用于通信系统的任意采样率转换的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有采样率转换的通信调制器。该调制器包括配置成将输入比特流映射至符号序列符号映射模块；配置成将符号序列乘以离散频率响应以产生被预失真符号序列的预失真模块；配置成将被预失真符号序列调制至时域基带样本序列的调制模块；配置成将基带样本序列的采样率转换至不同的采样率以产生采样率被转换基带样本序列的采样率转换模块；以及配置成将采样率被转换基带样本序列上转换至中频信号的上转换模块；预失真模块用于乘以符号序列的离散频率响应配置成补偿通带下垂，该通带下垂通过采样率转换模块引入采样率被转换基带样本序列。
【专利说明】用于通信系统的任意采样率转换
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及通信系统，具体地涉及在通信系统中以任意比转换信号采样率。
【背景技术】
[0002]随着数字信号处理和无线通信技术的发展，软件定义无线电(SDR)已经变为现实。对于具有多协议和/或多频带能力的SDR，采样率转换(SRC)是SDR的数字信号处理架构中的重要要素。使用SRC，以特定于不同协议和/或频带的不同采样率被数字调制的离散时间信号以公共采样率被上采样至离散时间信号，然后该离散时间信号以公共采样率通过数字-模拟(D/A)转换器转换至模拟信号。在接收器处，接收的信号通过模拟-数字(A/D)转换器以公共采样率被数字化，并再次使用SRC以特定于不同协议和/或频带的不同采样率分别下采样至离散时间信号流。不同的采样率甚至可用于单个通信协议，如IEEE802.1lg无线局域网络(WLAN)规范。
[0003]在SDR型多频带或多协议通信系统中使用用于D/A和A/D转换器的固定采样率具有多个优点。例如，保持系统的模块性，减小系统复杂性，以及提供更好的可重构性。此外，具有固定采样率的D/A或A/D转换器具有比具有可调采样率的D/A或A/D转换器低得多的抖动。如果D/A或A/D转换器以固定时钟操作，则可显著提高时钟抖动性能并可极大地简化系统集成。
[0004]在数字传输系统中，D/A或A/D采样率通常为数据符率的四至八倍。如果将在数字域如在多频带系统中产生或接收带通信号，则采样率将显著高于该倍数。当期望的采样率为符率的整数倍数时，上采样或下采样处理是明确的。然而，存在许多离散时间信号必须被上采样或下采样的比不是整数的应用。因此，所使用的SRC方法应能够适应任意的非整数转换比。
[0005]SRC理论上是连续时间信号重建或内插的过程，然后是以期望的采样率再采样。内插理想地通过奈奎斯特低通滤波器实现，其将离散时间信号转换至连续时间信号并且没有失真。因为理想的奈奎斯特滤波器实际上既不可能也不必要，因而如何选择和实施适当的内插滤波器是对于有效SRC的关键问题。
[0006]已经提出了多种SRC结构。用于SRC的最流行且最为计算有效的方式为使用级联积分梳状(CIC)滤波器，因为这种滤波器能够简单地实施(不需要乘法)。然而，CIC滤波器具有多个缺陷。第一，其具有非常宽的过渡频带，并且在所关心的通带中引入衰减。通常需要额外的抽取(decimating)低通滤波器以补偿通带下垂。第二,其仅当转换比为有理值时才工作。第三，对于一些转换比，CIC滤波器必须以非常高的中间采样率执行。为避免第二阶段抽取滤波器，已经建议了不同的锐化CIC滤波器。然而，宽过渡带和转换比的有理值限制仍然存在。已经基于平行的CIC滤波器和线性内插的使用提出了用于无理转换比SRC的方法，但是通带下垂更恶劣。
[0007]不同类型的分段多项式内插可用于任意比的SRC，但是计算成本非常高。例如，多项式系数计算需要约P2至P3次乘法，其中P为多项式的阶，内插计算需要约P至P2的额外乘法。包括滤波器组和分数延迟乘法块的Farrow结构广泛地用于有效地实施分段多项式内插，但是所需的乘法数仍然是P2+P。
[0008]B样条函数为通过基函数与自己重复的卷积而构造的分段连续函数。由于其高度的光滑度，B样条函数适于内插。第P阶B样条函数具有P-1的正则性，即其是P-1次连续可微的。使用Farrow结构可有效地实施居中的B样条函数。然而，因为B样条函数的频率响应为sine函数的幂，所以通带下垂仍然是显著的。通常在B样条内插中实施时域预滤波用于通带下垂补偿，这样显著地增加内插复杂性。
