CN106101038A - 基于滤波器组多载波系统的天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于滤波器组多载波系统的天线结构，结合FBMC系统的实数域正交条件，提出了一种适用于FBMC系统的发送数据结构，此结构在每根发送天线上某个时刻的两个符号s₁和s₂，在两个连续的时隙被发射，此结构发送数据包括用于发送的原始数据以及用于抵消数据干扰的辅助数据两部分，原始数据随机发放，辅助数据为原始数据的共轭，或者负共轭即可，即或者本发明与现有技术相比操作简便，同时利用系统干扰特性，能够消除接收数据中符号间干扰和子载波干扰，适用于单天线和多天线系统。

Description

基于滤波器组多载波系统的天线结构

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及用于滤波器组多载波(FBMC)系统和滤波器组多载波(FBMC)多天线系统中的发送数据结构技术。

背景技术

在现有的通信技术中，滤波器组多载波(FBMC)系统以其较高的频谱利用率、良好的时频聚焦特性，成为未来移动多媒体通信的主要候选技术之一。其详细介绍可参见(LeFloch,M.Alard,and C.Berrou,“Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex,”Proceedings of the IEEE,vol.83,pp.982–996,Jun.1995.)。

FBMC系统的发送信号s(t)的数学表达式为：

$\begin{array}{c}s\left(t\right)=\underset{n}{\Σ}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{a}_{m,n}g(t-{\mathrm{n\τ}}_0)j^{m+n}{e}^{j2{\mathrm{\πm\υ}}_{0}t}\\ g_{m,n}=g(t-{\mathrm{n\τ}}_0)j^{m+n}{e}^{j2{\mathrm{\πm\υ}}_{0}t}\end{array}---\left(1\right)$

其中，a_m,n表示第n个发射符号的第m个子载波上数据，υ₀和τ₀表示FBMC系统子载波间隔和发送信号时间间隔，g(t)表示成形滤波器函数。相比于传统的正交频分复用技术，FBMC系统仅仅在实数域满足严格的正交条件，如下所示：

假定FBMC信号经历了一个多径衰落信道，信道脉冲冲击响应为h(t)，高斯白噪声为n(t)，FBMC系统接收信号的数学表达式为：

$y\left(t\right)=h\left(t\right)*s\left(t\right)+n\left(t\right)={\∫}_0^{\mathrm{\Δ}}h(t,\mathrm{\τ})s(t-\mathrm{\τ})d\mathrm{\τ}+n\left(t\right)---\left(3\right)$

当接收端收到经过多径衰落信道后的发送信号，对其进行匹配滤波操作后，接收信号y(t)表示为：

$\begin{array}{c}y\left(t\right)=\mathrm{Re}(\underset{n}{\&Sigma;}\underset{n^{\&prime;}}{\&Sigma;}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\&Sigma;}}\underset{m^{\&prime;}=0}{\overset{M-1}{\&Sigma;}}{a}_{m,n}<g_{m,n}|g_{m^{\&prime;},n^{\&prime;}}>H_m)+n^{\&prime;}\left(t\right)\\ =H_m{a}_{m,n}+\mathrm{Re}(\underset{m^{\&prime;}\&NotEqual;m,n^{\&prime;}\&NotEqual;n}{\&Sigma;}{a}_{m^{\&prime;},n}<g_{m,n}|g_{m^{\&prime;},n^{\&prime;}}>H_m)+n^{\&prime;}\left(t\right)\end{array}---\left(4\right)$

其中，而代表了所有符号间的干扰和子载波干扰，这部分干扰对系统的特性会有较大影响，是各种技术研究中需要解决的问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出了一种基于滤波器组多载波系统的天线结构，通过使用辅助数据来抵消数据符号的干扰。

