專利名稱：可拆分重組的精簡匹配濾波器組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，主要針對數(shù)字編碼信號的數(shù)字濾波處理。進(jìn)一步講，本發(fā)明是一項用于碼分多址通信系統(tǒng)的技術(shù)，其中包含一個匹配濾波器的電路結(jié)構(gòu)，是一種可拆分重組的精簡匹配濾波器組，并且能夠用專用集成電路技術(shù)實現(xiàn)。
背景技術(shù)：
數(shù)字信號處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，尤其是數(shù)字濾波技術(shù)。在碼分多址通信系統(tǒng)中，匹配濾波器被認(rèn)為是一種性能最好的技術(shù)而且被廣泛研究。
在具有零相關(guān)區(qū)間的碼分多址通信系統(tǒng)中，為實現(xiàn)碼的快速捕獲，需要用一個匹配濾波器組對n個碼字同時進(jìn)行搜索，用一個碼字的周期來獲得碼的初始相位參考信息，然后開始新的匹配運(yùn)算，再利用碼的自相關(guān)特性判斷碼的捕獲是否完成。匹配濾波器組一般由幾個完全相同的匹配濾波器構(gòu)成，可以同時實現(xiàn)幾個不同系數(shù)的匹配任務(wù)，但這種匹配濾波器組的面積和功耗與單個匹配濾波器的個數(shù)成正比。
實際應(yīng)用中，為解決上述問題，一般在性能(碼的平均捕獲時間)和硬件實現(xiàn)的復(fù)雜性之間獲取一個折衷。但是對移動通信系統(tǒng)來說，良好的性能、小面積和低功耗的集成電路實現(xiàn)是必須要同時兼顧。尤其低功耗集成電路的設(shè)計是電池供電的手持式便攜系統(tǒng)的基本要求，系統(tǒng)芯片的高功耗將導(dǎo)致電池壽命大大下降。而碼同步又是碼分多址通信系統(tǒng)的必要條件。電路層次的改進(jìn)設(shè)計無法完全實現(xiàn)低功耗、芯片面積小和工作速度快的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可拆分重組的精簡匹配濾波器組。針對具有零相關(guān)區(qū)間的碼分多址通信系統(tǒng)，為實現(xiàn)碼的快速捕獲，利用系統(tǒng)算法的優(yōu)化，提出了一種可拆分重組的精簡匹配濾波器組，并利用集成電路設(shè)計技術(shù)成功的應(yīng)用于具有零相關(guān)區(qū)間的碼分多址通信系統(tǒng)中，在實現(xiàn)系統(tǒng)的碼同步捕獲中發(fā)揮了良好的作用。
本發(fā)明一種可拆分重組的具有精簡結(jié)構(gòu)的匹配濾波器組，分為前后兩級，在執(zhí)行信號濾波操作時，可以對輸入信號x(t)同時實現(xiàn)多個碼序列的匹配任務(wù)，其特征在于，包括一第一級，該第一級為有限沖激響應(yīng)濾波器的直接實現(xiàn)形式，包括N個輸入數(shù)據(jù)的存儲單元，輸入數(shù)據(jù)與存儲單元1的入口相連，存儲單元1的出口與存儲單元2的入口相連，其余存儲單元依次順序連接，直到存儲單元N；所有的存儲單元按時鐘單位實現(xiàn)數(shù)據(jù)的向右移位；N個匹配系數(shù)；N個乘法單元；乘法單元1的兩個入口分別與存儲單元1的輸出口和系數(shù)c1p連接，乘法單元2的兩個入口分別與存儲單元2的輸出口和系數(shù)cNp連接，以此類推，一直到乘法單元N的兩個入口分別與存儲單元N的輸出口和系數(shù)cNp連接；所有的乘法單元實現(xiàn)來自存儲單元的輸入數(shù)據(jù)與輸入系數(shù)的相乘操作，并輸出結(jié)果；n個加法陣列；其中加法陣列1的n個輸入口分別與乘法單元1、乘法單元n+1、乘法單元2n+1、…、乘法單元n+1的輸出口連接；加法陣列2的n個輸入口分別與乘法單元2、乘法單元n+2、乘法單元2n+2、…、乘法單元n+2的輸出口連接；以此類推，加法陣列n的n個輸入口分別與乘法單元n、乘法單元2n、乘法單元3n、…、乘法單元N的輸出口連接；每個加法陣列分別實現(xiàn)n個數(shù)的相加，并產(chǎn)生一個輸出結(jié)果；一第二級，該第二級包括多個模塊，每個模塊的結(jié)構(gòu)和功能完全相同，以第一個模塊為例，其中包括n個系數(shù)存儲單元；n個乘法單元；乘法單元N+1的兩個入口分別與的輸出口和系數(shù)d1，1連接，乘法單元2的兩個入口分別與乘法單元2的輸出口和系數(shù)d1，n連接，以此類推，一直到乘法單元N+n的兩個入口分別與第一級中加法陣列n的輸出口和系數(shù)d1，n連接；一個加法陣列n+1；該加法陣列n+1的n個輸入口分別與乘法單元N+1至乘法單元N+n的輸出口連接；并且該加法陣列n+1實現(xiàn)n個輸入數(shù)的相加，然后產(chǎn)生一個輸出結(jié)果；其它模塊在結(jié)構(gòu)上完全相同，所有輸入也完全相同，只是本地的存儲系數(shù)不同，因而輸出結(jié)果也不同。
