CN1925474B - 基于多子带滤波器组的单载波频分多址发射、接收装置及其方法 - Google Patents

基于多子带滤波器组的单载波频分多址发射、接收装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多子带滤波器组实现的单载波-频分多址系统的发射装置、接收装置及其方法。具体地,通过多子带滤波器组,将整个系统宽带分割为若干相互拟正交的窄带子信道,在每个子信道中,采用单载波传输方案。每个用户按传输速率的需要,可以分配一个或若干个子信道。当一个用户采用多个子信道时,这些子信道的频带在频谱上可以是连续排列,也可以是离散排列。同时,通过对输入的数据符号进行FFT变换后,映射到多个子带上传输,一方面可以获得频率分集增益,另一方面可以降低发射信号的峰均比。

Description

基于多子带滤波器组的单载波频分多址发射、接收装置及其方法
技术领域
本发明涉及宽带通信领域,更具体地,涉及基于多子带滤波的频分多址发射机、接收机及其方法。
背景技术
SC-FDMA是近年来国际上提出来的一种既具备单载波通信功率峰均比特性,又具备多载波通信实现简单和资源调度灵活特性的新型频分多址通信系统,主要应用于宽带移动通信的上行链路解决方案,支持频域扩展技术、频域均衡方法和多用户并发通信场景。目前,SC-FDMA的实现方式主要有两种,即参考文献【1】中所公开的通过频域实现的DFT-SOFDM,以及参考文献【2】所公开的通过时域实现的IFDMA。
当前国际上提出的DFT-SOFDM系统主要是基于之前盛行的OFDM(见参考文献【3】)和OFDMA(见参考文献【4】)系统改进而成。对于传统的OFDM(A)系统,各个用户编码调制后的数据符号是直接映射到分配的子载波上传输的,每个数据符号只占用一个子载波;而DFT-SOFDM系统,各个用户编码调制后的数据符号先经过一个DFT变换,然后映射到分配的子载波上传输的,这样每个数据符号扩频到所有分配的子载波上传输。因此,原先OFDM系统的优点也就在DFT-SOFDM上得到相应继承,例如,实现复杂度低,时频颗粒度小,频域均衡复杂度小等等,同时,DFT-SOFDM也继承了OFDM或者OFDMA系统的缺陷,即时频同步精度要求高,否则会有较大的时频干扰产生,影响系统的传输性能。当然,与OFDM或者OFDMA相比,DFT-SOFDM已经大大降低前者的功率峰均比,有效地提高了功放的效率,扩大了上行信号的覆盖范围,而这些对于无线终端而言都是致命的要素,因此,DFT-SOFDM已经成为当前宽带移动通信上行链路的主要解决方案。当然,SC-FDMA的另外一个实现方式,即IFDMA系统,是在时域完成的,它除了具有和DFT-SOFDM系统相同的优点外,同时也具备和DFT-SOFDM相同的缺陷,即同步精度要求高,容易因为同步不好造成用户间干扰上升,影响通信的总体性能。
当前国际上提出的DFT-SOFDM系统主要是基于之前盛行的OFDM和OFDMA系统改进而成,因此,原先OFDM系统的优点也就在DFT-SOFDM上得到相应继承,例如,实现复杂度低,时频颗粒度小,频域均衡复杂度小等等,同时,DFT-SOFDM也继承了OFDM或者OFDMA系统的缺陷,即时频同步精度要求高,否则会有较大的时频干扰产生,影响系统的传输性能。当然,与OFDM或者OFDMA相比,DFT-SOFDM已经大大降低前者的功率峰均比,有效地提高了功放的效率,扩大了上行信号的覆盖范围,而这些对于无线终端而言都是致命的要素,因此,DFT-SOFDM已经成为当前宽带移动通信上行链路的主要解决方案。当然,SC-FDMA的另外一个实现方式,即IFDMA系统,是在时域完成的,它除了具有和DFT-SOFDM系统相同的优点外,同时也具备和DFT-SOFDM相同的缺陷,即同步精度要求高,容易因为同步不好造成用户间干扰上升,影响通信的总体性能。
参考文献
【1】3GPP,R1-050584,Motorola.“EUTRA Uplink Numerology andDesign”
【2】Schnell,M.;De Broeck,I.;“Application of IFDMA to mobile radiotransmission”,IEEE International Conference on Universal PersonalCommunications,1998.Vol.2,Page(s):1267-1272.
【3】Zou W.Y.and Yiyan W.,“COFDM:an overview,”IEEE Transactions onBroadcasting,1995,Vol.41(1),Page(s):1-8.
【4】Sari,H.;Levy,Y.;Karam,G.;“An analysis of orthogonalfrequency-division multiple access”IEEE Global TelecommunicationsConference,1997.Vol.3,Page(s):1635-1639.
