CN105450574B - 无时间、频率保护间隔多载波通信频分多址接入方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无时间与频率保护间隔的多载波频分多址接入方法和装置，属信息传输技术领域。本发明以无时间与频率保护间隔的多载波通信方法为基础，结合频分多址接入技术，实现了不同用户或频道的无时间和频率保护间隔的多用户传输，消除了传统频分多址接入系统的时间和频率保护间隔冗余，达到了信道频谱资源利用率的最大化，从体制上提高了频分多址接入系统的传输能效，且适用于任意通信频段。与OFDMA接入方式相比较，具有更高的频谱效率和更好的抗干扰性能。本发明将为5G移动通信系统、新一代卫星广播电视系统等通信系统的设计提供了一套新的解决方案。

Description

无时间、频率保护间隔多载波通信频分多址接入方法与装置

技术领域

本发明涉及无线电通信技术，更具体地，本发明涉及一种无时间、频率保护间隔的多载波通信频分多址接入方法与装置，属于信息传输技术领域。

背景技术

以OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)为代表的正交体制多载波调制技术具有较高的频谱效率，在有线、无线电通信及光通信中都得到了广泛的应用，并已形成多种有线、无线通信标准，并已4G移动通信技术标准的核心技术之一。但正交体制多载波调制技术对子载波间的正交性具有较强的依赖性，在实际应用中，需要采用时域和频域保护间隔(如循环前缀、虚载波等技术)来保持子载波间的正交性，这将造成一定的频谱效率和功率效率损失。目前，这一问题并未得到较好的解决。

无时间、频率保护间隔多载波调制技术是一种新颖的多载波通信技术，它以正余弦频率变换原理和希尔伯特变换理论为基础，以逐一提取并单独解调子载波调制信号的方式代替传统基于子载波间正交性对整个接收信号进行相关运算进行解调的方式，使得解调过程不依赖子载波的正交性，调制端无需加入时间和频率保护间隔即可保证较好的解调检测性能，有效提高了多载波系统的频谱效率和功率效率。无时间、频率保护间隔多载波调制技术发射部分和接收部分的工作流程和技术特征如下：

发射部分：首先对预调信息进行串并转换，其次对并行预调信息分别进行数字基带调制，得到并行基带调制信号；然后采用不同频率的载波信号对并行基带调制信号进行上变频调制，得到并行副载波调制信号；最后将并行副载波调制信号叠加输出。其中，发射部分每一路并行预调信息的基带调制过程均包含基带成型处理，相邻并行基带调制信号上变频调制所采用载波信号中心频率间隔不小于1倍单路基带调制信号带宽且不大于2倍单路基带调制信号带宽，任一副载波调制信号包含同相和正交两条支路，同相和正交支路所调制的信息相同，同相和正交支路所采用的基带成型函数相同或互为希尔伯特变换。

接收部分：接收调制信号，对接收信号进行解调检测处理，得到并行解调信息；对并行解调信息进行并串转换，得到串行解调信息。解调过程的特征在于：在并串转换之前，通过频率变换和滤波处理从接收信号中提取出单路副载波调制信号，再单独对提取得到的副载波调制信号进行解调检测。

接收端解调检测过程包含以下处理步骤：

步骤1)用载波信号对接收信号进行正交下变频，得到同相和正交下变频信号，所述载波信号为中心频率和相位与第1副载波调制信号或倒数第1副载波调制信号相同的正余弦载波；

步骤2)对同相下变频信号或正交下变频信号做希尔伯特变换，再与未做希尔伯特变换的下变频信号做加法和减法运算，得到只包含第1或倒数第1副载波调制信号的提取信号、和去除了第1或倒数第1副载波调制信号的剩余副载波调制信号；

步骤3)解调检测提取得到的第1或倒数第1副载波调制信号；

步骤4)对剩余副载波调制信号进行正交上变频；

步骤5)将步骤4)正交上变频后的副载波调制信号视为接收信号，并按照频率高低重新对副载波调制信号进行排序，重复步骤1)、2)、3)、4)直至将所有副载波调制信号提取、解调完毕。