[0009]典型的数字传输系统使用发送器滤波器(或脉冲成形滤波器)以限定被发送信号的带宽。在接收器中使用接收器滤波器以实现高信噪比和低符号间干扰，其中该接收器滤波器为通常与发送器滤波器具有相同幅度响应的匹配滤波器，并且有时结合有均衡器。这些滤波器通常数字地实施在用于SDR的时域中。因此，结合发送器滤波器或接收器滤波器与SRC似乎是放宽SRC内插滤波器的约束和实现总的复杂性减小的有吸引力的解决方案。使用该方式，已经提出了包括脉冲成形滤波器以补偿通带下垂的SRC结构。不幸地，因为CIC滤波器仍然用于SRC，该方法的应用限于有理转换比SRC。此外，当脉冲成形滤波器设计采用线性编程时，其是复杂的。已经提出了使用B样条函数的任意比SRC结构，其结合内插滤波器与发送器/接收器滤波器、并通过在时域中以上采样的中间采样率操作的数字滤波补偿通带下垂。然而，所需要的离散时域数字滤波仍然显著地导致SRC处理的复杂性增加。
【发明内容】
[0010]本发明公开了用于基于正交频分多路复用(OFDM)的多频带或多协议通信系统中的采样率转换(SRC)的设备和方法，在上述系统中处于该系统任一端的数字子系统发送或接收数字中频(IF)信号并处理数字基带信号。SRC发生在数字基带采样率与数字IF采样率之间。数字IF采样率是固定的并用于A/D与D/A转换，而数字基带采样率根据系统中使用的频带的带宽而改变。对于多频带OFDM发送器，所公开的系统使用用于从数字基带到数字IF的SRC的B样条内插。内插B样条函数基函数的宽度与相应的输入采样周期相同(这被称为但宽度B样条函数)。通过B样条内插引入的通带下垂在频域中被补偿并与OFDM调制相结合。对于多频带接收器，B样条内插用于从数字IF到数字基带的SRC。内插B样条函数基函数的宽度为输入采样周期的整数倍数(这被称为多宽度B样条函数)。通过B样条内插引入的通带下垂以及通过通道引入的任何失真在频域中被均衡并与OFDM解调制相结合。此外，本文中公开了用于一般的基于多宽度B样条函数采样率转换的结构。
[0011]根据本公开的第一方面，提供了具有采样率转换的通信调制器，其包括配置成将输入比特流映射至符号序列的符号映射模块；配置成将符号序列乘以离散频率响应以产生被预失真符号序列的预失真模块；配置成将被预失真符号序列调制至时域基带样本序列的调制模块；配置成将基带样本序列的采样率转换至不同的采样率以产生采样率被转换基带样本序列的采样率转换模块；以及配置成将采样率被转换基带样本序列上转换至中频信号的上转换模块；其中，预失真模块用于与符号序列相乘的离散频率响应配置成补偿通带下垂，该通带下垂通过采样率转换模块弓I入采样率被转换基带样本序列。
[0012]根据本公开的第二方面，提供了一种调制符号序列的方法，其包括:将符号序列乘以离散频率响应；以产生被预失真符号序列；调制被预失真符号序列至时域基带样本序列；转换基带样本序列的采样率至不同的采样率，以产生采样率被转换基带样本序列；以及上转换采样率被转换基带样本序列至中频信号，其中，离散频率响应配置成补偿通带下垂，所述通带下垂通过采样率转换步骤弓I入采样率被转换基带样本序列。
[0013]根据本公开的第三方面，提供了具有采样率转换的通信解调器，其包括:配置成下转换接收的中频信号的分量至基带样本序列的下转换模块；配置成转换基带样本序列的采样率转换至不同的采样率以产生采样率被转换基带样本序列的采样率转换模块；以及配置成解调采样率被转换基带样本序列至符号序列解调制模块，其中采样率转换模块包括内插滤波器，该内插滤波器的频率响应为一个或多个sine函数的乘积，每个sine函数在除以大于一的整数的基带样本序列的采样频率的整数倍数处具有零值。
[0014]根据本公开的第四方面，提供了解调中频信号的方法，其包括下转换中频信号的分量至基带样本序列；转换基带样本序列的采样率至不同的采样率，以产生采样率被转换基带样本序列；以及解调采样率被转换基带样本序列至符号序列，其中转换基带样本序列的采样率的步骤使用内插滤波器，该内插滤波器的频率响应为一个或多个sine函数的乘积，每个sine函数在除以大于一的整数的基带样本序列的采样频率的整数倍数处具有零值。
