CN101616114B

CN101616114B - 正交多子带传输波形的生成方法及其装置

Info

Publication number: CN101616114B
Application number: CN 200810043544
Authority: CN
Inventors: 张小东; 简相超; 陈垚; 吴涛
Original assignee: Spreadtrum Communications Shanghai Co Ltd
Current assignee: Spreadtrum Communications Shanghai Co Ltd
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-06-24
Also published as: CN101616114A

Abstract

本发明涉及无线通信领域，公开了一种正交多子带传输波形的生成方法及其装置。本发明中，通过在时域对各路数据进行sinc滤波而生成正交多子带传输波形，相对于现有技术中时域滤波方式，避免了保护带的引入，提高了频谱效率。sinc函数的最大点和第一过零点之间的距离为1/子带带宽，采样间隔为1/系统带宽。通过对数据进行循环拓展后再进行时域sinc滤波，将sinc滤波结果中的指定部分作为有效滤波结果输出，所需的存储空间更小，控制更为简单。

Description

正交多子带传输波形的生成方法及其装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及正交多子带传输波形的生成技术。

背景技术

为了能在空中接口高效地传输数据，有一种做法是将整个频带划分成若干个通常互为正交的子带，每个子带中传一路数据，子带中以数据块为单位进行传输，每个数据块通常包括多个数据信息并以一个循环前缀(CyclicPrefix，简称“CP”)保护。

为了能够进行子带的传输，需要根据待传输的数据生成子带波形。子带波形的生成有频域和时域两种实现方式。其中频域的实现方式基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，简称“FFT”)/逆向快速傅立叶变换(InverseFast Transform，简称“IFFT”)变换对，即先通过FFT将数据块变换到频域，在频域和滤波器的频率响应相乘，然后通过IFFT再变回到时域，形成时域的单载波形式的子带信号。

频域实现方式比较直接，但当数据块时域时间窗较长或时域采样率较高时需要非常大的FFT/IFFT变换，实现复杂度较大，在这种情况下，采用时域滤波的方式复杂度较小。

已有的时域实现方式将数据块与时域滤波器进行卷积运算，将时域滤波后的结果超出时域时间窗的部分拷贝到时域时间窗内并叠加起来，其具体过程如图1所示。

图1(a)是子带滤波器的时域波形，其中Tb是以CP保护的子带数据块的长度；图1(b)是要发送的调制后数据。二者卷积结果如图1(c)所示，分为block0，block1，blockp1三部分。如果子带滤波器的带宽较窄，时域波形拖尾较长，卷积结果还会有block2，block3，...和blockp2，blockp3，...等部分。这些部分需要叠加起来，如图1(d)、(e)、(f)所示，最终得到图1(g)的结果。

可以看出，已有的时域滤波方法采用了拷贝相加的办法，需要较大的存储空间和较复杂的控制，尤其是在子带滤波器系数较多情况下更为严重。

图1只是一个子带的情况，不过从图1也可以看出，时域滤波器波形的频域响应有过渡带，在将多个子带映射到系统带宽内时，为了保证各个子带之间保持正交，各子带之间需要有过渡带，过渡带的存在降低了频谱使用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种正交多子带传输波形的生成方法及其装置，可以在时域生成正交多子带传输波形而无需引入保护带。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种正交多子带传输波形的生成方法，包括以下步骤：

