CN113794669A - 一种基于子带的nr宽带信号发射方法及系统 - Google Patents

一种基于子带的nr宽带信号发射方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，具体公开了一种基于子带的NR宽带信号发射方法及系统，方法包括：S1、将载波通道带宽的频域数据进行拆分，确定子带个数；S2、对每个子带宽分别做快速傅里叶逆变换，将频域数据转换为时域数据，并插入CP‑OFDM的循环前缀；S3、对时域数据进行成型滤波处理和提高采样率处理；S4、将各个子带拼接合成完整的通道载波。采用本发明的技术方案能够有效降低硬件成本及功耗。

Description

一种基于子带的NR宽带信号发射方法及系统
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种基于子带的NR宽带信号发射方法及系统。
背景技术
随着移动通信技术的发展，5G(5th-Generation，第五代移动通信)已经逐步开始商用，各大运营商在加大5G基站的建设和投入。然而，5G相对前几代移动通信技术，带宽更宽，时延更低，以及MMIMO的引入，技术难度较大，基站建设成本很高。
NR(New Radio)单通道带宽FR1(Frequency Range 1)要求100MHz，FR2(FrequencyRange 2)要求达到400MHz。虽然引入了CP-OFDM(循环前缀正交频分复用)技术，但是物理层实现难度仍然较大。IFFT/FFT作为OFDM实现的基础，由于RB(资源块)数量大，因此FFT/IFFT的点数也很高，增加了实现的难度，而且处理延时更长。另一方面，由于频谱资源比较紧张，而且NR的频谱效率比LTE更高，因此在滤波器和加窗等数字信号处理就更为复杂，FPGA/DSP实现所消耗的硬件资源也更多，硬件成本和功耗更高。
其中，对于物理层的波形发射和接收系统，发射就包括信道编码和调制，串并转换，CP-OFDM，滤波/加窗，上变频，数模转换和射频发射等模块；接收是一个反向过程，同理。从FPGA/DSP实现的角度，该系统的实现难度较大，处理延时较长，需要的硬件资源多，硬件成本较高，且功耗高。
因此，需要一种能够有效降低硬件成本及功耗的基于子带的NR宽带信号发射方法及系统。
发明内容
本发明一方面的目的在于提供一种基于子带的NR宽带信号发射方法，能够有效降低硬件成本及功耗。
为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
一种基于子带的NR宽带信号发射方法，包括：
S1、将载波通道带宽的频域数据进行拆分，确定子带个数；
S2、对每个子带宽分别做快速傅里叶逆变换，将频域数据转换为时域数据，并插入CP-OFDM的循环前缀；
S3、对时域数据进行成型滤波处理和提高采样率处理；
S4、将各个子带拼接合成完整的通道载波。
基础方案原理及有益效果如下：
本方案针对基站发送信道，根据编码调制后的载波通道带宽大小不同，拆分为多个子带，每个子带可以使用较小的变换点数进行傅里叶逆变换和插入循环前缀，转换成采样率较低的时域数据，然后在不影响带外抑制能力的情况下，分别使用较低滤波器阶数的成型滤波器进行滤波处理，之后再进行上采样处理，将各个子带合并成连续的通道带宽信号，后续可以转成模拟信号进行发射。
与现有技术相比，本方案中可以使用较小的傅里叶逆变换点数做频域到时域转换和使用较少的滤波器阶数进行带外抑制，极大地降低了实现复杂度和处理延时，降低了FPGA实现的逻辑资源，同时可以支持多种传输通道带宽的灵活配置，增强基站的能力，达到降低硬件成本及功耗的目的。
进一步，所述S1包括：
S101、根据NR载波通道带宽确定子带的个数；
S102、确定每个子带对应的RE数；基于RE数确定对应的快速傅里叶逆变换的点数N；
S103、将每个子带的数据发送至对应的CP-OFDM模块。
有益效果：将单一通道带宽分成多个子带进行处理，每个子带的处理带宽变小，降低了后续处理的复杂度。
