CN102664860A - 单边带多载波传输信号的调制和解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

单边带多载波传输信号的调制和解调方法及装置，涉及一种信号的调制和解调方法及装置，它为了降低系统占用的带宽。本发明利用每个子载波在频域的幅度谱具有对称的结构，对于每个子载波仅传输一个边带带宽的信号，实现降低系统所占用的带宽。本发明适用于无线通信领域。

Description

单边带多载波传输信号的调制和解调方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种信号的调制和解调方法及装置。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统中子载波相互交叠，系统的频谱效率较高，是LTE及LTE-Advanced标准中推荐采用的物理层下行链路技术。OFDM技术把高速的数据流通过串/并转换分为若干个低速子数据流，然后将这些低速的数据流调制相应的子载波上去，从而构成多个低速率数据并行的传输系统，是一种多载波技术。在OFDM系统中码元的持续时间较长，可以起到抵抗信道频率选择性衰落的作用。同时循环前缀的引入也大大减少了码间干扰，并为频域均衡的引入提供了保障。然而多载波技术在峰均比及对于频偏的敏感度等方面的劣势也在一定程度上限制了它的发展。当发射机与接收机发生相对移动时，多普勒频移会导致载波频偏，造成频谱扩展。对多载波系统来说，多普勒扩展会破坏载波间的正交性，产生载波间的干扰，从而降低系统性能。同时，每一路子载波信号具有对称特性，存在进一步降低系统占用带宽的空间。

发明内容

本发明是为了降低系统占用的带宽，提供一种单边带多载波传输信号的调制和解调方法及装置。

单边带多载波传输信号的调制方法，它由以下步骤实现：

步骤一、将原始的基带信号进行串\并转换，获得N路并行的转换后信号，N为正整数；

步骤二、将步骤一获得的N路并行的转换后信号分别采用N路信号

进行上变频，获得中心频率分别为f₀，f₁，...，f_N-1的N路信号；其中，t∈[-T/2，T/2]表示时间；T为一个符号码元的持续时间；j为虚数单位，

步骤三、将步骤二获得的中心频率分别为f₀，f₁，...，f_N-1的N路信号分别进行滤波，获得N路滤波后的信号；

步骤四、将步骤三获得的N路滤波后的信号进行叠加，完成单边带多载波传输信号的调制，并将调制后的信号发射至信道。

步骤三中所述将步骤二获得的中心频率分别为f₀，f₁，...，f_N-1的N路信号分别进行滤波的方法是：将每路信号去除一个边带的频谱，即将需要去除频率处的频谱幅度置零。

单边带多载波传输信号的解调方法，它由以下步骤实现：

步骤A1、从信道中接收步骤四发射的调制后的信号，作为待解调信号，将待解调信号分别采用N路信号

进行下变频，获得N路下变频后的信号，并将所述N路下变频后的信号送入N路积分判决器中；

步骤A2、将本地基带模板信号(即：不携带调制信息的基带信号送入滤波器进行滤波)滤除一个边带，获得单边带模板信号；将所述单边带模板信号分别送入N路积分判决器；

步骤A3、在每路积分判决器中，将步骤A2获得的单边带模板信号和下变频后的信号进行积分，并对积分结果进行判决，获得N路积分判决后的结果；

步骤A4、将N路积分判决后的结果进行并\串转换，完成单边带多载波传输信号的解调，并输出。

在将步骤A1获得的N路下变频后的信号送入N路积分判决器之前，对所述N路下变频后的信号分别进行频域谱修正，具体方法为：

步骤A2-1、将步骤A1获得的N路下变频后的信号分别进行傅立叶变换，获得N路下变频后的信号的频谱；

步骤A2-2、在步骤A2-1中每路下变频后的信号的频谱中补入调制时滤除的一个边带的频谱，将N路信号的频谱补全；

步骤A2-3、将步骤A2-2获得的N路补全频谱后的频域信号分别进行傅立叶反变换，获得N路频域谱修正后信号的时域形式。

单边带多载波传输信号的调制装置，它包括串\并转换模块、N个上变频模块、N个滤波器和叠加模块；串\并转换模块的串行信号输入端是基带信号的输入端；串\并转换模块的N个并行信号输出端分别与N个上变频模块的信号输入端连接；N个滤波器的上变频信号输出端分别与叠加模块的N个滤波后信号输入端连接，叠加模块的信号输出端是调制信号的输出端。

