CN111294308B - Ofdm系统滤波边界效应的处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种OFDM系统滤波边界效应的处理方法，包括如下步骤。步骤S10：对OFDM系统的数据进行滤波。步骤S20：对滤波后的OFDM系统的数据去除每个符号前面的循环前缀，同时把每个符号前面的循环前缀尾部的数据替代该符号尾部的对应部分。步骤S30：对已去除循环前缀、且已替换过的每个符号的数据进行快速傅里叶变换。上述方法利用OFDM系统的数据都有CP的特点，在多径延时满足要求的条件下，利用CP相对符号的循环特性来克服滤波引入的边界效应。
Description
技术领域
本申请涉及一种无线通信技术，特别是涉及一种针对OFDM（orthogonalfrequency-division multiplexing，正交频分复用）系统的接收端的滤波边界效应的处理方法，典型应用包括WiFi、4G、5G等。
背景技术
OFDM系统是正交频分多路系统，这种技术是将频率选择性的宽带信道分为多个非频率选择性的且相互正交的窄带信道。相对于传统的频分多路系统，OFDM系统由于子带间的正交性，对于ICI（Inter Carrier Interference，载波间干扰）有着天然的免疫，因而有着极高的频谱利用率。对于高速数据流系统，ISI（Inter Symbol Interference，符号间干扰）是一个严重的问题。OFDM系统将高速的数据流进行串并转换得到低速的平行数据流，并且加入CP（Cyclic Prefix，循环前缀），从而很好的抑制了ISI问题。同时，由于可以使用IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶逆变换）和FFT（Fast FourierTransform，快速傅里叶变换）进行正交载波的调制和解调，使得OFDM系统相当容易实现。
请参阅图1，时域形式的OFDM信号中，每个符号（symbol）前面的循环前缀都与该符号的末尾与循环前缀等长的数据完全相同。例如，每个符号的循环前缀的长度均为k，那么符号n（symbol n）的循环前缀与符号n的末尾的k长度的数据是完全相同的。
在无线通信系统中存在着大量的滤波器，例如模拟低通滤波器、上采样的插值滤波器、下抽样滤波器以及数字信道滤波器等。滤波操作即为卷积（convolution）操作，即移位乘和累加操作。
请参阅图2，这里以数字FIR（finite impulse response，有限冲击响应）滤波器作为示例。其中包括D触发器、加法器、乘法器；其本质就是输入数据Data_in和滤波器系数b(i)进行了卷积得到输出数据Data_out，如公式一所示。
由于数据和系数的卷积是连续不断的，因此在图1中某个符号的末尾与下一个符号的循环前缀的起始位置之间交界的地方会存在两个符号共同参与运算的情况，由于OFDM系统的每个符号都是相互独立的，所以对于这相当于受到了另一个符号的污染，增加了数据的误差，这就是所谓的边界效应（Symbol Boundary Effect）。
请参阅图3，这是对一个子帧（subframe）的LTE（Long Term Evolution，长期演进技术）数据进行一级无损低通滤波（即滤波器的通带大于信号有效带宽），滤波后的数据与滤波前的数据计算误差。其中的横坐标是采样点，没有单位，表示第几个采样点；纵坐标是绝对误差，也没有单位。LTE数据的一个TTI（transmission time interval，传输时间间隔）为1ms，采样率例如为245.76MHz，因此就有245760个采样点。一个LTE数据的TTI里包含14个符号，该TTI的最后一个符号与下一个TTI的第一个符号也有边界效应，所以这里有14个符号交界的位置，在这14个符号交界的位置的绝对误差明显高于其他位置。从图3中可以看到在符号交界附近的数据会出现明显的误差，而其他数据没有明显的误差。这些符号边界的误差在做FFT转换到频域的时候会扩散到整个频域，从而影响整体的EVM（error vectormagnitude，误差矢量幅度）性能。
