专利名称：高性能gsm选频ics直放站的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其是直放站领域，具体涉及一种高性能的GSM选频ICS直放站。
背景技术：
随着我国移动通信事业的飞速发展，移动通信用户量正不断地增加，以至蜂窝规划越来越小，基站位置越来越低；直放站是一种用于弥补移动网络中基站覆盖不足，扩大基站覆盖范围，填充覆盖盲区的一种极其有效的设备。对于ICS无线直放站，其原理一般如
图1所示，一般包括第一收发天线、模拟下变频、数字模块、模拟上变频和第二收发天线，其中，数字模块主要包括顺次连接的ADC数模转换模块、DDC模块、DUC模块和DAC模数转换模块。上述通信过程中，克服多径干扰、降低出错率，是提高系统通信质量一个非常重要的问题，特别是当信道特性不固定时，该问题尤为突出。现有技术中的一般做法是采用自适应滤波器来解决该问题。而自适应滤波器的核心就是自适应算法，而自适应算法有很多，如LMS算法(基于最小均方准则的最小均方算法)、LMS算法的改进算法(例如归一化NLMS算法)和RLS算法(基于最小二乘准则的递推最小二乘算法)等，这些算法已经广泛应用于通信、系统辨识、信号处理和自适应控制等领域。其中，基于LMS算法及其改进算法的优点是消耗资源较少、结构简单，适用于特征值扩散度较小的信号中(比如WCDMA)，有较好的效果，然而对于特征值扩散度较大的系统(如GSM系统)，使用LMS算法及其改进算法，收敛速度较慢而且收敛后平方误差较大即对消效果不理想。而RLS算法复杂度高，所需运算量大，而且如果被估计的自相关矩阵的逆失去正定性，还将引起算法发散使得算法不够稳定；因此现有技术中出现了一种更有效逆QR分解的RLS自适应算法(IQRD-RLS)，该经典IQRD-RLS算法利用FPGA流水线方式有效降低计算复杂度、改善矩阵条件数，具有比基于相关矩阵的最小二乘算法有更好的数值稳定性。该算法的主要优点是可以采用脉动阵，并在考虑量化效应时改善算法的数值特性。逆QR分解方法避免了 RLS问题的不准确求解问题，并且确保相关矩阵的正定性。但是现有的经典IQRD-RLS算法虽然降低了一定的计算复杂度，但是其含有平方根，这个是在运行中需要大量的时间与资源的，容易超出复杂度合理范围。
发明内容
因此，针对上述的问题，本发明提出一种高性能GSM选频ICS直放站，其采用无开方的、流水线型的改进型IQRD-RLS算法，收敛速度快、收敛效果好，且对特征值扩散度较大时性能影响并不大，尤其适用于GSM系统，从而解决现有技术之不足。另外，通过对算法设置外围电路，大大降低了计算复杂度，使其适用于GSM系统。为了解决上述技术问题，本发明所采用的思路是，对现有的经典IQRD-RLS算法进行改进(即基于IQRD-RLS的改进型算法)，其对输入信号的自相关矩阵的逆进行递推估计更新，收敛速度快，收敛性能与输入信号的频谱特性无关。由于基于IQRD-RLS的改进型算法是无开方的、流水线型的改进型IQRD-RLS算法，其没有开方操作，所以计算量大大降低，可以在有限周期内完成权值的更新计算。且因为改进型IQRD-RLS算法计算结果有产生权值，且认为无线传播模型IOms内相关矩阵变化不大，即IOms内自相关矩阵及权值变化不大，则可以将算法复用，应用于多个子载波，可以有效的降低资源消耗，利于实际应用。