单边带多载波传输信号的解调装置，它包括N个下变频模块、本地滤波器、N个积分判决模块、并\串转换模块和本地基带模板信号发生器，所述N个下变频模块的信号输入端是N路待解调信号的输入端；N个下变频模块的下变频信号输出端分别与N个积分判决模块的下变频信号输入端连接；本地基带模板信号发生器的本地基带模板信号输出端与本地滤波器的本地基带模板信号输入端连接；本地滤波器的滤波后信号输出端同时与N个积分判决模块的滤波后信号输入端连接；N个积分判决模块的判决后信号输出端与并\串转换模块的N个判决后信号输入端连接；并\串转换模块的串行信号输出端是解调后信号输出端。

有益效果：本发明利用每个子载波在频域的幅度谱具有对称的结构，对于每个子载波仅传输一个边带带宽的信号，进一步降低系统占用的带宽。并且在有限的带宽范围内可以安排更多的子载波，从而提高系统的容量。

附图说明

图1是OFDM系统的子载波频域分布情况示意图；图2是本发明的调制和解调方法的原理示意图；图3是本发明的解调和解调装置的结构示意图；图4是具体实施方式一中一路基带信号在未进行上变频时的频谱示意图；图5是具体实施方式一中上变频后的频谱示意图；图6是具体实施方式一中滤波后的频谱示意图；图7是具体实施方式一中下变频后的频域幅度谱示意图；图8是具体实施方式一中对下变频后的信号进行频域谱修正后的频域幅度谱示意图；图9是具体实施方式一中进行频域谱修正后的信号时域情况与原始基带信号时域情况的对比示意图；图10是具体实施方式一中单边带不同子载波间的频域幅度谱示意图；图11是具体实施方式四中一路子载波的频谱修正方法的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2说明本具体实施方式，单边带多载波传输信号的调制方法，它由以下步骤实现：

步骤一、将原始的基带信号进行串\并转换，获得N路并行的转换后信号，N为正整数；

步骤二、将步骤一获得的N路并行的转换后信号分别采用N路信号

进行上变频，获得中心频率分别为f₀，f₁，...，f_N-1的N路信号；其中，t∈[-T/2，T/2]表示时间；T为一个符号码元的持续时间；j为虚数单位，

步骤三、将步骤二获得的中心频率分别为f₀，f₁，...，f_N-1的N路信号分别进行滤波，获得N路滤波后的信号；

步骤四、将步骤三获得的N路滤波后的信号进行叠加，完成单边带多载波传输信号的调制，并将调制后的信号发射至信道。

步骤三中所述将步骤二获得的中心频率分别为f₀，f₁，...，f_N-1的N路信号分别进行滤波的方法是：将每路信号去除一个边带的频谱，即将需要去除频率处的频谱幅度置零。

以N路中的中心频率为f_n(n为整数，且满足0≤n＜N)为例进行说明滤波过程：通过滤波滤除每个子载波在频域的一个边带信号，起到节省信号占用带宽的目的。具体示意图如图4至6所示。图4为基带信号在未变频时的频谱，在接收端本地基带模板信号同样具有此种频谱形式，图5为上变频后的频谱，此时信号的中心频率为f_n，图6为经过滤波后的频谱，这里以低通滤波为例进行说明，滤波后信号的最高频率为f_n。

如图1所示，在OFDM系统中相邻的子载波存在交叠，频谱利用率较高。同时对于每个子载波的幅度谱均表现出对称的特点。本发明利用这种对称结构，对于每个子载波仅传输一个边带带宽的信号，从而提高OFDM的频谱效率。本发明是一种单边带频分复用方式，它将每一路子载波采用一个边带的频带传输信号，降低系统占用带宽，从而提高频谱利用率。