由于通信系统里存在大量的滤波器，因此这些边界效应的累积对信号EVM的影响是不能忽视的。现有技术对边界效应不做任何特殊处理。对于传统的无线通信系统，由于调制阶数不高，所以边界效应引入的EVM损失不会对性能造成明显损失。但是随着5G、WiFi6等超高速无线通信系统的发展，诸如256QAM（quadrature amplitude modulation，正交幅度调整）或者1024QAM等高阶调制技术的应用对数据的信噪比的要求会明显提高，因此在这些场景下克服边界效应的影响会对系统整体性能提升起到很重要的作用。
发明内容
本申请所要解决的技术问题利用OFDM系统的特点提出一种克服边界效应的方法。
为解决上述技术问题，本申请提出了一种OFDM系统滤波边界效应的处理方法，包括如下步骤。步骤S10：对OFDM系统的数据进行滤波。步骤S20：对滤波后的OFDM系统的数据去除每个符号前面的循环前缀，同时把每个符号前面的循环前缀尾部的数据替代该符号尾部的对应部分。步骤S30：对已去除循环前缀、且已替换过的每个符号的数据进行快速傅里叶变换。上述方法利用OFDM系统的数据都有CP的特点，在多径延时满足要求的条件下，利用CP相对符号的循环特性来克服滤波引入的边界效应。
进一步地，所述步骤S10中，所述OFDM系统的数据包括数字电视与音频广播数据、DSL互联网接入数据、无线网络数据、电力线通信数据、以及4G、5G移动通信数据的任意一种。这是一些常见的OFDM系统的数据，作为示例。
进一步地，所述步骤S20中，所述OFDM系统的数据包括多个符号，每个符号前面都有一个循环前缀，并且每个符号的循环前缀都与该符号的末尾与循环前缀等长的数据完全相同。这是对OFDM系统的数据的循环前缀的特性的说明。
进一步地，所述步骤S20中，每个符号的循环前缀与该符号的交界位置是没有边界效应的，只有每个符号的尾部与下一个符号的循环前缀的起始位置交界的地方才有边界效应。这是对OFDM系统的数据经过滤波后产生边界效应的说明。
进一步地，所述步骤S20中，每个符号的循环前缀的长度均为k，在每个符号的循环前缀中选取末尾的m长度的数据，m≤k；将每个符号的循环前缀尾部的m长度的数据替代该符号尾部的m长度的数据。这是对步骤S20的详细说明。
进一步地，所述步骤S20中，m的取值大于所述步骤S10中模拟和/或数字滤波器的群延时。这是对m的优选取值说明。
本申请还提出了一种OFDM系统滤波边界效应的处理装置，包括滤波单元、替换单元和计算单元。所述滤波单元用来对OFDM系统的数据进行滤波，滤波后的数据送往替换单元。所述替换单元用来对滤波后的OFDM系统的数据去除每个符号前面的循环前缀，同时把每个符号的循环前缀尾部的数据替代该符号尾部的对应部分，替换后的数据送往计算单元。所述计算单元用来对已去除循环前缀、且已替换过的每个符号的数据进行快速傅里叶变换。上述装置利用OFDM系统的数据的循环前缀的循环特性来克服滤波引入的边界效应。
进一步地，所述OFDM系统的数据包括多个符号，每个符号前面都有一个循环前缀，并且每个符号的循环前缀都与该符号的末尾与循环前缀等长的数据完全相同；每个符号的循环前缀与该符号的交界位置是没有边界效应的，只有每个符号的尾部与下一个符号的循环前缀的起始位置交界的地方才有边界效应。这是对OFDM系统的数据的循环前缀的特性、以及OFDM系统的数据经过滤波后产生边界效应的说明。
