CN106941465A - 超奈奎斯特率块的传输方法、发射机、接收机及系统 - Google Patents

超奈奎斯特率块的传输方法、发射机、接收机及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超奈奎斯特率块的传输方法、发射器、接收器及系统，通过将待传输的码元按超过奈奎斯特速率成形滤波，然后通过循环叠加操作，形成可保持超过奈奎斯特速率且首尾循环的块符号，最后为符号块添加保护间隔，形成发送的基带符号。通过保护间隔，使得接收端可先通过简单的均衡消除由多径信道导致的ISI；然后，利用循环叠加形成的首尾循环的块符号，采用时域或频域均衡消除由超过奈奎斯特速率传输导致的自ISI，从而达到降低接收端解调复杂度的效果。

Description

超奈奎斯特率块的传输方法、发射机、接收机及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种超奈奎斯特率块的传输方法、发射机、接收机及系统。
背景技术
随着近几年无线设备的爆炸式增长，尤其是具备传输高速多媒体流的智能设备的快速普及，无线数据业务量呈现出指数数增长的趋势。在频谱资源总量有限的现实困境下，寻找具有更高频谱效率的传输技术是面向未来的无线通信系统设计中至关重要的一个环节。其中一种潜在的技术是超奈奎斯特传输(英文：Faster than Nyquist，简称：FTN)，FTN允许在相同的带宽上以高于奈奎斯特速率的码率进行数据传输以提高频带利用率，因而引发了研究热潮。
奈奎斯特准则要求信号间相互正交以避免由码间干扰(英文：Inter-symbolinterference，简称：ISI)引起的接收端判决正确率下降，然后保证服务质量的代价是牺牲了频谱效率。FTN通过引入自ISI传输非正交信号从而获得更高的数据传输速率，但FTN概念早在上世纪70年代由Mazo提出后，传统通信系统设计仍旧遵从奈奎斯特第一准则的主要原因在于硬件电路无法实现接收端为消除ISI所需要的高复杂度算法。得益于半导体和集成电路技术的快速发展，硬件电路得以实现更高复杂度的算法，对于FTN的研究在近年重新成为热点。
目前，对于FTN传输技术的研究主要局限于简单的二进制调制。虽然FTN传输技术在非二进制以及高阶调制中验证了其优势，但是仿真假设信道为加性高斯白噪声信道，并没有考虑到信道衰落的影响，实用性仍然收到限制。基于谱效频分复用(英文：spectrallyefficient frequency division multiplexing，简称：SEFDM)的多载波FTN收发机设计，则存在峰均比过高的情况，会造成传输能量的浪费。此外，为了消除接收信号中存在的码间串扰，在检测检测算法方面，通过采用最大似然序列检测(英文：Maximum LikelihoodSequence Detection，简称：MLSD)算法可以获得最佳性能，但其过高的实现复杂度使得在实际中难以应用，若将接收符号视为卷积编码后的结果，则可用Viterbi算法或BCJR算法检测，但符号间间隔的缩短引起的状态数增加会极大的提高上述两种算法的复杂度。另外，由于ISI的引入，超奈奎斯特系统在同步、信道估计、均衡等方面均会比奈奎斯特系统增加实现复杂度。
综上所述，针对现有FTN传输技术在调制方式、适用信道模型以及ISI消除算法复杂度等方面存在的问题，如何降低适用于多径衰落信道的超奈奎斯特传输系统的整体实现复杂度，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超奈奎斯特率块的传输方法、发射器、接收器及系统，用于解决现有技术中超奈奎斯特传输实现复杂度高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，根据本发明的第一方面，本发明实施例提供一种超奈奎斯特率块的传输方法，应用于发射器，该方法包括：
将调制符号序列分割为多个符号数据块；
使用成形滤波器分别对各个符号数据块进行超奈奎斯特成形滤波，得到滤波信号序列；
对所述滤波信号序列进行首尾循环叠加，得到循环信号序列；
在所述循环信号序列上增加保护间隔，得到输出信号序列，并向接收器发出。
可选地，所述多个符号数据块的长度均相同。
可选地，所述成形滤波器的离散冲击响应的上采样率大于超奈奎斯特成形滤波位移量。
可选地，所述成形滤波器包括根升余弦滤波器、高斯滤波器和各向同性正交变换算法滤波器中的任意一种。
可选地，对所述滤波信号序列进行首尾循环叠加，得到循环信号序列，包括：
当0≤t≤P-NFTN-1时，将滤波信号序列中的第t数据符号与第t+Q数据符号相加，得到循环信号序列的第t数据符号；或者
当P-NFTN≤t≤Q-1时，将滤波信号序列中的第t数据符号作为循环信号序列的第t数据符号；
其中，P为滤波信号序列的长度，Q为循环信号序列的长度，P＞Q；NFTN为超奈奎斯特成形滤波位移量；t、P和Q均为自然数。
可选地，所述循环信号序列的长度等于所述符号数据块的长度与超奈奎斯特成形滤波位移量的乘积，且所述循环信号序列的长度大于或等于所述成形滤波器的离散冲击响应的长度。
可选地，在所述循环信号序列上增加保护间隔，得到输出信号序列，包括：
在所述循环信号序列的首部或尾部添加所述保护间隔，且所述保护间隔的长度大于或等于信道最大时延扩展长度。
可选地，当在所述循环信号序列的首部添加所述保护间隔时，将位于所述循环信号序列尾部的、与保护间隔的长度相对应的数据块符号复制并添加到循环信号序列的首部。
根据本发明的第二方面，本发明实施例提供一种超奈奎斯特率块的传输方法，应用于接收器，包括以下步骤：
接收发射器发送的输出信号序列，并去除所述输出信号序列中的保护间隔，得到输入信号序列；
对所述输入信号序列进行第一均衡操作，得到信道均衡输出信号序列；
对所述信道均衡输出信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列；
生成均衡系数；