对M路数据分别进行sinc滤波，M＞1；

对M路经sinc滤波后的数据分别进行数字频率移位，将各路数据分别移至该路所对应的子带的频率处；

将M路经数字频率移位的数据相加后作为正交多子带传输波形输出。

本发明的实施方式还提供了一种正交多子带传输波形的生成方法，包括以下步骤：

对M路数据进行离散傅立叶逆变换得到M路变换结果，每次变换时从M路数据中各取一个数据组成M个数据进行变换，M＞1；

将M路变换结果分别经M个不同的多相成分滤波器进行滤波；

将M个多相成分滤波器输出的M路滤波结果延时相加后作为正交多子带传输波形输出；

其中，sinc滤波器的波形在时域M倍过采样后被分成M个多相成分滤波器，每个多相成分滤波器的系数是该sinc滤波器系数个数的M分之一。

本发明的实施方式还提供了一种正交多子带传输波形的生成装置，包括：

M个sinc滤波器，分别用于对M路数据进行sinc滤波，M＞1；

M个数字频率移位单元，分别用于对M路经sinc滤波器滤波后的数据进行数字频率移位，将各路数据分别移至该路所对应的子带的频率处；

加法单元，用于将M路经数字频率移位单元处理的数据相加后作为正交多子带传输波形输出。

IDFT单元，用于对M路数据进行离散傅立叶逆变换得到M路变换结果，每次变换时从M路数据中各取一个数据组成M个数据进行变换，M＞1；

M个不同的多相成分滤波器，分别用于对IDF单元输出的M路变换结果中的一路进行滤波；

M个不同的延时单元，分别用于对M个多相成分滤波器输出的M路滤波结果中的一路进行延时处理；

加法单元，用于将经M个延时单元处理的M路数据相加后作为正交多子带传输波形输出；

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

通过在时域对各路数据进行sinc滤波而生成正交多子带传输波形，相对于现有技术中时域滤波方式，避免了保护带的引入，提高了频谱效率，相对于频域实现方式避免了对较大FFT/IFFT的要求。

进一步地，sinc函数的最大点和第一过零点之间的距离为1/子带带宽，与子带带宽匹配，滤波效果最佳。采样间隔为1/系统带宽，既有足够的精度数据量又不是太大。

进一步地，通过对数据进行循环拓展后再进行时域sinc滤波，将sinc滤波结果中的指定部分作为有效滤波结果输出，所需的存储空间更小，控制更为简单。

进一步地，可以以循环缓存的使用大小作为数据块的长度，这样就可以通过控制循环缓存的使用大小来产生不同时域长度的传输符号，以及相应的循环前缀。特别在应用场景要求不同的CP长度时，就可以调整传输符号的长度，使得系统的频谱效率保持稳定，同时传输符号的除多普勒偏移特性之外的传输特性比如频率偏移特性、定时偏移特性并不改变。

进一步地，通过将一个数据流分在多个子带中传输，可以同时拥有较好的功率峰均比和抗频域选择性干扰性能。

另一个方案中，对M路数据进行离散傅立叶逆变换(Inverse DiscreteFourier Transformation，简称“IDFT”)，再由M个多相成分滤波器分别滤波后延时相加，M个子带同时产生的计算复杂度只想当于一个sinc滤波器的运算量，提高了运算效率。虽然作了一次IDFT，不过该IDFT的大小与子带的个数有关，一般子带宽度较宽，整个系统内子带的个数不会太大，这样IDFT也不会太大，实现复杂度较低。

附图说明

图1是现有技术中子带波形的滤波后拷贝相加的生成方法示意图；

图2是本发明第一实施方式中正交多子带传输波形的生成方法流程示意图；

图3是本发明第一实施方式中给定频域带宽矩形正交谱及其时域滤波器波形示意图；

图4是本发明第二实施方式中正交多子带传输波形的生成方法流程示意图；

图5是本发明第三实施方式中正交多子带传输波形的生成装置结构示意图；

图6是本发明第二和第四实施方式中sinc滤波器的多相分解示意图；

图7是本发明第四实施方式中正交多子带传输波形的生成装置结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种正交多子带传输波形的生成方法，其流程如图2所示。

在步骤201中，将同一个数据流中的数据分为M路，M为大于1的整数，即M路数据属于同一数据流。通过将一个数据流分在多个子带中传输，可以同时拥有较好的功率峰均比和抗频域选择性干扰性能。每一路数据对应一个子带，各个子带的带宽可以相同也可以不同。

可以理解，M路数据也可以分别属于同一用户设备的不同的数据流。

此后进入步骤202，在每一路中，以数据块(由连续的N个数据组成，N＞1)为基础，在该数据块的前后分别进行循环拓展，得到一个序列。可通过以下方式实现循环拓展：

将数据块保存在循环缓存中，依次循环输出循环缓存中数据，得到序列，其中N为该循环缓存的使用大小。循环缓存的总容量可能较大，但循环缓存实际被使用的大小可能只是总容量的一部分，而实际被使用的那部分大小是可以控制的。

