CN103001918A - 非正交频分复用数据的传输方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种非正交频分复用数据的传输方法，通过确保每路进行调制的子载波的频率为f_k＝kΔf，且相邻子载波间隔Δf满足Δf≠1/T，使得接收机可以对接收信号采用DFT进行时频变换，来代替传统方法中对非正交信号的相关接收。采用本发明能够显著降低NFDM数据传输时接收机的实现复杂度。

Description

非正交频分复用数据的传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别是涉及一种非正交频分复用数据的传输方法。

背景技术

目前，正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是多载波调制(Multi-Carrier Modulation，MCM)的一种，如图1所示其原理是：将高速数据信号转换成若干并行的低速子数据流，使用互相正交的子载波进行调制，调制后的正交信号经过合并后在信道中进行传输，正交信号可以通过在接收端采用相关接收技术来实现无干扰的分离。OFDM并不是如今发展起来的新技术，但是，OFDM系统非常复杂，从而限制了其发展。后来人们采用离散傅里叶变换（Discrete-Time FourierTransform，DFT）和其逆变换（Inverse Discrete-Time Fourier Transform，IDFT）方法解决了产生多个互相正交的子载波和从混合子载波中恢复原有信号的问题，这就解决了多载波传输系统发送和接收的难题，显著的降低了系统复杂度，之后，快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）及其逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）的应用使多载波传输系统的复杂度有一次大大降低，从此OFDM技术开始走向实用。但是，采用正交多重调制技术进行数据传输，受限于正交子载波的数量，这样，在不降低子载波带宽的情况下，要想增加子载波数量就要增加相应的传输带宽，也就是说频率利用率不会改变。

不同于OFDM，非正交多重调制技术（Non-Orthogonal Multi-ModulationTechnology，NMT）是一种非正交的多载波调制技术，如图2所示，其原理是：将高速数据流转换成若干并行的低速子数据流，使用非正交的子载波进行调制，非正交子载波的频率和时域延时至少有一个不同，调制后的非正交信号经过合并后在信道中进行传输，非正交信号可以通过在接收端采用相关接收技术来进行解调，子载波之间非正交性会导致解调后的信号之间产生互相干扰，需要再通过算法进行信号间的无干扰分离。采用非正交多重调制技术进行数据传输时，非正交的子载波数量在指定传输带宽内不受限制，在传输带宽不变的情况下，频谱利用率随着子载波数量的增加而增大，可以具有比OFDM高的频谱利用率；但是，接收端进行解调时需要采用的相关接收技术会导致硬件复杂度过高、成本过高、难以实现。

由此可见，现有的非正交频分复用数据的传输方法存在接收机实现复杂度高、成本高的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种非正交频分复用数据的传输方法，该方法能有效降低NFDM数据传输时接收机的实现复杂度。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种非正交频分复用数据的传输方法，包括：

发送机对待发送数据进行串并转化得到K路并行数据流，使用K个非正交子载波分别对所述K路并行数据流进行调制，将所述调制后得到的K路非正交信号合并后进行输出，其中，第k路所述子载波的频率为f_k＝kΔf，且Δf≠1/T，Δf为预设的子载波间隔，所述T为所述并行数据流的单个信号周期，k＝0,1,…,K-1，K>1；

接收机在每个非正交多重调制NFDM符号周期T内，对接收到的数据进行时域采样，得到时域采样数据X(n)，其中，所述采样的速率为N/T，N为所述采样的采样点个数，N≥K，n＝0,1,…,N-1；

接收机对所述时域采样数据X(n)进行串并转换，采用离散傅里叶变换DFT方式将串并转换后的所述X(n)转化为频域数据

其中，

M为所述DFT的维数，M＝N/(T·Δf)，m＝0,1,…,K-1；

接收机按照

对所述Y(m)去干扰得到数据 $D=\left(\begin{array}{c}{d}_0\\ d_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ d_{K-1}\end{array}\right),$ 其中，所述 $Y=\left(\begin{array}{c}Y\left(0\right)\\ Y\left(1\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ Y(K-1)\end{array}\right),$

接收机对所述数据D进行并串转换得到所述待发送数据。

综上所述，本发明提出的一种非正交频分复用数据的传输方法，通过确保每路进行调制的子载波的频率为f_k＝kΔf，且相邻子载波间隔Δf满足Δf≠1/T，使得接收机可以对接收信号采用DFT进行时频变换，来代替传统方法中对非正交信号的相关接收。由于相比NMT的相关接收机，DFT的实现复杂度要低的多，因此能够显著降低NFDM数据传输时接收机的实现复杂度。