上述无时间、频率保护间隔多载波调制技术仅是一种点对点通信方法，需要与多址接入技术相结合才能实现多用户传输。基于这一调制技术子载波调制信号的频谱聚集性好的天然特性，将其与频分多址接入(Frequency Division Multiple Access，FDMA)技术相结合，可实现无时间、频率保护间隔的多址接入，进而提高整个通信系统或通信网络的频谱效率和功率效率。本发明的目标是提供一种无需时间和频率保护间隔的多载波通信系统频分多址接入方法和装置，实现无时间和频率保护间隔的多载波系统频分多址接入，本发明通过无时间、频率保护间隔多载波通信技术和频分多址接入技术来实现。

发明内容

基于无时间、频率保护间隔的多载波通信方法，利用子载波调制信号较好的带外衰减特性，结合频分多址介入技术，本发明提供一种多载波频分多址接入方法和装置。发射端将不同用户或频道的预调信息通过无时间和频率保护间隔的调制方法调制到副载波上，不同用户或频道包含的副载波调制信号是可变的；接收端不同用户或频道首先对接收信号进行滤波处理，滤出包含各自用户或频道调制信息的子载波调制信号，然后采用无时间和频率保护间隔的多载波调制信号解调方法对滤出的多载波调制信号进行解调检测，得到各自用户或频道的解调信息。

根据本发明的第一个方面，提供一种无时间、频率保护间隔多载波通信频分多址接入方法。其特征在于，采用基于频率变换提取副载波调制信号的无时间、频率保护间隔多载波通信方法，不同用户或频道的预调信息被调制到频谱相互交叠的副载波调制信号上，副载波调制信号分属于至少1个用户或频道；不同用户或频道所包含的副载波调制信号数目是可变的。

进一步，当某一用户或频道包含多路副载波调制信号时，所述多路副载波调制信号为一组频率上相邻的副载波调制信号。

不同用户或频道接收端的处理过程包含以下步骤：

步骤110)采用带通滤波器对目标用户或频道的接收信号进行滤波处理，所述带通滤波器通带范围内至少包含一路非目标用户或频道的副载波调制信号；

步骤120)采用中心频率与非目标用户或频道副载波调制信号中心频率相同的正余弦载波，对带通滤波后的信号进行正交下变频，得到同相和正交下变频信号；所述非目标用户或频道副载波调制信号为与目标用户或频道第1或倒数第1副载波调制信号频率相邻的1路副载波调制信号；

步骤130)对同相下变频信号或正交下变频信号做希尔伯特变换，再与未做希尔伯特变换的下变频信号做加法或减法运算，得到去除非目标用户或频道副载波调制信号的目标用户或频道副载波调制信号；

步骤140)采用无时间和频率保护间隔的多载波调制信号解调检测方法，逐一提取并解调目标用户或频道的所有副载波调制信号，直至将目标用户或频道的所有副载波调制信号提取、解调完毕。

根据本发明的第二个方面，提供一种无时间、频率保护间隔多载波通信频分多址接入装置，包括信息分发装置和信息接收装置两部分。

信息分发装置的特征在于，采用基于频率变换提取副载波调制信号的无时间、频率保护间隔多载波通信方法，为至少一个用户或频道分发信息，所述用户或频道所包含的副载波调制信号数目是可变的；当用户或频道包含多路副载波调制信号时，所述多路副载波调制信号为一组频率上相邻的副载波调制信号。

信息接收装置也就是不同用户或频道的信息接收处理终端，工作流程包括：

利用带通滤波器对接收信号进行滤波处理，所述带通滤波器通带范围包含全部的目标用户或频道副载波调制信号，并至少包含一路非目标用户或频道的副载波调制信号，所述非目标用户或频道为频域上与目标用户或频道相邻的用户或频道；

