CN102957653B - 一种降低频谱泄漏的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低频谱泄漏的方法及装置，此方法包括：根据当前OFDM符号的前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点以及当前OFDM符号的时域样点的后M个时域样点构造L个替代样点，将所述L个替换样点和所述M个时域样点内的后M‑L个时域样点组合成新的M个样点，作为当前OFDM符号的循环前缀。本方案从发射的基带信号本身特点出发，对循环前缀的信号构成作了改造，使得改造后的基带信号ACLR增加了15dB以上，降低频谱泄漏。这样的改造符合LTE标准的规定，和目前的空口信号完全兼容，不会对接收机带来任何的负面影响。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及降低频谱泄漏的方法及装置。
背景技术
如图1所示，正交频分复用技术(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，简称OFDM)系统中为产生一个OFDM符号，首先对频域信号做IFFT变化得到时域信号(例如2048点)，从该时域信号的尾部(如A部分)复制后作为循环前缀CP，放置于时域信号之前，将时域信号最前面的头部(如B部分)复制后作为循环后缀，放置于时域信号之后。普通的OFDM符号只包括前缀，不包括后缀。
每个OFDM符号内部都是由一组正交波形组成，在该符号周期内这些波形是连续平滑变化的。在两个符号的衔接位置，即第一个OFDM符号的尾部和第二个OFDM符号的循环前缀(CP)部，由两组不同正交波形组成，产生波形的断裂。由于信号阶跃包含了非常丰富的频率成分，会导致能量泄漏到邻近频段上，污染其他频段的频谱。
OFDM系统规定了很多射频指标来限制发射机的频谱泄漏，比如3GPP长期演进(Long Term Evolution，简称LTE)标准要求邻信道泄漏功率比(ACLR)的指标为45dB。普通的OFDM信号，如果没有经过成型滤波器，其ACLR的指标为35dB。LTE发射机为了满足指标要求，必须在基带或者中频用成型滤波器来抑制泄漏。为了达到比较好的抑制效果，通常选择的滤波器阶数都很长，导致产品的硬件需求上升，成本增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种降低频谱泄漏的方法及装置，抑制频谱泄漏的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种降低频谱泄漏的方法，其中，根据当前OFDM符号的前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点以及当前OFDM符号的时域样点的后M个时域样点构造L个替代样点，将所述L个替换样点和所述M个时域样点内的后M-L个时域样点组合成新的M个样点，作为当前OFDM符号的循环前缀。
进一步地，上述方法还可以具有以下特点：
构造当前OFDM符号的所述L个替代样点的方式为：根据前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点以及当前OFDM符号的时域样点的后M个时域样点的前L个样点的加权结果作为所述L个替代样点。
进一步地，上述方法还可以具有以下特点：
所述循环前缀由所述L个替换点和所述M-L个时域样点依次排列的顺序组成。
进一步地，上述方法还可以具有以下特点：
系统带宽为20MHz时，L的值为2和3的公倍数。
进一步地，上述方法还可以具有以下特点：
所述加权的方式为：计算前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点与第一函数的乘积，计算所述M个时域样点的前L个样点与第二函数的乘积，将两乘积之和作为所述L个替代样点；第一函数为单调递减函数，第二函数为单调递增函数。
进一步地，上述方法还可以具有以下特点：
第一函数和第二函数构成偶对称，分别取自窗函数的右半部分和左半部分，窗函数的长度为2*L+1。
进一步地，上述方法还可以具有以下特点：
所述窗函数为汉宁窗、汉明窗、三角窗或凯泽窗。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种发射机，包括符号成型单元，其中，所述符号成型单元，用于根据当前OFDM符号的前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点以及当前OFDM符号的时域样点的后M个时域样点构造L个替代样点，将所述L个替换样点和所述M个时域样点内的后M-L个时域样点组合成新的M个样点，作为当前OFDM符号的循环前缀。
进一步地，上述发射机还可以具有以下特点：
所述符号成型单元，还用于根据以下方式构造当前OFDM符号的所述L个替代样点：根据前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点以及当前OFDM符号的时域样点的后M个时域样点的前L个样点的加权结果作为所述L个替代样点。
进一步地，上述发射机还可以具有以下特点：
所述符号成型单元，还用于采用以下所述加权的方式：计算前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点与第一函数的乘积，计算所述M个时域样点的前L个样点与第二函数的乘积，将两乘积之和作为所述L个替代样点；第一函数为单调递减函数，第二函数为单调递增函数。