其中第一級經(jīng)過復(fù)用執(zhí)行每個碼序列的匹配操作中相同的運(yùn)算部分，第二級對應(yīng)完成各個碼序列的剩余匹配操作；通過后級部分的擴(kuò)展來實現(xiàn)碼序列個數(shù)可變的匹配任務(wù)，在結(jié)構(gòu)上可以拆分重組，在極限情況下，利用兩倍的硬件規(guī)模最大可以同時處理n個碼序列的匹配任務(wù)其中n為2、4、4 j，j為大于等于2的自然數(shù)；
在第二級中，每個碼序列對應(yīng)一個模塊；在每個模塊內(nèi)，前面第一級的n個輸出結(jié)果與本地的n個系數(shù)相乘，所得結(jié)果相加后得到相應(yīng)系數(shù)的匹配結(jié)果；不同的碼序列只需要對第二級進(jìn)行擴(kuò)展，增加相應(yīng)碼序列的運(yùn)算單元，匹配濾波器組的并行處理能力取決于第二級的規(guī)模。
其中在第一級中N個輸入數(shù)據(jù)首先與N個系數(shù)相乘，所得結(jié)果分為n組，每相隔n-1的數(shù)為一組，然后相加，共得到n個相加結(jié)果。
其中有限沖擊響應(yīng)直接實現(xiàn)形式數(shù)字電路結(jié)構(gòu)。
其中有限沖擊響應(yīng)轉(zhuǎn)置實現(xiàn)形式數(shù)字電路結(jié)構(gòu)。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)特征，以下結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中圖1所示是基于FIR直接形式實現(xiàn)的常規(guī)匹配濾波器；圖2所示是基于FIR轉(zhuǎn)置形式實現(xiàn)的常規(guī)匹配濾波器；圖3所示是由多個匹配濾波器組合成的濾波器組；圖4所示是可拆分重組的精簡匹配濾波器組結(jié)構(gòu)5所示是一個N為16(n為4)的匹配濾波器組結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
首先請參閱圖1、圖2，圖1所示是基于FIR直接形式實現(xiàn)的常規(guī)匹配濾波器；圖2所示是基于FIR轉(zhuǎn)置形式實現(xiàn)的常規(guī)匹配濾波器；由多個匹配濾波器組合成的濾波器組(圖3所示)利用其強(qiáng)大的并行處理能力獲得非常優(yōu)異的數(shù)字信號處理性能，并具有工作速度快的優(yōu)點。當(dāng)用常規(guī)匹配濾波器來實現(xiàn)碼的并行捕獲時，其電路實現(xiàn)存在功耗大、占芯片面積大等缺點。對于匹配濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)已經(jīng)研究了很多年，也提出了多種實現(xiàn)方案，分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)和版圖級對匹配濾波器進(jìn)行了精簡和優(yōu)化；但是對于匹配濾波器組的實現(xiàn)來說，這些結(jié)果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到實際所需要求。
對于輸入信號x(t)，常規(guī)匹配濾波器的數(shù)學(xué)關(guān)系可以表示為X(t)=Σi=1n2ck(i)×x(t-i)----(1)]]>其中，ck是濾波器的系數(shù)，x(t)為采樣后獲得的輸入信號。
針對基于零相關(guān)區(qū)間的碼分多址通信系統(tǒng)，在圖3所示的匹配濾波器組中，各濾波器的系數(shù)(Ck＝{ck，8(l-1)+m}，其中l(wèi)，m取值為1～n)存在如下關(guān)系ck,8(l-1)+m=c8(l-1)+mpdk,m----(2)]]>其中k取值為1～n。
