CN105471800B - 一种基于叠接相加的f-ofdm多子带频域滤波器 - Google Patents

一种基于叠接相加的f-ofdm多子带频域滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于叠接相加的F‑OFDM多子带频域滤波器，通过将时域信号转换到频域与优化的频域滤波器相乘后在变换回时域进行叠接相加实现高阶FIR滤波器的功能。本发明通过时域移位和优化滤波器的频域响应减少乘法次数，提高滤波器的效率。

Description

一种基于叠接相加的F-OFDM多子带频域滤波器
技术领域
本发明涉及现代LTE(long time evolution)数字通信领域，特别是应用于第4代F-OFDM多子带频域滤波器的一种基于叠接相加FFT(fast furious transform)数字滤波器。
背景技术
F-OFDM(滤波-正交频分复用)的主要目的是把原有OFDM(正交频分复用)只能进行时分复用的同步资源块分裂为不同子带实现不同用户的频分复用。由于不同子带进行非同步的OFDM以及CP(cyclic prefix循环前缀)的加入，频域上各个用户间的子载波存在互相干扰，所以需要对各个子带进行滤波，抑制带外(OOB)杂散频谱和对邻频的干扰。由于F-OFDM的最小频率间隔为15KHz，最大带宽为30.72MHz，过采样率为2048倍，所以滤波器的阶数或者长度需要很大才能得到所需的频率分辨率。所以F-OFDM的设计与实现主要考虑频域滤波，而频域滤波主要使用叠接相加FFT数字滤波器(Overlap-add FFT filter)和叠接保留FFT数字滤波器(Overlap-save FFT filter)。两种滤波器算法可以得到同样的结果，但是我们认为前者的实现虽然需要增加加法运算，但是可以减少输入x[n]的FFT运算，实现起来更加经济。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种应用于现代数字通信特别是F-OFDM的高效的频域滤波器，减少实现高阶FIR滤波器在频域滤波时的运算量。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了
一种基于叠接相加的F-OFDM多子带频域滤波器，包括下行链路发射端频域滤波器系统和下行链路接收端频域滤波器系统；
所述下行链路发射端频域滤波器系统系统包括：L点输入缓存模块，N点FFT模块，N点相乘模块，频谱移位模块，各路信号相加模块，N点IFFT模块，后L/2点移至最前模块，N点缓存模块，M-1点缓存模块以及前M-1点相加器；其中N＝L+M-1；
所述下行链路接收端频域滤波器系统包括：L点输入缓存模块，N点FFT模块，频谱移位模块，N点相乘模块，N点IFFT模块，后L/2点移至最前模块，N点缓存模块，M-1点缓存模块以及前M-1点相加器；其中N＝L+M-1；
在下行链路发射端频域滤波器系统中，各路输入信号离散序列经过所述L点输入缓存模块分割为长度相等且等于L的一帧数据；而后经过所述N点FFT模块补零后进行N点FFT变换为离散频域序列；接着经过所述N点相乘模块将输出频谱与N点滤波器频谱H(k)相乘；相乘后的频域离散序列经过循环右移Uj点后频谱搬移到相应的子带上；再经过所述各路信号相加模块将各路频域离散序列合成为N点频谱后经过所述N点IFFT模块变换为一个抽样频率为Fs的输出信号；所述后L/2点移至最前模块将抽样频率为Fs的输出信号中最后的L/2点移至最前缓存得到前移后的输出信号；而后所述N点缓存模块、M-1点缓存模块以及前M-1点相加器分别将前移后的输出信号中前M-1点与前一帧前移后的输出信号中的后M-1点相加后输出至下一级上变频器、而前移后的输出信号中M-1点之后的L-M+1点直接输出至上变频器；而最后的N-L点存储到M-1点缓存区以备与下一帧相加；
其中，其中Fj为子带中心频率，Fs为抽样频率，Ts为抽样时间间隔，N为FFT点数；
所述N点频域序列H(k)为设计的M-1阶，长度为M的频域滤波器经过补零作N点FFT后的频域离散序列。