剔除目标用户或频道子载波调制信号频率以下或以上的非目标用户或频道信号；

基于无时间和频率保护间隔的多载波通信设备的解调检测流程，逐一提取并解调目标用户或频道副载波调制信号，直至将目标用户或频道的所有副载波调制信号提取、解调完毕。

附图说明

以下参照附图对本发明具体实施方式和实施例作进一步说明，其中：

图1是无时间、频率保护间隔的多载波通信频分多址接入系统子载波分配方案示意图。

图2是带通滤波对无时间、频率保护间隔的多载波通信子载波调制信号的影响示意图。

图3是无时间、频率保护间隔的多载波频分多址数字广播系统结构图。

如图所示，为了能更明确说明本发明的实施例结构，在图中标注了特定的结构和模块，这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、模块或环境中，根据具体需要本领域的普通技术人员可以将这些器件和模块进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求范围中。

具体实施方式

参照附图，下面将详细描述本发明所对应的多载波通信频分多址接入方法与装置的具体实施例。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。但需要说明的是本发明并不局限于这些实施例。

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可仅利用本发明的一部分或全部结构或流程来实施本发明。为了解释的明确性，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。由于本发明采用的具体技术均为本领域普通技术人员熟知的基础技术(如串并转换、基带成型、希尔伯特变换、匹配滤波解调等)，为了不混淆本发明，对于众多周知的技术特征将不再进行详细阐述。

实施例1

根据本发明的第一个方面，提供一种无时间、频率保护间隔的多载波通信频分多址接入方法，为不同的用户或频道同时分发信息。需要说明的是，所述的频分多址接入技术是基于背景技术中所涉及的无时间和频率保护间隔的多载波通信方法而形成的，对于涉及到的相关多载波通信方法的一些实施步骤和技术特征，这里将不再予以详细阐述。

图1给出了一种用户子载波分配方式示意图。系统为每一用户集中分配若干子载波调制信号，子载波调制信号的数目和具体调制方式随着用户传输速率需求、信道条件等因素的变化而改变，同一用户的相邻子载波调制信号之间和不同用户子载波调制信号之间不存在频率保护间隔。

本实施例假设该频分多址接入系统包含K个用户，第k，k＝1,...,K用户包含的子载波数为N_k，子载波编号依次为

信息分发端的具体实施步骤包括：

首先，根据系统和用户传输需求，设定子载波分配方案和具体的子载波调制方案；

其次，基于K个用户的预调数据信息，依照子载波分配方案和具体子载波调制方案，对预调信息进行串并转换；

最后，依照本发明提供的多载波调制方法，对并行预调信息进行多载波调制，并将调制信号输出。

根据上述调制过程，K个用户形成的调制信号为：

式中，表示第k用户第i子载波支路基带成型后的调制信号，(是时间t的函数，表示形式上予以省略)，表示的希尔伯特变换，f_i ^k表示第k用户第i子载波的中心频率。

下面将阐述用户接收终端的具体实施步骤，不失一般性，假设目标用户为第k用户，接收端的具体实施步骤包括：

首先，采用带通滤波器对第k用户的接收信号进行滤波处理，带通滤波器通带范围内至少包含第k－1用户或k+1用户中的1路副载波调制信号；

其次，根据带通滤波处理情况，采用中心频率为或f₁ ^k+1的正余弦载波(第k－1用户的倒数第1子载波调制信号载波，或k+1用户第1子载波调制信号载波)，对滤波后的信号进行正交下变频，得到同相和正交下变频信号；

然后，对同相下变频信号或正交下变频信号做希尔伯特变换，再与未做希尔伯特变换的下变频信号做加法和减法运算，得到去除第k+1用户第1副载波调制信号或第k﹣1用户倒数第1副载波调制信号的第k用户或频道的副载波调制信号；

最后，采用频率变换的方法，逐一提取第k用户的副载波调制信号，并采用匹配滤波的解调方法对单路提取信号进行解调，直至将第k用户的所有副载波调制信号提取、解调完毕。

下面将解释为什么带通滤波器的通带范围要至少包含第k－1用户或k+1用户中的1路副载波调制信号。

当采用带通滤波器对第k用户进行滤波处理时，通带范围内的子载波调制信号不存在失真，但滤波器的过渡带会导致对应频带内的子载波调制信号产生失真，这一失真会影响目标用户子载波的提取和解调。