进一步，所述S2包括：
S201、将每个子带的RE进行重映射：
S202、通过快速傅里叶逆变换处理，将频域数据转换为时域数据；
S203、确定循环前缀的长度Ncp,l，将时域数据中每个symbol的最后Ncp个数据插入symbol的起始位置；
S204、将时域数据发送至成型滤波器。
有益效果：上述步骤使得用于频域到时域转换的傅里叶逆变换的点数成倍减小，算法实现更加简单，处理延时变短，时域数据率较低，便于后续处理。
进一步，所述S3包括：
S301、根据每个子带的信号带宽选择滤波器系数，进行成型滤波处理；
S302、将经过成型滤波处理的时域数据进行插值处理，再进行抗混叠滤波。
有益效果：上述步骤可以提高信号的带外抑制，减少对相邻信道的干扰，同时对信号进行上变频，有利于后续的子带合并及转换成模拟射频信号。
进一步，所述S4包括：
S401、相位补偿，对每个子带进行相应的相位补偿，使得在进行拼接的时候各个子带连接处的相位保持连续；
S402、频谱搬移，根据每个子带所处的整个宽带的位置，确定需要搬移的频率，然后将信号搬移到相应的频谱位置；
S403、将经过频谱搬移的子带合并成完整的通道载波。
有益效果：由于各个子带单独处理的时候都是基带信号，因此需要对各个子带做适当的频谱搬移，使得拼接的时候不会出现频谱混叠；
将经过频谱搬移的子带合并成完整的通道载波，实现数字域的单通道宽带信号分段处理最后再合成通道载波并发射的目的。
上述步骤将各个子带信号进行一些列处理和拼接，还原出完整的宽带信号。
本发明另一方面的目的在于，提供一种基于子带的NR宽带信号发射系统，包括：
预处理模块，用于将NR载波通道带宽的频域数据进行拆分，确定子带的个数；
CP-OFDM模块，用于对每个子带宽分别做快速傅里叶逆变换，将频域数据转换为时域数据，并插入循环前缀；
多速率处理模块，用于对时域数据进行成型滤波处理和提高采样率处理；
载波合成模块，用于将各个子带拼接合成完整的通道载波。
有益效果：本方案通过预处理模块将通道带宽信号进行拆分；CP-OFDM模块对各个子带分别做快速傅里叶逆变换，并插入循环前缀CP，将频域子载波转换为时域数据；多速率处理模块将时域信号进行成型滤波处理，便于子带的合成以及后续的数模转换；载波合成模块将各个子带信号进行频谱搬移和合并处理，形成完整的单通道带宽信号，以此实现了宽带信号到窄带，再合成宽带信号的处理过程。
与现有技术相比，本方案在对NR物理层下行信道编码和调制后的单通道带宽，采取分段进行CP-OFDM，滤波，上采样等一系列数字信号处理后，再进行子带宽的拼接与合并，形成完整的通道带宽信号，以此降低各个数字信号处理模块的实现难度，降低了快速傅里叶逆变换的点数，成型滤波器的阶数和处理延时，节省了FPGA/DSP的硬件资源，同时，可以支持不同通道带宽的配置，降低了硬件的成本。
进一步，所述预处理模块用于确定每个子带的RE数并进行缓存，发送至CP-OFDM模块，并确定每个子带的快速傅里叶逆变换的点数N。
有益效果：将单一通道带宽分成多个子带进行处理，每个子带的处理带宽变小，能够降低后续处理的复杂度。
进一步，所述CP-OFDM模块包括若干IFFT单元和若干CP insert单元；IFFT单元用于将频域数据做快速傅里叶逆变换转换为时域数据；CP insert单元用于将时域数据中每个symbol的最后Ncp个数据插入到symbol前面，作为循环前缀。
有益效果：频域到时域转换的傅里叶逆变换的点数成倍减小，算法实现更加简单，处理延时变短，时域数据率较低，便于后续处理。
进一步，所述多速率处理模块包括若干FIR滤波器单元和若干插值滤波器单元；FIR滤波器单元用于根据不同的子带带宽选择不同的滤波器系数；插值滤波器单元用于对时域数据先进行插值，再进行滤波。
有益效果：多速率处理模块可以提高信号的带外抑制，减少对相邻信道的干扰，同时提高数字信号的采样率，有利于后续的子带合并及转换成模拟射频信号。
