基于Lagrange算子的成形濾波器設(shè)計

摘要：成形濾波器的設(shè)計一直是移動通信中的熱門話題，它設(shè)計的好壞直接影響通訊系統(tǒng)的性能指標(biāo)。文中介紹了基于lagrange算子的成形濾波器的設(shè)計方法，并與窗函數(shù)和頻率抽樣設(shè)計進(jìn)行了比較。仿真及實測結(jié)果均表明此方法在實際應(yīng)用中具有較好的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞：lagrange算子；成形濾波器；根升余弦濾波器；WCDMA

引言

在數(shù)字通信中，成形濾波器的設(shè)計是通信領(lǐng)域中的一個基本問題。其作用是一方面對信號進(jìn)行帶限，另一方面減小碼間干擾，因此頻譜形狀應(yīng)滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，頻率響應(yīng)要滿足升余弦。本文介紹了用lagrange算子來設(shè)計WCDMA上下行鏈路中的成形濾波器。

WCDMA上下行鏈路中的成形濾波器時域特性和頻域特性

發(fā)射端中的成形濾波器是平方根升余弦濾波器，它是一個低通濾波器。它是對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行成形濾波，在接收端對應(yīng)的地方也有一個與之相應(yīng)的平方根升余弦濾波器。發(fā)送濾波器一般應(yīng)滿足對頻譜的要求，以限制信號的帶寬。接收濾波器能限制噪聲和減小符號間的干擾。3GPPTS25.104里對成形濾波器作了如下規(guī)定。

（1）平方根升余弦滾降的時域表達(dá)式如下：

（2）平方根升余弦滾降的頻率響應(yīng)特性如下：

（3）滾降系數(shù)α和碼片周期T_c

升余弦譜濾波器的滾降系數(shù)α定義為

即滾降特性信道的帶寬為f_α+ f_s=(1+α)f_s。其中，f_s為碼片速率，f_α為滾降帶寬。

隨著α的增大，幅度響應(yīng)在截止頻率處越光滑，沖激響應(yīng)拖尾幅度衰減越快，ISI(Intersignal Interrupt)減小。因此，理論上α應(yīng)盡可能大些。但是，實際中α的確定應(yīng)使發(fā)送信號的歸一化等效基帶功率譜滿足通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻譜框架要求。在WCDMA中，α取0.22。

由于WCDMA碼片速率為3.84MHz，所以T_c =1/3.846≈0.26042µs。

Lagrange算子法設(shè)計濾波器

下面考慮偶對稱及濾波器階數(shù)為偶數(shù)的濾波器

設(shè)計：

其中令

則

阻帶能量為

其中

i，k=1，2，…，L/2

濾波器通帶要求在通帶范圍內(nèi)離散的頻點上滿足一定的幅度和約束。約束條件

即

因此通帶約束條件滿足如下等式：

其中

使用Lagrange算子設(shè)計濾波器的思想：滿足約束條件（10）使阻帶能量最小。得到如下結(jié)果：

λ是Lagrange算子。具體求解過程請參見[2]。

仿真及實測結(jié)果

（1）設(shè)計結(jié)果
根據(jù)具體的專用集成電路要求，取L=64，選擇合適的約束條件：保證通帶平坦度最優(yōu)和通道的3dB帶寬，得到如下的成形濾波器頻譜如圖1所示。

圖1 Lagrange算子濾波與理想濾波頻率響應(yīng)

濾波器性能指標(biāo)：

截止頻率1.92MHz
阻帶起始頻率2.342MHz
通帶紋波0.7dB
阻帶抑制81.7dB


（2）采用窗函數(shù)和頻率抽樣算法設(shè)計的成形濾波器

濾波器性能指標(biāo)：

截止頻率1.9MHz
阻帶起始頻率2.342MHz
通帶紋波0.7dB
阻帶抑制40.5dB

濾波器性能指標(biāo)：
截止頻率1.923MHz
阻帶起始頻率2.342MHz

通帶紋波0.2dB
阻帶抑制44dB

圖2 窗函數(shù)法


圖3 頻率抽樣法

（3）實測結(jié)果及分析針對WCDMA上行信號，我們設(shè)計了一基于ISL5416的成形濾波器：64階，滾降因子0.22，圖4是通過成形濾波器的星座圖，圖5是成形濾波器的輸出功率譜。

結(jié)論

仿真分析表明，相對于窗函數(shù)和頻率抽樣法，

圖4 WCDMA星座圖

圖5 功率譜示意圖

基于Lagrange算子得到的成形濾波器具有較準(zhǔn)確的通帶和阻帶邊緣頻率，阻帶抑制大的優(yōu)點；實測結(jié)果顯示，采用Lagrange算子能得到滿足WCDMA通信系統(tǒng)需求的成形濾波器。