本方案从发射的基带信号本身特点出发，对循环前缀的信号构成作了改造，使得改造后的基带信号ACLR增加了15dB以上，降低频谱泄漏。这样的改造符合LTE标准的规定，和目前的空口信号完全兼容，不会对接收机带来任何的负面影响。
附图说明
图1是现有技术中OFDM符号的构造示意图；
图2是降低频谱泄漏的方法中构造OFDM符号的示意图；
图3是降低频谱泄漏的方法中一种具体构造OFDM符号的示意图。
图4是使用本方案后的发射机的一种构造图；
图5是具体实施例中的方法流程图；
图6是25点汉明窗的示意图；
图7是包括上行OFDM符号和下行OFDM符号的转换时刻示意图；
图8是包括DwPTS和间隔GP的特殊子帧示意图。
具体实施方式
如图2所示，降低频谱泄漏的方法包括：根据当前OFDM符号的前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点以及当前OFDM符号的时域样点的后M个时域样点构造L个替代样点，将所述L个替换样点和所述M个时域样点内的后M-L个时域样点组合成新的M个样点，作为当前OFDM符号的循环前缀。
如图3所示，构造当前OFDM符号的所述L个替代样点的方式可以为：根据前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点以及当前OFDM符号的时域样点的后M个时域样点的前L个样点的加权结果作为所述L个替代样点。
本方案中还可以采用满足图2所示方法的并且除图3所示方式之外的其它方式，使前一OFDM符号的部分头部时域样点与当前OFDM符号的部分尾部时域样点结合的方式均可。
所述循环前缀由所述L个替换点和所述M-L个时域样点依次排列的顺序组成。
加权的方式为：计算前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点(描述为x(i)...x(L))与第一函数的乘积，计算所述M个时域样点的前L个样点(描述为y(i)...y(L))与第二函数的乘积，将两乘积之和作为所述L个替代样点(描述为z(i)＝x(i)*p(i)+y(i)*q(i)，i＝1，2，...，L)；要求加权系数是连续的平滑的，第一函数p(i)为单调递减函数，第二函数q(i)为单调递增函数。其中，第一函数和第二函数构成偶对称，分别取自窗函数的右半部分和左半部分，窗函数的长度为2*L+1。所述窗函数可以是汉宁窗、汉明窗、三角窗或凯泽窗。
在其它实施方式中，也可以简单选择p(i)和q(i)是一段直线。需注意的是，如果选择加权系数为p(i)＝0，q(i)＝1，i＝1，2，...，L，那么本方法退回成原来的OFDM标准规定。系统实现时可灵活选择用本方法或者沿用原来的方法。
关于L的取值：OFDM系统能够容忍的多径时延取决于CP的长度LCP，本方法利用了小部分的CP头部，会导致有效的CP长度减小。根据应用无线环境的不同，由采样频率折算出均方根时延trms，要求trms+L＜LCP。另一个因素是实现的代价，需要保留前一个符号的L个数据，需要做2L次乘法。基于这两个因素考虑，数据长度L不能太大；数据长度L也不能太小，否则影响抑制泄漏的效果。对于LTE，系统支持20M/10M/5M等多种带宽，相应的CP长度为144/72/36各种等级。从实现的角度，对于系统带宽(最大带宽)为20MHz时，数据长度L设计为2和3的整数倍，有利于多种带宽下的性能一致性。
本方法中，将当前OFDM符号的时域样点的前L个时域样点作为本OFDM符号的循环后缀。
依照本方法处理完当前OFDM符号后，继续依照本方法处理下一OFDM符号。
现有的LTE发射机包括用于将频域数据执行IFFT变换转变为时域数据IFFT单元，用于增加循环前缀的CP单元，用于执行成型滤波、升采样、上变频、功放等功能的射频单元。本方案中的发射机包括符号成型单元用于完成上述方法中所述的内容。如图4所示，此符号成型单元可以是连接于CP单元和射频单元之间的新增单元，也可以是对射频单元中成型滤波子单元进行改造后的单元。
如图5所示，本方案可以采用以下处理流程：
步骤1，确定替代样点的长度L的值。
L值的选取方式与上述方法中描述的相同。
步骤2，确定加权函数。
假设两段数据的加权系数分别为p(i)和q(i)，i＝1，2，...，L。要求加权系数是连续的平滑的，p(i)是一个单调递减函数，q(i)是一个单调递增函数。可以用汉宁窗、汉明窗、凯泽窗等各种窗函数来构造加权系数，也可以简单选择p(i)和q(i)是一段直线。
步骤3，针对当前OFDM符号进行处理，确定循环后缀以及循环前缀的组成样点。
前一个OFDM符号k经过IFFT后，得到N点的时域样点，取出最前面长度为L的样点作为该符号的循环后缀。假设该数据为x(1)，…，x(L)，这段数据需要保存下来供下个时刻使用。
当前时刻OFDM符号k+1经过IFFT后，得到N点的时域样点，按照标准要求从其尾部取出长度LCP的数据作为CP。把CP分为两部分：前面长度为L的数据段称为A1，假设这部分数据为y(1)，…，y(L)；后面剩下的长度为LCP-L部分称为A2，仍然保留。
步骤4，加权相加。
根据如下公式计算L个替代样点
z(i)＝x(i)·p(i)+y(i)·q(i)，i＝1，2，...，L
步骤5，确定新循环前缀。
将新的数据段z(i)代替符号k+1的A1数据段，再补上原来的A2数据段，两段数据合成作为符号k+1的循环前缀。符号k+1的成型工作完成。后续返回步骤1或步骤2或步骤3继续处理处理符号k+2。