本发明采用的技术方案是：基于滤波器组多载波系统的天线结构，包括：发送端与接收端；

所述每根发送天线的发送端包括：辅助数据产生模块、QAM调制模块、导频序列添加模块、正交化相位映射模块、IFFT变换模块、滤波模块以及发射单元；所述辅助数据产生模块用于根据原始发送数据生成辅助数据，所述QAM调制模块用于对原始发送数据与辅助数据进行正交幅度调制，所述导频序列添加模块用于对经QAM调制模块调制后的数据块头部添加导频序列，所述正交化相位映射模块用于对导频添加模块输出的数据进行正交化相位映射，所述IFFT变换模块用于对正交化相位映射模块输出的数据进行IFFT变换，所述滤波模块用于对IFFT变换模块输出的数据进行滤波处理，所述发射单元用于将滤波模块的输出数据发射出去；

所述每根接收天线的接收端包括：接收单元、匹配滤波模块、FFT变换模块、相干操作模块、均衡模块、去正交化相位映射模块以及QAM解调模块；所述接收单元用于接收来自发送端的数据；所述匹配滤波模块用于对接收到的数据进行匹配滤波处理；所述FFT变换模块用于对匹配滤波后的数据进行FFT变换处理，得到原始发送数据和辅助发送数据；所述相干操作模块用于对得到的原始发送数据和辅助发送数据，做相干操作并除以2；所述均衡模块用于根据信道信息，做均衡处理消除多径干扰；所述去正交化相位映射模块用于对均衡模块输出的数据进行恢复正交化相位映射处理；所述QAM解调模块用于对去正交化相位映射模块输出的数据进行QAM解调。

进一步地，所述辅助数据为原始发送数据的共轭数据或负共轭数据。

进一步地，相干操作模块中所述的相干操作具体为：若辅助数据为原始数据的共轭数据，则做相减操作；若辅助数据为原始数据的负共轭数据，则做相加操作。

本发明的有益效果：本发明的一种基于滤波器组多载波系统的天线结构，结合FBMC系统的实数域正交条件，提出了一种适用于FBMC系统的信道估计方法以及发送数据结构，此结构在某个时刻的两个符号s₁和s₂，在两个连续的时隙被发射，此结构发送数据包括用于发送的原始数据以及用于抵消数据干扰的辅助数据两部分，原始数据随机发放，辅助数据为原始数据的共轭，或者负共轭即可，即或者本发明与现有技术相比操作简便，同时利用系统干扰特性，能够消除接收数据中符号间干扰和子载波干扰，适用于单天线和多天线系统。

附图说明

图1为本发明提供的任意典型的FBMC系统的原理图。

图2为本发明提供的MIMO-FBMC系统的原理图。

图3为本发明提供的基于滤波器组多载波系统的天线结构示意图。

图4为本发明提供的原始发送数据结构图。

图5为本发明提供的辅助发送数据其中一种结构图。

图6为本发明提供的辅助发送数据另一种结构图。

图7为本发明实施例提供的原始发送数据结构图。

图8为本发明实施例提供的辅助发送数据结构图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示为任意典型的FBMC系统的原理图，图2为任意典型的MIMO-FBMC系统的原理图，本发明通过在发送端的QAM调制模块钱增加辅助数据产生模块，以及在接收端的FFT模块与均衡模块之间加上相干操作模块，实现抵消干扰的目的，本申请的基本发明提供的基于滤波器组多载波系统的天线结构图如图3所示：包括：发送端与接收端；

所述每根发送天线的发送端包括：辅助数据产生模块、QAM调制模块、导频序列添加模块、正交化相位映射模块、IFFT变换模块、滤波模块以及发射单元；所述辅助数据产生模块用于根据原始发送数据生成辅助数据，所述QAM调制模块用于对原始发送数据与辅助数据进行正交幅度调制，所述导频序列添加模块用于对经QAM调制模块调制后的数据块头部添加导频序列，所述正交化相位映射模块用于对导频添加模块输出的数据进行正交化相位映射，所述IFFT变换模块用于对正交化相位映射模块输出的数据进行IFFT变换，所述滤波模块用于对IFFT变换模块输出的数据进行滤波处理，所述发射单元用于将滤波模块的输出数据发射出去；