根据所述均衡系数，对所述循环匹配信号序列进行第二均衡操作，得到均衡输出信号序列。
可选地，接收发射器发送的输出信号序列，并去除所述输出信号序列中的保护间隔，得到输入信号序列，包括：
获取发射器发送的保护间隔配置信息，所述保护间隔配置信息至少携带有所述保护间隔的设置位置和长度；
根据所述保护间隔的设置位置和长度，去除所述输出信号序列中的保护间隔。
可选地，其特征在于，当所述第一均衡操作包括时域均衡操作和频域均衡操作时，对所述输入信号序列进行第一均衡操作，得到信道均衡输出信号序列，包括：
当传输信号带宽大于或等于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行频域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列；或者，
当传输信号带宽小于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行时域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列。
可选地，该方法还包括：
对所述均衡信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列，包括获取发射器发送的成形滤波器配置信息，所述成形滤波器配置信息至少携带有发射器所使用的成形滤波器的类型、超奈奎斯特成形滤波位移量和符号数据块的长度；根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，对所述信道均衡输出信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列；
所述生成均衡系数，包括根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，通过循环自相关操作，生成所述均衡系数；
所述均衡系数的长度以及所述循环匹配信号序列的长度均与所述符号数据块的长度相等。
可选地，当所述第二均衡操作包括时域均衡操作或频域均衡操作，且所述第二均衡操作与第一均衡操作一致，根据所述均衡系数，对所述循环匹配信号序列进行第二均衡操作，得到均衡输出信号序列，包括：
当所述第二均衡操作为频域均衡操作时，计算循环匹配信号序列的离散傅里叶变换与均衡系数的离散傅里叶变换的矢量除运算结果；对所述矢量除运算结果进行离散傅里叶逆变换，得到均衡输出信号序列；或者，
当所述第二均衡操作为时域均衡操作时，离线计算均衡系数的离散傅里叶变换的倒数再取其离散傅里叶逆变换；对该逆变换输出结果和循环匹配信号序列进行循环卷积运算，得到均衡输出信号序列。
根据本发明的第三方面，本发明实施例提供一种发射器，该发射器包括：
数据块分割模块，用于将调制符号序列分割为多个符号数据块；
成形滤波模块，用于使用成形滤波器分别对各个符号数据块进行超奈奎斯特成形滤波，得到滤波信号序列；
循环成块模块，用于对所述滤波信号序列进行首尾循环叠加，得到循环信号序列；
保护间隔模块，用于在所述循环信号序列上增加保护间隔，得到输出信号序列，并向接收器发出。
可选地，所述数据块分割模块所分割得到的所述多个符号数据块的长度均相同。
可选地，所述成形滤波模块所使用的成形滤波器的上采样率大于超奈奎斯特成形滤波位移量。
可选地，所述成形滤波模块所使用的成形滤波器包括根升余弦滤波器、高斯滤波器和各向同性正交变换算法滤波器中的任意一种。
可选地，所述循环成块模块用于，
当0≤t≤P-NFTN-1时，将滤波信号序列中的第t数据符号与第t+Q数据符号相加，得到循环信号序列的第t数据符号；
当P-NFTN≤t≤Q-1，将滤波信号序列中的第t数据符号作为循环信号序列的第t数据符号；
其中，P为滤波信号序列的长度，Q为循环信号序列的长度，P＞Q；NFTN为超奈奎斯特成形滤波位移量；t、P和Q均为自然数。
可选地，所述循环信号序列的长度等于所述符号数据块的长度与超奈奎斯特成形滤波位移量的乘积，且所述循环信号序列的长度大于或等于所述成形滤波器的响应长度。
可选地，所述保护间隔模块用于，在所述循环信号序列的首部或尾部添加所述保护间隔，且所述保护间隔的长度大于或等于信道最大时延扩展长度。
可选地，所述保护间隔模块用于，当在所述循环信号序列的首部添加所述保护间隔时，将位于所述循环信号序列尾部的、与保护间隔的长度相对应的数据块符号复制并添加到循环信号序列的首部。
根据本发明的第四方面，本发明实施例还提供一种接收器，该接收器包括：
保护间隔去除模块，用于接收发射器发送的输出信号序列，并去除所述输出信号序列中的保护间隔，得到输入信号序列；
信道均衡模块，用于对所述输入信号序列进行第一均衡操作，得到信道均衡输出信号序列；
循环匹配滤波模块，用于对所述信道均衡输出信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列；
均衡系数生成模块，用于生成均衡系数；
自符号间干扰均衡模块，用于对所述循环匹配信号序列进行第二均衡操作，得到均衡输出信号序列。
可选地，所述保护间隔去除模块用于，
获取发射器发送的保护间隔配置信息，所述保护间隔配置信息至少携带有所述保护间隔的设置位置和长度；
根据所述保护间隔的设置位置和长度，去除所述所述输出信号序列中的保护间隔。
可选地，当所述第一均衡操作包括时域均衡操作和频域均衡操作时，所述信道均衡模块用于，
当传输信号带宽大于或等于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行频域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列；或者，
当传输信号带宽小于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行时域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列。
