d，比较s（t）和s（t）_2d数值，当数值不同时找到s（t）的变化沿后启动查找表。找到s（t）的变化沿后把s（t）当前值赋值给s_data_A寄存器，当前值对应的相反电平值赋给s_data_B寄存器。模块中信号设置均采用16 bit字长，对小于16 bit的寄存器宽度，符号位进行扩展。计算出来的s_data_A与s_data_B的值赋值给s_data_AsubB寄存器。

（4）启动查找表，每个采样时钟ROM地址加1直到N，但在s（t）的变化沿重新为ROM地址置0。每次从ROM读取出来的数q乘以s_data_AsubB，结果为S_data_dsb_out。调制编码码元0按照-4 095取值，所以计算结果S_data_dsb_out需整体向上偏移4 096。

2 仿真及验证

利用ModelSim对方法进行仿真验证，成型滤波前后的数据如图3所示。使用频谱仪进行占用带宽测试，如图4所示。不进行滤波处理的信号占用带宽约1.6 MHz，将严重影响其他信道的设备工作，而滤波后信号的占用带宽[6]小于标准要求的250 kHz。

3 结 语

本文使用一种正弦模板算法实现成型滤波器的设计，并给出了ModelSim的仿真结果及频谱仪测试的占用带宽，验证了该算法设计的正确性和可行性。采用该方法可以很好地设计无线通信系统中要求的成型滤波器。

参考文献

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[2]郭勇，杨欢.基于IP核FIR滤波器的设计与FPGA实现[J].无线电工程，2017（1）：79-82.

[3]洪炳镕，趙林.利用系数函数ROM查找表设计的数字滤波器硬件[J].军事通信技术，1987（4）：55-60.

[4]吴凤辉，迟永刚，郑宇希，等.一种改进DA算法的成型滤波器设计[J].哈尔滨工业大学学报，2016（5）：32-35.

[5]张文坡，常亮，史丽荣.DVB-S中可变插值率CIC滤波器设计及其FPGA实现[J].现代电子技术，2018，41（11）：103-104.

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[7]张龚，谢文博.基于DSP Builder的FIR滤波器设计[J].物联网技术，2016，6（5）：33-35.

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[10]龚业勇.高清晰度电视VSB调制器及频谱成形滤波器的设计[D].北京：北京大学，1998.