[0015]根据本公开的第五方面，提供了用于基于因果B样条函数的输入序列的采样率转换的设备，该因果B样条函数的持续时间等于输入序列的采样周期与因果B样条函数的阶的乘积的整数倍数，该设备包括配置成从输入序列产生多个中间序列的延迟与差分网络；以及配置成以分数间隔乘以每个连续中间序列并将结果加至下一中间序列的多个乘法加法梯式结构，其中梯式结构的输出被相加以形成采样率转换输出序列。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面将参照附图描述本发明的至少一个实施方式，在附图中:
[0017]图1是可实现本发明实施方式的位于通信系统的发送器内的数字子系统的框图；
[0018]图2是也可实现本发明实施方式的位于通信系统的接收器内的数字子系统的框图；
[0019]图3是可在图1的数字子系统中使用的具有SRC的OFDM调制器的框图；
[0020]图4是可在图2的数字子系统中使用的具有SRC的OFDM解调器的框图；
[0021]图5示出了用于使用在图3的OFDM调制器的SRC模块中的内插滤波器的设计；
[0022]图6示出了用于使用在图4的OFDM解调器的SRC模块中的内插滤波器的设计；
[0023]图7示出了 4阶因果B样条函数；
[0024]图8示出了可用作图3的OFDM调制器中的SRC模块的用于基于B样条函数的采样率转换的设备；
[0025]图9示出了可用作图4的OFDM解调器中的SRC模块的用于基于B样条函数的采样率转换的设备；以及
[0026]图1OA和图1OB共同形成了其中可以可替代地实施图3和图4的SRC模块的嵌入式计算设备的示意性框图。【具体实施方式】
[0027]当在一个或多个附图中提到具有相同附图标记的步骤和/或特征时，除非另有相反地描述，这些步骤和/或特征具有用于说明书的目的的相同的功能或操作。
[0028]系统架构
[0029]图1是可实现本发明实施方式的位于通信系统的发送器内的数字子系统100的框图。数字子系统100包括加扰、编码与交织模块110，其将输入数据比特流加扰、编码(例如使用前向误差码)、以及交织。被加扰、编码及交织的比特流传送至子流多路分用器120，子流多路分用器120将该比特流分成Nb个子流。每个子流由相应的OFDM调制器130-1(1=1,2,…，Nb)调制，以在与调制器130-1相关联的第i频带中生成数字IF信号。每个调制器130-1还包括采样率转换(如下文所详细描述的)，以将具有与相应频带相关联的采样周期Ti的基带被调制符号以公共采样周期T1上采样至基带被调制符号，其中该公共采样周期T1小于所有采样周期1\。来自调制器130-1的以公共采样周期T1的数字IF信号通过数字结合器140结合并通过D/A转换器150以公共采样周期T1转换至多频带模拟IF信号。然后，多频带模拟IF信号经过RF传输子系统(未示出)，在该RF传输子系统中其被上转换至RF (无线电频率)信号、放大、以及传输。如果通信系统是无线的，则通过天线进行传输。否则，可通过另一装置如线缆进行传输。
[0030]图2是也可实现本发明实施方式的位于通信系统的接收器内的数字子系统200的框图。该接收器与图1的发送器互补。数字子系统200包括具有采样周期T1的八/1)转换器210，其将来自RF接收子系统(未示出)的多频带模拟IF信号以采样周期T1转换至多频带数字IF信号。多频带数字IF信号传送至Nb个解调器220-1 (i=l，2，…，NB)，在多个频带中分别以各自的采样 周期1\进行操作，其中i=l，...，Nb。每个解调器220-1将多频带数字IF信号中对应于第i频带的信号分量下转换至基带，执行SRC以将采样率从公共采样周期!\下采样至与第i频带相关联的采样周期Ti,然后解调来自采样率被转换基带信号的编码数据比特的子流。子流多路复用模块230将Nb个复原的子流结合，以形成单个被编码数据流，然后该被编码数据流通过解交织、解码以及解扰模块240解交织，解码以及解扰，以复原原始的未编码的数据。