基于系統(tǒng)算法，其碼捕獲的數(shù)字濾波算法表示為Xk(t)=Σl=1nΣm=1nck,8(l-1)+m×x[t-[8(l-1)+m]]]]>=Σm=1ndk,mΣl=1nc8(l-1)+mPx[t-[8(l-1)+m]]]]>=Σm=1ndk,mX′(m,t)----(3)]]>其中X′(m,t)=Σl=1nc8(l-1)+mPx[t-[8(l-1)+m]]----(4)]]>基于以上系統(tǒng)算法，本發(fā)明利用完全互補(bǔ)碼的碼特性，對匹配濾波器組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使匹配濾波器組的結(jié)構(gòu)分為前后兩級。圖4所示是可拆分重組的精簡匹配濾波器組結(jié)構(gòu)圖，其中在第一級完成公式(4)數(shù)據(jù)運(yùn)算操作，利用第一級的運(yùn)算結(jié)果，在第二級完成濾波算法(公式(3))的剩余運(yùn)算操作，這樣匹配濾波器組的規(guī)模大大減少，這就是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來源。
本發(fā)明中的精簡結(jié)構(gòu)匹配濾波器組通過后級部分的擴(kuò)展來實現(xiàn)碼序列個數(shù)可變的匹配任務(wù)，在結(jié)構(gòu)上可以拆分重組，在極限情況下，利用兩倍的硬件規(guī)模最大可以同時處理n個碼序列的匹配任務(wù)(其中n為2、4、4j，j為大于等于2的自然數(shù))。圖5所示是一個N為16(n為4)的匹配濾波器組結(jié)構(gòu)圖，通過第二級的擴(kuò)展可以同時處理4個碼序列的匹配任務(wù)。
圖3所示的匹配濾波器組表示了本發(fā)明的外部使用特性，虛框中的模塊是圖4所示結(jié)構(gòu)的功能表示。兩者的區(qū)別是當(dāng)采用常規(guī)匹配濾波器時，其并行處理能力受限于整個硬件的實現(xiàn)規(guī)模；而采用本發(fā)明中的可拆分重組的精簡匹配濾波器組則大幅度降低了這種限制，其擴(kuò)展可以非常方便的得以實現(xiàn)。
圖4所示的可拆分重組的精簡匹配濾波器組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分為前后兩級，其中第一級和第二級分別如圖中的兩個虛框所示，n為2、4、4j(j為大于等于2的自然數(shù))；圖中表示了在極限情況下利用兩倍的硬件規(guī)模處理n個碼序列的匹配任務(wù)的結(jié)構(gòu)圖。
圖5所示是一個N為16(n為4)的匹配濾波器組結(jié)構(gòu)圖，在第一級中，16個輸入數(shù)據(jù)(存儲在寄存器1到寄存器16中)首先分別與16個系數(shù)(系數(shù)c1p至系數(shù)c16p)相乘，所得結(jié)果分為4組，每相隔4的數(shù)為一組，然后相加，共得到4個相加結(jié)果；詳細(xì)連接關(guān)系如圖中所示。在第二級中，可分為4個運(yùn)算模塊，每個碼序列對應(yīng)一個運(yùn)算模塊。在每個運(yùn)算模塊內(nèi)，前面第一級的4個輸出結(jié)果與4個系數(shù)(系數(shù)d1，1至系數(shù)d1，4)相乘，所得結(jié)果相加后得到相應(yīng)系數(shù)的匹配結(jié)果。不同的碼序列只需要對第二級進(jìn)行擴(kuò)展，增加相應(yīng)碼序列的運(yùn)算模塊，匹配濾波器組的并行處理能力取決于第二級的規(guī)模；本發(fā)明是一種可拆分重組的精簡匹配濾波器組，用兩倍規(guī)模的硬件同時處理n個碼組的匹配任務(wù)，具有功耗低、占用芯片面積小、速度快的優(yōu)點(參閱圖4)，圖4是高速精簡匹配濾波器組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