在一较佳实施例中：所述L＝N/2。
在一较佳实施例中：所述滤波器的通带频点处响应设置为1，阻带频点处响应设置为0，过度带间隔两个频点，其响应分别为0.5886和0.1065。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.本发明的算法可以有效减少频域滤波时滤波器系数与输入信号频谱相乘的运算量。
2.本发明的算法结构实现的频域滤波器不但可以实现低通功能，而且通过简单的滤波器频率响应的搬移实现带通滤波。
3.本发明的算法结构可以通过不同子带频域滤波器的组合和叠加可以实现信号的分解和合成，便于在同一个频谱上实现多个信号的处理。
4.本发明的算法设计简单容易实现，便于在现代数字通信系统中应用。
附图说明
图1是F-OFDM下行链路发射端频域滤波器系统结构图；
图2是F-OFDM下行链路接收端频域滤波器系统中其中一路的结构图；
图3是长度为65的频域响应系数H(m)(0≤m≤64)的曲线图；
图4是频域滤波器扩展为128点近似前后的频域响应系数H(k)(0≤k≤127)的曲线图。
具体实施方式
下文通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
参考图1，本发明所描述的一种基于叠接相加的F-OFDM多子带频域滤波器，包括下行链路发射端频域滤波器系统和下行链路接收端频域滤波器系统；
所述下行链路发射端频域滤波器系统包括：L点输入缓存模块，N点FFT模块，N点相乘模块，频谱移位模块，各路信号相加模块，N点IFFT模块，后L/2点移至最前模块，N点缓存模块，M-1点缓存模块以及前M-1点相加器；其中N＝L+M-1。
所述下行链路接收端频域滤波器系统包括：L点输入缓存模块，N点FFT模块，频谱移位模块，N点相乘模块，N点IFFT模块，后L/2点移至最前模块，N点缓存模块，M-1点缓存模块以及前M-1点相加器；其中N＝L+M-1；
下文以发射端为例，详细描述所述各个模块的处理流程：
多用户(用户1至用户J)数据经过OFDM调制并添加CP循环前缀后的时域信号输入下行链路发射端频域滤波器系统，各路输入信号离散序列经过所述L点输入缓存模块分割为长度相等且等于L的一帧数据；而后经过所述N点FFT模块补零后进行N点FFT变换为离散频域序列；接着经过所述N点相乘模块将输出频谱与N点滤波器频谱H(k)相乘；相乘后的频域离散序列经过循环右移Uj点后频谱搬移到相应的子带上；由于频率搬移后的各路频域离散序列在带外幅度为0,所以频域上互不混叠，因此可以通过各路信号相加模块合成为N点频谱后经过所述N点IFFT模块变换为一个抽样频率为Fs的输出信号。所述后L/2点移至最前模块将抽样频率为Fs的输出信号中最后的L/2点移至最前缓存得到前移后的输出信号；而后所述N点缓存模块、M-1点缓存模块以及前M-1点相加器分别将前移后的输出信号中前M-1点与前一帧前移后的输出信号中的后M-1点相加后输出至下一级上变频器、而前移后的输出信号中M-1点之后的L-M+1点直接输出至上变频器；而最后的N-L点存储到M-1点缓存区以备与下一帧相加；
其中，其中Fj为子带中心频率，Fs为抽样频率，Ts为抽样时间间隔，N为FFT点数；
所述N点频域序列H(k)为设计的M-1阶，长度为M的频域滤波器经过补零作N点FFT后的频域离散序列。
图2为下行链路接收端频域滤波器系统结构图，其处理流程与发射端一个用户的处理流程类似，只是输入信号变为下变频器输出的信号，N点相乘模块，频谱移位模块的位置进行了调换，因此不再赘述。
为了使FFT的运算更高效,可以将L和N设计为2的幂次，而M为2K+1，因此可以设计L＝M-1＝2K＝N/2，此时由于补0而增加的FFT变换数目最少，因而算法的效率得到提高。
以下以M＝65，L＝64,N＝128的叠接相加FFT滤波器为例说明整个设计过程：
1)采用频率抽样方法设计所述基于叠接相加的F-OFDM多子带频域滤波器的基带滤波器H(k)：通带频点处响应设置为1，阻带频点处响应设置为0，过度带间隔两个频点，其响应分别为0.5886和0.1065。此时，滤波器响应如图3所示。