进一步，所述载波合成模块包括载波合成单元和若干频谱搬移和相位补偿单元，频谱搬移和相位补偿单元用于将各个子带频谱搬移到拆分前所在频域位置，还用于对每个子带进行相应的相位补偿；载波合成单元用于将各个子带信号拼接合并成完整的载波信号。
有益效果：载波合成模块将各个子带信号进行一些列的处理，可以还原出完整的宽带信号。
附图说明
图1为实施例一一种基于子带的NR宽带信号发射方法的流程图；
图2为实施例一一种基于子带的NR宽带信号发射系统的逻辑框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例一
如图1所示，本实施例的一种基于子带的NR宽带信号发射方法，包括如下内容：
S1、将NR载波通道带宽的频域数据进行拆分，确定子带个数，具体包括：
S101、根据NR载波通道带宽确定subband(子带)的个数；本实施例中，NR载波通道带宽大小由上层软件下发，底层FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)根据收到的值来确定subband的个数，通常为1-3个。具体根据3GPP协议规定的subband的个数来确定。例如NR SCS＝30KHz，带宽100M，subband的个数是3276；带宽20M，subband的个数是612个；对于100M的情况，FFT/IFFT的点数最小需要4096点(必须是满足大于subband的个数)，而20M带宽的FFT/IFFT的点数最小是1024点；因此做1-3个subband的拆分，是为了能够做到带宽向下兼容，而且不能随意拆分，拆分容易，后续的处理更难，但是可以节省资源，提高性能；以100M为例，通常会拆分成20M+40M+40M；这样可以同时兼容20M，40M,60M,80M,100M等带宽，甚至是100M内的其它带宽也能通过改变部分参数进行适配。
S102、确定每个subband对应的RE(resource element)数；基于RE数确定对应的快速傅里叶逆变换(IFFT)的点数N。本实施例中，快速傅里叶逆变换的点数N可以通过查表得出。例如可以根据不同的带宽做一个存放FFT/IFFT点数的database(数据库)，查找容易，且节省资源。
S103、将每个subband的数据同时发送至对应的CP-OFDM模块，进行后续处理。
S2、对每个subband分别做快速傅里叶逆变换，将频域数据转换为时域数据，并插入CP-OFDM模块的循环前缀CP，具体包括：
S201、将每个subband的RE进行重映射：经过上述步骤调制后的频域数据表示为：
X(k),k＝0,1,...,num_sc-1
其中，num_为subband的个数；例如NR 100M为3276个。
为了简化公式，本实施例中只考虑RE可以放在DC(direct current直流)位置的情况，重映射之后的输出为：
Figure BDA0003266463650000061
S202、通过快速傅里叶逆变换处理，将频域数据转换为时域数据，具体转换公式如下：
Figure BDA0003266463650000062
S203、确定循环前缀CP的长度Ncp，l，将时域数据中每个symbol的最后Ncp个数据依次按如下公式插入symbol的起始位置：
xcp(n)＝x(n modNfft)
其中，n＝0，...，Nfft+Ncp，l。Nfft表示IFFT的点数，例如4096；Ncp，l中l代表第l个symbol，Ncp，l是根据symbol的长度和IFFT的点数来确定的，例如4096点FFT，normal CP是352和288。
S204、将时域数据发送至成型滤波器，进行后续处理；
S3、对时域数据进行成型滤波处理和提高采样率处理，具体包括：
S301、根据每个subband的信号带宽选择合适的滤波器系数进行成型滤波处理。其中，成型滤波器的带内纹波、带外抑制以及过渡带决定了滤波器的阶数，滤波器的阶数越高带外抑制越好，但是需要消耗的逻辑资源也越多。本实施例中，滤波器的阶数是不变的，改变的是滤波器的系数，换句话说就是只能改变值，不能改变值的个数。成型滤波器滤波器的个数和阶数根据实际需求来进行设计，例如信号带宽40M，带内纹波0.01，带外抑制60db等。