實現(xiàn)方式一對照圖5，一種具體實施例如下(數(shù)字電路實現(xiàn)方式)，其中的n為4；首先，輸入數(shù)據(jù)被存儲存儲在寄存器1到寄存器16中，所有寄存器依次順序連接，數(shù)據(jù)在每個時鐘單位都進(jìn)行移位；然后所有寄存器的輸出分別與乘法單元1至乘法單元16相連接，并分別與系數(shù)cip(i＝1，2，……，16)進(jìn)行乘法運(yùn)算，對于一位的系數(shù)cip(＝±1)，乘法運(yùn)算可以合并到加法陣列中，用求反運(yùn)算代替(具體實現(xiàn)方式取決于電路的結(jié)構(gòu))。前面部分的運(yùn)算完成后，所得結(jié)果分為4組，由4個加法陣列(加法陣列1至加法陣列4)進(jìn)行加法求和運(yùn)算；在分組時，要按照每相隔4的數(shù)為一組；其中加法陣列1的4個輸入口分別與乘法單元1、乘法單元5、乘法單元9和乘法單元13的輸出口連接；加法陣列2的4個輸入口分別與乘法單元2、乘法單元6、乘法單元10和乘法單元14的輸出口連接；以此類推。每個加法陣列分別實現(xiàn)4個數(shù)的相加，并產(chǎn)生一個輸出結(jié)果。加法陣列可以用簡單的多位加法器實現(xiàn)，也可以用華萊士樹結(jié)構(gòu)的加法陣列單元來實現(xiàn)。加法求和運(yùn)算完成后所得結(jié)果進(jìn)入第二級。
在第二級中，對于第一個運(yùn)算模塊，如圖5中第二級的第一個虛框所示，所有4個輸入數(shù)據(jù)分別與4個乘法單元(乘法單元17至乘法單元20)相連接，并與4個系數(shù)(系數(shù)d1，1至系數(shù)d1，4)相乘(有關(guān)乘法的實現(xiàn)與第一級完全相同)，然后輸出結(jié)果進(jìn)入一個加法陣列5進(jìn)行求和，該加法陣列5實現(xiàn)4個輸入數(shù)的相加，然后產(chǎn)生一個輸出結(jié)果；該加法陣列5的實現(xiàn)方式也同第一級的加法陣列一樣。最后的求和結(jié)果便是第一個匹配濾波器的輸出(圖中的輸出1)。對于其它3個模塊在結(jié)構(gòu)上完全相同，所有輸入也完全相同，只是本地的4個存儲系數(shù)不同。
同時需要說明的是，以上實現(xiàn)方式對于不同的n值(n為2、4、4t，其中t為大于等于2的自然數(shù))，結(jié)果完全相同。
實現(xiàn)方式二采用類似圖2所示的有限沖擊響應(yīng)(FIR)轉(zhuǎn)置實現(xiàn)形式數(shù)字電路結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是在專用集成電路設(shè)計中加法陣列為自然的流水線結(jié)構(gòu)，是一種高速濾波器實現(xiàn)方式。
實現(xiàn)方式三采用低功耗數(shù)字電路結(jié)構(gòu)，第一級中輸入數(shù)據(jù)用基于寄存器頁方式的存儲器存儲，輸入數(shù)據(jù)不移位，采用第一級中的匹配系數(shù)c1p至cNp和第二級中的系數(shù)d1，1至d1，n在每個時鐘單位順序移位的方式來實現(xiàn)匹配操作，其優(yōu)點是在專用集成電路設(shè)計中可以大幅度降低電路功耗。這種實現(xiàn)方式具有低功耗的優(yōu)點。
發(fā)明的可拆分重組的精簡匹配濾波器組具有完全并行處理能力而硬件實現(xiàn)規(guī)模很小的優(yōu)點，采用兩級結(jié)構(gòu)，用兩倍規(guī)模的硬件同時處理n個碼組的匹配任務(wù)(其中n為2、4、4t，t為大于等于2的自然數(shù))，工作速度快、功耗低、芯片面積小。
權(quán)利要求
1.一種可拆分重組的具有精簡結(jié)構(gòu)的匹配濾波器組，分為前后兩級，在執(zhí)行信號濾波操作時，可以對輸入信號x(t)同時實現(xiàn)多個碼序列的匹配任務(wù)，其特征在于，包括一第一級，該第一級為有限沖激響應(yīng)濾波器的直接實現(xiàn)形式，包括N個輸入數(shù)據(jù)的存儲單元，輸入數(shù)據(jù)與存儲單元1的入口相連，存儲單元1的出口與存儲單元2的入口相連，其余存儲單元依次順序連接，直到存儲單元N；所有的存儲單元按時鐘單位實現(xiàn)數(shù)據(jù)的向右移位；N個匹配系數(shù)；N個乘法單元；乘法單元1的兩個入口分別與存儲單元1的輸出口和系數(shù)c1p連接，乘法單元2的兩個入口分別與存儲單元2的輸出口和系數(shù)cNp連接，以此類推，一直到乘法單元N的兩個入口分別與存儲單元N的輸出口和系數(shù)cNp連接；所有的乘法單元實現(xiàn)來自存儲單元的輸入數(shù)據(jù)與輸入系數(shù)的相乘