所述每根接收天线的接收端包括：接收单元、匹配滤波模块、FFT变换模块、相干操作模块、均衡模块、去正交化相位映射模块以及QAM解调模块；所述接收单元用于接收来自发送端的数据；所述匹配滤波模块用于对接收到的数据进行匹配滤波处理；所述FFT变换模块用于对匹配滤波后的数据进行FFT变换处理，得到原始发送数据和辅助发送数据；所述相干操作模块用于对得到的原始发送数据和辅助发送数据，做相干操作并除以2；所述均衡模块用于根据信道信息，做均衡处理消除多径干扰；所述去正交化相位映射模块用于对均衡模块输出的数据进行恢复正交化相位映射处理；所述QAM解调模块用于对去正交化相位映射模块输出的数据进行QAM解调。

相干操作模块中所述的相干操作具体为：若辅助数据为原始数据的共轭数据，则做相减操作；若辅助数据为原始数据的负共轭数据，则做相加操作。

本发明还提供一种基于辅助数据的FBMC系统均衡方法，包括：

S1、发送端数据处理；具体包括以下分步骤：

S11、根据原始发送数据产生辅助数据；将一个发送数据资源均分为两份，第一份发送原始数据，第二份资源用于预处理，设置为第一份资源块数据的共轭数据，用于产生和数据块1中绝对值相同符号相反的数据；

S12、对原始发送数据与步骤S11的辅助数据，进行正交幅度调制；

S13、在步骤S12调制后的数据块头部添加导频序列；

S14、对步骤S13得到的数据进行正交化相位映射；

S15、对步骤S14得到的数据进行IFFT变换；

S16、对步骤S15得到数据进行滤波处理，并发射；

S2、接收端数据处理，具体包括以下分步骤：

S21、对接收到的数据进行匹配滤波处理；

S22、对步骤S21得到的数据进行FFT变换，得到原始发送数据和辅助发送数据；

S23、对步骤S22得到的原始发送数据和辅助发送数据，做相干操作并除以2；

S24、对步骤S23得到的数据，根据导频序列提取信道信息，然后根据提取的信道信息，做均衡处理消除多径干扰；在接收端先进行加减操作之后做均衡操作，是因为如果先做均衡操作，由于在实际的通信系统中信道估计是有偏差的，这种情况下先做均衡会增大干扰。而先进行加减操作，因为在这种通信环境中，原始发送数据与辅助数据之间的信道的系数可以认为近似相同，这种情况下就省去了信道估计偏差带来的干扰。

S25、对步骤S24得到的数据进行恢复正交化相位映射处理；

S26、对步骤S25得到的数据进行QAM解调。

上述添加导频序列、正交化相位映射、IFFT变换、滤波处理、匹配滤波处理、FFT变换、QAM调制解调均为通信技术领域的常用处理技术，在此不做过多说明。

本申请中采用辅助数据抵消干扰的原理如下：

本实施例以辅助数据为原始数据的负共轭数据为例进行说明，随机举例用作原始发送数据如图7所示，发送端根据原始发送数据产生的辅助数据如图8所示，所述图7、8只为说明数据结构，对于其中时间和频率的尺寸并无做详细规划。模糊函数是一种非常重要的对信号进行时-频特性分析的函数。

首先定义模糊函数A_g(τ,υ)为：

其中，υ和τ分别表示FBMC系统子载波间隔和发送信号时间间隔的变量，g(*)表示成形滤波器函数，g^*(*)表示g(*)的共轭。

设FBMC系统发送端时频格点位置(m,n)处的发送信号为a_m,n，则对应于接收端时频格点(m′,n′)位置上接收到的发送信号可以表示为：

${\hat{a}}_{m,n}=a_{m,n}+\underset{m^{\&prime;}\&NotEqual;m,n^{\&prime;}\&NotEqual;n}{\&Sigma;}{a}_{m^{\&prime;},n}<g_{m,n}|g_{m^{\&prime;},n^{\&prime;}}>---\left(6\right)$

式(6)可以用模糊函数表示为：

${\hat{a}}_{m,n}=\underset{p,q}{\&Sigma;}{a}_{k+p,l+q}{j}^{p+q+p(q+2n)}{A}_g^{*}({\mathrm{q\&tau;}}_0,{\mathrm{p\&upsi;}}_0)---\left(7\right)$