进一步地，每个符号的循环前缀的长度均为k，在每个符号的循环前缀中选取末尾的m长度的数据，m≤k；将每个符号的循环前缀尾部的m长度的数据替代该符号尾部的m长度的数据。这是对替换单元的详细说明。
进一步地，m的取值大于所述滤波单元采用的模拟和/或数字滤波器的群延时。这是对m的优选取值说明。
本申请取得的技术效果是消除了边界效应对OFDM系统的每个符号的数据的影响，并且实现简单、成本较低。
附图说明
图1是OFDM信号的时域形式的示意图。
图2是数字FIR滤波器的结构示意图。
图3是对滤波后的数据与滤波前的数据计算误差的示意图。
图4是本申请提出的OFDM系统滤波边界效应的处理方法的流程图。
图5是OFDM系统的数据存在边界效应的示意图。
图6是步骤S20的示意图。
图7是本申请提出的OFDM系统滤波边界效应的处理装置的结构示意图。
图中附图标记说明：10为滤波单元、20为替换单元、30为计算单元。
具体实施方式
请参阅图4，本申请提出了一种利用循环前缀的循环特性对OFDM系统的边界效应进行处理的方法，包括如下步骤。
步骤S10：对OFDM系统的数据进行滤波。所述OFDM系统的数据例如包括数字电视与音频广播数据、DSL（digital subscriber line，数字用户线路）互联网接入数据、无线网络数据、电力线通信数据、以及4G、5G等移动通信数据等。
步骤S20：OFDM系统的数据包括多个符号，每个符号前面都有一个循环前缀，并且每个符号的循环前缀都与该符号的末尾与循环前缀等长的数据完全相同。对滤波后的OFDM系统的数据去除每个符号前面的循环前缀，同时把每个符号前面的循环前缀尾部的数据替代该符号尾部的对应部分。
步骤S30：对已去除循环前缀、且已替换过的每个符号的数据进行快速傅里叶变换，得到的频域数据即是没有被边界效应污染的频域数据。
请参阅图5，OFDM系统的数据中，每个符号的循环前缀是该符号的尾部相同长度的数据的复制，因此每个符号的循环前缀与该符号的交界位置是没有边界效应的，只有每个符号的尾部与下一个符号的循环前缀的起始位置交界的地方才有边界效应。
请参阅图6，每个符号的循环前缀的长度均为k，那么符号n前面的循环前缀与符号n的末尾的k长度的数据是完全相同的。在每个符号的循环前缀中选取末尾的m长度的数据，其与该符号的末尾的m长度的数据也是完全相同的，其中m≤k。所述步骤S20中，将每个符号的循环前缀尾部的m长度的数据替代该符号尾部的m长度的数据。由于每个符号的循环前缀与该符号的交界位置是没有边界效应的，而每个符号的尾部与下一个符号的循环前缀交界的地方有边界效应，因此所述步骤S20是将没有受到边界效应影响的m长度的数据替代受到边界效应影响的m长度的数据，由此得到了新的符号就是消除了边界效应影响的。
优选地，m的取值大于所述步骤S10中模拟和/或数字滤波器的群延时（groupdelay）。
请参阅图7，本申请提出的OFDM系统滤波边界效应的处理装置包括滤波单元10、替换单元20和计算单元30。
所述滤波单元10用来对OFDM系统的数据进行滤波，滤波后的数据送往替换单元20。所述OFDM系统的数据包括多个符号，每个符号前面都有一个循环前缀，并且每个符号的循环前缀都与该符号的末尾与循环前缀等长的数据完全相同。每个符号的循环前缀与该符号的交界位置是没有边界效应的，只有每个符号的尾部与下一个符号的循环前缀的起始位置交界的地方才有边界效应。
所述替换单元20用来对滤波后的OFDM系统的数据去除每个符号前面的循环前缀，同时把每个符号的循环前缀尾部的数据替代该符号尾部的对应部分，替换后的数据送往计算单元30。假设每个符号的循环前缀的长度均为k，在每个符号的循环前缀中选取末尾的m长度的数据，m≤k；将每个符号的循环前缀尾部的m长度的数据替代该符号尾部的m长度的数据。优选地，m的取值大于所述滤波单元10采用地模拟和/或数字滤波器的群延时。