操作，并輸出結(jié)果；n個加法陣列；其中加法陣列1的n個輸入口分別與乘法單元1、乘法單元n+1、乘法單元2n+1、…、乘法單元n+1的輸出口連接；加法陣列2的n個輸入口分別與乘法單元2、乘法單元n+2、乘法單元2n+2、…、乘法單元n+2的輸出口連接；以此類推，加法陣列n的n個輸入口分別與乘法單元n、乘法單元2n、乘法單元3n、…、乘法單元N的輸出口連接；每個加法陣列分別實現(xiàn)n個數(shù)的相加，并產(chǎn)生一個輸出結(jié)果；一第二級，該第二級包括多個模塊，每個模塊的結(jié)構(gòu)和功能完全相同，以第一個模塊為例，其中包括n個系數(shù)存儲單元；n個乘法單元；乘法單元N+1的兩個入口分別與的輸出口和系數(shù)d1，1連接，乘法單元2的兩個入口分別與乘法單元2的輸出口和系數(shù)d1，n連接，以此類推，一直到乘法單元N+n的兩個入口分別與第一級中加法陣列n的輸出口和系數(shù)d1，n連接；一個加法陣列n+1；該加法陣列n+1的n個輸入口分別與乘法單元N+1至乘法單元N+n的輸出口連接；并且該加法陣列n+1實現(xiàn)n個輸入數(shù)的相加，然后產(chǎn)生一個輸出結(jié)果；其它模塊在結(jié)構(gòu)上完全相同，所有輸入也完全相同，只是本地的存儲系數(shù)不同，因而輸出結(jié)果也不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可拆分重組的具有精簡結(jié)構(gòu)的匹配濾波器組，其特征在于，其中第一級經(jīng)過復(fù)用執(zhí)行每個碼序列的匹配操作中相同的運(yùn)算部分，第二級對應(yīng)完成各個碼序列的剩余匹配操作；通過后級部分的擴(kuò)展來實現(xiàn)碼序列個數(shù)可變的匹配任務(wù)，在結(jié)構(gòu)上可以拆分重組，在極限情況下，利用兩倍的硬件規(guī)模最大可以同時處理n個碼序列的匹配任務(wù)其中n為2、4、4j，j為大于等于2的自然數(shù)；在第二級中，每個碼序列對應(yīng)一個模塊；在每個模塊內(nèi)，前面第一級的n個輸出結(jié)果與本地的n個系數(shù)相乘，所得結(jié)果相加后得到相應(yīng)系數(shù)的匹配結(jié)果；不同的碼序列只需要對第二級進(jìn)行擴(kuò)展，增加相應(yīng)碼序列的運(yùn)算單元，匹配濾波器組的并行處理能力取決于第二級的規(guī)模。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可拆分重組的具有精簡結(jié)構(gòu)的匹配濾波器組，其特征在于，其中在第一級中N個輸入數(shù)據(jù)首先與N個系數(shù)相乘，所得結(jié)果分為n組，每相隔n-1的數(shù)為一組，然后相加，共得到n個相加結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可拆分重組的具有精簡結(jié)構(gòu)的匹配濾波器組，其特征在于，其中有限沖擊響應(yīng)直接實現(xiàn)形式數(shù)字電路結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可拆分重組的具有精簡結(jié)構(gòu)的匹配濾波器組，其特征在于，其中有限沖擊響應(yīng)轉(zhuǎn)置實現(xiàn)形式數(shù)字電路結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種可拆分重組的具有精簡結(jié)構(gòu)的匹配濾波器組，分為前后兩級，在執(zhí)行信號濾波操作時，可以對輸入信號x(t)同時實現(xiàn)多個碼序列的匹配任務(wù)，一第一級，該第一級為有限沖激響應(yīng)濾波器的直接實現(xiàn)形式，一第二級，該第二級包括多個模塊，每個模塊的結(jié)構(gòu)和功能完全相同，n個乘法單元；乘法單元N+1的兩個入口分別與的輸出口和系數(shù)d
文檔編號H04J13/02GK1567800SQ03148579
公開日2005年1月19日 申請日期2003年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月4日
發(fā)明者郭曉旭, 陳杰 申請人:中國科學(xué)院微電子中心