一种5GNR多带宽信道滤波器的制作方法

一种5g nr多带宽信道滤波器
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，特别涉及一种用于5g nr的多带宽信道滤波器，可同时灵活适配5g的各种带宽，有效的降低了芯片功耗和面积。


背景技术：

2.在5g无线通信系统中，载波的带宽繁多，载波的配置变得异常复杂。图1列出了nr需要支持的载波带宽类型。与lte相比，5g nr载波具有更高的频谱利用效率和更窄的保护带，通常需要设计200～400阶的脉冲成型信道滤波器；同时随着带宽的增加(fr2可高达400mhz)，时钟频率比过往更高，导致信道滤波器会消耗巨大的资源和功耗。然而过高的芯片功耗和逻辑资源使用是需要摒弃的。
3.目前业内的滤波器复用设计是为每种带宽单独设计一个独立的信道滤波器。例如，对于n个20m载波，可复用一个滤波器，但是对于4种不同的带宽(如10m/20m/50m/100m)，这种复用方式就无能为力。当前的设计需要4个信道滤波器去适配4种不同的带宽。图2即为传统的多带宽滤波器设计，需要多个不同的滤波器去适配不同的带宽和采样率。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明设计了一种新型的多宽带信道滤波器，多个带宽的载波经过一个滤波器，经过时分复用设计，使得1个信道滤波器可以同时适配多种带宽，采用这种结构的滤波器，仅需1个多带宽滤波器就可以同时支持多种不同带宽的载波。这种多带宽滤波器减少了逻辑资源(dsp,lut,flip-flop,ram)的使用，很大程度地节省了芯片功耗和面积。
5.本发明所采用的技术方案为：一种5g nr多带宽信道滤波器，包括时变延迟模块、系数储存和时分选择模块和多相滤波器结构，所述多相滤波器结构根据当前相位值，选取系数储存和时分选择模块中存储的当前时隙带宽的当前相位的系数值，同时时变延迟模块在不同载波带宽时隙根据当前相位选择不同的延迟链抽头，并与系数储存和时分选择模块的输出系数值进行时分卷积运算，输出最终的结果。
6.所述时变延迟模块包括时变延迟链。以更具一般性的多相滤波器(非多相滤波器是多相滤波器的一个特例)说明，所述时变延迟链由一个二维矩阵构成，如下：
[0007][0008]
二维矩阵有q*r个延迟单元，每个延迟单元为n个时钟周期的延迟，n等于其中m为多相滤波器的相位个数，m等于i为输入数据占用的有效时隙数，fclk为工作时钟，fmaxs为最大带宽载波的采样率。对于多相滤波器，时延矩阵的每一列包含最小
带宽相邻阶数需要的延迟量，单位列向量由个，每个包含m个多相的子延迟链构成，每列的延迟单元数q等于fmins为最小带宽载波的采样率。矩阵的列数r表示乘法器的数量，根据系数的非对称性或对称性，r等于(式5)或l为滤波器阶数。
[0009]
所述系数储存和时分选择模块的系数用于时分卷积运算，该系数是时变的，是一个二维存储阵列，设第i种载波的第j阶系数为h(i,j)，则第k个乘法器的对应系数存储阵列如下：
[0010][0011]
该阵列为m*i阵列，m表示相位的个数，i表示带宽的个数，阵列的每一行表示某个带宽的m个不同相位；阵列的每一列表示不同带宽的相应系数。所述时变的顺序为先列后行：先遍历不同带宽载波后遍历不同相位的同阶系数。
[0012]
所述多相滤波器结构的乘法器的两个输入端分别是时变延迟链和存储系数模块，当输入数据未占满所有时隙，即fclk大于fmaxs*i，在数据流进入延迟链之前，有效的串行数据需要拷贝至冗余时隙,使得乘法器的输入mux在不同相位时仍然选择z-n*m
延迟链的端点，而无需选择z-n*m
内部的z-n
节点，用来做时分卷积；数据mux用于选择不同载波和不同相位的数据，mux从时间间隔(根据载波带宽,n＝0,1,2,......)的延迟抽头点获取相应数据，送至乘法器中；分为两级mux，第一级mux用于选择不同的相位，第二级mux用于选择不同的载波，在多相滤波器结构的输出端设有一个反馈累加器用于累加不同相位的信号，累加器的延迟z-i