具体的，本发明所采用的技术方案是，一种高性能GSM选频ICS直放站，包括顺次连接的第一收发天线、模拟下变频、数字模块、模拟上变频和第二收发天线；其中，所述数字模块包括顺次连接的ADC数模转换模块、DDC模块、噪声自适应对消模块、DUC模块和DAC模数转换模块；所述噪声自适应对消模块包括降低算法复杂度的外围电路以及实现改进型IQRD-RLS算法的自适应滤波算法模块，所述外围电路包括第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第一抽取模块、第二抽取模块、插值模块、减法器以及移位寄存器，第一滤波器的输出端接于第一抽取模块的输入端，第二滤波器的输出端接于第二抽取模块的输入端，第一抽取模块的输出端和第二抽取模块的输出端接于自适应滤波算法模块的输入端，自适应滤波算法模块的输出端接于插值模块的输入端，插值模块的输出端接于第三滤波器的输入端，第三滤波器的输出端以及DDC模块的输出端接于减法器的输入端，减法器的输出端接于第二滤波器的输入端和第四滤波器的输入端，第四滤波器的输出端接于移位寄存器的输入端以及DUC模块的输入端,移位寄存器的输出端接于第一滤波器的输入端。上述噪声自适应对消模块中，减法器，其作用是将一路叠加有噪声信号的输入信号data0_in减去另一路计算得到的估计噪声信号7_111，输出滤除了噪声信号后的输出信号 dataO ；第四滤波器，其作用是滤除减法器输出的输出信号dataO中出现在有用频谱以外的信号，输出信号data0_out ；移位寄存器，其作用是将第四滤波器输出的信号data0_out延时,输出延时后的延时噪声信号；第一滤波器，其作用是将`移位寄存器输出的延时信号进行滤波处理，滤除抽取时产生的混叠，输出第一信号u_n '；第一抽取模块，其作用是将第一滤波器输出的第一信号u_n '抽取处理，输出噪声信号u_n ；第二滤波器，其作用是将减法器输出的输出信号dataO进行滤波处理，滤除抽取时产生的混叠，输出滤除噪声后的第二信号^!^ ;第二抽取模块，其作用是将第二滤波器输出的第二信号e_n Z抽取处理，输出滤除噪声后的信号e_n ；自适应滤波算法模块，其作用是将第一抽取模块输出的噪声信号u_n以及第二抽取模块输出的滤除噪声后的信号e_n，采用基于IQRD-RLS的改进型算法进行计算，输出第二号 y_n ；插值模块，其作用是将自适应滤波算法模块输出的第三信号y_n插值处理，输出插值后的信号y_n '；第三滤波器，其作用是将插值模块输出的插值后的信号y_n '进行滤波处理，滤除插值后产生的镜像，输出估计噪声信号y_nl。
上述噪声自适应对消模块中，外围电路将估计噪声信号y_nl与叠加有噪声信号的输入信号data0_in相减得到输出信号dataO,再通过运算将输出信号dataO中的噪声信号滤除，最后得到滤除了噪声后的信号e_n。自适应滤波算法模块中，第一滤波器firO_l、第二滤波器fir0_2为了滤除降采样(第一抽取模块和第二抽取模块)时产生的混叠，fir0_3的滤波器为了滤除升采样(插值模块)后的镜像，第一滤波器fir0_l，第二滤波器fir0_2，第三滤波器fir0_3不会降低有用信号的质量，不影响算法的性能，第四滤波器fir0_4为了滤除整个噪声自适应对消模块的自适应对消后的数据出现在有用频谱以外的信号，第四滤波器fir0_4的滤波效果与DDC模块之前的滤波效果相仿，此第四滤波器提升了自适应滤波算法的性能。该结构降低了权值的个数与采样速率，虽然与现有技术的算法相比，多出了四个滤波器，然而在低采样率下，其资源消耗远远小于算法所需资源，所以该结构便出现在该设计中可降低算法复杂度。所述第一抽取模块和第二抽取模块是进行D倍抽取，即每D个数据抽取I个或者每间隔(D-1)个数据则抽样取出一个，该抽取会使得信号采样率降低D倍；所述插值模块是进行I倍插值，即数据序列相邻两点之间插入(1-1)个零值点，该插值模块提高信号采样率。作为一个优选的可行方案，第一抽取模块和第二抽取模块是进行两倍抽取，所述插值模块是进行两倍插值。所述减法器采用累加器实现，将其中一个值取反后相加得出相减结果。另外，所述自适应滤波算法模块可以采用现有的经典IQRD-RLS算法。为了提高效率，本发明还提供一种改进型IQRD-RLS算法，以使该自适应滤波算法模块更适合于GSM选频ICS直放站中。具体的，该自适应滤波算法模块具体执行以下步骤:设定权值:
权利要求
1.一种高性能GSM选频ICS直放站，包括顺次连接的第一收发天线、模拟下变频、数字模块、模拟上变频和第二收发天线；其中，所述数字模块包括顺次连接的ADC数模转换模块、DDC模块、噪声自适应对消模块、DUC模块和DAC模数转换模块；其特征在于: 所述噪声自适应对消模块包括降低算法复杂度的外围电路以及实现改进型IQRD-RLS算法的自适应滤波算法模块； 所述外围电路包括:第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第一抽取模块、第二抽取模块、插值模块、减法器以及移位寄存器；其中，减法器，其作用是将一路叠加有噪声信号的输入信号dataO_in减去另一路计算得到的估计噪声信号y_nl，输出滤除了噪声信号后的输出信号dataO ； 第四滤波器，其作用是滤除减法器输出的输出信号dataO中出现在有用频谱以外的信号，输出信号dataO_out ； 移位寄存器，其作用是将第四滤波器输出的信号dataO_out延时，输出延时后的延时噪声信号； 第一滤波器，其作用是将移位寄存器输出的延时信号进行滤波处理，滤除抽取时产生的混叠，输出第一信号u_n '； 第一抽取模块，其作用是将第一滤波器输出的第一信号u_n '抽取处理，输出噪声信号 u_n ； 第二滤波器，其作用是将减法器输出的输出信号dataO进行滤波处理，滤除抽取时产生的混叠，输出滤除噪声后的第二信号e_n "； 第二抽取模块，其作用是将第二滤波器输出的第二信号e_n '抽取处理，输出滤除噪声后的信号e_n ； 自适应滤波算法模块，其作用是将第一抽取模块输出的噪声信号u_n以及第二抽取模块输出的滤除噪声后的信号e_n，采用基于IQRD-RLS的改进型算法进行计算，输出第三信号 y_n ； 插值模块，其作用是将自适应滤波算法模块输出的第三信号y_n插值处理，输出插值后的信号y_n ^ ； 第三滤波器，其作用是将插值模块输出的插值后的信号y_n '进行滤波处理，滤除插值后产生的镜像，输出估计噪声信号y_nl ； 上述噪声自适应对消模块的连接关系如下:第一滤波器的输出端接于第一抽取模块的输入端，第二滤波器的输出端接于第二抽取模块的输入端，第一抽取模块的输出端和第二抽取模块的输出端接于自适应滤波算法模块的输入端，自适应滤波算法模块的输出端接于插值模块的输入端，插值模块的输出端接于第三滤波器的输入端，第三滤波器的输出端以及DDC模块的输出端接于减法器的输入端，减法器的输出端接于第二滤波器的输入端和第四滤波器的输入端，第四滤波器的输出端接于移位寄存器的输入端以及DUC模块的输入端，移位寄存器的输出端接于第一滤波器的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种高性能GSM选频ICS直放站，其特征在于:所述第一抽取模块和第二抽取模块是进行D倍抽取，所述插值模块是进行I倍插值。
3.根据权利要求2所述的一种高性能GSM选频ICS直放站，其特征在于:所述第一抽取模块和第二抽取模块是进行两倍抽取，所述插值模块是进行两倍插值。
4.根据权利要求1所述的一种高性能GSM选频ICS直放站，其特征在于:所述自适应滤波算法模块执行以下步骤:步骤 1:设定权值:w= [w(l, I), w(2, I), w(3，I), w(4, 1)]τ ；设定噪声信号 u_n:X=[x (m)，X (m-1)，x (m-2)，x (m-3)]； 设定混合了噪声信号的输出信号dataO: s_n=s_n (m)；