下面通过具体实施例对本方法进行说明。
针对20M带宽，CP长度为144，选择L的值为12。
第一函数p(i)选择为汉明窗的右半部分，第二函数q(i)选择为汉明窗的左半部分。如图6所示，汉明窗的长度为25。p(i)和q(i)是对称的，可以只存储一组系数。
前一个OFDM符号k经过IFFT后，得到2048点的时域样点，取出最前面长度为12的样点作为x(1)，…，x(L)。当前时刻OFDM符号k+1经过IFFT后，选择后144的样点，将其分为两部分：前面长度为12的数据段作为A1即y(1)，…，y(L)；后面剩下长度为132的部分作为A2保留。
进行加权计算，即z(i)＝x(i)*p(i)+y(i)*q(i)，i＝1，2，...，L。将得到的长度为12的新数据段z(i)代替符号k+1的A1数据段，与上述A2数据段组合为新的144个样点作为当前OFDM符号的循环前缀。
将当前时刻OFDM符号k+1经过IFFT，选择前12个样点作为本OFDM符号的循环后缀。
根据本方法对OFDM符号的功率谱密度进行测试，采样频率30.72MHz，经过本方法处理的功率谱比未经本方法处理的原始功率谱带外泄漏降低了16dB。
本方案对OFDM符号的循环前缀进行改造，循环前缀由前一个OFDM符号的头部数据和本符号CP的原始头部数据处理组合而成，合成的新数据替换当前OFDM符号的原始头部数据。经过处理之后，两个符号的衔接位置信号是平滑过渡的，没有波形的断裂问题。本发明的方法既适合LTE的FDD模式，又适合LTE的TDD模式。
本方案显著地降低了邻近信道的频谱泄漏，减轻了后面的成型滤波器压力。不再需要高阶的成型滤波器来满足射频指标，可以选择低阶的滤波器，甚至不需要成型滤波器。系统的实现代价大大降低，硬件成本(比如FPGA)可以大幅度削减。
本方案有特例应用场景。
由于LTE的TDD模式是非连续发射的，处理步骤略有不同。
如图7所示，对于转换时刻，即上行OFDM符号和下行OFDM符号相邻的情况，第一个下行子帧的第一个OFDM符号，因为其不具有前一下行OFDM符号，所以当前OFDM符号的前缀只涉及当前OFDM符号的时域样点的后M个时域样点的前L个样点，即z(i)＝y(i)*q(i)，无需使用函数p(i)。
如图8所示，对于特殊子帧，DwPTS占用了多个OFDM符号，DwPTS子帧后接续为保护间隔GP。DwPTS的最后一个符号产生长度为L的循环后缀，处理GP子帧第一个OFDM符号位置的信息时，用成型函数p(i)处理，占用GP的长度为L。由于GP子帧第一个OFDM符号位置为空，即z(i)＝x(i)*p(i)，无需使用函数q(i)。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
Claims (8)
1.一种降低频谱泄漏的方法，其中，
将当前OFDM符号的前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点以及当前OFDM符号的时域样点的后M个时域样点的前L个样点的加权结果作为当前OFDM符号的L个替代样点，将所述L个替代样点和所述M个时域样点内的后M-L个时域样点组合成新的M个样点，作为当前OFDM符号的循环前缀。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述循环前缀由所述L个替代样点和所述M-L个时域样点依次排列的顺序组成。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
系统带宽为20MHz时，L的值为2和3的公倍数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述加权的方式为：计算前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点与第一函数的乘积，计算所述M个时域样点的前L个样点与第二函数的乘积，将两乘积之和作为所述L个替代样点；
第一函数为单调递减函数，第二函数为单调递增函数。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，
第一函数和第二函数构成偶对称，分别取自窗函数的右半部分和左半部分，窗函数的长度为2*L+1。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，
所述窗函数为汉宁窗、汉明窗、三角窗或凯泽窗。
7.一种发射机，包括符号成型单元，其中，
所述符号成型单元，用于将当前OFDM符号的前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点以及当前OFDM符号的时域样点的后M个时域样点的前L个样点的加权结果作为当前OFDM符号的L个替代样点，将所述L个替代样点和所述M个时域样点内的后M-L个时域样点组合成新的M个样点，作为当前OFDM符号的循环前缀。
8.如权利要求7所述的发射机，其特征在于，
所述符号成型单元，还用于采用以下所述加权的方式：计算前一OFDM符号的时域样点的前L个时域样点与第一函数的乘积，计算所述M个时域样点的前L个样点与第二函数的乘积，将两乘积之和作为所述L个替代样点；第一函数为单调递减函数，第二函数为单调递增函数。
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