发明内容
本发明提出一种基于多子带滤波器组实现的单载波-频分多址系统的发射装置、接收装置及其方法。本发明是针对SC-FDMA的上述技术特征提出来的:一方面,发明装置要努力保持SC-FDMA系统的技术优势,另一方面,发明装置应当尽量克服SC-FDMA的技术缺陷,使得用户同步精度方面的要求大大下降,并且不会因为同步精度较低造成多用户之间的干扰上升,影响传输系统的性能。
具体地,在本发明中,通过多子带滤波器组,将整个系统宽带分割为若干相互拟正交的窄带子信道。在每个子信道中,采用单载波传输方案。每个用户按传输速率的需要,可以分配一个或若干个子信道。当一个用户采用多个子信道时,这些子信道的频带在频谱上可以是连续排列,也可以是离散排列。同时,通过对输入的数据符号进行FFT变换后,映射到多个子带上传输,一方面可以获得频率分集增益,另一方面可以降低发射信号的峰均比。
根据本发明的一个方面,提供一种在通信系统的发射机中基于多子带滤波器组的单载波频分多址发射方法,该方法包括以下步骤:a)将一个串行输入符号数据序列进行串并转换,以形成相应的多个并行输入符号数据块序列;b)对所述多个并行输入符号数据块序列进行DFT变换,以生成多个经DFT变换的并行输入符号数据块序列,作为多个并行输入符号数据块序列;c)对所述多个并行输入符号数据块序列进行子带滤波处理,以生成一个串行输出符号数据序列;d)由所述串行输出符号数据序列形成一组串行输出符号数据块序列,其包含多个预定长度的串行输出符号数据块;f)在所述串行输出符号数据块序列的每个串行输出符号数据块的头部或尾部添加一个特定长度的保护间隔,以生成具有保护间隔的串行输出符号数据块序列。
根据本发明的第二方面,提供了一种在通信系统中的基于多子带滤波器组的单载波频分多址发射装置,该发射装置包括:串并转换装置,用于将一个串行输入符号数据序列进行串并转换,以形成相应的多个并行输入符号数据块序列;DFT变换装置,用于对所述多个并行输入符号数据块序列进行DFT变换,以生成多个经DFT变换的并行符号数据块序列,作为多个并行输入符号数据块序列;子带滤波装置,用于对所述多个并行输入符号数据块序列进行子带滤波处理,以生成一个串行输出符号数据序列;块形成装置,用于由所述串行输出符号数据序列形成一个串行输出符号数据块序列,其包含多个预定长度的串行输出符号数据块;保护间隔添加装置,用于在所述串行输出符号数据块序列的每个串行输出符号数据块的头部或尾部添加一个特定长度的保护间隔,以生成具有保护间隔的串行符号数据块序列。
根据本发明的第三方面,提供了一种在通信系统的接收机中的基于多子带滤波器组的单载波频分多址接收方法,该方法包括以下步骤:g)将一个串行输入符号数据序列分割为预定长度的串行符号数据块序列,并去除每一串行数据块头部或尾部的一个特定长度的保护间隔,以生成去除保护间隔的串行输入符号数据块序列;h)由所述去除保护间隔的串行输入数据块序列分解形成一串行输入符号数据序列;i)对所述串行输入符号数据序列进行与发射机端的子带滤波处理相对应的子带匹配滤波处理,以生成多个子带并行输出符号数据序列;j)对所述多路子带并行输出符号数据序列进行与发射机端的DFT过程相逆的IDFT处理,以生成多路经过IDFT处理的并行输出符号数据序列;k)对所述多路经过IDFT处理的并行输出符号数据序列进行并串转换处理,以生成串行输出数据序列。
根据本发明的第四方面,提供了一种在通信系统中基于多子带滤波器组的单载波频分多址接收装置,该接收装置包括:保护间隔去除装置,用于将一个串行输入符号数据序列分割为预定长度的串行数据块序列,并去除每一串行数据块头部或尾部的一个特定长度的保护间隔,以生成去除保护间隔的串行输入符号数据块序列;块分解装置,用于将将所述去除保护间隔的串行输入数据块序列分解形成为一个串行输入符号数据序列;子带匹配滤波装置,用于将所述串行输入符号数据序列进行与发射机端的子带滤波处理相对应的子带匹配滤波处理,以生成多个子带并行输出符号数据序列;IDFT变换装置,用于对所述多路子带并行输出符号数据序列进行与发射机端的DFT过程相逆的IDFT处理,以生成多路经过IDFT处理的并行输出符号数据序列;
输出并串转换装置,用于对所述多路经过IDFT处理的并行输出符号数据序列进行并串转换,以生成串行输出数据序列。
在宽带移动通信上行链路中,传统的基于OFDM和OFDMA系统的解决方案,一方面为减小多用户间干扰,对时频同步精度要求很高,另一方面为扩大上行信号的覆盖范围,对影响射频功放效率的信号峰均比要求很高。本发明通过多子带滤波器,将整个宽带信道分割为许多相互拟正交的子信道,各子信道相对独立,并且子信道之间具有一定的频域保护间隔。接收端(比如基站)可以对同时接入的多用户信号分别独立解调,因此对各用户信号的载波和定时偏移鲁棒性很强。本发明在子带中还采用单载波传输方案可降低传输信号的峰均比,提高上行信号的覆盖范围。当一个用户采用多个子信道时,通过对输入的数据符号进行FFT变换后,再映射到多个子带上传输,可以有效降低发射信号的峰均比。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描述:
图1示出根据本发明一个具体实施方式的基于多子带滤波器组实现的单载波-频分多址系统的发射机的框图;
图2示出根据本发明一个具体实施方式的在基于多子带滤波器组实现的单载波-频分多址发射机中波形截断的示意图;
图3示出根据本发明一个具体实施例的,在通信系统的发射机中基于多子带滤波器组的单载波频分多址发射方法的流程图;
图4示出一种根据本发明一个具体实施方式的基于多子带滤波器组实现的单载波-频分多址系统的接射机的框图;
图5为为根据本发明的一个具体实施方式的在通信系统的接收机中的基于多子带滤波器组的单载波频分多址接收方法;
图6示出了对由根据本发明的单载波-频分多址发射机和接收机所构成的通信系统的仿真结果示意图。
