CN101599941A - 一种正交频分复用信号的产生方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM信号产生的方法和装置，在将长度为N_P的时域调制信号变换成频域信号之后，对其进行M点的IDFT，然后对IDFT后得到的时域信号进行插值和滤波，使得该时域信号长度为N，再对滤波后的信号进行频移，使得其满足需要产生的信号的设定频域位置要求，即得到需要产生的OFDM信号。因为M是等于2ⁿ并且大于等于N_P的最小数，所以与现有技术中N点的IDFT相比，M远远小于N，因而采用本发明的OFDM信号产生的方法和装置，可以减小产生OFDM信号时的乘法计算量，提高处理速度，减少运算资源的耗费。

Description

一种正交频分复用信号的产生方法和装置

技术领域

本发明涉及正交频分复用技术，特别涉及一种正交频分复用信号的产生方法和装置。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术被认为是实现高速数据传输的一种非常有效的手段。目前，OFDM技术已经成功地应用于数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)以及无线局域网等技术中，并且被认为是下一代移动通信系统中最具吸引力的核心技术之一。

OFDM技术是一种多载波传输技术，其主要思想是：将信道总带宽划分成若干个正交的子载波，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子载波上进行传输。与传统的多载波传输相比，OFDM可以使用更多的更窄的彼此正交的子载波进行传输。

以长期演进(LTE)系统中的OFDM信号为例，说明现有技术中OFDM信号的产生方法。上行传输采用单载波频分多址(SC-FDMA)信号，要求所产生的OFDM信号的长度为N，其中N是等于2ⁿ并且大于总带宽划分成的正交子载波个数的最小数，且2ⁿ的指数n为正整数。并且要求所产生的OFDM信号满足协议要求的设定频域位置。现有技术中产生OFDM信号的方法包括以下步骤：

步骤一：传输的时域调制信号的时域长度记为N_P，对长度为N_P的时域调制信号进行N_P点的离散傅立叶变换(DFT)，将其变换成长度为N_P的频域信号。

步骤二：将步骤一得到的长度为N_P的频域信号映射到逆离散傅立叶变换(IDFT)输入端的N_P个正交子载波上，然后进行N点的IDFT，将其变换成时域信号，即得到长度为N的OFDM信号。由于N＞N_P，在进行N点的IDFT时，则将N点中N_P点以外的其它点设置为0。因为IDFT的点数N与需要产生的OFDM信号长度相等，所以产生的OFDM信号满足协议要求的设定频域位置。

完成步骤二之后，已经得到长度为N的OFDM信号。为了最大限度的消除信号间的干扰，目前大多数OFDM信号产生方法还会在步骤二之后为OFDM信号插入循环前缀(CP)，即步骤三：为步骤二得到的长度为N的时域信号插入CP，每个OFDM信号所插入的CP是该OFDM信号尾端数据的复制，在该OFDM信号的起始位置插入CP，用以消除信号间干扰和子载波间干扰。

在实际应用中，存在大量的产生N＞＞N_P的OFDM信号的需要。物理随机接入信道(PRACH)信号属于OFDM信号。在标准3GPPTS.36.211中规定了PRACH信号的5种格式，以格式1的PRACH信号为例，协议要求其占用的子载波数N_P＝839，而IDFT的点数N＝24576，可见N＞＞N_P，这种情况下采用现有的OFDM信号产生方法，进行N点的IDFT需要的乘法计算量为

所需的运算量太大，这就造成在产生OFDM信号时信号处理的速度慢，并且耗费很多的运算资源。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种OFDM信号产生的方法，采用该方法可以在产生OFDM信号时减小乘法计算量。

本发明的另一目的在于提供一种OFDM信号产生的装置，采用该装置可以在产生OFDM信号时减小乘法计算量。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开了一种正交频分复用OFDM信号的产生方法，包括以下步骤：

A、对长度为N_P的时域调制信号进行N_P点的离散傅里叶变换DFT，将其变换成长度为N_P的频域信号；

B、将长度为N_P的频域信号映射到M点的逆离散傅里叶变换IDFT输入端的N_P个正交子载波上，并对其进行M点的IDFT，得到长度为M的时域信号，其中M是等于2ⁿ并且大于等于N_P的最小数，n为正整数；