可选地，所述循环匹配滤波模块，用于获取发射器发送的成形滤波器配置信息，所述成形滤波器配置信息至少携带有发射器所使用的成形滤波器的类型、超奈奎斯特成形滤波位移量和符号数据块的长度；根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，对所述信道均衡输出信号信号进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列；
所述均衡系数生成模块，用于根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，通过循环自相关操作，生成所述均衡系数；
所述均衡系数的长度以及所述循环匹配信号序列的长度均与所述符号数据块的长度相等。
可选地，当所述第二均衡操作包括时域均衡操作或频域均衡操作，且所述第二均衡操作与第一均衡操作一致，自符号间干扰均衡模块用于，
当所述第二均衡操作为频域均衡操作时，计算循环匹配信号序列的离散傅里叶变换与均衡系数的离散傅里叶变换矢量的除运算结果；对所述矢量除运算结果进行离散傅里叶逆变换，得到均衡输出信号序列；或者，
当所述第二均衡操作为时域均衡操作时，离线计算均衡系数的离散傅里叶变换的倒数再取其离散傅里叶逆变换；对该逆变换输出结果和循环匹配信号序列进行循环卷积运算，得到均衡输出信号序列。
根据本发明的第五方面，本发明实施例还提供一种传输系统，该系统包括上述实施例的发射器，以及上述实施例的接收器。
如上所述，本发明的一种超奈奎斯特率块的传输方法、发射器、接收器及系统，具有以下有益效果：将待传输的码元按超过奈奎斯特速率成形滤波，然后通过循环叠加操作，形成可保持超过奈奎斯特速率且首尾循环的块符号，最后为符号块添加保护间隔，形成发送的基带符号。通过保护间隔，使得接收端可先通过简单的均衡消除由多径信道导致的ISI；然后，利用循环叠加形成的首尾循环的块符号，采用时域或频域均衡消除由超过奈奎斯特速率传输导致的自ISI，从而达到降低接收端解调复杂度的效果。
附图说明
图1显示为本发明实施例提供的一种发射器侧超奈奎斯特率块的传输方法的流程示意图。
图2显示为本发明实施例提供的一种循环叠加方法的流程示意图。
图3显示为本发明实施例提供的一种接收器侧超奈奎斯特率块的传输方法的流程示意图。
图4显示为本发明实施例提供的一种出去保护间隔方法的流程示意图。
图5显示为本发明实施例提供的一种第一均衡操作方法的流程示意图。
图6显示为本发明实施例提供的一种循环匹配滤波方法的流程示意图。
图7显示为本发明实施例提供的一种第二均衡操作的流程示意图。
图8显示为本发明实施例提供的一种发射器的结构示意图。
图9显示为本发明实施例提供的一种接收器的结构示意图。
图10显示为本发明实施例提供的一种超奈奎斯特率块传输系统的结构示意图。
图11显示为本发明实施例提供的一种频率效率结果示意图。
图12显示为本发明实施例提供的一种接收重构信噪比结果示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
参见图1，为本发明实施例提供的一种发射器侧超奈奎斯特率块的传输方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例示出了发射器端实施该传输方法的过程：
步骤S101：将调制符号序列分隔为多个符号数据块。
在一示例性实施例中，所述调制符号序列可以表示为{x(n),n＝0,1,2....}。在本发明实施例中将所述调制符号序列分隔为多个符号数据块，每个符号数据块的长度可以均相等为D，这样，多个符号数据块能够构成符号数据块序列。一个符号数据块可以示例性的表示为{a(d),d＝0,1,2....D-1}。由于发射机对每个符号数据块的操作时相同而且是独立的，因此将以一个符号数据块的处理过程为例对后续步骤进行详细描述。
当然，需要说明的是，所述符号数据块的长度也可以不相同，可以在接收器和发射器之间预先设定符号数据块的分割规则，或者，在接收器与发射器通信过程中，发射器可以把符号数据块的分割规则发送到接收器，从而使得接收器与发射器具有统一的符号数据块。
步骤S102：使用成形滤波器分别对各个符号数据块进行超奈奎斯特成形滤波，得到滤波信号序列。
为了对步骤S101得到的符号数据块进行滤波，在本发明实施中，所述成形滤波器可以选用根升余弦滤波器、高斯滤波器和各向同性正交变换算法(英文：IsotropicOrthogonal Transform Algorithm，简称：IOTA)滤波器中的任意一种。
在具体实施时，对符号数据块{a(d),d＝0,1,2....D-1}进行超奈奎斯特成形滤波，输出滤波信号序列为{g(t),t＝0,1,2....P-1}，而且g(t)可以使用如下公式表示：
其中，D为符号数据块的长度，fp(t)为成形滤波器的离散冲击响应，NFTN为超奈奎斯特成形滤波位移量，P为滤波信号序列的长度。
为了进行超奈奎斯特率传输，在一示例性实施例中，所述成形滤波器的离散冲击响应fp(t)的上采样率N大于超奈奎斯特成形滤波位移量NFTN，即N>NFTN。其中，所述超奈奎斯特成形滤波位移量NFTN可以预设为16、17、18、19等，而所述上采样率N可以设置为20等，当然上述上采样率N以及超奈奎斯特成形滤波位移量NFTN的设置仅是一示例性实施例，在具体实施时可以设置为任意其他数值，在本发明实施例中不做限定。所述滤波移位参数NFTN小于所述上采样率N。
而且，所述输出滤波信号序列的长度P，与符号数据块的长度D、超奈奎斯特成形滤波位移量NFTN以及所述成形滤波器的离散冲击响应fp(t)的长度L，具有如下关系：
P＝D×NFTN+L
步骤S103：对所述滤波信号序列进行收尾循环叠加，得到循环信号序列。
继续对步骤S102得到的滤波信号序列{g(t),t＝0,1,2....P-1}进行收尾循环叠加操作，从而得到循环信号序列，所述循环信号序列表示为{b(t),t＝0,1,2....Q-1}，其中Q为所述循环信号序列的长度。