附图说明

图1为OFDM数据传输处理示意图；

图2为NMT数据传输处理示意图；

图3为本发明实施例一的流程示意图；

图4为非正交子载波之间的干扰示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明的核心思想是：在发送机侧进行发送数据的处理时，确保每路进行调制的子载波的频率为f_k＝kΔf，且相邻子载波间隔Δf满足Δf≠1/T，这样，接收机可以对接收信号采用DFT进行时频变换，以代替传统方法中对非正交信号的相关接收。由于DFT的实现复杂度较低，因此能够显著降低NFDM数据传输时接收机的实现复杂度。

图3为本发明实施例一的流程示意图，如图3所示，该实施例主要包括：

步骤301、发送机对待发送数据进行串并转化得到K路并行数据流，使用K个非正交子载波分别对所述K路并行数据流进行调制，将所述调制后得到的K路非正交信号合并后进行输出，其中，第k路所述子载波的频率为f_k＝kΔf，且Δf≠1/T，Δf为预设的子载波间隔，所述T为所述并行数据流的单个信号周期，k＝0,1,…,K-1，K>1。

本步骤中，在发送机侧对待发送数据的处理与现有方法不同之处是：这里对NFDM的子载波有特殊要求，即：第k路所述子载波的频率为f_k＝kΔf，且Δf≠1/T。由于当Δf＝1/T时，各子载波正交，因此这里需要设置约束条件为Δf≠1/T，确保子载波非正交。NFDM发送机的输出信号X(t)可以表示为：

$X\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{K-1}{d}_k\mathrm{rect}(t-T/2)\exp \left(j2\mathrm{\πk\Δft}\right),$ 0≤t≤T    （1）

本步骤中具体的串并转化、调制以及信号的合并和输出操作为本领域技术人员所掌握在此不再赘述。

步骤302、接收机在每个NFDM符号周期T内，对接收到的数据进行时域采样，得到时域采样数据X(n)。

其中，所述采样的速率为N/T，N为所述采样的采样点个数，N≥K，n＝0,1,…,N-1。

这里需要说明的是，和现有系统相同，所述NFDM符号周期T与所述并行数据流的单个信号周期T相同。

本步骤中，时域采样数据X(n)的具体形式为：

$X\left(n\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{K-1}{d}_k\exp \left(j2\mathrm{\πk\Δf}\frac{\mathrm{nT}}{N}\right),$ 0≤n≤N-1    （2）

具体的采样方式同现有系统，在此不再赘述。

步骤303、接收机对所述时域采样数据X(n)进行串并转换，采用离散傅里叶变换（DFT）方式将串并转换后的所述X(n)转化为频域数据

其中，

M为所述DFT的维数，M＝N/(T·Δf)，m＝0,1,…,K-1。

本步骤，利用DFT进行时频变换，来代替传统方法中对非正交信号的相关接收处理，由于DFT的实现复杂度相对于相关接收处理要低的多，因此能够显著降低NFDM数据传输时接收机的实现复杂度。

下面对采用DFT方式将串并转换后的X(n)转化为频域数据 $Y\left(m\right)=\frac{N}{M}(d_m+\underset{k\≠m}{\overset{0\≤k\≤K-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k{a}_{k,m})$ 的具体实现原理进行说明：

设定DFT变换的维数为M（M≥N），当M＞N时，有：

X(n)＝0，N≤n≤M-1    （3）

因为DFT的频率分辨率等于采样速率除以DFT变换的维数，即

为了保证子载波的中心频率位于DFT变换后的频率采样点处，则要求：

$\frac{N}{\mathrm{MT}}=\mathrm{\Δf},---\left(4\right)$

即需要满足：

N＝MTΔf，    （5）

把公式（5）代入（2）可以得到

$X\left(n\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{K-1}{d}_k\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{kn}}{M}\right),$ 0≤n≤N-1    （6）

例如：当

时，NFDM在相同带宽内的子载波数量是OFDM的2倍，此时需要满足M＝2N这个关系。

使用公式（5），经过DFT变化后，可以得到

$Y\left(m\right)=\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{M-1}X\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{mn}}{N})$