C、对长度为M的时域信号进行插值，插值增加的倍数为L＝N/M，得到长度为N的时域信号，N为所需产生的OFDM信号长度，N＞M＞N_P；

D、对长度为N的时域信号进行滤波；

E、根据OFDM信号的设定频域位置对.后的时域信号进行频移。

所述步骤E之后进一步包括：

在频移后的信号的起始位置插入循环前缀CP。

步骤C所述插值的方法为在长度为M的时域信号中相邻的两个点之间补零。

步骤D所述滤波为低通滤波，采用数字低通滤波器，所述数字低通滤波器的频率响应为 $H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{L}& 0\≤\left|\mathrm{\ω}\right|\≤\frac{N^{\′}}{N}\mathrm{\π}\\ 0& \end{array}\right.,$ 其中N′为N_p与M之间的一个整数。

步骤E所述频移的频移量为k＝N₀/2-k₀-N_p/2，其中N₀为有效子载波个数，k₀为需要产生的OFDM信号的正交子载波的频域起始位置。

本发明还公开了一种正交频分复用OFDM信号的产生装置，该装置包括：

离散傅里叶变换DFT单元，接收时域调制信号，从中取出长度为N_P的时域调制信号，对其进行N_P点的DFT，将其变换成长度为N_P的频域信号并输出到逆离散傅里叶变换IDFT单元；

IDFT单元，接收DFT单元输出的长度为N_P的频域信号并对其进行M点的IDFT，得到长度为M的时域信号并输出到插值单元，其中M是等于2ⁿ并且大于等于N_P的最小数，n为正整数，N＞M＞N_P；

插值单元，接收IDFT单元输出的长度为M的时域信号并对其进行插值，得到长度为N的信号并将其输出到滤波单元，插值增加的倍数为L＝N/M；

滤波单元，接收插值单元输出的长度为N的信号，对其进行滤波并将滤波后的信号输出到频移单元；

频移单元，接收滤波单元输出的滤波后的信号，根据需要产生的OFDM信号的所需满足的设定频域位置对其进行频移，并输出频移后的信号。

所述装置中进一步包括：

循环前缀CP单元，接收频移单元输出的频移后的信号，并在其起始位置插入CP。

所述插值单元在长度为M的时域信号中相邻的两个点之间补零。

所述滤波单元进行滤波，采用数字低通滤波器，所述数字低通滤波器的频率响应为 $H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{L}& 0\≤\left|\mathrm{\ω}\right|\≤\frac{N^{\′}}{N}\mathrm{\π}\\ 0& \end{array}\right.,$ 其中N′为N_p与M之间的一个整数。

所述频移单元的频移量k＝N₀/2-k₀-N_p/2，其中N₀为有效子载波个数，k₀为需要产生的OFDM信号的正交子载波的频域起始位置。

由上述的技术方案可见，本发明的OFDM信号产生的方法和装置，在将长度为N_P的时域调制信号变换成频域信号之后，对其进行M点的IDFT，然后对IDFT后得到的时域信号进行插值和滤波，使得该时域信号长度为N，再对滤波后的信号进行频移，使得其满足需要产生的信号的设定频域位置要求，即得到需要产生的OFDM信号。因为M是等于2ⁿ并且大于等于N_P的最小数，所以与现有技术中N点的IDFT相比，M远远小于N，因而减小了产生OFDM信号时的乘法计算量，提高了处理速度，减少了运算资源的耗费。

附图说明

图1为本发明较佳实施例OFDM信号的产生方法的流程图。

图2为本发明较佳实施例OFDM信号的产生装置的结构图。

图3为采用本发明OFDM信号的产生方法产生的PRACH信号的检测结果示意图。

图4为采用现有技术OFDM信号的产生方法产生的PRACH信号的检测结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的OFDM信号产生的方法，在将长度为N_P的时域调制信号变换成频域信号之后，对其进行M点的IDFT，M是等于2ⁿ并且大于等于N_P的最小数，且2ⁿ的指数n为正整数，然后对IDFT后得到的时域信号进行插值和滤波，使得该时域信号长度为N，再对滤波后的信号进行频移，使得其满足需要产生的信号的设定频域位置要求，即得到需要产生的OFDM信号。

图1为本发明的一个较佳实施例的OFDM信号产生方法的流程图。要求根据长度为N_P的时域调制信号产生长度为N的OFDM信号，并且所产生的OFDM信号满足设定的频域位置，参见图1，本发明OFDM信号产生方法的具体步骤如下。

