数字基带脉冲发送滤波器的 DSP实现

俞兴明，张建华

（1．苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104；2．江苏通鼎光电股份有限公司 通鼎研究院，江苏 吴江 215200）

数字基带脉冲发送滤波器的 DSP实现

俞兴明1，张建华2

（1．苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104；2．江苏通鼎光电股份有限公司 通鼎研究院，江苏 吴江 215200）

介绍无码间串扰数字基带传输系统的基本要求，分析发送脉冲升余弦滤波器的特性，提出升余弦滤波器的 Matlab设计及 DSP实现方法，程序在 DSP中运行后测得了实际波形．

脉冲发送；升余弦滤波器；数字滤波器；DSP

在数字基带通信系统中，要发送的信号是矩形脉冲，但由于矩形脉冲上升沿和下降沿是突变的，高频成分比较丰富，占用的频带很宽，通过带限信道时，每个符号的脉冲将产生很大的时域拖尾扩展到相邻符号码元内，造成码间串扰（ISI），导致接收机在判决时发生错误的概率增大．为了减小码间串扰，要么降低发送速率，使前面的码元拖尾足够减小后再发送后面码元；要么增加信道带宽，但代价是带宽利用率降低．因此，需要通过设计脉冲成形滤波器，将输入矩形脉冲进行平滑处理，得到既减小码间串扰又不会占用过多额外带宽的、更适合于信道传输的发送脉冲波形．

1 基带脉冲成形滤波器的基本原理

数字基带传输系统通常由脉冲形成器、发送成形滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器和码元再生器组成，数字基带传输系统的组成框图如图1所示．

Nyquist［1］理论证明，如果包括发送成形滤波器、信道和接收滤波器在内的基带系统满足理想低通特性，就可以使基带系统消除码间串扰．

其低通频响特性为

其脉冲响应为

式中：B为理想低通的带宽；Rb为传输速率；且 B＝Rb／2．

图1 数字基带传输系统组成框图

理想低通系统的脉冲响应 hi（t）是一个平滑的抽样函数（Sa（x））波形，在 t＝0时，有最大值2B，而在 t＝k／（2B）（k为非零整数）的各瞬间均为零．显然，只要令码元间隔Tb＝1／（2B）＝1／Rb，也就是码元宽度为1／（2B），即在接收机端每个抽样时刻只对当前的符号有响应，而对其他符号的响应全等于零，那么码间串扰（ISI）的影响就能完全被消除．

理想低通基带传输系统虽然能达到最高的频带利用率2 Baud／Hz，但由于理想低通的频率特性太陡，导致其脉冲响应的拖尾很大、很长，在接收端如果抽样时刻不准，仍然会存在很大的码间串扰．再者，理想低通也是实现不了的．实际常用的H（ω）特性是一种具有升余弦特性的低通滤波器，可表示为

式中参数 α为升余弦滤波器的滚降系数，是衡量特性滚降快慢的重要参数．对式（3）做傅里叶逆变换，可以得到升余弦滤波器的脉冲响应，表示为

其拖尾比理想低通的脉冲响应小了很多．升余弦滤波器以牺牲带宽和频带利用率的代价换来了脉冲响应拖尾的减小，使得基带传输码间串扰得到很大的减小．实际中由于信道特性经常变化，所以要求脉冲发送滤波器的频率特性应该具有升余弦特性的低通滤波器，这样虽然整个系统还不能很好满足 Nyquist无码间串扰的准则，接收端还存在残余码间串扰，但在接收端可用时域均衡来进一步解决．

2 基带脉冲成形滤波器的数字化设计

升余弦滤波器可以用数字滤波器来实现，以数字形式设计和实现升余弦滤波器的最简单方法是采用具有线性相位（系数对称）的FIR滤波器．所设计的基带系统的码元传输速率为 Rb＝16 kb／ps，是二进制方波．为了对这序列方波进行发送滤波，所要求的升余弦滚降滤波器的半滚降频率f0＝Rb／2＝8 kHz．用 Matlab程序计算该升余弦滤波器的抽头系数［2］，设定滤波器抽头个数N＝31，滚降系数 α＝0．25，采样率 fs＝2Rb＝16 kHz，并在每个抽样值之间内插3个0的办法，计算得升余弦滤波器的抽头系数．

主要的Matlab语句有：定义升余弦频谱函数xrc．m的语句y＝（Tb／2）*（1＋cos（（pi*Tb／alpha）*（abs（f）－（1－alpha）／（2*Tb））））；计算抽头系数的语句g＿Tb（i）＝g＿Tb（i）＋sqrt（xrc（2*m／（N*Tb），alpha，Tb））*exp（j*2*pi*m*n（i）／N）；运行 Matlab程序，得到抽头系数数组为 g＿Tb（i）＝［0．027 6，－0．005 9，－0．042 2，－0．044 3，0．000 2，0．064 4，0．096 0，0．054 4，－0．054 0，－0．166 5，－0．191 4，－0．059 8，0．227 3，0．586 6，0．884 5，1．000 0，0．884 5，0．586 6，0．227 3，－0．059 8，－0．191 4，－0．166 5，－0．054 0，0．054 4，0．096 0，0．064 4，0．000 2，－0．044 3，－0．042 2，－0．005 9，0．027 6］，并由Matlab绘制此升余弦滤波器的脉冲响应hr（t）的波形和幅频响应特性Hrcos（f）分别如图2（a）、2（b）所示．