$=\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{M-1}\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{mn}}{N}){\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{K-1}{d}_k\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{kn}}{M}\right)---\left(7\right)$

把公式（3）代入（7），可以得到

$Y\left(m\right)=\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{N-1}\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{mn}}{N}){\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{K-1}{d}_k\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{kn}}{M}\right)$

$={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{K-1}{d}_k\left[\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{N-1}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{n}{M}(k-m)\right)\right]---\left(8\right)$

考虑 $\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{N-1}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{n}{M}(k-m)\right),$ 当k＝m，

$\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{N-1}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{n}{M}(k-m)\right)=\frac{N}{M};---\left(9\right)$

当k≠m时，只有当M＝N时，参考OFDM使用DFT进行解调时的公式推导，可以得到：

$\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{N-1}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{n}{N}(k-m)\right)=0,---\left(10\right)$

此时由公式（4）可以得到Δf＝1/T，即要求各子载波正交，此时Y(m)＝d_m，也就是说，只有当各子载波正交时才会在频域采样点Y(m)处不存在子载波之间的干扰。因此，对于NFDM系统，由于子载波之间非正交，DFT后的频率采样点处存在如图4的子载波间干扰，继续推导公式（8）可以得到：

$Y\left(m\right)=\frac{N}{M}{d}_m+\underset{k\≠m}{\overset{0\≤k\≤K-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k\left[\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{N-1}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{n}{M}(k-m)\right)\right]$

$=\frac{N}{M}(d_m+\underset{k\≠m}{\overset{0\≤k\≤K-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k{a}_{k,m}),---\left(11\right)$

其中 $a_{k.m}=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{N-1}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{n}{M}(k-m)\right),$ 为第k（k≠m）子载波对第m子载波的干扰系数。当m≥K时，Y(m)所在的频率超出了K个子载波的最大子载波的频率范围，不予考虑。

步骤304、接收机按照

对所述Y(m)去干扰得到数据 $D=\left(\begin{array}{c}{d}_0\\ d_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ d_{K-1}\end{array}\right),$ 其中，所述 $Y=\left(\begin{array}{c}Y\left(0\right)\\ Y\left(1\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ Y(K-1)\end{array}\right),$

A为干扰系数矩阵，是K×K维矩阵。

较佳地，为了大幅度降低算法的复杂度，所述DFT可以具体为快速傅里叶变换FFT。

较佳地，干扰系数矩阵A的各个元素可以事先计算得出，可以预先计算处A的逆矩阵A^-1，并把A^-1存储在接收机中，在进行去干扰处理时，不需要再去计算A^-1，这样可以降低去干扰算法的复杂度，易于硬件实现。

步骤305、接收机对所述数据D进行并串转换得到所述待发送数据。

本步骤的具体并串转换方法为本领域技术人员所掌握，在此不再赘述。

综上所述，以上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 (3)

1.一种非正交频分复用数据的传输方法，其特征在于，包括：

发送机对待发送数据进行串并转化得到K路并行数据流，使用K个非正交子载波分别对所述K路并行数据流进行调制，将所述调制后得到的K路非正交信号合并后进行输出，其中，第k路所述子载波的频率为f_k＝kΔf，且Δf≠1/T，Δf为预设的子载波间隔，所述T为所述并行数据流的单个信号周期，k＝0,1,…,K-1，K>1；

接收机在每个非正交多重调制NFDM符号周期T内，对接收到的数据进行时域采样，得到时域采样数据X(n)，其中，所述采样的速率为N/T，N为所述采样的采样点个数，N≥K，n＝0,1,…,N-1；

接收机对所述时域采样数据X(n)进行串并转换，采用离散傅里叶变换DFT方式将串并转换后的所述X(n)转化为频域数据

其中，

M为所述DFT的维数，M＝N/(T·Δf)，m＝0,1,…,K-1；

接收机按照

对所述Y(m)去干扰得到数据 $D=\left(\begin{array}{c}{d}_0\\ d_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ d_{K-1}\end{array}\right),$ 其中，所述 $Y=\left(\begin{array}{c}Y\left(0\right)\\ Y\left(1\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ Y(K-1)\end{array}\right),$

接收机对所述数据D进行并串转换得到所述待发送数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述DFT为快速傅里叶变换FFT。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述A^-1预设于所述接收机中。

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