参见图2，为本发明实施例提供的一种循环叠加方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1031：当0≤t≤P-NFTN-1时，将滤波信号序列中的第t数据符号与第t+Q数据符号相加，得到循环信号序列的第t数据符号。
步骤S1032：当P-NFTN≤t≤Q-1时，将滤波信号序列中的第t数据符号作为循环信号序列的第t数据符号；其中，P为滤波信号序列的长度，Q为循环信号序列的长度，P＞Q；NFTN为超奈奎斯特成形滤波位移量；t、P和Q均为自然数。
这样，循环信号序列具体公式可以表示如下：
而且，在本发明实施例中，所述循环信号序列的长度Q等于所述符号数据块的长度D与超奈奎斯特成形滤波位移量NFTN的乘积，且所述循环信号序列Q的长度大于或等于所述成形滤波器的离散冲击响应的长度L。具体地，Q＝D×NFTN且L≤Q<P。
步骤S104：在所述循环信号序列上增加保护间隔，得到输出信号序列，并向接收器发出。
为了减少信道间干扰，在一示例性实施例中，可以在所述循环信号序列b(t)的首部或尾部添加保护间隔；而且，优选地所述保护间隔的长度大于或等于信道最大时延扩展长度。
具体实施例时，可以通过循环前缀的方式在所述循环信号序列的首部增加所述保护间隔：将位于所述循环信号序列尾部的、与保护间隔的长度相对应的数据块符号复制并添加到循环信号序列的首部，从而形成待循环前缀的输出信号序列。
通过增加所述保护间隔，所述循环信号序列{b(t),t＝0,1,2....Q-1}变换成完整的输出信号序列{s(t),t＝0,1,2....Q+C-1}，其中C为保护间隔的长度。生成的输出信号序列向接收器发出，或者以广播的形式向周围环境发出，以使接收器能够接收到所述输出信号序列。当然，需要说明的是，在具体实施时，所述输出信号序列的发出过程还可能包括信道编码、数字调制、射频变频以及发射等步骤，在本发明实施中不再赘述。
参见图3，为本发明实施例提供的一种接收器侧超奈奎斯特率块的传输方法的流程示意图，如图3所示，本发明实施例示出了接收器实施该传输方法的过程：
步骤S201：接收发射器发送的输出信号序列，并去除所述输出信号序列中的保护间隔，得到输入信号序列。
首先需要说明的是，以数字通信系统为例，接收机在接收信号时可能还需要进行射频变频、同步、信道估计以及数字解调等步骤，在本发明实施中不再赘述。本发明实施例将以接收到发射器发出的输出信号序列{r(t),t＝0,1,...,Q+C-1}为例，对发射器侧实施超奈奎斯特率块的传输方法进行详细描述；其中Q为输出信号序列的长度，C为保护间隔的长度。
接收器按照发射器保护间隔添加规则，将数据块中的C个作为保护间隔的采样值舍去，从而形成长度为Q的输入信号序列{y(t),t＝0,1,2,...,Q-1}。
在第一种实施情况下，可以预设保护间隔的添加规则，所述添加规则规定保护间隔的添加位置以及保护间隔的长度等参数；这样，发射器能够按照预设的添加规则增加保护间隔，向接收器发出输出信号序列，接收器根据预设的添加规则，将发射器增加的保护间隔去除，从而得到输入信号序列。
在第二种实施情况下，由于发射器可能需要变动保护间隔的添加规则，为了提高保护间隔去除的灵活性和效率，参见图4，为本发明实施例提供的一种出去保护间隔方法的流程示意图，如图4所示，该方法包括：
步骤S2011：获取发射器发送的保护间隔配置信息，所述保护间隔配置信息至少携带有所述保护间隔的设置位置和长度。
在发射器发出所述输出信号序列的同时，还可以发出保护间隔配置信息；其中，所述保护间隔配置信息可以集成在所述输出信号序列中的字段内，或者以独立字段的形式向接收器发出实施保护间隔配置信息，在本发明实施例中不做限定。而且，所述保护间隔配置信息携带有发射器增加的保护间隔的设置位置和保护间隔的长度。进一步，接收器获取发射器发送的保护间隔配置信息。
步骤S2022：根据所述保护间隔的设置位置和长度，去除所述输出信号序列中的保护间隔。
接收器根据从保护间隔配置信息中获取到的保护间隔的设置位置和长度，从所述输出信号序列中的设置位置开始，去除所述长度对应的输出信号序列中的数据符号，从而得到去除保护间隔后的输入信号序列。
步骤S202：对所述输入信号序列进行第一均衡操作，得到信道均衡输出信号序列。
根据步骤S201得到的输入信号序列{y(t),t＝0,1,2,...,Q-1}，对所述输入信号序列{y(t),t＝0,1,2,...,Q-1}进行第一均衡操作，从而得到信道均衡输出信号序列{e(t),t＝0,1,2,...,Q-1}。其中，所述第一均衡操作可以包括时域均衡操作或频域均衡操作。
由于在不同实施条件下可能需要进行不同的均衡操作，为了提高第一均衡操作的效率，参见图5，为本发明实施例提供的一种第一均衡操作方法的流程示意图，如图5所示，该方法包括：
步骤S2021：当传输信号带宽大于或等于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行频域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列。
所述带宽阈值可以为预设的带宽阈值，当传输信号的带宽大于或等于所述带宽阈值时，表示当前的信号传输场景为宽带；同样，当传输信号的带宽小于所述带宽阈值时，表示当前的信号传输场景为窄带。对于宽带的情况，所述第一均衡操作可以为频域均衡操作；进一步，对所述输入信号序列进行频域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列。对于上述频域均衡操作的具体过程，在本发明实施例中不再赘述。
步骤S2022：当传输信号带宽小于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行时域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列。