具体实施方式
图1示出一种根据本发明一个具体实施方式的基于多子带滤波器组实现的单载波-频分多址系统的发射机的框图。其中包括一个串/并转换装置10、一个K点的FFT变换装置11、一个子带映射装置12、一个移相装置13、一个M点的IFFT变换装置14、M个上采样装置(为简明起见,图1中仅示出三个150,151和152)、M个多相滤波器装置(为简明起见,图1中仅示出三个160,161和162)、一个并/串转换装置17,一个波形合成装置18,一个波形截断装置19和一个循环前缀添加装置20。
需要说明的是,作为数字通信系统发射机必要组成部分的信道编码装置,数字调制装置,RF变频装置和一个发射天线与本发明的目的并无直接关系,在此未进行描述。
假定{ak,k=0,1,2....}为输入到发射机的串并转换装置10的串行已调制符号数据序列;
串并转换装置10,用于将符号已调制串行符号数据序列{ak,k=0,1,2....}进行串并转换操作,以形成相应多个并行符号数据块{bk,k=0,1,2....},这里,bk表示一个元素数量和FFT变换大小一样的列向量;
FFT变换装置11,用于对输入的每个并行符号数据块{bk,k=0,1,2....}进行K点FFT变换,生成相应的多个符号数据块。经过FFT变换模块,输入并行的数据块序列{bk,k=0,1,2....}变换成相应的数据块序列{ck,k=0,1,2....},相互之间的关系服从ck=FFT(bk),这里,ck也表示一个元素数量和FFT变换大小K一样的列向量。FFT变换大小K等于传输所需子带数目,并且可根据通信系统所需传输速率进行自适应调整。
可选的,还包括一个子带映射装置12,用于将经过FFT变换的数据块ck中的每个元素分别映射到相应的子带上进行传输,对于没有数据映射的子带传输0。映射的方式可以时连续映射方式,即将数据块中的各元素映射到频谱上频率连续排列的多个子带上,也可以是离散映射方式,即将数据块中的各元素映射到频谱上频率间隔排列的多个子带上。经过子带映射装置,输入并行的数据块序列{ck,k=0,1,2....}变换成相应的数据块序列{dk,k=0,1,2....},dk也表示一个元素数量为M的列向量,其中M为IFFT变换装置14中IFFT变换的大小,亦即多子带滤波器组总的子带数目。
随后,由子带成型滤波装置来对所述子带并行符号数据块序列进行相应的子带成型滤波操作,以生成一串行输出符号数据序列。具体地,为了降低各个成型滤波器的实现复杂度,子带成型滤波装置可包括图1中所示移相装置13、IFFT变换装置14、上采样装置150、151、152...,多相滤波器装置160,161和162...,并/串转换装置17和波形合成装置18。
其中,移相装置13,用于对输入的并行符号数据块序列{dk,k=0,1,2....}进行移相操作,即对dk中的M个元素分别对应乘上移相因子exp(-j2πmkN/M),{m=0,...,M-1;k=0,1,2....}。其中N为多相滤波器160,161,162对应的原型滤波器的上采样频率。经过移相装置,输入并行的数据块序列{dk,k=0,1,2....}变换成相应的数据块序列{ek,k=0,1,2....},这里,ek也表示一个元素数量为M的列向量。
IFFT变换装置14,用于对输入的每个并行符号数据块序列{ek,k=0,1,2....}进行M点IFFT变换。IFFT变换点数M等于子带总数,M大于等于FFT变换装置11中FFT变换点数K,并且M为K的整数倍。经过IFFT变换模块,输入并行的数据块序列{ek,k=0,1,2....}变换成相应的数据块序列{gk,k=0,1,2....},相互之间的关系服从gk=IFFT(ek),这里,gk也表示一个元素数量和IFFT变换大小M一样的列向量。
上采样装置150,151,152,分别用于对经过IFFT变换的数据块gk中的各元素进行R倍上采样操作,即在各元素后面添R-1个零。其中,R=L/M,L为多相滤波器160,161,162对应的原型滤波器的长度,M为子带总数。经过上采样,第m个上采样装置的第k个数据块序列时刻的输出序列为{hk m(n),n=0,1,2...,R-1;m=0,1,...,M-1;k=0,1,2,...}。
多相滤波器装置160,161和162,分别用于对经过上采样的序列{hk m(n)}进行子带滤波成型操作。其中各个多相滤波器装置的系数由同一个原型滤波器系数通过移位抽样而得。具体地,假设原型滤波器系数(亦即冲激响应)为{fp(n),n=0,1,2...,L-1}。该滤波器满足移位正交条件: Σ n = 0 L - 1 f p ( n ) f p * ( n - kN ) = δ ( k ) , 其中L为滤波器长度,N为滤波器上采样率。则第m(m=0,1,...,M-1)个多相滤波器系数为该原型滤波器系数起始值移位m点后M倍下采样而得,即{f0m(n)=fp(nM+m),n=0,1,2...,L/M-1},(其中M为子带总数,L为M的整数倍。经过多相滤波器装置后,第m个多相滤波器的第k个数据块序列时刻的输出序列为{ik m(n),n=0,1,2...,L/M-1;k=0,1,2,...}。
并/串转换装置17,用于将并行输入的来自M个多相滤波器组的数据进行并串转换。经过并串转换装置,输出的串行数据块序列为{lk(n),n=0,1,2...,L;k=0,1,2,...},这里{lk(n)}表示为块长为L的串行数据块。