具体实施方式二、结合图2说明本具体实施方式，对具体实施方式一的单边带多载波传输信号的解调方法，它由以下步骤实现：

步骤A1、从信道中接收步骤四发射的调制后的信号，作为待解调信号，将待解调信号分别采用N路信号

进行下变频，获得N路下变频后的信号，并将所述N路下变频后的信号送入N路积分判决器中；

步骤A2、将本地基带模板信号(即不携带调制信息的基带信号送入滤波器进行滤波)滤除一个边带，获得单边带模板信号；将所述单边带模板信号分别送入N路积分判决器；

步骤A3、在每路积分判决器中，将步骤A2获得的单边带模板信号和下变频后的信号进行积分，并对积分结果进行判决，共获得N路积分判决后的结果；

步骤A4、将N路积分判决后的结果进行并\串转换，完成单边带多载波传输信号的解调，并输出。

在将步骤A1获得的N路下变频后的信号送入N路积分判决器之前，对所述N路下变频后的信号分别进行频域谱修正，具体方法为：

步骤A2-1、将步骤A1获得的N路下变频后的信号分别进行傅立叶变换，获得N路下变频后的信号的频谱；以序号为n的下变频后的信号为例，即信号的一个边带频谱为

即当频率范围为f≤0时，信号的频谱为

根据对称特性，其另一边带频谱为从而完成整个频谱的修正和补全工作。

步骤A2-2、在步骤A2-1中每路下变频后的信号的频谱中补入调制时滤除的一个边带的频谱，将N路信号的频谱补全；

步骤A2-3、将步骤A2-2获得的N路补全频谱后的频域信号分别进行傅立叶反变换，获得N路频域谱修正后信号的时域形式。

为了验证单边带信号传输的有效性，可以采用频域谱修正的方法在接收端对单边带信号进行频谱修正，从而得到对称的频谱结构，本发明中为了简化接收机结构，同时避免对子载波间干扰产生影响，直接采用单边带模板信号进行积分判决。

具体实施方式三、结合图3说明本具体实施方式，实现具体实施方式一的单边带多载波传输信号的调制装置，它包括串\并转换模块1、N个上变频模块2、N个滤波器3和叠加模块4；串\并转换模块1的串行信号输入端是基带信号的输入端；串\并转换模块1的N个并行信号输出端分别与N个上变频模块2的信号输入端连接；N个滤波器3的上变频信号输出端分别与叠加模块4的N个滤波后信号输入端连接，叠加模块4的信号输出端是调制信号的输出端。

本发明与OFDM系统相比，在发送端增加了滤波模块，用于在发送端对信号进行低通或高通滤波，使发送信号主瓣的占用频带为原来的一个边带。

具体实施方式四、结合图3说明本具体实施方式，实现具体实施方式二的单边带多载波传输信号的解调装置，它包括N个下变频模块5、本地滤波器6、N个积分判决模块7、并\串转换模块8和本地基带模板信号发生器9，所述N个下变频模块5的信号输入端是N路调制信号的输入端；N个下变频模块5的下变频信号输出端分别与N个积分判决模块7的下变频信号输入端连接；本地基带模板信号发生器9的本地基带模板信号输出端与本地滤波器6的本地基带模板信号输入端连接；本地滤波器6的滤波后信号输出端同时与N个积分判决模块7的滤波后信号输入端连接；N个积分判决模块7的判决后信号输出端与并\串转换模块8的N个判决后信号输入端连接；并\串转换模块8的串行信号输出端是解调后信号输出端。

本发明与OFDM系统相比，本发明增加了本地滤波器，采用这种本地滤波器对基带模板信号进行滤波形成单边带模板信号用于积分判决，同时积分判决器的另一个输入端为通过下变频将信号变换到基带的信号。

工作原理：首先论证采用单边带传输的方式，通过频域谱修正的方法可以实现信号的有效恢复，验证采用单边带传输的有效性。频域谱修正方法流程如图11所示。如图10所示为本发明采用频域谱修正方法后得到的基带信号与原信号的实部情况，这里的原信号为一个矩形信号，可以看到采用本发明的方法可以较好地恢复出原信号，失真较小。失真的引入主要是由于低通滤波滤除了高频信号，尽管采用低频信号对接收到的信号频谱进行了修正，但由于数值计算等方面的影响使得估计并不能做到毫无失真。为了降低这种失真对判决结果产生的影响，同时避免频谱修正过程中对子载波间的干扰产生不利作用，本发明在接收端采用单边带模板信号进行积分判决。

其次讨论不同子载波间的干扰情况。以一个包含5个子载波的情况为例进行说明，设码元信号持续时间T＝1s，f₀＝10Hz，Δf＝0.75Hz，这里Δf为相邻两个单边带子载波信号截止频率的差。得到其分布情况如图10所示。可以看到，每一路子载波均保留了下边带，同时与OFDM的子载波分布方式相比，子载波间隔更小，更加节省占用带宽(OFDM系统中两个相邻子载波频率间隔为1Hz)。在通信系统中，不同子载波间的互相关系数将决定它们之间的相关干扰，互相关系数(绝对值)越大，干扰越大。对于持续时间为T的两个信号x(t)和y(t)，它们的互相关系数的定义为