为有效时隙数，多相滤波器结构的输出d_out即为最终结果。
[0013]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0014]
1、需要1个卷积器，现有并行多带宽滤波器的卷积器数量是p(p为带宽种类)。
[0015]
2、需要1个延迟链，现有并行多带宽滤波器的延迟链数量是p(p为带宽种类)。
[0016]
3、需要1个累加器，现有并行多带宽滤波器的累加器数量是p(p为带宽种类)。
[0017]
4、保持输入输出数据的时序不变，接口易用性强。
附图说明
[0018]
图1为现有技术中5g nr载波配置和带宽示意图。
[0019]
图2为现有技术中多带宽信道滤波器设计结构示意图。
[0020]
图3为本发明的多带宽信道滤波器设计结构示意图。
[0021]
图4为本发明的5g nr信道滤波器输入接口时序示意图。
[0022]
图5为本发明的5g nr 10m/20m/50m多带宽信道滤波器结构示意图。
[0023]
图6为本发明的5g nr 10m/20m/50m/100m数据时变延迟抽头示意图。
[0024]
图7为本发明的5g nr 10m/20m/50m多相多带宽信道滤波器结构示意图。
[0025]
图8为本发明的5g nr多相信道滤波器输入接口时序示意图。
[0026]
图9为本发明的5g nr 10m/20m/50m多相滤波器数据时变延迟抽头示意图。
[0027]
图10为本发明的5g nr系数的多相结构的系数环形遍历示意图。
具体实施方式
[0028]
下面通过几个具体实施例来进一步解释本发明的技术方案。
[0029]
不同的5g nr带宽在采样率上满足2^n比例关系，而低带宽载波的采样率低，占用时隙资源少，这使得信道滤波器的分时复用存在了可能。传统滤波器设计中，滤波器系数间的延迟为定值，本滤波器设计根据载波带宽和芯片工作时钟，设计了一种时变脉动数据延迟链(timing-variant systolic delay chain)矩阵；同时，不同带宽的滤波器系数按照载波带宽和相位，被存放在一个阵列单元中，根据时序供乘法器灵活调用。与并行结构的多带宽滤波器相比：
[0030]
需要的卷积器数量为并行多带宽滤波器的1/p(p是带宽种类)。
[0031]
需要1个延迟链，并行多带宽滤波器的数量是p。
[0032]
需要1个累加器，并行多带宽滤波器的数量是p。
[0033]
保持输入输出数据的时序不变，接口易用性强。
[0034]
在芯片内部，一个典型的5g nr多载波串行数据时序如图4所示：不同带宽的载波以间插的方式放置在串行数据流上。在我们的范例设计中，有4种不同的带宽:10m/20m/50m/100m,而仅需要一个多通道信道滤波器。
[0035]
一个典型的fir信道滤波器的表达公式如(1)所示：
[0036][0037]
本实施例中公开的5g nr多带宽信道滤波器设计了三个串行时分复用模块：(1)时变延迟模块，(2)系数储存和时分选择模块，(3)多相滤波器结构。其中多相滤波器根据当前相位值，选取系数存储模块中存储的当前时隙带宽的当前相位的系数值，同时时变延迟模块在不同载波带宽时隙根据当前相位选择不同的延迟链抽头，并与储存模块的输出系数值进行时分卷积运算，输出最终的结果。本实施例分别基于非多相滤波器和多相滤波器阐述各个模块的设计。
[0038]
非多相5g多带宽信道滤波器的设计。作为例子，图5描述了一个10m/20m/50m非多相滤波器实现结构。如图所示，该滤波器包含时变延迟结构的延迟链，时变的系数储存和时分选择,以及时分卷积器(乘法累加器)。时变延迟结构的延迟链即图5下方z-n
单元串联起的延迟链以及相应的mux复用单元；时变的系数储存单元即图5中乘法器左边的表项；时分卷积器即图5中乘法器和加法器级联构成的滤波器乘法累加结构。滤波器的乘法器的两个输入端分别是时变延迟链和存储系数。