步骤101：与现有技术中的步骤一相同，将长度为N_P的时域调制信号进行N_P点的DFT，将其变换成长度为N_P的频域信号zc(n)。

步骤102：将步骤101得到的长度为N_P的频域信号zc(n)映射到M点的IDFT输入端的N_P个正交子载波上，并对其进行M点的IDFT，得到长度为M的时域信号z(t)，即：

z(t)＝IDFT(zc(n)，M)

其中，IDFT的点数M是等于2ⁿ并且大于等于N_P的最小数，2ⁿ的指数n为正整数。

步骤103：对步骤102得到的时域信号z(t)进行插值，得到长度为N的时域信号v(t)。

对M点的IDFT后的时域信号z(t)进行插值，以L表示插值增加的倍数，要求L＝N/M。在此步骤中可以采用多种方法完成插值，其中一个最简单的方法是在相邻的两个点之间补零，此处仅以此方法为例，其它能够完成插值的方法均可采用，只需满足插值增加倍数L＝N/M即可。

在相邻的两个点之间补零后，得到插值后的信号v(t)为：

步骤104：采用特别设计的数字低通滤波器对步骤103得到的时域信号v(t)进行滤波，输出时域信号y(t)。

由于步骤103的插值过程会造成信号v(t)中含有多余的频率成份，所以需要对v(t)进行滤波。步骤可以采用带通或低通滤波，以低通滤波为例，设计一个数字低通滤波器，要求其技术指标为：频率响应在 $0\≤\left|\mathrm{\ω}\right|\≤\frac{N^{\′}}{N}\mathrm{\π}$ 之间为

在 $\frac{N^{\&prime;}}{N}\mathrm{\&pi;}<\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;\mathrm{\&pi;}$ 之间为0。其中，N′为N_p＜N′＜M之间的一个整数，L为步骤103中插值增加的倍数，L＝N/M。因为需要产生的OFDM信号具有保护频带，所以要求设计的滤波器的通频带平稳；而只要保证需要产生的OFDM信号在滤波器的通频带中，滤波器的过渡带宽和阻带中的其它信号就不会影响需要产生的OFDM信号，所以不严格要求滤波器的过渡带宽和阻带。为此，将低通滤波器的频率响应设计为：

$H\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{L}& 0\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;\frac{N^{\&prime;}}{N}\mathrm{\&pi;}\\ 0& \end{array}\right.,$

满足上述要求的低通滤波器很多，均可以采用。此处仅以一个2阶巴特沃斯滤波器为例，滤波器的传递函数为：

b＝[0.0035 0.0069  0.0035]

a＝[1.0000 -1.8268 0.8407]

$H\left(z\right)=\frac{B\left(z\right)}{A\left(z\right)}=\frac{b\left(1\right)+b\left(2\right)z^{-1}+b\left(3\right)z^{-2}}{1+a\left(2\right)z^{-1}+a\left(3\right)z^{-2}}=\frac{0.0035+0.0069z^{-1}+0.0035z^{-2}}{1-1.8268z^{-1}+{0.8407z}^{-2}}$

则采用上述2阶巴特沃斯低通滤波器，其输出y(t)与输入v(t)的关系为：

y(t)-1.8268y(t-1)+0.8407y(t-2)＝0.0035v(t)+0.0069v(t-1)+0.0035v(t-2)

步骤105：对低通滤波器输出的时域信号y(t)进行频移，得到信号s(t)。

OFDM技术使用彼此正交的子载波进行传输，因此要求传输信号满足设定的频域位置。如果采用低通滤波器，其输出的时域信号y(t)是以零点为中心的两边分布，因此需要对y(t)进行频移。以k₀表示需要产生的OFDM信号的正交子载波的频域起始位置，以k表示对y(t)进行频移的频移量，则k＝N₀/2-k₀-N_p/2。其中，N₀为有效子载波个数，有效子载波是产生OFDM信号所依据的标准中规定的总带宽中允许使用的子载波。对时域信号y(t)频移k后，得到信号s(t)，即：

s(t)＝y(t)e^(-j2πnk)/N

步骤105得到的信号s(t)即为需要产生的OFDM信号。与现有技术相同，为了最大限度的消除信号间的干扰，可以在步骤105之后对OFDM信号插入CP，即步骤106。

步骤106：与现有技术中的步骤三相同，在频移后的信号s(t)的起始位置插入CP。每个OFDM信号所插入的CP是该OFDM信号尾端数据的复制，在该OFDM信号的起始位置插入CP，用以消除信号间干扰和子载波间干扰。