$R_{\mathrm{xy}}=\frac{{\∫}_{-T/2}^{T/2}x\left(t\right)y^{*}\left(t\right)\mathrm{dt}}{\sqrt{{\∫}_{-T/2}^{T/2}{\left|x\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}{\∫}_0^T{\left|y\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}}}---\left(1\right)$

对图10所示情况下5个子载波之间的互相关系数进行计算，得到结果中绝对值最大的为0.14，可以认为干扰不大。

综上，在较小的干扰情况下，与OFDM相比，通过本发明的方法，可以采用单边带传输的方式在更小的带宽范围内实现多个子载波的复用传输。

Claims (6)

1.单边带多载波传输信号的调制方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、将原始的基带信号进行串\并转换，获得N路并行的转换后信号，N为正整数；

步骤二、将步骤一获得的N路并行的转换后信号分别采用N路信号进行上变频，获得中心频率分别为f₀，f₁，...，f_N-1的N路信号；其中，t∈[-T/2，T/2]表示时间；T为一个符号码元的持续时间；j为虚数单位，

步骤三、将步骤二获得的中心频率分别为f₀，f₁，...，f_N-1的N路信号分别进行滤波，获得N路滤波后的信号；

步骤四、将步骤三获得的N路滤波后的信号进行叠加，完成单边带多载波传输信号的调制，并将调制后的信号发射至信道。

2.根据权利要求1所述的单边带多载波传输信号的调制方法，其特征在于步骤三中所述将步骤二获得的中心频率分别为f₀，f₁，...，f_N-1的N路信号分别进行滤波的方法是：将每路信号去除一个边带的频谱。

3.单边带多载波传输信号的解调方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤A1、从信道中接收步骤四发射的调制后的信号，作为待解调信号，将待解调信号分别采用N路信号

进行下变频，获得N路下变频后的信号，并将所述N路下变频后的信号送入N路积分判决器中；

步骤A2、将本地基带模板信号滤除一个边带，获得单边带模板信号；将所述单边带模板信号分别送入N路积分判决器；

步骤A3、在每路积分判决器中，将步骤A2获得的单边带模板信号和下变频后的信号进行积分，并对积分结果进行判决，获得N路积分判决后的结果；

步骤A4、将N路积分判决后的结果进行并\串转换，完成单边带多载波传输信号的解调，并输出。

4.根据权利要求3所述的单边带多载波传输信号的解调方法，其特征在于，在将步骤A1获得的N路下变频后的信号送入N路积分判决器之前，对所述N路下变频后的信号分别进行频域谱修正，具体方法为：

步骤A2-1、将步骤A1获得的N路下变频后的信号分别进行傅立叶变换，获得N路下变频后的信号的频谱；

步骤A2-2、在步骤A2-1中每路下变频后的信号的频谱中补入调制时滤除的一个边带的频谱，将N路信号的频谱补全；

步骤A2-3、将步骤A2-2获得的N路补全频谱后的频域信号分别进行傅立叶反变换，获得N路频域谱修正后信号的时域形式。

5.实现权利要求1的单边带多载波传输信号的调制装置，其特征是：它包括串\并转换模块(1)、N个上变频模块(2)、N个滤波器(3)和叠加模块(4)；串\并转换模块(1)的串行信号输入端是基带信号的输入端；串\并转换模块(1)的N个并行信号输出端分别与N个上变频模块(2)的信号输入端连接；N个滤波器(3)的上变频信号输出端分别与叠加模块(4)的N个滤波后信号输入端连接，叠加模块(4)的信号输出端是调制信号的输出端。

6.实现权利要求3的单边带多载波传输信号的解调装置，其特征是：它包括N个下变频模块(5)、本地滤波器(6)、N个积分判决模块(7)、并\串转换模块(8)和本地基带模板信号发生器(9)，所述N个下变频模块(5)的信号输入端是N路待解调信号的输入端；N个下变频模块(5)的下变频信号输出端分别与N个积分判决模块(7)的下变频信号输入端连接；本地基带模板信号发生器(9)的本地基带模板信号输出端与本地滤波器(6)的本地基带模板信号输入端连接；本地滤波器(6)的滤波后信号输出端同时与N个积分判决模块(7)的滤波后信号输入端连接；N个积分判决模块(7)的判决后信号输出端与并\串转换模块(8)的N个判决后信号输入端连接；并\串转换模块(8)的串行信号输出端是解调后信号输出端。

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