[0031]子流的数目乂可以小到1，在这种情况下，数字子系统100为单带系统。在单带系统中，图1的数字子系统100中不需要子流多路分用器120或数字结合器140，或图2的数字子系统200中不需要子流多路复用模块230。
[0032]图3是具有SRC的OFDM调制器300的框图。在图1的数字子系统100中，调制器300可用作调制器130-1中的每一个。来自子流i的输入数据比特通过符号映射模块310映射至符号Zi [I]，其中1=0，I,…，Nfft-1, Nfft为OFDM子载波的数目。预编码模块320执行符号Zi [I]的预编码，以减小可能的带外发射。被预编码符号表示为Xi [I]。
[0033]因为在调制器300中在后面的处理阶段用于采样率转换的内插引入通带下垂，通过预失真模块330执行频域预失真，即以离散频率响应Hi [I]乘以Xi [I]，以补偿通带下垂。下面将详细描述预失真滤波器Hi[I]的实施。被预失真符号\[1]故[1]传输至成快速傅里叶逆变换(IFFT)模块形式的OFDM调制模块340。调制模块340产生时域基带OFDM符号
"^Nfft-U OFDM符号Xi [η]的采样周期为石=，其中Afi为第
aJiiy FFTi频带中OFDM子载波间隔。
[0034]然后时域OFDM符号Xi [η]传输至采样率转换(SRC)模块350，SRC模块350以公共采样周期T1将Xi [η]转换至基带OFDM符号yi [k]。SRC模块350理论上包括具有脉冲响
应^； O)的内插滤波器，该脉冲响应/ (O将Xi [η]转换至理论的连续时间信号Xi (t)，然后连
续时间信号Xi (t)被以公共采样周期T1再采样以获得yi[k]=Xi (W1)0内插滤波器
的目的是实现用于SRC的反成像和反混淆要求。下面将详细描述SRC模块350的实施。
[0035]最后，通过上转换模块360将采样率转换被基带OFDM符号[k]上转换至第i频带中的实值数字IF信号，该实值数字IF信号用于与来自数字子系统100中其他OFDM调制器的IF信号结合至多频带数字IF信号中。
[0036]其他类型的调制器可用作图1的数字子系统100中的调制器130-1中的每一个，例如单载波调制器。在单载波调制器中，没有预编码模块320，并且调制模块340为单载波调制t吴块。
[0037]图4是具有SRC的OFDM解调器400的框图。解调器400可用作图2的数字子系统200中的每个解调器220-1，其中OFDM调制器300使用在发送侧。通常，OFDM解调器400中的采样率转换为对应的OFDM调制器300中采样率转换的逆操作。OFDM解调器400以下转换模块410开始，下转换模块41 0将接收的具有采样周期T1的多频带数字IF信号的第i频带下转换至接收的基带信号，该接收的基带信号表示为Ii [k]。然后同样具有采样周期T1的接收的基带信号Ji [k]经过SRC模块420输送，SRC模块420将接收的基带信号Ji [k]以第i频带的采样周期Ti转换至接收的OFDM符号Xi [η]。SRC模块420理论上包括具有脉冲
响应~?的内插滤波器，该脉冲响应,V,(O将Yi[k]转换至理论的连续时间信号Ii (t)，然
后连续时间信号71 (t)被以公共采样周期T1再采样以获得Xi [n]=yi (IiTi)。除拒绝第i频
带中接收的基带信号yjk]的图像分量之外，内插滤波器rr/(i)还必须能够拒绝来自其他频
带的信号。下面将详细描述SRC模块420的实施。
[0038]成快速傅里叶变换(FFT)模块形式的解调制模块430将接收的OFDM符号Xi [η]解调至频域，以获得接收的符号序列Xi [I]。在通过均衡模块440均衡和通过解预编码模块450解预编码之后，数据符号Zi[I]被复原。最后，通过符号解映射模块460从数据符号ZJl]得到子流i中的数据比特。
[0039]如果图1的数字子系统100中的调制器130-1为单载波调制器，则图2的数字子系统200中的解调器220-1也是单载波调制器。在单载波解调器中，没有解预编码模块450，并且解调制模块430为与单载波调制模块340互补的单载波解调制模块。