波形合成装置18,用于将并串转换输出的数据块序列按子带映射输出的数据块序列{dk,k=0,1,2....}的时间间隔(此处时间间隔等于多相滤波器对应的原型滤波器的上采样率N)进行移位叠加。具体地,在k时刻,将以前生成的长度为L的数据序列的前N点数据发送出去,再取剩余的L-N点数据,在尾部添N个零后,与k时刻并串转换输出的L点数据块相加,构成新的数据序列;而k+1时刻又将该新生成的序列的前N点数据发送出去,再取剩余的L-N点数据,在尾部添N个零后,与k+1时刻并串转换输出的L点数据块相加,构成更新的数据序列。如此周而复始。经过波形合成装置,输出序列为 s ( n ) = Σ k = 0 ∞ Σ m = 0 M - 1 d k ( m ) f p ( n - kN ) exp ( j 2 πm ( n - kN ) / M ) , 其中{fp(n),n=0,1,2...,L-1}为多相滤波器的原型滤波器,
可选的,还包括块形成成装置,用于由所述串行输出符号数据序列形成一个串行输出符号数据块序列,其包含多个预定长度的串行输出符号数据块。优选地,块生成装置为波形截断装置19,用于对经过移位叠加后的串行符号数据序列进行波形截断(包括缓存和截断分块)操作,其操作如图2所示,以生成该形成串行输出符号数据块序列。其中缓存数据的长度为F个子带映射输出的数据块经过波形合成后输出的序列长度E。事实上,E=(F-1)×N+L,其中L为滤波器长度,N为滤波器上采样率。截断分块操作是将缓存的长度为E的数据序列中取出中间的Q点数据。优选地,Q取值为2的幂次方。经过波形截断装置,形成串行符号数据块序列{lk,k=0,1,2....}。这里,lk表示一个元素数量为Q的行向量;
保护间隔添加装置20,用于在经过串并转换后的数据块的头或尾部添加一个特定长度的保护间隔,用于减少信道间干扰(该保护间隔的长度应大于信道最大时延扩展长度)。优选地,保护间隔添加装置可采用循环前缀(CP)添加装置,也即将所述数据块尾部的一部分复制到其的前端,形成最终的带CP的数据块符号。经过循环前缀添加装置,输入数据块序列{lk,k=0,1,2....}变换成完整的数据块符号序列{mk,k=0,1,2....},这里,mk表示一个元素数量为P的行向量,并且P=Q+C,C为循环前缀长度。
图3示出了根据本发明一个具体实施例的,在通信系统的发射机中基于多子带滤波器组的单载波频分多址发射方法。需要说明的是,作为数字通信系统发射方法的必要组成部分的信道编码过程,数字调制过程,RF变频过程和在射频上发射的过程与本发明的目的并无直接关系,在此未进行描述。
假定{ak,k=0,1,2....}为输入到发射机的串并转换装置10的一个串行已调制符号数据序列;
在步骤S100中,将该符号已调制串行符号数据序列{ak,k=0,1,2....}进行串并转换操作,以形成相应多个并行符号数据块序列{bk,k=0,1,2....},这里,bk表示一个元素数量和FFT变换大小一样的列向量;
随后,在步骤S101中,对输入的每个并行符号块数据{bk,k=0,1,2....}进行K点FFT变换,生成相应的多个符号数据块。经过FFT变换,输入并行的串行符号数据序列{bk,k=0,1,2....}变换成相应的并行输入符号数据块序列{ck,k=0,1,2....},相互之间的关系服从ck=FFT(bk),这里,ck也表示一个元素数量和FFT变换大小K一样的列向量。FFT变换大小K等于传输所需子带数目,并且可根据通信系统所需传输速率进行自适应调整。
可选的,还可对经FFT变换后的并行输入符号数据块序列进行子带映射,如图3中步骤S102所示,将经过FFT变换的并行符号数据块ck中的每个元素分别映射到相应的子带上进行传输,对于没有数据映射的子带传输0。映射的方式可以时连续映射方式,即将数据块中的各元素映射到频谱上频率连续排列的多个子带上,也可以是离散映射方式,即将数据块中的各元素映射到频谱上频率间隔排列的多个子带上。经过子带映射装置,输入并行符号数据块序列{ck,k=0,1,2....}变换成相应的子带并行符号数据块序列{dk,k=0,1,2....},dk也表示一个元素数量为M的列向量,其中M为IFFT变换装置14中IFFT变换的大小,亦即多子带滤波器组总的子带数目。
随后,可对所述子带并行符号数据块序列进行相应的子带成型滤波操作,以生成串行输出符号数据序列。具体地,为了降低各个成型滤波器的实现复杂度,可通过图3中所示步骤S103-S108来实现。
在步骤S103中,对输入的并行符号数据块序列{dk,k=0,1,2....}进行移相操作,即对dk中的M个元素分别对应乘上移相因子exp(-j2πmkN/M),{m=0,...,M-1;k=0,1,2....}。其中N为多相滤波器160,161,162对应的原型滤波器的上采样频率。经过移相装置,输入并行数据块序列{dk,k=0,1,2....}变换成相应的并行符号数据块序列{ek,k=0,1,2....},这里,ek也表示一个元素数量为M的列向量。
在步骤S104中,对经过移相处理的每个并行符号数据块{ek,k=0,1,2....}进行M点IFFT变换。IFFT变换点数M等于子带总数,M大于等于FFT变换装置11中FFT变换点数K,并且M为K的整数倍。经过IFFT变换模块,经移相处理的并行符号数据块序列{ek,k=0,1,2....}变换成相应的数据块序列{gk,k=0,1,2....},相互之间的关系服从gk=IFFT(ek),这里,gk也表示一个元素数量和IFFT变换大小M一样的列向量。
在步骤S105中,分别对经过IFFT变换的数据块gk中的各元素进行R倍上采样操作,即在各元素后面添R-1个零。其中,R=L/M,L为多相滤波器160,161,162对应的原型滤波器的长度,M为子带总数。经过上采样操作,第m个经IFFT变换后的第k个数据块序列时刻的输出序列为{hk m(n),n=0,1,2...,R-1;m=0,1,...,M-1;k=0,1,2,...}。