图2给出了带通滤波对子载波调制信号的影响示意图，实线表示第k用户子载波调制信号的频谱，虚线表示第k－1用户和第k+1用户子载波调制信号的频谱。第k用户的子载波数为N_k，子载波调制信号带宽为B₀(所有用户子载波带宽相同)，第i个子载波对应的中心频率为f_i ^k。

当带通滤波器的通带起始频率f_L＝f₁ ^k-B₀时，第k-1用户的第N_k-1路子载波信号将产生失真，采用频率变换的子载波提取方法变频处理后不能消除该支路子载波信号；为此，考虑将带通滤波器的通带起始频率设置为f_L＜f₁ ^k-B₀，即完全保留第k-1用户的第N_k-1路子载波调制信号。

由信号低通等效基本理论可知，任意中心频率为f_c的带限信号s_bandpass(t)均可表示为

s_bandpass(t)＝i(t)cos(2πf_ct)+q(t)sin(2πf_ct) (2)

式中，i(t)、q(t)分别表示同相和正交分量，二者相互正交。

不妨将带通滤波器通带带宽以下过渡带引起的失真信号表示为

s_bpl(t)＝s_{bl_i}(t)cos(2πf_blt)+s_{bl_q}(t)sin(2πf_blt) (3)将带通滤波器通带带宽以上过渡带引起的失真信号表示为

s_bph(t)＝s_{bh_i}(t)cos(2πf_bht)+s_{bh_q}(t)sin(2πf_bht) (4)

则带通滤波器的输出信号可表示为

分别采用中心频率为的余弦、正弦载波(用户k-1的最后一个子载波调制信号的载波)，对信号s_bp(t)进行正交下变频，并对变频后的信号进行低通滤波处理，可以得到

进一步：

由式(8)可以看出，消除了滤波器通带带宽以下过渡带引起的失真。再按照无时间、频率保护间隔多载波调制信号的解调处理过程，即可逐一提取并解调第k用户的所有子载波调制信号。

同理，若将带通滤波器的通带截止频率设置为f_H＞f₁ ^k+1+B₀(完全保留第k+1用户的第1路子载波调制信号)，也可按照无时间、频率保护间隔多载波调制信号的解调处理过程，逐一提取并解调第k用户的所有子载波调制信号。

综合以上分析过程即可得到带通滤波器的通带范围要至少包含第k－1用户或k+1用户中的1路副载波调制信号的结论。

根据这一实施例，依照上面的解释，针对多载波通信系统的多址传输问题，采用无时间、频率保护间隔的多载波通信方法，可以实现无时间、频率保护间隔的多载波通信频分多址接入。基于此，可以在时间和频率上对多载波频分多址调制信号进行压缩，提高多载波频分多址接入系统的频谱效率和功率效率。

实施例2

根据本发明的第二个方面，提供一种无时间、频率保护间隔的多载波通信频分多址接入装置，包括信息分发装置和接收装置。

图3提供了一种无时间、频率保护间隔的多载波通信频分多址接入系统装置结构图，更具体的，这是一种频分多址数字广播系统结构图。图中卫星广播主站即为信息分发装置，用于广播发送不同频道的视频或音频信号，接收装置可选择接收不同频道的视频或音频信号。