采用图1所示实施例的本发明的OFDM信号产生方法，需要相应的OFDM信号产生装置，该装置的组成结构如图2所示。

参见图2，本发明的OFDM信号产生装置包括DFT单元201、IDFT单元202、插值单元203、滤波单元204和频移单元205，并且在频移单元205之后还可以包括CP单元206。

将长度为N_P的时域调制信号输入DFT单元201，DFT单元201对其进行N_P点的DFT，得到频域信号zc(n)，并将zc(n)输出到IDFT单元202。IDFT单元202接收DFT单元201输出的频域信号zc(n)，对其进行M点的IDFT，得到长度为M的时域信号z(t)，并将其输出到插值单元203。IDFT的点数M是等于2ⁿ并且大于等于N_P的最小数，2ⁿ的指数n为正整数。插值单元203接收IDFT单元202输出的时域信号z(t)，并对其进行增加倍数L＝N/M的插值，得到长度为N的信号v(t)并将其输出到滤波单元204。插值单元203可以采用多种方法完成插值，以在相邻的两个点之间补零的方法为例，插值后的信号v(t)为

滤波单元204可以采用带通或低通滤波器，以低通滤波为例，采用特别设计的数字低通滤波器，接收插值单元203输出的插值后的信号v(t)，对其进行低通滤波，得到时域信号y(t)，并将其输出到频移单元205。频移单元205接收滤波单元204滤波后的时域信号y(t)，对其进行频移量为k的频移，得到OFDM信号s(t)，并将其输出到CP单元206。频移量k＝N₀/2-k₀-N_p/2，其中N₀为有效子载波个数，有效子载波是产生OFDM信号所依据的标准中规定的总带宽中允许使用的子载波，k₀为需要产生的OFDM信号的正交子载波的频域起始位置。CP单元206接收频移单元205输出的OFDM信号s(t)，并在其起始位置插入CP。

在滤波单元204中，将采用的数字低通滤波器的技术指标设计为：频率响应在 $0\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;\frac{N^{\&prime;}}{N}\mathrm{\&pi;}$ 之间为

在 $\frac{N^{\&prime;}}{N}\mathrm{\&pi;}<\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;\mathrm{\&pi;}$ 之间为0。其中，N′为N_p＜N′＜M之间的一个整数。要求数字低通滤波器的通频带平稳，对过渡带宽和阻带要求不严格。将数字低通滤波器的频率响应设计为： $H\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{L}& 0\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;\frac{N^{\&prime;}}{N}\mathrm{\&pi;}\\ 0& \end{array}\right..$ 满足上述要求的数字低通滤波器很多，均可以采用。以一个2阶巴特沃斯滤波器为例，其传递函数为：

b＝[0.0035 0.0069  0.0035]

a＝[1.0000 -1.8268 0.8407]

$H\left(z\right)=\frac{B\left(z\right)}{A\left(z\right)}=\frac{b\left(1\right)+b\left(2\right)z^{-1}+b\left(3\right)z^{-2}}{1+a\left(2\right)z^{-1}+a\left(3\right)z^{-2}}=\frac{0.0035+0.0069z^{-1}+0.0035z^{-2}}{1-1.8268z^{-1}+{0.8407z}^{-2}}$

则采用此2阶巴特沃斯低通滤波器，其输出y(t)与输入v(t)的关系为：

y(t)-1.8268y(t-1)+0.8407y(t-2)＝0.0035v(t)+0.0069v(t-1)+0.0035v(t-2)

PRACH信号是一种特殊的FODM信号。以62个用户共享一个PRACH为例，经过基站检测得到：采用本发明OFDM信号产生方法和装置所产生的PRACH信号如图3所示；采用现有技术所产生的PRACH信号如图4所示。通过对比图3和图4可以发现，本发明OFDM信号产生方法和装置所产成的PRACH信号达到了与现有技术相同的效果。

与现有的技术相比，本发明OFDM信号产生方法减少了计算量。现有技术采用N点的IDFT，所需要的乘法计算量为

而本发明滤波的乘法计算量为(2a+1)×N，其中a为步骤104所采用的滤波器的阶数，M点的IDFT的计算量非常小，可以忽略。例如，系统带宽20M，标准3GPPTS.36.211中规定的格式1的PRACH信号，N_P＝839，IDFT的点数N＝24576，则采用现有技术所需的乘法计算量为179220，而采用本发明OFDM信号产生方法，二阶低通滤波器乘法计算量为122835，计算量减小了31％。