在步骤S106中,分别对经过上采样的序列{hk m(n)}进行多相成型滤波操作。其中各个多相成型滤波操作的系数由同一个原型滤波操作的系数通过移位抽样而得。具体地,假设原型滤波操作的系数(亦即冲激响应)为{fp(n),n=0,1,2...,L-1}。该原型滤波操作满足移位正交条件: Σ n = 0 L - 1 f p ( n ) f p * ( n - kN ) = δ ( k ) , 其中L为滤波操作的长度,N为滤波操作的上采样率。则第m(m=0,1,...,M-1)个多相滤波操作的系数为该原型滤波操作的系数起始值移位m点后M倍下采样而得,即{f0m(n)=fp(nM+m),n=0,1,2...,L/M-1},(其中M为子带总数,L为M的整数倍。经过多相成型滤波处理后,第m个多相成型滤波操作的第k个数据块序列时刻的输出序列为{ik m(n),n=0,1,2...,L/M-1;k=0,1,2,...}。
在步骤S107中,将经过多相成型滤波操作的多个并行符号数据序列进行并串转换,以输出串行符号数据块序列为{lk(n),n=0,1,2...,L;k=0,1,2,..},这里{lk(n)}表示为块长为L的串行数据块。
在步骤S108中,将并串转换输出的串行符号数据块序列按子带映射输出的数据块序列{dk,k=0,1,2...}的时间间隔(此处时间间隔等于多相滤波器对应的原型滤波器的上采样率N)进行移位叠加。具体地,在k时刻,将以前生成的长度为L的数据序列的前N点数据发送出去,再取剩余的L-N点数据,在尾部添N个零后,与k时刻并串转换输出的L点数据块相加,构成新的数据序列;而k+1时刻又将该新生成的序列的前N点数据发送出去,再取剩余的L-N点数据,在尾部添N个零后,与k+1时刻并串转换输出的L点数据块相加,构成更新的数据序列。如此周而复始。经过移位叠加操作,生成一串行输出符号数据序列为 s ( n ) = Σ k = 0 ∞ Σ m = 0 M - 1 d k ( m ) f p ( n - kN ) exp ( j 2 πm ( n - kN ) / M ) , 其中{fp(n),n=0,1,2...,L-1}为多相滤波操作的原型滤波操作,
可选的,在步骤S109中,由所述串行输出符号数据序列形成一个串行输出符号数据块序列,其包含多个预定长度的串行输出符号数据块。优选地,对经过移位叠加后的的串行符号数据序列进行波形截断(包括缓存和截断分块)操作,其操作如图2所示,以生成该形成串行输出符号数据块序列。其中缓存数据的长度为F个子带映射输出的数据块经过移位叠加操作后输出的序列长度E。事实上,E=(F-1)×N+L,其中L为滤波操作的长度,N为滤波操作的上采样率。截断分块操作是将缓存的长度为E的数据序列中取出中间的Q点数据。优选地,Q取值为2的幂次方。经过波形截断操作,形成经过波形截断的串行输出符号数据块序列{lk,k=0,1,2...}。这里,lk表示一个元素数量为Q的行向量;
随后,在步骤S110中,在每个串行输出符号数据块的头或尾部添加一个特定长度的保护间隔,用于减少信道间干扰(该保护间隔的长度应大于信道最大时延扩展长度)。优选地,可采用循环前缀(CP)添加方式,也即将所述串行输出数据块尾部的一部分复制到其的前端,形成最终的带CP的数据块符号。经过循环前缀添加过程,输入数据块序列{lk,k=0,1,2....}变换成完整的串行输出数据块符号序列{mk,k=0,1,2....},这里,mk表示一个元素数量为P的行向量,并且P=Q+C,C为循环前缀长度。
图4示出一种根据本发明一个具体实施方式的基于多子带滤波器组实现的单载波-频分多址系统的接射机的框图。其中包括一个循环前缀去除装置30,一个波形重构装置31,一个波形分解装置32,一个串/并转换装置33,M个多相匹配滤波器装置(为简明起见,图1中仅示出三个340,341和342),M个下采样装置(为简明起见,图1中仅示出三个350,351和352),一个M点的FFT变换装置36,一个移相装置37,一个子带解映射装置38,一个K点的IFFT变换装置39和一个并/串转换装置40。
需要说明的是,作为数字通信系统接收机必要组成部分的同步装置,信道估计装置,均衡装置,信道解码装置和数字解调装置与本发明的目的并无直接关系,在此未进行描述。
假定{nk,k=0,1,2....}为输入到发接收机的循环前缀去除装置30的串行符号序列;并且假定接收机理想同步。
保护间隔去除装置30,用于根据发射信号的结构将输入的符号序列分隔为长度为P的串行输入数据块序列,并且将每个数据块中前C个采样值舍去,形成长度为Q的串行数据块序列{ok,k=0,1,2....}。这里,ok表示一个元素数量为Q的行向量;
块分解装置,用于将所述去除保护间隔的串行输入数据块序列分解形成为一个串行输入符号数据序列。可选的,如果发射机端的块形成装置采用来图2所示的波形截断装置,则接收机2的块分解装置为波形重构装置31,用于对输入的每个长度为Q的数据块首尾两端共添加E-Q个零,以形成长度为E的数据块。经过波形重构装置,形成串行符号数据块序列{pk,k=0,1,2....}。这里,pk表示一个元素数量为E的行向量;
随后,对所述串行输入符号数据序列进行与发射机端的子带成型滤波处理相对应的子带匹配滤波处理,以生成多个子带并行输出符号数据序列;优选地,如发射机端采用图1所示的移相装置13、IFFT变换装置14、上采样装置150、151、152...,多相滤波器装置160,161和162...,并/串转换装置17和波形合成装置18来完成所述子带成型滤波处理,则采用波形分解装置32、串/并转换装置33、多相匹配滤波器装置340,341和342...、下采样装置350,351和352、FFT变换装置36和逆移相装置37来完成所述子带匹配滤波处理。