下面将介绍卫星广播主站和接收终端的工作流程，主站的工作流程为：

基于K个频道的数字视频或音频预调信息，按照无时间、频率保护间隔的多载波调制方案，为每一个频道分配一路子载波，进行无时间、频率保护间隔的多载波频分多址接入调制；

然后，根据卫星广播的具体频段和功率需求，对调制信号进行上变频和功率放大，并通过天线辐射输出，形成卫星射频广播信号。

接收终端的工作流程为：

首先，将高频卫星广播信号变频到某一中频；

其次，根据目标频道信号的频率和带宽，对中频信号进行带通滤波，带通滤波器的通带范围内至少包含相邻频道的调制信号；

最后，采用频率变换的处理方式，提取目标频道调制信号(单载波调制信号)，并采用匹配滤波的方式对其进行解调，得到数字视频或音频信号。

根据这一实施例，针对卫星广播通信系统的多址传输问题，采用无时间、频率保护间隔的多载波通信处理过程方法，可以实现无时间、频率保护间隔的多载波通信频分多址接入。基于此，可以在频率上对不同频道的调制信号进行压缩，提高卫星广播多址接入系统的频谱效率。

有益效果：

总的来说，对于本发明所提供的无时间和频率保护间隔的频分多址接入系统，相对于现有技术而言，具有如下有益效果：

1、本发明提供的多载波通信频分多址系统不依赖于副载波调制信号之间的正交性，可有效对抗多径干扰、衰落等非理想特性的影响，降低接收端通信信号处理的复杂度，提高系统在恶劣信道条件下的解调性能。

2、相对于OFDMA频分多址接入系统，本发明提供的多址接入系统不需要采用循环前缀技术，提高了系统的频谱效率，同时也提高了系统的功率效率。

3、相对于OFDMA频分多址接入系统，本发明提供的多址接入多系统能够以更小的子载波带宽来对抗多径衰落干扰，这也就意味着在相同的信道条件下，本发明提供的多载波通信系统调制信号可以具有更低的峰均功率比(Peak to Average Power ratio,PAPR)，从而可以降低系统对功放等器件的要求，从降低调制信号PAPR的角度提高系统的功率利用率。

4、相对于传统的频分多址接入系统，本发明提供的多载波频分多址接入系统不需要采用频率保护间隔，进一步提高了系统的整体频谱效率。

5、本发明提供的多载波系统和频分多址接入系统对每一子载波进行单独调制解调，具有更好的灵活性，可以根据具体的信道条件和用户需求，改变不用用户或频道的子载波数量和调制方式。

6、本发明提供的多载波系统和频分多址接入系统适用于任意通信频段、多种应用场景，具有重要的理论价值、应用前景和现实意义。潜在的应用领域包括：卫星广播电视系统、5G移动通信系统等广播通信系统。

最后需要说明的是，以上具体实施方式和实施例旨在说明本发明的技术方案而不是对技术方法的限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变换、应用和实施例都在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无时间、频率保护间隔多载波通信频分多址接入方法，采用基于频率变换提取副载波调制信号的无时间、频率保护间隔多载波通信方法，其特征在于：不同用户或频道的预调信息被调制到频谱相互交叠的副载波调制信号上，副载波调制信号分属于至少1个用户或频道；不同用户或频道所包含的副载波调制信号数目是可变的，当某一用户或频道包含多路副载波调制信号时，所述多路副载波调制信号为一组频率上相邻的副载波调制信号；用户或频道接收端包含以下处理步骤：

步骤110)采用带通滤波器对目标用户或频道的接收信号进行滤波处理，所述带通滤波器通带范围内至少包含一路非目标用户或频道的副载波调制信号；

步骤120)采用中心频率与非目标用户或频道副载波调制信号中心频率相同的正余弦载波，对带通滤波后的信号进行正交下变频，得到同相和正交下变频信号；所述非目标用户或频道副载波调制信号为与目标用户或频道第1或倒数第1副载波调制信号频率相邻的1路副载波调制信号；

步骤130)对同相下变频信号或正交下变频信号做希尔伯特变换，再与未做希尔伯特变换的下变频信号做加法或减法运算，得到去除非目标用户或频道副载波调制信号的目标用户或频道副载波调制信号；

步骤140)采用无时间和频率保护间隔的多载波调制信号解调检测方法，逐一提取并解调目标用户或频道的所有副载波调制信号，直至将目标用户或频道的所有副载波调制信号提取、解调完毕。