[0040]为了方便起见，图3和图4使用了相同的信号标记，但其不必指代相同的实际信号。例如，图4中的yi[k]为包括来自第i频带的OFDM信号以及来自其他频带的信号分量的接收的基带信号，而图3中的yi[k]为将仅在第i频带中传输的OFDM信号。图4中的标记为Xi [η]的信号为具有采样周期Ti的接收的OFDM信号，其具有由于通过SRC模块420以及传输通道引入的通带下垂而导致的失真。该失真将通过均衡模块440被稍微补偿。然而，在图3中，Xi [η]为具有采样周期Ti的被预失真OFDM信号。
[0041]内插滤波器设计[0042]被预编码数据符号XJl]的频谱表示为
【权利要求】
1.具有采样率转换的通信调制器，包括: 符号映射模块，配置成将输入比特流映射至符号序列； 预失真模块，配置成将所述符号序列乘以离散频率响应，以产生被预失真符号序列； 调制模块，配置成将所述被预失真符号序列调制至时域基带样本序列； 采样率转换模块，配置成将所述基带样本序列的采样率转换至不同的采样率，以产生采样率被转换基带样本序列；以及 上转换模块，配置成将所述采样率被转换基带样本序列上转换至中频信号； 其中，所述预失真模块用于与所述符号序列相乘的所述离散频率响应配置成补偿通带下垂，所述通带下垂通过所述采样率转换模块引入所述采样率被转换基带样本序列。
2.根据权利要求1所述的调制器，其中所述采样率转换模块包括具有基带频率响应的内插滤波器，并且所述预失真模块的所述离散频率响应配置成反演所述内插滤波器的所述基带频率响应。
3.根据权利要求1所述的调制器，其中所述调制模块包括快速傅里叶逆变换模块，所述基带样本序列为正交频分多路复用(OFDM)符号的序列。
4.根据权利要求1所述的调制器，其中所述采样率转换模块使用因果B样条内插滤波器，所述因果B样条内插滤波器的频率响应为一个或多个sine函数的乘积，每个sine函数在所述基带样本序列的采样频率的整数倍数处具有零值。
5.调制符号序列的方法，包括: 将所述符号序列乘以离散频率响应，以产生被预失真符号序列； 调制所述被预失真符号序列至时域基带样本序列； 转换所述基带样本序列的采样率至不同的采样率，以产生采样率被转换基带样本序列；以及 转换所述采样率被转换基带样本序列至中频信号； 其中，所述离散频率响应配置成补偿通带下垂，所述通带下垂通过所述采样率转换步骤引入所述采样率被转换基带样本序列。
6.根据权利要求5所述的方法，其中与所述符号序列相乘的所述离散频率响应配置成反演在转换所述基带样本序列的采样率的步骤中使用的内插过滤器的基带频率响应。
7.具有采样率转换的通信解调器，包括: 下转换模块，配置成将接收的中频信号的分量下转换至基带样本序列； 采样率转换模块，配置成将所述基带样本序列的采样率转换至不同的采样率，以产生采样率被转换基带样本序列；以及 解调制模块，配置成将所述采样率被转换基带样本序列解调至符号序列， 其中，所述采样率转换模块包括内插滤波器，所述内插滤波器的频率响应为一个或多个sine函数的乘积，每个sine函数在除以大于一的整数的所述基带样本序列的采样频率的整数倍数处具有零值。
8.解调中频信号的方法，包括: 下转换所述中频信号的分量至基带样本序列； 转换所述基带样本序列的采样率至不同的采样率，以产生采样率被转换基带样本序列；以及解调所述采样率被转换基带样本序列至符号序列， 其中，转换所述基带样本序列的采样率的步骤使用内插滤波器，所述内插滤波器的频率响应为一个或多个Sinc函数的乘积，每个sine函数在除以大于一的整数的所述基带样本序列的采样频率的整数倍数处具有零值。
9.用于基于因果B样条函数的输入序列的采样率转换的设备，所述因果B样条函数的持续时间等于所述输入序列的采样周期与所述因果B样条函数的阶的乘积的整数倍数，所述设备包括: 延迟与差分网络，配置成从所述输入序列产生多个中间序列；以及多个乘法加法梯式结构，配置成将每个连续的中间序列乘以分数间隔以及将该乘积加至下一中间序列， 其中，所述梯式结构的输出被相加以形成采样率被转换输出序列。
【文档编号】H04L27/00GK103650445SQ201180070354
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2011年3月9日 优先权日:2011年3月9日
【发明者】晓靖·黄, 英杰·杰伊·郭, 张健 申请人:联邦科学技术研究组织