本实施方式以循环缓存的使用大小作为数据块的长度，这样就可以通过控制循环缓存的使用大小来产生不同时域长度的传输符号，以及相应的循环前缀。特别在应用场景要求不同的CP长度时，就可以调整传输符号的长度，使得系统的频谱效率保持稳定，同时传输符号除多普勒偏移特性之外的传输特性比如频率偏移特性、定时偏移特性并不改变。

此后进入步骤203，对M路数据分别以sinc滤波器进行sinc滤波。

sinc滤波器是一个全部除去给定带宽之上的信号分量而只保留低频信号的理想电子滤波器。在频域它的形状象一个矩形函数，在时域它的形状象一个sinc函数。sinc函数：y(t)＝sin(π＊t)/π/t。

本实施方式中，sinc滤波所使用的sinc函数的最大点和第一过零点之间的距离为1/BWsb，数据的时域采样间隔是1/BW，其中BWsb是进行sinc滤波的一路数据所对应的子带的带宽，BW是系统带宽。sinc函数的最大点和第一过零点之间的距离为1/子带带宽，与子带带宽匹配，滤波效果最佳。采样间隔为1/系统带宽，既有足够的精度数据量又不是太大。

图3示出sinc滤波器参数的一个例子，在图三(a)中，待产生子带信号带宽为BWsb，整个系统带宽为BW，其中BW＝3×BWsb。对应的，在图3(b)的时域波形中，sinc函数最大点和第一过零点的距离为1/BWsb，以虚竖线代表的时域采样点间隔为1/BW。图3的例子中系统带宽是子带带宽的3倍，在本发明的其它例子中，也可以是其它的倍数关系。随着系统带宽BW和子带带宽BWsb比例的不同，时域滤波器的波形也有所不同，图3中波形和采样点的关系表示了这一状况。

此外，可以理解，也可以采用更大时域采样间隔以减少数据量，或采用更小的时域采样间隔以提高精度。在实际应用中，考虑到进行sinc滤波的sinc滤波器可能无法精确地实现sinc函数，所以在一些应用场景下sinc函数的最大点和第一过零点之间的距离可能不是1/BWsb。

此后进入步骤204，从sinc滤波的滤波结果中，选择在时间上与数据块输入sinc滤波器的时间段相对应的部分作为有效滤波结果。有效滤波结果的长度可以是N，这种情况下还要再增加为该有效滤波结果增加CP的步骤。有效滤波结果的长度也可以是N加上CP的长度，这样加CP的步骤就可以省掉了。

步骤204与步骤202协同使用，步骤202中所得序列的长度应满足以下条件：如果在序列的前后再进行循环拓展，则有效滤波结果不变。

通过对数据进行循环拓展后再进行时域sinc滤波，将sinc滤波结果中的指定部分作为有效滤波结果输出，所需的存储空间更小，控制更为简单。

可以理解，当然也可以不使用循环拓展的方式，也就是不要步骤202和204，而是根据类似图1的现有技术，将sinc滤波后的结果超出时域时间窗的部分拷贝到时域时间窗内并叠加起来。

此后进入步骤205，对M路经sinc滤波后的有效滤波结果分别进行数字频率移位，将各路数据分别移至该路所对应的子带的频率处。

此后进入步骤206，将M路经数字频率移位的数据相加后作为正交多子带传输波形输出。

本发明第二实施方式涉及一种正交多子带传输波形的生成方法，其流程如图4所示。

在步骤401中，将同一个数据流中的数据分为M路，M＞1，即M路数据属于同一数据流。通过将一个数据流分在多个子带中传输，可以同时拥有较好的功率峰均比和抗频域选择性干扰性能。

此后进入步骤402，对M路数据进行IDFT变换得到M路变换结果，每次变换时从M路数据中各取一个数据组成M个数据进行变换。

此后进入步骤403，将M路变换结果分别经M个不同的多相成分滤波器进行滤波。

这里介绍一下sinc滤波器的多相成分滤波器的概念。如图6所示，sinc滤波器的波形在时域M倍过采样后被分成M个多相成分滤波器，如E₀(Z^M)、E₁(Z^M)、直到E_M-1(Z^M)。这些多相成分滤波器系数个数只是原来滤波器系数个数的M分之一。图6中，M＝3。