当传输信号带宽小于带宽阈值时，表示当前的信号传输场景为窄带；对于窄带的情况，所述第一均衡操作可以为时域均衡操作；进一步，对所述输入信号序列进行时域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列。在本发明实施例中对上述时域均衡操作的具体过程不再赘述。
这样，本发明实施例能够根据宽带和窄带场景，选择不同的第一均衡操作策略，从而有效提高均衡操作效率。
步骤S203：对所述信道均衡输出信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列。
对步骤S202得到信道均衡输出信号序列{e(t),t＝0,1,2,...,Q-1}进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列o(d)。
在第一种实施情况下，所述发射器和接收器可以预设相同的成形滤波器以及符号数据块的长度等参数信息；这样，发射器能够根据预设的成形滤波器和符号数据块的长度等参数信息，生成并发出输出信号序列；进一步，接收器根据预设的成型滤波器和符号数据块的长度等参数信息，对接收到的输出信号序列经过上述步骤后，在本步骤中执行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列。
在第二种实施情况下，由于发射器可能需要变换使用不同的成形滤波器以及配置不同的符号数据块的长度等参数，为了提高循环匹配滤波的灵活性和效率，参见图6，为本发明实施例提供的一种循环匹配滤波方法的流程示意图，如图6所示，该方法包括：
步骤S2031：获取发射器发送的成形滤波器配置信息，所述成形滤波器配置信息至少携带有发射器所使用的成形滤波器的类型、超奈奎斯特成形滤波位移量和符号数据块的长度。
发射器在发出输出信号序列的同时，可以在所述输出信号序列的字段中携带所述成形滤波器配置信息，或者，发射器可以发出独立的成形滤波器配置信息，在本发明实施例中不做限定。接收器接收所述成形滤波器配置信息，而且，所述成形滤波配置信息至少携带有发射器所使用的成形滤波器的类型和符号数据块的长度。
步骤S2032：根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，对所述信道均衡输出信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列。
接收器进一步选择所述类型对应的成形滤波器，并对所述信道均衡输出信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列。
所述循环匹配信号序列o(d)可以通过以下公式计算得到：
其中，fp(t)为成形滤波器的离散冲击响应，L为成形滤波器的离散冲击响应fp(t)的长度，Q为循环匹配信号序列的长度，NFTN为超奈奎斯特成形滤波位移量，(())Q表示取模Q运算。
生成的所述循环匹配信号序列可以表示为{o(d),d＝0,1,2,...,D-1}，其中，所述循环匹配信号序列的长度与符号数据块的长度D相同。
步骤S204：生成均衡系数。
所述均衡系数{cf(d),d＝0,...,D-1}用于自符号件干扰均衡。与步骤S2031对应，所述生成均衡系数，包括根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，通过循环自相关操作，生成所述均衡系数；所述均衡系数所使用的成形滤波器为步骤S2031中确定的成形滤波器。
所述均衡系数可以通过以下公式计算得到：
其中，所述均衡系数的计算公式中的参数与上述步骤相同之处，可参见上述步骤的描述在此不再赘述。而且，所述均衡系数的长度与所述符号数据块的长度D相等。
步骤S205：根据所述均衡系数，对所述循环匹配信号序列进行第二均衡操作，得到均衡输出信号序列。
在一示例性实施例中，所述第二均衡操作与第一均衡操作为同样类型的均衡操作。具体地，当第一均衡操作为频域均衡操作时，所述第二均衡操作也为频域均衡操作；当第一均衡操作为时域均衡操作时，所述第二均衡操作也可以为时域均衡操作。
参见图7，为本发明实施例提供的一种第二均衡操作的流程示意图，如图7所示，该方法包括：
步骤S2051：当所述第二均衡操作为频域均衡操作时，计算循环匹配信号序列的离散傅里叶变换与均衡系数的离散傅里叶变换的矢量除运算结果；对所述矢量除运算结果进行离散傅里叶逆变换，得到均衡输出信号序列。
具体地，所述均衡输出信号序列{z(d),d＝0,1,2,...,D-1}可以通过以下公式计算得到：
{z(d)}＝IDFTD{DFTD{o(d)}./DFTD{cf(d)}}，
其中，o(d)为循环匹配信号序列，cf(d)为均衡系数，DFTD{ }为D点的离散傅里叶变换运算，IDFTD{ }为D点的离散傅里叶逆变换运算，./为矢量除运算。
步骤S2052：当所述第二均衡操作为时域均衡操作时，离线计算均衡系数的离散傅里叶变换的倒数再取其离散傅里叶逆变换；对该逆变换输出结果和循环匹配信号序列进行循环卷积运算，得到均衡输出信号序列。
在第二均衡操作为时域均衡操作的情况下，所述均衡输出信号序列{z(d),d＝0,1,2,...,D-1}可以通过以下公式计算得到：
其中，为循环卷积运算，o(d)为循环匹配信号序列，cf(d)为均衡系数，DFTD{ }为D点的离散傅里叶变换运算，IDFTD{ }为D点的离散傅里叶逆变换运算，./为矢量除运算。
而且，需要说明的是，所述均衡输出信号序列z(d)、所述循环匹配信号序列o(d)以及所述均衡系数cf(d)的长度均与符号数据块的长度D相同。
与本发明实施例提供的一种超奈奎斯特率块的传输方法实施例相对应，本发明实施例还提供了该传输方法的装置实施例。
参见图8，为本发明实施例提供的一种发射器的结构示意图，如图8所示，该发射器包括：