5.根据权利要求4所述的一种高性能GSM选频ICS直放站，其特征在于: 步骤2中，流水线I的具体计算公式如下: 令gammal=l ;该参数最后用于计算权值； templ=l ;该参数为临时数据； u =0 ^_aux w Uaux (I,: ) =HllldHtUaux (I,: ) ；Uaux (I,:)表示第一行的所有数据；akaux(l, I) = Uaux (I,:)*xT ；xT 表示 x 矩阵的转置；z_i=akaux(l，I) ;z_i 是一临时数据；gamma2=gammal+templ氺((neal (z_i)) 2+(imag (z_i)) 2) ;gamma2 用于流水线 2;akaux(l, 1)=0 ；s_i= (z_i*templ)/gamma2; temp2= (gammal*templ) /gamma2; temp2 用于流水线 2 ； u_aux(l, D = u_aux (I, l)+conj(s_i)*Uaux(l, I)Uaux (I, D = Uaux (I, l)-z_i*u—龜(1，I) 故流水线I传给流水线2的数据为gamma2、temp2> u aux (I, I)； 步骤3中，流水线2的其具体计算公式如下: Uaux (2,: ) =nmd*Uaux (2,: ) ；Uaux (2,:)表示第二行的所有数据； akaux (2, I) = Uaux (2,:)*χτ ;χτ 表示 χ 矩阵的转置； z_i=akaux(2, I) ；z_i 是一临时数据；gamma3=gamma2+temp2* ((neal (z_i))2+ (imag (z_i))2) ; gamma3 用于流水线 3 ；akaux (2, 1)=0 ；s_i= (z_i*temp2)/gamma3; temp3= (gamma2*temp2) /gamma3; temp3 用于流水线 3 ； u_aux(l, D = u_aux (I, l)+conj (s_i)*Uaux(2, I)， u_aux (2，I) = u_aux (2，I) +con j (s_i) *Uaux (2，2)，Uaux (2，I) =Uaux (2, l)-z_i*u—龜(1，1) Uaux (2, 2) =Uaux (2, 2)-z_i*u aux(2, I) 故流水线2传给流水线3的数据为gamma3、temp3> u aux (I, I)和u—aux(2, I)； 流水线3和流水线4具体的计算公式同流水线2的计算公式，最终得到更新后的u aux和 gamma5。
6.根据权利要求4所述的一种高性能GSM选频ICS直放站，其特征在于:所述自适应滤波算法模块还包括算法复用步骤:存储通过步骤1-步骤6计算得到的Uam数组，在更新权值的载波时调用该Uaux数组进行步骤2-步骤6的5级流水线计算，其余载波利用已有权值，计算得到滤除噪声后的信号e_n，其使用公式表示如下:Y^=Wj 氺χΤ;e_n=s_n-y_n0
7.根据权利要求4所述的一种高性能GSM选频ICS直放站，其特征在于:步骤I中，·δ =0.5。
全文摘要
本发明公开一种高性能GSM选频ICS直放站，包括顺次连接的第一收发天线、模拟下变频、数字模块、模拟上变频和第二收发天线；其中，所述数字模块包括顺次连接的ADC数模转换模块、DDC模块、噪声自适应对消模块、DUC模块和DAC模数转换模块；所述噪声自适应对消模块包括降低算法复杂度的外围电路以及实现改进型IQRD-RLS算法的自适应滤波算法模块，其中，所述外围电路包括第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第一抽取模块、第二抽取模块、插值模块、减法器以及移位寄存器。本发明采用无开方的、流水线型的改进型IQRD-RLS算法，收敛速度快、收敛效果好，且对特征值扩散度较大时性能影响并不大，尤其适用于GSM系统。
文档编号H04L25/03GK103199913SQ201310114390
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者高心炜, 康忠林, 卓开泳 申请人:福建京奥通信技术有限公司