此后进入步骤404，将M个多相成分滤波器输出的M路滤波结果延时相加后作为正交多子带传输波形输出。

对M路数据进行IDFT变换，再由M个多相成分滤波器分别滤波后延时相加，M个子带同时产生的计算复杂度只想当于一个sinc滤波器的运算量，提高了运算效率。虽然作了一次IDFT，不过该IDFT的大小与子带的个数有关，一般子带宽度较宽，整个系统内子带的个数不会太大，这样IDFT也不会太大，实现复杂度较低。

本发明的方法实施方式可以以软件、硬件、固件等等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可是换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。

本发明第三实施方式涉及一种正交多子带传输波形的生成装置，其结构如图5所示。该装置包括：

分路单元501，用于将同一个数据流中的数据分为M路，M＞1，每一路分别输出到一个循环缓存502。通过将一个数据流分在多个子带中传输，可以同时拥有较好的功率峰均比和抗频域选择性干扰性能。多路数据也可以属于不同的数据流，此时分路单元501可被省略。

M个循环缓存502，每个循环缓存502对应一路数据，用于以该路中连续的N个数据组成的数据块为基础，在该数据块的前后分别进行循环拓展，输出一个序列至该路对应的sinc滤波器503。

M个sinc滤波器503，分别用于对M路数据进行sinc滤波。通过在时域对各路数据进行sinc滤波而生成正交多子带传输波形，相对于现有技术中时域滤波方式，避免了保护带的引入，提高了频谱效率，相对于频域实现方式避免了对较大FFT/IFFT的要求。

sinc滤波器503所使用的sinc函数的最大点和第一过零点之间的距离为1/BWsb，数据的时域采样间隔是1/BW，其中BWsb是进行sinc滤波的一路数据所对应的子带的带宽，BW是系统带宽。

sinc滤波器参数可以根据子带宽度和系统采样频率/系统带宽调整，从而可以适应不同的应用环境。

M个中间缓存504，每个中间缓存504对应一路数据，用于在该路所对应的sinc滤波器503输出的滤波结果中，选择在时间上与数据块输入该sinc滤波器503的时间段相对应的部分作为有效滤波结果，输出到该路对应的数字频率移位单元505。

本实施方式中循环缓存502与中间缓存504是成对使用的。循环缓存502所生成的序列的长度应满足以下条件：如果在该序列的前后再进行循环拓展，则中间缓存504所输出的有效滤波结果没有变化。通过对数据进行循环拓展后再进行时域sinc滤波，将sinc滤波结果中的指定部分作为有效滤波结果输出，所需的存储空间更小，控制更为简单。

M个数字频率移位单元505，分别用于对M路经sinc滤波器503滤波后的数据进行数字频率移位，将各路数据分别移至该路所对应的子带的频率处。

加法单元506，用于将M路经数字频率移位单元505处理的数据相加后作为正交多子带传输波形输出。

第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第四实施方式涉及一种正交多子带传输波形的生成装置。该装置包括：

分路单元，用于将同一个数据流中的数据分为M路，输出到IDFT单元。

IDFT单元，用于对M路数据进行IDFT变换得到M路变换结果，每次变换时从M路数据中各取一个数据组成M个数据进行变换，M＞1。

M个不同的多相成分滤波器，分别用于对IDFT单元输出的M路变换结果中的一路进行滤波。其中，sinc滤波器的波形在时域M倍过采样后被分成M个多相成分滤波器，每个多相成分滤波器的系数是该sinc滤波器系数个数的M分之一。如图6示出了M＝3时sinc滤波器的多相分解形成3个多相成分滤波器E₀(Z^M)、E₁(Z^M)、E₂(Z^M)的原理图。

M个不同的延时单元，分别用于对M个多相成分滤波器输出的M路滤波结果中的一路进行延时处理。

加法单元，用于将经M个延时单元处理的M路数据相加后作为正交多子带传输波形输出。

本实施方式的一个例子如图7所示。在图7中，M×N个编码后数据符号被分流成M路，每路调制到一个子带上，每个子带有N个符号。I DFT单元(通常以I FFT实现)每次从此M路数据流中各取一个符号，变换到频域后分别经过多相成分滤波器E₀(Z^M)、E₁(Z^M)、......、E_M-1(Z^M)进行滤波，然后延时相加，其中Z是延时的长度。