数据块分割模块11，用于将调制符号序列分割为多个符号数据块；其中，所述数据块分割模块所分割得到的所述多个符号数据块的长度均相同；
成形滤波模块12，用于使用成形滤波器分别对各个符号数据块进行超奈奎斯特成形滤波，得到滤波信号序列；其中，所述成形滤波模块所使用的成形滤波器的上采样率大于超奈奎斯特成形滤波位移量；所述成形滤波模块所使用的成形滤波器包括根升余弦滤波器、高斯滤波器和各向同性正交变换算法(IOTA)滤波器中的任意一种；
循环成块模块13，用于对所述滤波信号序列进行首尾循环叠加，得到循环信号序列；
保护间隔模块14，用于在所述循环信号序列上增加保护间隔，得到输出信号序列，并向接收器发出。
可选地，所述循环成块模块13，用于当0≤t≤P-NFTN-1时，将滤波信号序列中的第t数据符号与第t+Q数据符号相加，得到循环信号序列的第t数据符号；当P-NFTN≤t≤Q-1，将滤波信号序列中的第t数据符号作为循环信号序列的第t数据符号；其中，P为滤波信号序列的长度，Q为循环信号序列的长度，P＞Q；NFTN为超奈奎斯特成形滤波位移量；t、P和Q均为自然数。
可选地，所述循环信号序列的长度等于所述符号数据块的长度与超奈奎斯特成形滤波位移量的乘积，且所述循环信号序列的长度大于或等于所述成形滤波器的响应长度。
可选地，所述保护间隔模块用于，在所述循环信号序列的首部或尾部添加所述保护间隔，且所述保护间隔的长度大于或等于信道最大时延扩展长度。
可选地，当在所述循环信号序列的首部添加所述保护间隔时，将位于所述循环信号序列尾部的、与保护间隔的长度相对应的数据块符号复制并添加到循环信号序列的首部。
参见图9，为本发明实施例提供的一种接收器的结构示意图，如图9所示，该接收器包括：
保护间隔去除模块21，用于接收发射器发送的输出信号序列，并去除所述输出信号序列中的保护间隔，得到输入信号序列；
信道均衡模块22，用于对所述输入信号序列进行第一均衡操作，得到信道均衡输出信号序列；
循环匹配滤波模块23，用于对所述信道均衡输出信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列；
均衡系数生成模块24，用于生成均衡系数；
自符号间干扰均衡模块25，用于对所述循环匹配信号序列进行第二均衡操作，得到均衡输出信号序列。
可选地，所述保护间隔去除模块21用于，获取发射器发送的保护间隔配置信息，所述保护间隔配置信息至少携带有所述保护间隔的设置位置和长度；根据所述保护间隔的设置位置和长度，去除所述所述输出信号序列中的保护间隔。
当所述第一均衡操作包括时域均衡操作和频域均衡操作时，所述信道均衡模块22用于，当传输信号带宽大于或等于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行频域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列；或者，当传输信号带宽小于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行时域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列。
可选地，循环匹配滤波模块23，用于获取发射器发送的成形滤波器配置信息，所述成形滤波器配置信息至少携带有发射器所使用的成形滤波器的类型、超奈奎斯特成形滤波位移量和符号数据块的长度；根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，对所述信道均衡输出信号信号进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列；所述均衡系数生成模块24，用于根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，通过循环自相关操作，生成所述均衡系数；所述均衡系数的长度以及所述循环匹配信号序列的长度均与所述符号数据块的长度相等。
可选地，当所述第二均衡操作包括时域均衡操作或频域均衡操作，且所述第二均衡操作与第一均衡操作一致时，自符号间干扰均衡模块25用于，当所述第二均衡操作为频域均衡操作时，计算循环匹配信号序列的离散傅里叶变换与均衡系数的离散傅里叶变换的矢量除运算结果；对所述矢量除运算结果进行离散傅里叶逆变换，得到均衡输出信号序列；或者，当所述第二均衡操作为时域均衡操作时，离线计算均衡系数的离散傅里叶变换的倒数再取其离散傅里叶逆变换；对该逆变换输出结果和循环匹配信号序列进行循环卷积运算，得到均衡输出信号序列。
参见图10，为本发明实施例提供的一种超奈奎斯特率块传输系统的结构示意图，该传输系统包括上述实施例所描述的发射器31和上述实施例所描述的接收器32。
为了说明本发明实施例所提供的一种超奈奎斯特率块的传输方法、发射器、接收器及系统的效果，本发明实施例进行了系统仿真，具体的系统仿真参数设置如下表一所示：
表一：
参见图11，为本发明实施例提供的一种频率效率结果示意图。图11示出了通过不同的系统参数配置可获得不同的频谱效率，由图11可见，奈奎斯特系统的时间压缩率为1，当采用QPSK调制时，其频谱效率为2bps/Hz；而对于超奈奎斯特系统的时间压缩率为0.8～0.95时，同样调制方式下，频谱效率分别2.5～2.11bps/Hz，本发明实施例提供的超奈奎斯特系统的频谱效率比奈奎斯特系统提高25％～5.5％。
参见图12，为本发明实施例提供的一种接收重构信噪比结果示意图。图12示出了通过不同的系统参数配置可获得不同的接收重构信噪比，由图12可见，奈奎斯特系统的时间压缩率为1，接收重构信噪比与AWGN信道信噪比完全相同；而对于超奈奎斯特系统的时间压缩率为0.8～0.95时，接收重构信噪比逐渐提高，即接收重构信噪随系统频谱效率的降低而提高。
因此，本发明提出的超奈奎斯特系统可获得与传统超奈奎斯特系统相同的频谱效率，并与传统奈奎斯特系统相比有明显提升。