滤波输出的计算公式为：
Figure BDA0003266463650000063
其中Ncor为滤波器的阶数，即有多少个滤波器系数。
S302、将经过成型滤波处理的时域数据提高采用率，包括先进行插值处理，然后再进行抗混叠滤波；以提高到适合后续处理的采样率；例如，有三个subband：分别是20M/30.72Mbps(带宽/采样率)，40M/61.44Mbps，40M/61.44Mbps，需要将每路信号的采样率提高到122.88Mbps/245.76Mbps，再进行合并；这样才能保证合并之后信号是正确的。
S4、将各个subband拼接合成一个完整的通道载波，包括：
S401、相位补偿，对每个subband按公式进行相应的相位补偿，使得在进行拼接的时候各个subband连接处的相位保持连续；其中φn为需要补偿的相位值；
Figure BDA0003266463650000071
S402、频谱搬移，根据每个subband所处的整个宽带的位置，确定需要搬移的频率fNCO，然后将信号按如下公式搬移到相应的频谱位置；
Figure BDA0003266463650000072
S403、将经过频谱搬移的subband合并成一个完整的通道载波。
针对NR物理层下行发射信道，数字基带信号经过编码调制之后，需要进行傅里叶逆变换，将频域数据转换为时域数据，插入循环前缀CP，有效对抗空口传输的多径干扰；然后再进行成型滤波或者加窗，以增强带外抑制，减少对其它频带的干扰；最后将处理后的数字基带信号进行上变频转成射频信号通过天线辐射出去。受传统LTE方案的影响，NR的5G基本上是利用4096点FFT/IFFT实现；而且拆分后循环前缀CP的长度要变化，导致拆分的方案实现难度比较大，尤其是各个子带合并的过程中不好解决相位的问题以及传输过程中引入的延时问题等。
本实施例的方案针对基站发送信道，将编码调制后的传输带宽大小不同，拆分为n个subband(n∈{1，2，3})，每个subband使用较小的变换点数N进行傅里叶逆变换和插入循环前缀CP，转换成采样率较低的时域数据，然后在不影响带外抑制能力的情况下，分别使用较低滤波器阶数的成型滤波器进行滤波处理，之后再进行上采样处理，并将各个subband合并成连续的通道带宽信号，最后再转成模拟信号进行发射。采用这种方式可以使用较小的傅里叶逆变换点数来做频域到时域转换和使用较少的滤波器阶数进行带外抑制，能极大地降低实现复杂度和处理延时，降低FPGA实现的逻辑资源，同时可以支持多种传输通道带宽的灵活配置，增强基站的能力，达到降低硬件成本的目的。
实施例二
基于实施例一的基于子带的NR宽带信号发射方法，本实施例还提供一种基于子带的NR宽带信号发射系统，如图2所示，包括预处理模块，CP-OFDM模块，多速率处理模块和载波合成模块。
预处理模块，用于根据上层软件对NR载波通道带宽的配置，将NR载波通道带宽分成1-3个子带，确定每个子带的RE数并进行缓存，送入CP-OFDM模块，并且确定每个子带的IFFT的点数N。
CP-OFDM模块，包括若干IFFT单元和若干CP insert单元；本实施例中各3个。IFFT单元用于将频域数据做快速傅里叶逆变换转换为时域数据；CP insert单元用于将时域数据中每个symbol的最后Ncp个数据插入到symbol前面，作为循环前缀。
多速率处理模块，包括若干FIR滤波器单元和若干插值滤波器单元；本实施例中各3个。FIR滤波器单元用于根据不同的subband带宽选择不同的滤波器系数；插值滤波器单元用于对时域数据先进行插值，再进行滤波。其中具体的插值倍数需要根据不同的带宽和最终的采样频率来确定。例如，上述三个subband，每路信号的采样率提高到122.88Mbps/245.76Mbps后，插值倍数分别是8/4/4。