其中,波形分解装置32,用于对所述串行输入符号数据序列{pk,k=0,1,2....}进行与发射机端的波形合成(或移位叠加)操作相逆的波形分解操作,即,从输入的每个长度为E的数据块序列,按发射端子带映射输出的数据块序列{dk,k=0,1,2....}的时间间隔,移位取出L点的数据串行输出。具体地,假设在第1个时刻,从第1点开始,取出数据块中最前面L点数据,则第2个时刻,从第N+1点开始,取出数据块中L点数据,依次类推,第n个时刻,从第(n-1)N+1点开始,取出数据块中L点数据。第F个时刻,从第(F-1)N+1点开始,取出数据块中L点数据,亦即数据块中最后的L点数据。经过波形分解装置,形成串行符号数据块序列{qk,k=0,1,2....}。这里,qk表示一个元素数量为L的行向量;
串/并转换装置33,用于将串行输入的数据块序列{qk,k=0,1,2....}转换为并行数据块序列{rk,k=0,1,2....}。这里,rk表示一个元素数量为M的列向量;
多相匹配滤波器装置340,341和342,分别用于对经过串/并转换的序列{rk,k=0,1,2....}进行子带多相匹配滤波操作。其中各个多相匹配滤波器的系数与发射端各个多相滤波器相匹配。经过多相匹配滤波,第m个多相滤波器的输出序列为{tm(n),n=0,1,2,...L/M-1;m=0,....,M-1}。
下采样装置350,351和352,用于对经过多相匹配滤波的数据序列进行R倍下采样操作,其中R=L/M。具体地,下采样装置按发射端子带映射输出的数据块序列{dk,k=0,1,2....}的时间间隔,取出各个多相匹配滤波输出数据序列中第L/M-1个值,并且将多相匹配滤波装置中的移位寄存器置零。经过下采样装置,第m个下采样装置的输出序列为{uk m,m=0,...,M-1;k=0,1,2,...}。
FFT变换装置36,用于对输入的各个下采样装置输出的符号序列{uk m,m=0,...,M-1;k=0,1,2,...}进行M点FFT变换。经过FFT变换,输入并行的数据序列变换成相应的数据块序列{vk,k=0,1,2....},相互之间的关系服从vk=FFT(uk),这里, u k = u k 0 u k 1 · · · u k M - 1 T , vk表示一个元素数量和FFT变换大小M一样的列向量。
移相装置37,用于对FFT变换输出的数据块序列vk中的M个元素分别对应乘上移相因子exp(j2πmkN/M),{m=0,...,M-1;k=0,1,2....}。经过移相装置,输入并行的数据块序列{vk,k=0,1,2....}变换成相应的数据块序列{wk,k=0,1,2....},这里,wk也表示一个元素数量为M的列向量。
子带解映射装置38,用于完成发射端子带映射装置12相反的逆操作。即根据发射端子带映射的方式,从经过移相的数据块wk中取出相应的K点数据。经过子带解映射装置,输出为数据块序列{xk,k=0,1,2....},这里,xk也表示一个元素数量为K的列向量。
IFFT变换装置39,用于对输入的数据块序列{xk,k=0,1,2....},进行K点的IFFT变换。经过IFFT变换装置,输入并行的数据块序列{xk,k=0,1,2....}变换成相应的数据块序列{yk,k=0,1,2....},相互之间的关系服从yk=IFFT(xk),这里,yk也表示一个元素数量和IFFT变换大小K一样的列向量。
一个并/串转换装置40,用于经过IFFT变换的并行符号数据块序列{yk,k=0,1,2....}进行并/串转换操作。经过并/串转换装置,输出为串行数据符号序列{zk,k=0,1,2....},用于接收端的符号解调和解码,以恢复发射的信息比特。
对来自M个多相滤波器组的数据进行并串转换。经过并串转换装置,输出的串行数据块序列为{lk(n),n=0,1,2...,L;k=0,1,2,...},这里{lk(n)}表示为块长为L的串行数据块。
图5为根据本发明的一个具体实施方式的在通信系统的接收机中的基于多子带滤波器组的单载波频分多址接收方法,该方法包括以下步骤.需要说明的是,作为数字通信系统的接收方法中的同步过程,信道估计过程,均衡过程,信道解码过程和数字解调过程与本发明的目的并无直接关系,在此未进行描述。
假定{nk,k=0,1,2....}为输入到接收机的循环前缀去除装置30的串行符号序列;并且假定接收机理想同步。
在步骤S200中,用于根据发射信号的结构将输入的符号序列分隔为长度为P的串行符号数据块序列,并且将每个数据块中前C个采样值(为发射机端所添加的保护间隔)舍去,形成长度为Q的去除保护间隔的串行符号数据块序列{ok,k=0,1,2....}。这里,ok表示一个元素数量为Q的行向量;
可选的,如果发射机端采用来图2所示的波形截断过程,则在步骤S201中,对输入的去除保护间隔的串行符号数据块序列{ok,k=0,1,2....}执行与发射机端波形截断操作相逆的波形重构操作,即,将每个长度为Q的串行符号数据块首尾两端共添加E-Q个零,以形成长度为E的串行符号数据块。经过波形重构操作,形成串行输入符号数据序列{pk,k=0,1,2....}。这里,pk表示一个元素数量为E的行向量;
随后,对所述串行输入符号数据序列进行与发射机端的子带成型滤波处理相对应的子带匹配滤波处理,以生成多个子带并行输出符号数据序列;优选地,如发射机端采用步骤S103-S108来完成所述子带成型滤波处理,则采用步骤S202-S207来完成所述子带匹配滤波处理。
在步骤S202中,对所述串行输入符号数据序列{pk,k=0,1,2....}进行与发射机端的波形合成(或移位叠加)操作相逆的波形分解操作,即,从输入的每个长度为E的数据块序列,按发射端子带映射输出的数据块序列{dk,k=0,1,2....}的时间间隔,移位取出L点的数据串行输出。具体地,假设在第1个时刻,从第1点开始,取出数据块中最前面L点数据,则第2个时刻,从第N+1点开始,取出数据块中L点数据,依次类推,第n个时刻,从第(n-1)N+1点开始,取出数据块中L点数据。第F个时刻,从第(F-1)N+1点开始,取出数据块中L点数据,亦即数据块中最后的L点数据。经过波形分解操作,形成串行符号数据块序列{qk,k=0,1,2....}。这里,qk表示一个元素数量为L的行向量;