图2 升余弦滤波器的脉冲响应的波形和幅频响应特性

3 升余弦发送滤波器的 DSP实现

本设计是用 DSP实现的升余弦数字滤波器，首先要对输入的矩形波取样、量化和编码，然后送入 DSP内进行数字滤波运算，之后通过串口输出，经 D／A转换、低通滤波后输出波形即为经升余弦滤波后的发送脉冲．数字信号处理器 DSP采用TI公司的 TMS320VC5402，A／D和D／A转换器采用 TI公司的 TLC320AD50（以下简称 AD50），它是一块将 A／D和 D／A转换功能集成在一起的模拟接口芯片（AIC），两者之间接口采用 DSP的 McBSP1标准双向串行口连接进行串行数据发送和接收，硬件系统的电路图如图3所示．

图3 发送成形滤波器的 DSP实现电路图

本系统实现脉冲发送成形的主要过程在于软件设计，其主要程序是 DSP的FIR滤波器实现程序，但由于这是一个实时滤波系统，还必须包括DSP、McBSP串口、AD50的初始化、DSP从McBSP串口读与写数据的接口程序等．系统软件的总流程图如图 4所示．DSP的初始化主要完成CLKMD、SWWSR、BSCR、PMST、IMR、IFR、ST0、ST1等寄存器的设置；McBSP初始化工作主要是对SPCR、RCR、XCR、PCR等寄存器的设置；AD50的初始化是对其控制寄存器1～4的设置．本系统设置以 AD50为主方式，以 McBSP1为从方式，即VC5402的串行口McBSP1的所有时钟均由 AD50提供，在 McBSP口内，数据时钟发生和帧同步信号（兼为采样信号）、选择电路产生，要完成采样率发生寄存器SRGR的设置［3］．本系统AD50的采样频率设置为16 kHz（再4倍插值），在AD50的控制寄存器4设置和TAD50的主时钟确定．AD50采用15＋1位数据格式及主通信和辅助通信模式，具体见 AD50的资料［4］．

DSP实现升余弦FIR滤波的主要程序是系数对称的 FIR滤波器程序，本系统在内存中开辟两个数据循环缓冲区，采用 VC5402DSP中一条专用的指令FIRS实现FIR滤波［5］，前面所述用 Matlab计算所得的升余弦 FIR滤波器抽头系数作为DSP中 FIR程序中的常数段，放在 DSP的程序内存中，如果要改变数据传输速率，那么重新设计系数并重载到DSP中即可实现不同速率的脉冲成形．但是AD50芯片的一次采样频率（不包括插值）仅为22．05 kHz，要传输更高频率，还需选用更高速率的 AIC接口芯片．

图4 滤波软件总流程图

4 测试结果

本设计的实验验证系统在购置的成品 DSP实验箱上完成，因为它有现成的 VC5402 DSP和 AD50及低通滤波器芯片，实验测试只需要编写程序，编译、连接下载程序到 DSP中即可运行测试，用示波器测得的发送脉冲成形前和滤波成形后的波形如图5所示，可见系统已很好实现了发送波形的圆滑成形．

发送脉冲升余弦滤波器不仅在数字基带传输系统中广泛使用，在数字频带移动通信中也得到很大的应用．在移动通信中为了在有限的信道带宽中传输调制的数字信息，数字基带信号常先经过升余弦滤波器将矩形脉冲信号平滑，以消除调制后信号对临近信道的辐射干扰及码间干扰．

图5 实测的滤波器的眼图

［1］樊昌信，张甫翊．通信原理［M］．北京：国防工业出版社，2004．

［2］普罗克斯，萨勒赫．现代通信系统—— 使用Matlab［M］．刘树棠，译．西安：西安交通大学出版社，2001．

［3］Texas Instruments Inc．．TMS320C54x DSP Reference Set Volume 5：Enhanced Peripherals［EB／OL］．（2007 -03 -02）［2012 -02 -04］．http：／／www．ti．com／lit／ug／spru302b／spru302b．pdf．

［4］Texas Instruments Inc．．esign Guidelines for the TLC320AD50［EB／OL］．（1999 -12 -13）［2012 -02 -02］．http：／／www．ti．com／lit／an／slaa087／slaa087．pdf．

［5］戴明桢，周建江．TMS320C54x DSP结构、原理及应用［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2007．

［6］薛继华．DSP与PDC通信方案的设计［J］．南通职业大学学报，2010，24（4）：107 -110．

（责任编辑：沈凤英 ）

Realization of Digital Baseband Pulse-transm itting Filter Using DSP

YU Xing-ming1，ZHANG Jian-hua2
（1．Department of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China；2．Tongding Institute，Jiangsu Tongding Optic-electronic Stock Co．，Ltd，W ujiang 215200，China）

This paper introduces the digital baseband transmission system's basic requirements of no inter symbol interference，analyzes the rise-cosine characteristic of pulse-transmitting filter，gives the method of digitized design and DSP realization of the digital baseband pulse-transm itting filter．Actual electrical wave is gotwhen the program is running on DSP．

pulse-transmitting；rise-cosine filter；digital filter；DSP

TN911．5

A

1008 -5475（2012）02 -0006 -04

2012 -02 -08；

2012 -03 -25

俞兴明（1965—），男，江苏苏州人，副教授，高级工程师，硕士，主要从事现代通信传输和数字信号处理研究．