所述计算单元30用来对替换过的每个符号的数据进行快速傅里叶变换，得到的频域数据即是没有被边界效应污染的频域数据。
在一个LTE下行接收系统中采用本申请所述方法进行了EVM仿真，将频域数据源经过过抽样IFFT之后到模数转换的时域数据，然后经过下抽样到系统采样率，然后进行FFT，将得到的频域数据和数据源进行EVM计算。这里参考了3GPP规范TS 36.101中加入了各种阻断器（Blockers），仿真了不同情况下的EVM结果。表1与表2是没有加入本申请提出的边界效应处理方法的EVM结果。表3与表4是加入本申请提出的边界效应处理方法的EVM结果。
表1：现有方法EVM仿真结果一。
表2：现有方法EVM仿真结果二。
表3：本申请方法EVM仿真结果一。
表4：本申请方法EVM仿真结果二。
由表1至表4可以看到，采用本申请的方法之后的EVM性能有大幅提高，尤其是对于有阻断器的一些场景，EVM性能提升达到了10dB以上。同时本申请的实现代价非常小，有利于实际实现。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种OFDM系统滤波边界效应的处理方法，其特征是，包括如下步骤；
步骤S10：对OFDM系统的数据进行滤波；
步骤S20：对滤波后的OFDM系统的数据去除每个符号前面的循环前缀，同时把每个符号前面的循环前缀尾部的数据替代该符号尾部的对应部分；具体而言，每个符号的循环前缀的长度均为k，在每个符号的循环前缀中选取末尾的m长度的数据，m≤k，且m的取值大于所述步骤S10中模拟和/或数字滤波器的群延时；将每个符号的循环前缀尾部的m长度的数据替代该符号尾部的m长度的数据；
步骤S30：对已去除循环前缀、且已替换过的每个符号的数据进行快速傅里叶变换。
2.根据权利要求1所述的OFDM系统滤波边界效应的处理方法，其特征是，所述步骤S10中，所述OFDM系统的数据包括数字电视与音频广播数据、DSL互联网接入数据、无线网络数据、电力线通信数据、以及4G、5G移动通信数据的任意一种。
3.根据权利要求1所述的OFDM系统滤波边界效应的处理方法，其特征是，所述步骤S20中，所述OFDM系统的数据包括多个符号，每个符号前面都有一个循环前缀，并且每个符号的循环前缀都与该符号的末尾与循环前缀等长的数据完全相同。
4.根据权利要求3所述的OFDM系统滤波边界效应的处理方法，其特征是，所述步骤S20中，每个符号的循环前缀与该符号的交界位置是没有边界效应的，只有每个符号的尾部与下一个符号的循环前缀的起始位置交界的地方才有边界效应。
5.一种OFDM系统滤波边界效应的处理装置，其特征是，包括滤波单元、替换单元和计算单元；
所述滤波单元用来对OFDM系统的数据进行滤波，滤波后的数据送往替换单元；
所述替换单元用来对滤波后的OFDM系统的数据去除每个符号前面的循环前缀，同时把每个符号的循环前缀尾部的数据替代该符号尾部的对应部分，替换后的数据送往计算单元；具体而言，每个符号的循环前缀的长度均为k，在每个符号的循环前缀中选取末尾的m长度的数据，m≤k，且m的取值大于所述滤波单元采用的模拟和/或数字滤波器的群延时；将每个符号的循环前缀尾部的m长度的数据替代该符号尾部的m长度的数据；
所述计算单元用来对已去除循环前缀、且已替换过的每个符号的数据进行快速傅里叶变换。
6.根据权利要求5所述的OFDM系统滤波边界效应的处理装置，其特征是，所述OFDM系统的数据包括多个符号，每个符号前面都有一个循环前缀，并且每个符号的循环前缀都与该符号的末尾与循环前缀等长的数据完全相同；每个符号的循环前缀与该符号的交界位置是没有边界效应的，只有每个符号的尾部与下一个符号的循环前缀的起始位置交界的地方才有边界效应。
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