2)以上频域响应H(k)的逆离散傅立叶变换为时域的冲击响应，即FIR滤波器系数，对此时域65个系数h[n]补0后得到128点，然后进行离散傅立叶变换回到频域，即M点H(k)在频域插值为N点的频谱。为了使其尽可能为实数，本发明对h[n]补零后的时域序列进行移位，使其变换为关于中心对称的时域序列。此时再做FFT，得到的是全实数的频率响应，在与输入序列的频谱相乘时可以减少一半的乘法。作为该优化的补偿，在N点IFFT模块将频谱变换为一个抽样频率为Fs的时域输出信号后，需要将序列的最后L/2点移位到最前面即可。
3)为了进一步减少乘法次数，本发明将在通带上响应系数与1误差小于0.01的近似为1，而阻带上绝对值小于0.01近似为0.由于设计时采用的是频域抽样方法，所以大部分数值均可近似为0和1，因此乘法次数大大减少。近似处理前后的频率响应如图4所示。
4)优化后得到的N＝128点滤波器的频率响应通过以上所述的N点相乘模块与以上所述的N点FFT模块输出的频域序列相乘即可得到频域滤波的序列。该频域序列如前所述经过的N点IFFT模块后，经过后L/2点移至最前模块移位后再叠接相加即可得到时域的输出。
进一步的，本发明所描述的一种基于叠接相加的F-OFDM多子带频域滤波器可以通过以下步骤实现不同采样速率转换：在频域输入频谱与滤波器响应相乘后补0至aN点，即将采样频率提高a倍，然后做aN点IFFT，再将最后的a倍L/2点移至最前，叠接相加后得到滤波结果。同理，如果在频域输入频谱与滤波器响应相乘后N/a点外的点均为0，则可以截取N/a点，即将采样频率降低a倍，然后做N/a点IFFT，再将最后的L/2a点点移至最前，叠接相加后得到滤波结果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于叠接相加的F-OFDM多子带频域滤波器，其特征在于：包括下行链路发射端频域滤波器系统和下行链路接收端频域滤波器系统；
所述下行链路发射端频域滤波器系统系统包括：L点输入缓存模块，N点FFT模块，N点相乘模块，频谱移位模块，各路信号相加模块，N点IFFT模块，后L/2点移至最前模块，N点缓存模块，M-1点缓存模块以及前M-1点相加器；其中N＝L+M-1；
所述下行链路接收端频域滤波器系统包括：L点输入缓存模块，N点FFT模块，频谱移位模块，N点相乘模块，N点IFFT模块，后L/2点移至最前模块，N点缓存模块，M-1点缓存模块以及前M-1点相加器；其中N＝L+M-1；
在下行链路发射端频域滤波器系统中，各路输入信号离散序列经过所述L点输入缓存模块分割为长度相等且等于L的一帧数据；而后经过所述N点FFT模块补零后进行N点FFT变换为离散频域序列；接着经过所述N点相乘模块将输出频谱与N点滤波器频谱H(k)相乘；相乘后的频域离散序列经过循环右移Uj点后频谱搬移到相应的子带上；再经过所述各路信号相加模块将各路频域离散序列合成为N点频谱后经过所述N点IFFT模块变换为一个抽样频率为Fs的输出信号；所述后L/2点移至最前模块将抽样频率为Fs的输出信号中最后的L/2点移至最前缓存得到前移后的输出信号；而后所述N点缓存模块、M-1点缓存模块以及前M-1点相加器分别将前移后的输出信号中前M-1点与前一帧前移后的输出信号中的后M-1点相加后输出至下一级上变频器、而前移后的输出信号中M-1点之后的L-M+1点直接输出至上变频器；而最后的N-L点存储到M-1点缓存区以备与下一帧相加；
其中，其中Fj为子带中心频率，Fs为抽样频率，Ts为抽样时间间隔，N为FFT点数；
所述N点频域序列H(k)为设计的M-1阶，长度为M的频域滤波器经过补零作N点FFT后的频域离散序列。
2.根据权利要求1所述的一种基于叠接相加的F-OFDM多子带频域滤波器，其特征在于：所述L＝N/2。
3.根据权利要求1所述的一种基于叠接相加的F-OFDM多子带频域滤波器，其特征在于：所述滤波器的通带频点处响应设置为1，阻带频点处响应设置为0，过度带间隔两个频点，其响应分别为0.5886和0.1065。
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