由上述实施例可见，采用本发明的OFDM信号产生的方法和装置，在将长度为N_P的时域调制信号变换成频域信号之后，对其进行M点的IDFT，然后对IDFT后得到的时域信号进行插值和滤波，使得该时域信号长度为N，再对滤波后的信号进行频移，使得其满足需要产生的信号的设定频域位置要求，即得到需要产生的OFDM信号。因为M是等于2ⁿ并且大于等于N_P的最小数，所以与现有技术中N点的IDFT相比，M远远小于N，减小了产生OFDM信号的乘法计算量，提高了信号处理速度，减少了运算资源的耗费。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种正交频分复用OFDM信号的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、对长度为N_P的时域调制信号进行N_P点的离散傅里叶变换DFT，将其变换成长度为N_P的频域信号；

B、将长度为N_P的频域信号映射到M点的逆离散傅里叶变换IDFT输入端的N_P个正交子载波上，并对其进行M点的IDFT，得到长度为M的时域信号，其中M是等于2ⁿ并且大于等于N_P的最小数，n为正整数；

C、对长度为M的时域信号进行插值，插值增加的倍数为L＝N/M，得到长度为N的时域信号，N为所需产生的OFDM信号长度，N＞M＞N_P；

D、对长度为N的时域信号进行滤波；

E、根据OFDM信号的设定频域位置对后的时域信号进行频移。

2、如权利要求1所述的OFDM信号的产生方法，其特征在于，所述步骤E之后进一步包括：

在频移后的信号的起始位置插入循环前缀CP。

3、如权利要求1或2所述的OFDM信号的产生方法，其特征在于，步骤C所述插值的方法为在长度为M的时域信号中相邻的两个点之间补零。

4、如权利要求1或2所述的OFDM信号的产生方法，其特征在于，步骤D所述滤波为低通滤波，采用数字低通滤波器，所述数字低通滤波器的频率响应为 $H\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{L}& 0\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;\frac{N^{\&prime;}}{N}\mathrm{\&pi;}\\ 0& \end{array}\right.,$ 其中N′为N_p与M之间的一个整数。

5、如权利要求1或2所述的OFDM信号的产生方法，其特征在于，步骤E所述频移的频移量为k＝N₀/2-k₀-N_p/2，其中N₀为有效子载波个数，k₀为需要产生的OFDM信号的正交子载波的频域起始位置。

6、一种正交频分复用OFDM信号的产生装置，其特征在于，该装置包括：

离散傅里叶变换DFT单元，接收时域调制信号，从中取出长度为N_P的时域调制信号，对其进行N_P点的DFT，将其变换成长度为N_P的频域信号并输出到逆离散傅里叶变换IDFT单元；

IDFT单元，接收DFT单元输出的长度为N_P的频域信号并对其进行M点的IDFT，得到长度为M的时域信号并输出到插值单元，其中M是等于2ⁿ并且大于等于N_P的最小数，n为正整数，N＞M＞N_P；

插值单元，接收IDFT单元输出的长度为M的时域信号并对其进行插值，得到长度为N的信号并将其输出到滤波单元，插值增加的倍数为L＝N/M；

滤波单元，接收插值单元输出的长度为N的信号，对其进行滤波并将滤波后的信号输出到频移单元；

频移单元，接收滤波单元输出的滤波后的信号，根据需要产生的OFDM信号的所需满足的设定频域位置对其进行频移，并输出频移后的信号。

7、如权利要求6所述的OFDM信号的产生装置，其特征在于，所述装置中进一步包括：

循环前缀CP单元，接收频移单元输出的频移后的信号，并在其起始位置插入CP。

8、如权利要求6或7所述的OFDM信号的产生装置，其特征在于，所述插值单元在长度为M的时域信号中相邻的两个点之间补零。

9、如权利要求6或7所述的OFDM信号的产生装置，其特征在于，所述滤波单元进行滤波，采用数字低通滤波器，所述数字低通滤波器的频率响应为 $H\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{L}& 0\&le;\left|\mathrm{\&omega;}\right|\&le;\frac{N^{\&prime;}}{N}\mathrm{\&pi;}\\ 0& \end{array}\right.,$ 其中N′为N_p与M之间的一个整数。

10、如权利要求6或7所述的OFDM信号的产生装置，其特征在于，所述频移单元的频移量k＝N₀/2-k₀-N_p/2，其中N₀为有效子载波个数，k₀为需要产生的OFDM信号的正交子载波的频域起始位置。

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