[0039]
时变延迟链的设计。与单带宽信道滤波器的固定延迟链不一样，本发明的滤波器采用时变延迟链，时变延迟链由一个二维矩阵构成，如式(2)所述，二维矩阵有q*r个延迟单元，每个延迟单元为n个时钟周期的延迟。n等于(式3)，其中fclk为工作时钟，fmaxs为最大带宽载波的采样率；矩阵的每一列包含最小带宽相邻阶数需要的延迟量，每列的延迟单元数q等于(式4)，fmaxs为最小带宽载波的采样率，矩阵的列数r表示乘法器的数
量，根据系数的非对称性或对称性，r等于l(式5)或(式6)，l为滤波器阶数。以图5为例，fmaxs为50m带宽载波的采样率61.44mhz，fmins为最窄带宽10m载波的采样率15.36mhz。滤波器阶数为l。图5中任意两个相邻乘法器之间的延迟链即为延迟矩阵的一列,包含q个，即4个z-n
单元，用于选择不同载波和不同相位的数据；延迟矩阵的不同列用于不同的乘法器；不同载波的延迟链抽头点用不同的箭头表示，如图5所示，50m载波的抽头点(虚线箭头)间隔1个z-n
单元，10m载波的抽头点(实线箭头)间隔个，即4个z-n
单元。为了更清晰阐述延迟链的抽头含义，图6以nr 10m/20m/50m/100m为例说明了时变延迟链的抽头含义：采用时延链串联各带宽数据，图中上方的表说明了每个抽头在不同时隙的数据来源，延迟链每行有q个(个)z-n
延迟单元，即8个z-n
延迟单元，其中100m的时延间隔为1个z-n
单元，50m的时延间隔为2个z-n
单元，20m的时延间隔为4个z-n
单元，10m的时延间隔为8*z-n
单元。与此同时，乘法器mux需要根据时序在各个抽头之间切换，mux从时间间隔(根据载波带宽,n＝0,1,2,......)的延迟抽头点获取相应数据，送至乘法器中(图5)。值得注意的是：图6的抽头时隙并没有用满，对于低带宽载波，还可以通过将抽头时隙用满，实现更多载波的滤波。
[0040][0041][0042][0043]
非对称系数滤波器：
[0044]
r＝l (5)
[0045]
对称系数滤波器：
[0046][0047]
系数储存和时分选择模块：在本实施例的滤波器中，乘法器的系数h(n)是时变的，而非传统滤波器的固定值。滤波器系数按阵列被存储起来。如图7乘法器左边的列表所示，每个乘法器的系数按数组存储，我们通过数组去表示这个阵列，设h(i,j)是第i种载波第j阶的系数。该向量即为[h(0,j),h(1,j),
……
,h(i,j)]。对于不同带宽的系数相同的场景，系数存储空间可以进一步减少。
[0048]
时分卷积器的设计：时分卷积器的设计和普通卷积器类似，通过乘累加模块输出最终结果；唯一有所区别的是，卷积器的不同时隙属于不同的带宽和载波。
[0049]
多相5g多带宽信道滤波器的设计。当输入数据未占满所有的时隙时，本发明提出一种多带宽多相滤波器设计。我们定义有效时隙数i，其物理意义为在2个fmaxs采样点之间，被输入有效数据占用的最大时隙数。因为输入数据未占满所有时隙，意味着fclk大于
fmaxs*i，这种情况下，本发明设计了一种更加复杂的多相滤波器以更大程度的减少乘法器的资源。作为例子，图7描述了一个10m/20m/50m多相滤波器实现结构。和非多相滤波器一样，该多相滤波器也包含时变延迟结构的延迟链，时变的系数储存和时分选择,以及时分卷积器(乘法累加器)。时变延迟结构的延迟链即图7下方z-n
单元串联起的延迟链以及相应的mux复用单元；时变的系数储存和复用即图7中乘法器左边的表项；时分卷积器即图7中乘法器，级联加法器以及d_out输出端的反馈累加器构成的滤波器乘法累加结构。滤波器的乘法器的两个输入端分别是时变延迟链和存储系数。
[0050]