综上所述，本发明提供的一种超奈奎斯特率块的传输方法、发射器、接收器及系统，将待传输的码元按超过奈奎斯特速率成形滤波，然后通过循环叠加操作，形成可保持超过奈奎斯特速率且首尾循环的块符号，最后为符号块添加保护间隔，形成发送的基带符号。通过保护间隔，使得接收端可先通过简单的均衡消除由多径信道导致的ISI；然后，利用循环叠加形成的首尾循环的块符号，采用时域或频域均衡消除由超过奈奎斯特速率传输导致的自ISI，从而达到降低接收端解调复杂度的效果。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (27)

1.一种超奈奎斯特率块的传输方法，应用于发射器，其特征在于，所述传输方法包括以下步骤：
将调制符号序列分割为多个符号数据块；
使用成形滤波器分别对各个符号数据块进行超奈奎斯特成形滤波，得到滤波信号序列；
对所述滤波信号序列进行首尾循环叠加，得到循环信号序列；
在所述循环信号序列上增加保护间隔，得到输出信号序列，并向接收器发出。
2.根据权利要求1所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，所述多个符号数据块的长度均相同。
3.根据权利要求1所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，所述成形滤波器的离散冲击响应的上采样率大于超奈奎斯特成形滤波位移量。
4.根据权利要求1所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，所述成形滤波器包括根升余弦滤波器、高斯滤波器和各向同性正交变换算法滤波器中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，对所述滤波信号序列进行首尾循环叠加，得到循环信号序列，包括：
当0≤t≤P-NFTN-1时，将滤波信号序列中的第t数据符号与第t+Q数据符号相加，得到循环信号序列的第t数据符号；并且
当P-NFTN≤t≤Q-1时，将滤波信号序列中的第t数据符号作为循环信号序列的第t数据符号；
其中，P为滤波信号序列的长度，Q为循环信号序列的长度，P＞Q；NFTN为超奈奎斯特成形滤波位移量；t、P和Q均为自然数。
6.根据权利要求5所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，所述循环信号序列的长度等于所述符号数据块的长度与超奈奎斯特成形滤波位移量的乘积，且所述循环信号序列的长度大于或等于所述成形滤波器的离散冲击响应的长度。
7.根据权利要求1所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，在所述循环信号序列上增加保护间隔，得到输出信号序列，包括：
在所述循环信号序列的首部或尾部添加所述保护间隔，且所述保护间隔的长度大于或等于信道最大时延扩展长度。
8.根据权利要求7所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，当在所述循环信号序列的首部添加所述保护间隔时，将位于所述循环信号序列尾部的、与保护间隔的长度相对应的数据块符号复制并添加到循环信号序列的首部。
9.一种超奈奎斯特率块的传输方法，应用于接收器，其特征在于，包括以下步骤：
接收发射器发送的输出信号序列，并去除所述输出信号序列中的保护间隔，得到输入信号序列；
对所述输入信号序列进行第一均衡操作，得到信道均衡输出信号序列；
对所述信道均衡输出信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列；
生成均衡系数；
根据所述均衡系数，对所述循环匹配信号序列进行第二均衡操作，得到均衡输出信号序列。
10.根据权利要求9所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，接收发射器发送的输出信号序列，并去除所述输出信号序列中的保护间隔，得到输入信号序列，包括：
获取发射器发送的保护间隔配置信息，所述保护间隔配置信息至少携带有所述保护间隔的设置位置和长度；
根据所述保护间隔的设置位置和长度，去除所述输出信号序列中的保护间隔。
11.根据权利要求9所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，当所述第一均衡操作包括时域均衡操作和频域均衡操作时，对所述输入信号序列进行第一均衡操作，得到信道均衡输出信号序列，包括：
当传输信号带宽大于或等于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行频域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列；或者，
当传输信号带宽小于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行时域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列。
12.根据权利要求9所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，还包括：
对所述均衡信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列，包括获取发射器发送的成形滤波器配置信息，所述成形滤波器配置信息至少携带有发射器所使用的成形滤波器的类型、超奈奎斯特成形滤波位移量和符号数据块的长度；根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，对所述信道均衡输出信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列；
所述生成均衡系数，包括根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，通过循环自相关操作，生成所述均衡系数；