定义时频坐标为(m,n)的格点邻域为Ω_Δm,Δn＝{(p,q),|p|≤Δm,|q|≤+n}，并且有(p,q)≠(0,0)。由于滤波器的时频聚焦性，滤波器干扰主要来自于(m-1,m+1)，(n-4,n+4)这些数据符号，因此公式(7)可以进一步简化为(部分省略)：

$\begin{array}{c}{\hat{a}}_{m,n}^1\&ap;...+a_{m,n}{A}_g^{*}(0,1)+a_{m-1,n-1}{j}^{-2n-1}{A}_g^{*}(-{\mathrm{\&tau;}}_0,-{\mathrm{\&upsi;}}_0)+a_{m-1,n}{j}^{-2n-1}{A}_g^{*}(0,-{\mathrm{\&upsi;}}_0)\\ +a_{m-1,n+1}{j}^{-2n-1}{A}_g^{*}({\mathrm{\&tau;}}_0,-{\mathrm{\&upsi;}}_0)+a_{m,n-1}{j}^{-1}{A}_g^{*}(-{\mathrm{\&tau;}}_0,0)+a_{m,n+1}{\mathrm{jA}}_g^{*}({\mathrm{\&tau;}}_0,0)\\ +a_{m+1,n-1}{j}^{2n-1}{A}_g^{*}(-{\mathrm{\&tau;}}_0,{\mathrm{\&upsi;}}_0)+a_{m+1,n}{j}^{2n+1}{A}_g^{*}(0,{\mathrm{\&upsi;}}_0)+a_{m+1,n+1}{j}^{2n+3}{A}_g^{*}({\mathrm{\&tau;}}_0,{\mathrm{\&upsi;}}_0)+...\end{array}---\left(8\right)$

对于位于时频格(m,n)的发送符号，再利用模糊函数的性质：

$A_g(0,0)=1,A_g(\&PlusMinus;\mathrm{\&tau;},\&PlusMinus;\mathrm{\&upsi;})=A_g(\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&upsi;})=A_g^{*}(\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&upsi;})---\left(9\right)$

令原始数据接收数据为则按照图4辅助数据公式(8)中的接收数据为：

$\begin{array}{c}{\hat{a}}_{m,n}^2\&ap;...+a_{m,n}{A}_g^{*}(0,0)+a_{m-1,n-1}{j}^{-2n-1}{A}_g^{*}(-{\mathrm{\&tau;}}_0,-{\mathrm{\&upsi;}}_0)-a_{m-1,n}{j}^{-2n-1}{A}_g^{*}(0,-{\mathrm{\&upsi;}}_0)\\ +a_{m-1,n+1}{j}^{-2n-1}{A}_g^{*}({\mathrm{\&tau;}}_0,-{\mathrm{\&upsi;}}_0)-a_{m,n-1}{j}^{-1}{A}_g^{*}(-{\mathrm{\&tau;}}_0,0)-a_{m,n+1}{\mathrm{jA}}_g^{*}({\mathrm{\&tau;}}_0,0)\\ +a_{m+1,n-1}{j}^{2n-1}{A}_g^{*}(-{\mathrm{\&tau;}}_0,{\mathrm{\&upsi;}}_0)-a_{m+1,n}{j}^{2n+1}{A}_g^{*}(0,{\mathrm{\&upsi;}}_0)+a_{m+1,n+1}{j}^{2n+3}{A}_g^{*}({\mathrm{\&tau;}}_0,{\mathrm{\&upsi;}}_0)+...\end{array}---\left(10\right)$