多相滤波器的时变延迟链的设计。对于多相滤波器，当数据流进入延迟链之前，有效的串行数据需要拷贝至冗余时隙(图7中的data coping模块，细节详见图8),使得在不同相位时隙，延迟单元可以输出相应载波的数据，用来做时分卷积。时变延迟链也由一个二维矩阵构成，如(式2)所述，二维矩阵有q*r个延迟单元，每个延迟单元为n个时钟周期的延迟，n等于(式8)，其中m为多相滤波器的相位个数，m等于(式7)，i为有效时隙数，fclk为工作时钟，fmaxs为最大带宽载波的采样率。由于多相的存在，时延矩阵的列向量会被分割成个，每个包含m个多相的子延迟链，矩阵的每一列表示最小带宽需要的延迟量，每列的延迟单元数q等于(式9)，fmins为最小带宽载波的采样率。矩阵的列数r表示乘法器的数量，根据系数的非对称性或对称性，r等于(式10)或(式11)，l为滤波器阶数。为了更清晰阐述多相滤波器延迟链的抽头含义，图9以nr 10m/20m/50m载波，工作时钟为122.88mhz为例，说明多相滤波器时变延迟链的抽头：该例中多相数m等于2，图中上方的表说明了每个抽头在不同时隙的数据来源，延迟链每行有个z-n
延迟单元，即8个z-n
延迟单元，其中50m的不同相位点间隔为1个z-n
单元，同相位不同采样点间隔2个z-n
单元，20m的不同相位点间隔为2个z-n
单元，同相位不同采样点间隔4个z-n
单元，10m的不同相位点间隔为4个z-n
单元，同相位不同采样点间隔8个z-n
单元。与此同时，乘法器mux需要根据时序在各个抽头之间切换，mux从时间间隔(根据载波带宽,n＝0,1,2,......)的延迟抽头点获取相应数据，送至乘法器中(图7)。由于数据进入延迟链前做了数据拷贝，乘法器的输入mux在不同相位时仍然选择z-n*m
延迟链的端点，而不应该选择z-n*m
内部的z-n
节点。值得注意的是：图6的抽头时隙并没有用满，对于低带宽载波，还可以通过将抽头时隙用满，实现更多载波的滤波。
[0051][0052][0053][0054]
非对称系数滤波器：
[0055][0056]
对称系数滤波器：
[0057][0058]
多相滤波器乘法器的系数储存和系数时分选择。与非多相滤波器不一样的是：多相乘法器的系数是一个二维存储阵列，如图7乘法器左边的二维列表所示。设第i种载波的第j阶系数为h(i,j)，则第k个乘法器的对应系数存储阵列如下：
[0059][0060]
该阵列为m*i阵列，m定义见式7，i表示带宽的个数。阵列的每一行表示某个带宽的m个不同相位；阵列的每一列表示不同带宽的相应系数。具体说明如下：
[0061]
第1个乘法器系数阵列：
[0062]
第2个乘法器系数阵列：
[0063]
第k个乘法器系数阵列：
[0064][0065]
对于不同带宽的系数相同的场景，系数存储空间可以进一步减少。系数时分采用顺序为先列后行，从左向右遍历。图10仍以10m/20m/50m载波为例，描述了这种基于环形遍历的时分选择系数的方式，按照图中顺时针方向遍历环形中的系数，遍历方式为先不同带宽载波后不同相位，反复循环遍历；在时钟周期内的抽头是各个带宽载波的某个相位，再在周期内遍历不同相位的抽头，按照时隙循环发送，具体系数抽头时序如下：
[0066]
[h(i,j,phase1),h(i+1,j,phase1),......,h(i+n,j,phase1),
[0067]
h(i,j,phase2),h(i+1,j,phase2),......,h(i+n,j,phase2),
[0068]
......
[0069]
h(i,j,phasem),h(i+1,j,phasem),...,h(i+n,j,phasem),
[0070]
h(i,j+1,phase1),h(i+1,j+1,phase1),......,h(i+n,j+1,phase1),
[0071]
h(i,j+1,phase2),h(i+1,j+1,phase2),......,h(i+n,j+1,phase2),
[0072]
......
[0073]
h(i,j+1,phasem),h(i+1,j+1,phasem),...,h(i+n,j+1,phasem),
[0074]
......]