载波合成模块，包括载波合成单元和若干频谱搬移和相位补偿单元。频谱搬移和相位补偿单元用于将各个subband信号频谱搬移到分解以前所在频域位置，还用于对每个subband进行相应的相位补偿。通过相位补偿使得各个subband合并的时候不会引入相位不一致的情况，而导致性能恶化；载波合成单元用于将各个subband信号进行拼接合并成一个完整的载波信号，再转换成模拟射频信号进行发射。
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种基于子带的NR宽带信号发射方法，其特征在于，包括：
S1、将载波通道带宽的频域数据进行拆分，确定子带个数；
S2、对每个子带宽分别做快速傅里叶逆变换，将频域数据转换为时域数据，并插入CP-OFDM的循环前缀；
S3、对时域数据进行成型滤波处理和提高采样率处理；
S4、将各个子带拼接合成完整的通道载波。
2.根据权利要求1所述的基于子带的NR宽带信号发射方法，其特征在于：所述S1包括：
S101、根据NR载波通道带宽确定子带的个数；
S102、确定每个子带对应的RE数；基于RE数确定对应的快速傅里叶逆变换的点数N；
S103、将每个子带的数据发送至对应的CP-OFDM模块。
3.根据权利要求2所述的基于子带的NR宽带信号发射方法，其特征在于：所述S2包括：
S201、将每个子带的RE进行重映射：
S202、通过快速傅里叶逆变换处理，将频域数据转换为时域数据；
S203、确定循环前缀的长度Ncp,l，将时域数据中每个symbol的最后Ncp个数据插入symbol的起始位置；
S204、将时域数据发送至成型滤波器。
4.根据权利要求1所述的基于子带的NR宽带信号发射方法，其特征在于：所述S3包括：
S301、根据每个子带的信号带宽选择滤波器系数，进行成型滤波处理；
S302、将经过成型滤波处理的时域数据进行插值处理，再进行抗混叠滤波。
5.根据权利要求1所述的基于子带的NR宽带信号发射方法，其特征在于：所述S4包括：
S401、相位补偿，对每个子带进行相应的相位补偿，使得在进行拼接的时候各个子带连接处的相位保持连续；
S402、频谱搬移，根据每个子带所处的整个宽带的位置，确定需要搬移的频率，然后将信号搬移到相应的频谱位置；
S403、将经过频谱搬移的子带合并成完整的通道载波。
6.一种基于子带的NR宽带信号发射系统，其特征在于，包括：
预处理模块，用于将NR载波通道带宽的频域数据进行拆分，确定子带的个数；
CP-OFDM模块，用于对每个子带宽分别做快速傅里叶逆变换，将频域数据转换为时域数据，并插入循环前缀；
多速率处理模块，用于对时域数据进行成型滤波和提高采样率处理；
载波合成模块，用于将各个子带拼接合成完整的通道载波。
7.根据权利要求6所述的基于子带的NR宽带信号发射系统，其特征在于：所述预处理模块用于确定每个子带的RE数并进行缓存，发送至CP-OFDM模块，并确定每个子带的快速傅里叶逆变换的点数N。
8.根据权利要求7所述的基于子带的NR宽带信号发射系统，其特征在于：所述CP-OFDM模块包括若干IFFT单元和若干CP insert单元；IFFT单元用于将频域数据做快速傅里叶逆变换转换为时域数据；CP insert单元用于将时域数据中每个symbol的最后Ncp个数据插入到symbol前面，作为循环前缀。
9.根据权利要求6所述的基于子带的NR宽带信号发射系统，其特征在于：所述多速率处理模块包括若干FIR滤波器单元和若干插值滤波器单元；FIR滤波器单元用于根据不同的子带带宽选择不同的滤波器系数；插值滤波器单元用于对时域数据先进行插值，再进行滤波。
10.根据权利要求6所述的基于子带的NR宽带信号发射系统，其特征在于：所述载波合成模块包括载波合成单元和若干频谱搬移和相位补偿单元，频谱搬移和相位补偿单元用于将各个子带频谱搬移到拆分前所在频域位置，还用于对每个子带进行相应的相位补偿；载波合成单元用于将各个子带信号拼接合并成完整的载波信号。
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