所述均衡系数的长度以及所述循环匹配信号序列的长度均与所述符号数据块的长度相等。
13.根据权利要求9所述的超奈奎斯特率块的传输方法，其特征在于，当所述第二均衡操作包括时域均衡操作或频域均衡操作，且所述第二均衡操作与第一均衡操作一致，根据所述均衡系数，对所述循环匹配信号序列进行第二均衡操作，得到均衡输出信号序列，包括：
当所述第二均衡操作为频域均衡操作时，计算循环匹配信号序列的离散傅里叶变换与均衡系数的离散傅里叶变换的矢量除运算结果；对所述矢量除运算结果进行离散傅里叶逆变换，得到均衡输出信号序列；或者，
当所述第二均衡操作为时域均衡操作时，离线计算均衡系数的离散傅里叶变换的倒数再取其离散傅里叶逆变换；对该逆变换输出结果和循环匹配信号序列进行循环卷积运算，得到均衡输出信号序列。
14.一种发射器，其特征在于，包括：
数据块分割模块，用于将调制符号序列分割为多个符号数据块；
成形滤波模块，用于使用成形滤波器分别对各个符号数据块进行超奈奎斯特成形滤波，得到滤波信号序列；
循环成块模块，用于对所述滤波信号序列进行首尾循环叠加，得到循环信号序列；
保护间隔模块，用于在所述循环信号序列上增加保护间隔，得到输出信号序列，并向接收器发出。
15.根据权利要求14所述的发射器，其特征在于，所述数据块分割模块所分割得到的所述多个符号数据块的长度均相同。
16.根据权利要求14所述的发射器，其特征在于，所述成形滤波模块所使用的成形滤波器的上采样率大于超奈奎斯特成形滤波位移量。
17.根据权利要求14所述的发射器，其特征在于，所述成形滤波模块所使用的成形滤波器包括根升余弦滤波器、高斯滤波器和各向同性正交变换算法滤波器中的任意一种。
18.根据权利要求14所述的发射器，其特征在于，所述循环成块模块用于，
当0≤t≤P-NFTN-1时，将滤波信号序列中的第t数据符号与第t+Q数据符号相加，得到循环信号序列的第t数据符号；
当P-NFTN≤t≤Q-1，将滤波信号序列中的第t数据符号作为循环信号序列的第t数据符号；
其中，P为滤波信号序列的长度，Q为循环信号序列的长度，P＞Q；NFTN为超奈奎斯特成形滤波位移量；t、P和Q均为自然数。
19.根据权利要求18所述的发射器，其特征在于，所述循环信号序列的长度等于所述符号数据块的长度与超奈奎斯特成形滤波位移量的乘积，且所述循环信号序列的长度大于或等于所述成形滤波器的离散冲击响应的长度。
20.根据权利要求14所述的发射器，其特征在于，所述保护间隔模块用于，在所述循环信号序列的首部或尾部添加所述保护间隔，且所述保护间隔的长度大于或等于信道最大时延扩展长度。
21.根据权利要求20所述的发射器，其特征在于，所述保护间隔模块用于，当在所述循环信号序列的首部添加所述保护间隔时，将位于所述循环信号序列尾部的、与保护间隔的长度相对应的数据块符号复制并添加到循环信号序列的首部。
22.一种接收器，其特征在于，包括：
保护间隔去除模块，用于接收发射器发送的输出信号序列，并去除所述输出信号序列中的保护间隔，得到输入信号序列；
信道均衡模块，用于对所述输入信号序列进行第一均衡操作，得到信道均衡输出信号序列；
循环匹配滤波模块，用于对所述信道均衡输出信号序列进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列；
均衡系数生成模块，用于生成均衡系数；
自符号间干扰均衡模块，用于对所述循环匹配信号序列进行第二均衡操作，得到均衡输出信号序列。
23.根据权利要求22所述的接收器，其特征在于，所述保护间隔去除模块用于，
获取发射器发送的保护间隔配置信息，所述保护间隔配置信息至少携带有所述保护间隔的设置位置和长度；
根据所述保护间隔的设置位置和长度，去除所述所述输出信号序列中的保护间隔。
24.根据权利要求22所述的接收器，其特征在于，当所述第一均衡操作包括时域均衡操作和频域均衡操作时，所述信道均衡模块用于，
当传输信号带宽大于或等于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行频域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列；或者，
当传输信号带宽小于带宽阈值时，对所述输入信号序列进行时域均衡操作，得到信道均衡输出信号序列。
25.根据权利要求22所述的接收器，其特征在于，
循环匹配滤波模块，用于获取发射器发送的成形滤波器配置信息，所述成形滤波器配置信息至少携带有发射器所使用的成形滤波器的类型、超奈奎斯特成形滤波位移量和符号数据块的长度；根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，对所述信道均衡输出信号信号进行循环匹配滤波，得到循环匹配信号序列；
所述均衡系数生成模块，用于根据与所述类型对应的成形滤波器以及所述超奈奎斯特成形滤波位移量，通过循环自相关操作，生成所述均衡系数；
所述均衡系数的长度以及所述循环匹配信号序列的长度均与所述符号数据块的长度相等。
26.根据权利要求22所述的接收器，其特征在于，当所述第二均衡操作包括时域均衡操作或频域均衡操作，且所述第二均衡操作与第一均衡操作一致，自符号间干扰均衡模块用于，
当所述第二均衡操作为频域均衡操作时，计算循环匹配信号序列的离散傅里叶变换与均衡系数的离散傅里叶变换的矢量除运算结果；对所述矢量除运算结果进行离散傅里叶逆变换，得到均衡输出信号序列；或者，
当所述第二均衡操作为时域均衡操作时，离线计算均衡系数的离散傅里叶变换的倒数再取其离散傅里叶逆变换；对该逆变换输出结果和循环匹配信号序列进行循环卷积运算，得到均衡输出信号序列。
27.一种传输系统，其特征在于，包括如权利要求14至21任一项所述的发射器，以及如权利要求22至26任一项所述的接收器。
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