[0075]
多相滤波器的时分卷积器的设计：通过乘累加模块实现滤波器卷积计算，与非多
相滤波器不一样的是：在滤波器输出端一个反馈累加器用于累加不同相位的信号(见图7右上方)，累加器的延迟z-i为有效时隙数。滤波器的输出d_out即为最终结果。
[0076]
综上所述，本发明设计了基于非多相(用于输入数据时隙占满)和多相结构(用于输入数据时隙未占满)的多带宽信道滤波器。梳理设计步骤如下：(1)根据是否大于1确定是否采用多相结构，(2)根据载波采样率设计延迟结构，如图6图9所示，串行延迟链为q*r个z-n
(式2)，对于更具一般性的多相滤波器(非多相滤波器是多相滤波器的一个特例)，其中r等于或乘法器mux根据图6图9上方的表项选择输入数据。(3)设计系数的存储和时分选择，根据采用非多相滤波或多相滤波，系数被存储成一维向量和二维阵列，并按先不同带宽载波后不同相位提取系数，当不同带宽的系数一样时，系数存储空间可以进一步减少。(4)设计时分卷积器，对于对称系数滤波器，对称系数先相加再乘以系数。当采用多相结构时，需在输出端设计额外的累加器，累加延迟周期为有效时隙数。
[0077]
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员而言，本发明可以有各种变化和更改。凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种5g nr多带宽信道滤波器，其特征在于：包括时变延迟模块、系数储存和时分选择模块和多相滤波器结构，所述多相滤波器结构根据当前相位值，选取系数储存和时分选择模块中存储的当前时隙带宽的当前相位的系数值，同时时变延迟模块在不同载波带宽时隙根据当前相位选择不同的延迟链抽头，并与系数储存和时分选择模块的输出系数值进行时分卷积运算，输出最终的结果。2.根据权利要求1所述的一种5g nr多带宽信道滤波器，其特征在于：所述时变延迟模块包括时变延迟链，所述时变延迟链由一个二维矩阵构成，如式(1)所述，二维矩阵有q*r个延迟单元，每个延迟单元为n个时钟周期的延迟，n等于其中m为多相滤波器的相位个数，m等于i为输入数据占用的有效时隙数，fclk为工作时钟，fmax
s
为最大带宽载波的采样率；为最大带宽载波的采样率；为最大带宽载波的采样率；3.根据权利要求2所述的一种5g nr多带宽信道滤波器，其特征在于：对于多相滤波器结构，式(1)时延矩阵的每一列包含最小带宽相邻阶数需要的延迟量，单位列向量由个，每个包含m个多相的子延迟链构成，每列的延迟单元数q等于fmin
s
为最小带宽载波的采样率，矩阵的列数r表示乘法器的数量，根据系数的非对称性或对称性，r等于或或l为滤波器阶数；非对称系数滤波器：对称系数滤波器:4.根据权利要求3所述的一种5g nr多带宽信道滤波器，其特征在于：所述系数储存和时分选择模块包括系数储存模块、系数时分选择模块和时分卷积器，所述时分卷积器的系数是时变的，是一个二维存储阵列，设第i种载波的第j阶系数为h(i,j)，则第k个乘法器的对应系数存储阵列如下：
该阵列为m*i阵列，m定义见(式3)，i表示带宽的个数，阵列的每一行表示某个带宽的m个不同相位；阵列的每一列表示不同带宽的相应系数。5.根据权利要求4所述的一种5g nr多带宽信道滤波器，其特征在于：所述时变的顺序为先列后行：先遍历不同带宽载波后遍历不同相位的同阶系数。6.根据权利要求5所述的一种5g nr多带宽信道滤波器，其特征在于：所述多相滤波器结构的乘法器的两个输入端分别是时变延迟链和存储系数模块，当输入数据未占满所有时隙，即fclk大于fmax
s
*i，在数据流进入延迟链之前，有效的串行数据需要拷贝至冗余时隙,使得乘法器的输入mux在不同相位时仍然选择z-n*m
延迟链的端点，而无需选择z-n*m
内部的z-n
节点来做时分卷积；数据mux用于选择不同载波和不同相位的数据，mux从时间间隔(根据载波带宽,n＝0,1,2,......)的延迟抽头点获取相应数据，送至乘法器中；分为两级mux，第一级mux用于选择不同的相位，第二级mux用于选择不同的载波，在多相滤波器结构的输出端设有一个反馈累加器用于累加不同相位的信号，累加器的延迟z-i
为有效时隙数，多相滤波器结构的输出d_out即为最终结果。

技术总结
本发明公开了一种5G NR多带宽信道滤波器，属于通信技术领域，包括时变延迟模块、系数储存和时分选择模块和多相滤波器结构，所述多相滤波器结构根据当前相位值，选取系数储存和时分选择模块中存储的当前时隙带宽的当前相位的系数值，同时时变延迟模块在不同载波带宽时隙根据当前相位选择不同的延迟链抽头，并与系数储存和时分选择模块的输出系数值进行时分卷积运算，输出最终的结果。输出最终的结果。输出最终的结果。


技术研发人员：徐捷
受保护的技术使用者：南京典格通信科技有限公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/8/1