本实施方式中IDFT的大小跟子带的个数有关，一般来说子带的宽度较宽，整个系统内子带的个数不会太大，这样IDFT不会太大，从而降低了实现复杂度。同时，多相滤波器E₀(Z^M)、E₁(Z^M)、直到E_M-1(Z^M)等的总的系数个数和原始sinc滤波器的个数一样多，M个子带同时产生的计算复杂度只相当于图5中一个sinc滤波器503的运算量。仔细设计多相滤波器的具体实现还会有复杂度上的节省。

第二实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

需要说明的是，本发明装置实施方式(第三和第四实施方式)中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合是才解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述装置实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种正交多子带传输波形的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

在M路数据的每一路中，以连续的N个数据组成的数据块为基础，在该数据块的前后分别进行循环拓展，得到一个序列，N＞1；

对M路数据分别进行sinc滤波，M＞1；

从sinc滤波的滤波结果中，选择在时间上与所述数据块输入进行所述sinc滤波的滤波器的时间段相对应的部分作为有效滤波结果；

对M路经sinc滤波后的有效滤波结果分别进行数字频率移位，将各路数据分别移至该路所对应的子带的频率处；

将M路经所述数字频率移位的数据相加后作为正交多子带传输波形输出；

其中，所述序列的长度应满足以下条件：如果在所述序列的前后再进行循环拓展，则所述有效滤波结果不变。

2.根据权利要求1所述的正交多子带传输波形的生成方法，其特征在于，所述进行sinc滤波的步骤中，sinc滤波所使用的sinc函数的最大点和第一过零点之间的距离为1/BWsb，数据的时域采样间隔是1/BW，其中BWsb是进行sinc滤波的一路数据所对应的子带的带宽，BW是系统带宽。

3.根据权利要求2所述的正交多子带传输波形的生成方法，其特征在于，通过以下方式实现所述循环拓展；

将所述数据块保存在循环缓存中，依次循环输出循环缓存中数据，得到所述序列，其中所述N为该循环缓存的使用大小。

4.根据权利要求3所述的正交多子带传输波形的生成方法，其特征在于，所述M路数据属于同一数据流，在所述循环拓展的步骤之前还包括以下步骤：

将同一个数据流中的数据分为M路，每一路分别进行所述循环拓展。

5.一种正交多子带传输波形的生成装置，其特征在于，包括：

M个sinc滤波器，分别用于对M路数据进行sinc滤波，M＞1；

M个数字频率移位单元，分别用于对M路经所述sinc滤波器滤波后的数据进行数字频率移位，将各路数据分别移至该路所对应的子带的频率处；

加法单元，用于将M路经所述数字频率移位单元处理的数据相加后作为正交多子带传输波形输出；

还包括M个循环缓存和M个中间缓存；

每个循环缓存对应一路数据，用于以该路中连续的N个数据组成的数据块为基础，在该数据块的前后分别进行循环拓展，输出一个序列至该路对应的sinc滤波器；

每个中间缓存对应一路数据，用于在该路所对应的sinc滤波器输出的滤波结果中，选择在时间上与所述数据块输入该sinc滤波器的时间段相对应的部分作为有效滤波结果，输出到该路对应的数字频率移位单元；

其中，所述序列的长度应满足以下条件：如果在所述序列的前后再进行循环拓展，则所述有效滤波结果没有变化。

6.根据权利要求5所述的正交多子带传输波形的生成装置，其特征在于，所述sinc滤波器所使用的sinc函数的最大点和第一过零点之间的距离为1/BWsb，数据的时域采样间隔是1/BW，其中BWsb是进行sinc滤波的一路数据所对应的子带的带宽，BW是系统带宽。

7.根据权利要求5所述的正交多子带传输波形的生成装置，其特征在于，还包括：

分路单元，用于将同一个数据流中的数据分为M路，每一路分别输出到一个所述循环缓存。