按照图5辅助数据公式(8)中的接收数据为：

$\begin{array}{c}{\hat{a}}_{m,n}^2\&ap;...+a_{m,n}{A}_g^{*}(0,0)-a_{m-1,n-1}{j}^{-2n-1}{A}_g^{*}(-{\mathrm{\&tau;}}_0,-{\mathrm{\&upsi;}}_0)+a_{m-1,n}{j}^{-2n-1}{A}_g^{*}(0,-{\mathrm{\&upsi;}}_0)\\ -a_{m-1,n+1}{j}^{-2n-1}{A}_g^{*}({\mathrm{\&tau;}}_0,-{\mathrm{\&upsi;}}_0)+a_{m,n-1}{j}^{-1}{A}_g^{*}(-{\mathrm{\&tau;}}_0,0)+a_{m,n+1}{\mathrm{jA}}_g^{*}({\mathrm{\&tau;}}_0,0)\\ +a_{m+1,n-1}{j}^{2n-1}{A}_g^{*}(-{\mathrm{\&tau;}}_0,{\mathrm{\&upsi;}}_0)-a_{m+1,n}{j}^{2n+1}{A}_g^{*}(0,{\mathrm{\&upsi;}}_0)-a_{m+1,n+1}{j}^{2n+3}{A}_g^{*}({\mathrm{\&tau;}}_0,{\mathrm{\&upsi;}}_0)+...\end{array}---\left(11\right)$

由此可以看到，辅助信号接收端数据部分干扰和原始发送数据中的干扰互为相反数，在接收端，首先按照FBMC将接收信号做对应于发送端的解调处理，对接收到的原始发送数据h₁s₁+n₁，和接收到的辅助发送数据h₂s₂+n₂做相加操作，得到：

$({\hat{a}}_{m,n}^1+{\hat{a}}_{m,n}^2)/2\&ap;+a_{m,n}{A}_g^{*}(0,0)+a_{m-1,n}{j}^{-2n-1}{A}_g^{*}(0,-v_0)+a_{m+1,n}{j}^{2n+1}{A}_g^{*}(0,v_0)---\left(12\right)$

抵消了原始数据中的部分干扰，对均衡等其他操作也不会造成影响。如图6所示，当辅助信号接收端数据部分干扰和原始发送数据中的干扰相同时，只需在接收端将两者相减，同样可实现抵消了原始数据中的部分干扰，对均衡等其他操作也不会造成影响。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (3)

1.基于滤波器组多载波系统的天线结构，其特征在于，包括：发送端与接收端；

所述发送端包括：辅助数据产生模块、QAM调制模块、导频序列添加模块、正交化相位映射模块、IFFT变换模块、滤波模块以及发射天线；所述辅助数据产生模块用于根据原始发送数据生成辅助数据，所述QAM调制模块用于对原始发送数据与辅助数据进行正交幅度调制，所述导频序列添加模块用于对经QAM调制模块调制后的数据块头部添加导频序列，所述正交化相位映射模块用于对导频添加模块输出的数据进行正交化相位映射，所述IFFT变换模块用于对正交化相位映射模块输出的数据进行IFFT变换，所述滤波模块用于对IFFT变换模块输出的数据进行滤波处理，所述发射天线用于将滤波模块的输出数据发射出去；

所述接收端包括：接收天线、匹配滤波模块、FFT变换模块、相干操作模块、均衡模块、去正交化相位映射模块以及QAM解调模块；所述接收天线用于接收来自发送端的数据；所述匹配滤波模块用于对接收到的数据进行匹配滤波处理；所述FFT变换模块用于对匹配滤波后的数据进行FFT变换处理，得到原始发送数据和辅助发送数据；所述相干操作模块用于对得到的原始发送数据和辅助发送数据，做相干操作并除以2；所述均衡模块用于根据信道信息，做均衡处理消除多径干扰；所述去正交化相位映射模块用于对均衡模块输出的数据进行恢复正交化相位映射处理；所述QAM解调模块用于对去正交化相位映射模块输出的数据进行QAM解调。

2.根据权利要求1所述的基于滤波器组多载波系统的天线结构，其特征在于，所述辅助数据为原始发送数据的共轭数据或负共轭数据。

3.根据权利要求1所述的基于滤波器组多载波系统的天线结构，相干操作模块中所述的相干操作具体为：若辅助数据为原始数据的共轭数据，则做相减操作；若辅助数据为原始数据的负共轭数据，则做相加操作。