随后,在步骤S203中,将经过波形分解后的串行输入符号数据块序列{qk,k=0,1,2....}进行串并转换,生成并行符号数据块序列{rk,k=0,1,2....}。这里,rk表示一个元素数量为M的列向量;
随后,在步骤S204中,分别用于对经过串/并转换的并行符号数据序列{rk,k=0,1,2....}进行子带匹配滤波操作。其中各个多相匹配滤波器的系数与发射端各个多相滤波器相对应。经过多相匹配滤波,第m个多相滤波器的输出序列为{tm(n),n=0,1,2,...L/M-1;m=0,...,M-1};
随后,在步骤S205中,对经过多相匹配滤波的并行符号数据序列进行下采样操作。具体地,下采样装置按发射端子带映射输出的数据块序列{dk,k=0,1,2....}的时间间隔,取出各个多相匹配滤波输出数据序列中第L/M-1个值,并且将多相匹配滤波装置中的移位寄存器置零。经过下采样操作,第m个下采样装置的输出序列为{uk m,m=0,...,M-1;k=0,1,2,...}。
随后,在步骤S206中,对经过下采样操作的多个并行符号数据块序列{uk m,m=0,...,M-1;k=0,1,2,...}进行M点FFT变换,以生成经过FFT变换的并行符号数据块序列{vk,k=0,1,2....},相互之间的关系服从vk=FFT(uk),这里, u k = u k 0 u k 1 · · · u k M - 1 T , vk表示一个元素数量和FFT变换大小M一样的列向量。
随后,在步骤S207中,对经FFT变换输出的并行符号数据块序列vk进行与发射机端的移相操作相逆的去移相操作,即将其中的M个元素分别对应乘上移相因子exp(j2πmkN/M),{m=0,...,M-1;k=0,1,2....}。经过去移相过程,输入并行的数据块序列{vk,k=0,1,2....}变换成子带并行输出符号数据块序列{wk,k=0,1,2....},这里,wk也表示一个元素数量为M的列向量。
可选地,如果发射机端进行了子带映射操作,则在步骤S208中,对所述子带并行输出符号数据块序列{wk,k=0,1,2....}进行与发射端子带映射过程相逆的子带解映射操作。即根据发射端子带映射的方式,从经过移相的数据块wk中取出相应的K点数据。经过子带解映射过程,输出为多个并行输出符号数据块序列{xk,k=0,1,2....},这里,xk也表示一个元素数量为K的列向量。
随后,在步骤S209中,对输入的多个并行输出符号数据块序列{xk,k=0,1,2....},进行与发射机端FFT变换相逆的K点的IFFT变换。经过IFFT变换过程,所述并行输出符号数据块序列{xk,k=0,1,2....}变换成相应的经IFFT变换的并行符号数据块序列{yk,k=0,1,2....},相互之间的关系服从yk=IFFT(xk),这里,yk也表示一个元素数量和IFFT变换大小K一样的列向量。
随后,在步骤S210中,将经过IFFT变换的并行符号数据块序列{yk,k=0,1,2....}进行并/串转换操作,以生成串行符号数据序列{zk,k=0,1,2....},用于接收端的符号解调和解码,以恢复处发射的信息比特。
图6示出了对由根据本发明的单载波-频分多址发射机和接收机所构成的通信系统进行仿真所得到的结果。其中,系统参数如下所示:
子带总数目(M):16
占用子带数目(K):4
原型滤波器:根升余弦
原型滤波器长度(L):224
滤波器上采样率(N):18
子带映射方式:等间隔离散映射
混合自动请求重传(HARQ)方式:Type II
编码方式/码率:Turbo(1/2)
调制方式:QPSK
天线配置:1发1收,1发2收
信道模型:TU
均衡算法:MMSE频域均衡
以上对本发明的实施例进行了描述。但是本发明并不局限于特定的系统、设备以及具体协议,本领域内熟练的技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (18)

1.一种在通信系统的发射机中基于多子带滤波器组的单载波频分多址发射方法,该方法包括以下步骤:
a)将一个串行输入符号数据序列进行串并转换,以形成相应的多个并行输入符号数据块序列;
b)对所述多个并行输入符号数据块序列进行DFT变换,以生成多个经DFT变换的并行输入符号数据块序列,作为多个并行输入符号数据块序列;
c)对所述多个并行输入符号数据块序列进行子带滤波处理,以生成一个串行输出符号数据序列,所述子带滤波处理包括IDFT变换;
d)由所述串行输出符号数据序列形成一组串行输出符号数据块序列,其包含多个预定长度的串行输出符号数据块;
f)在所述串行输出符号数据块序列的每个串行输出符号数据块的头部或尾部添加一个特定长度的保护间隔,以生成具有保护间隔的串行输出符号数据块序列。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤b)还包括
将所述多个经DFT变换的并行输入符号数据块序列分别映射到一组子带的相应子带上,以生成多个子带并行符号数据块序列。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,步骤d)为:
对所述串行输出符号数据序列进行缓存和截断分块操作,以生成串行输出符号数据块序列,用于进行步骤f)。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,步骤f)为:
将所述串行输出符号数据块序列中每个串行输出符号数据块尾部的一部分复制到其前端,以生成带循环保护间隔的串行输出符号数据块序列。
5.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,步骤c)包括以下步骤:
c1)对所述每个并行输入符号数据块序列分别进行移相处理,以生成多个经移相处理的并行符号数据块序列;
c2)将所述多个经移相处理的并行符号数据块序列进行IDFT变换,以生成经过IDFT变换后的多个并行符号数据块序列;
c3)对所述每个经IDFT变换后的多个并行符号数据块序列进行多倍上采样操作,以生成经过上采样的并行符号数据块序列;
c4)对每个经过上采样的并行符号数据块序列分别进行多相成型滤波操作,以生成经过多相成型滤波的并行符号数据块序列,其中所述每个多相成型滤波操作的滤波系数都为同一个原型滤波操作的滤波系数经过移位抽样获得;
c5)对所述多个经多相滤波成型的并行符号数据块序列进行并串转换,以生成串行符号数据序列;
c6)对所述串行符号数据块序列进行移位叠加操作,以生成经过移位叠加处理的串行输出符号数据块序列。
6.一种在通信系统中的基于多子带滤波器组的单载波频分多址发射装置,该发射装置包括:
串并转换装置,用于将一个串行输入符号数据序列进行串并转换,以形成相应的多个并行输入符号数据块序列;
DFT变换装置,用于对所述多个并行输入符号数据块序列进行DFT变换,以生成多个经DFT变换的并行符号数据块序列,作为多个并行输入符号数据块序列;
子带成型滤波装置,用于对所述多个并行输入符号数据块序列进行子带滤波处理,以生成一个串行输出符号数据序列,该子带成型滤波装置包括IDFT变换装置;
块形成装置,用于由所述串行输出符号数据序列形成一个串行输出符号数据块序列,其包含多个预定长度的串行输出符号数据块;
保护间隔添加装置,用于在所述串行输出符号数据块序列的每个串行输出符号数据块的头部或尾部添加一个特定长度的保护间隔,以生成具有保护间隔的串行符号数据块序列。
7.根据权利要求6所述的发射装置,其特征在于,还包括:
子带映射装置,用于将所述多个经DFT变换的并行输入符号数据块序列分别映射到一组子带的相应子带上,以生成多个子带并行符号数据块序列。
8.根据权利要求6或7所述的发射装置,其特征在于,所述块形成装置为波形截断装置,用于对经过移位叠加处理的串行输出符号数据序列进行缓存和截断分块操作,以生成串行输出符号数据块序列。
9.根据权利要求8所述的发射装置,其特征在于,所述保护间隔添加装置用于将所述串行输出符号数据块尾部的一部分复制到其前端,以生成带循环保护间隔的串行输出符号数据块序列。
10.根据权利要求6或7所述的发射装置,其特征在于,所述子带成型滤波装置包括:
移相装置,用于对所述每个并行输入符号数据块序列分别进行移相处理,以生成多个经移相处理的并行符号数据块序列;
IDFT变换装置,分别用于将所述多个经移相处理的并行符号数据块序列进行IDFT变换,以生成经过IDFT变换后的多个并行符号数据块序列;
多个上采样装置,分别用于对所述每个经IDFT变换后的多个并行符号数据块序列进行多倍上采样操作,以生成经过上采样的并行符号数据块序列;
多个多相滤波装置,分别用于对每个经过上采样的并行符号数据块序列分别进行多相成型滤波操作,以生成经过多相成型滤波的并行符号数据块序列,其中所述每个多相滤波装置的滤波系数都为同一个原型滤波装置的滤波系数经过移位抽样获得;
并串转换装置,用于对所述多个经多相滤波成型的并行符号数据块序列进行并串转换,以生成串行符号数据序列;
波形合成装置,用于对所述串行符号数据块序列进行移位叠加操作,以生成经过移位叠加处理的串行输出符号数据块序列。
11.一种在通信系统的接收机中的基于多子带滤波器组的单载波频分多址接收方法,该方法包括以下步骤:
g)将一个串行输入符号数据序列分割为预定长度的串行符号数据块序列,并去除每一串行数据块头部或尾部的一个特定长度的保护间隔,以生成去除保护间隔的串行输入符号数据块序列;
h)由所述去除保护间隔的串行输入数据块序列分解形成一串行输入符号数据序列;
i)对所述串行输入符号数据序列进行与发射机端的子带滤波处理相对应的子带匹配滤波处理,以生成多个子带并行输出符号数据序列,该子带匹配滤波处理包括DFT变换;
j)对所述多路子带并行输出符号数据序列进行与发射机端的DFT过程相逆的IDFT处理,以生成多路经过IDFT处理的并行输出符号数据序列;
k)对所述多路经过IDFT处理的并行输出符号数据序列进行并串转换处理,以生成串行输出数据序列。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,还包括以下步骤:
对将所述多个子带并行输出符号数据序列进行与发射机端子带映射相逆的子带解映射处理,以生成多个并行输出符号数据序列,并作为输入提供给步骤j)。
13.根据权利要求11或12所述的方法,其特征在于,步骤h)为:
通过在所述去除保护间隔的串行输入符号数据块序列的每个数据块两端添加一定长度的零,以重构发射端截断分块前的数据块长度,并由此形成一串行输入符号数据序列。
14.根据权利要求11或12所述的方法,其特征在于,步骤i)包括以下步骤:
i1)对所述串行输入符号数据序列进行与发射机端的移位叠加操作相逆的波形分解操作,以生成串行符号数据序列;
i2)对所述串行输入符号数据序列进行串并转换,以生成多个并行输入符号数据序列;
i3)对所述每个并行输入符号数据序列进行与发射机端的多相滤波操作相应的多相匹配滤波操作,以生成多个经过多相匹配滤波的并行符号数据序列;
i4)对所述每个经多相匹配滤波的并行符号数据序列进行与发射机端上采样操作相应的下采样操作,以生成经过下采样的并行符号数据序列;
i5)对所述每个经过下采样的并行符号数据块序列进行与发射机端的IDFT变换相逆的DFT变换,以生成经过DFT变换后的多个并行符号数据序列;
i6)对所述每个经DFT处理后的并行符号数据序列进行与发射机端的移相操作相逆的去移相操作,以生成多个子带并行输出符号数据序列。
15.一种在通信系统中基于多子带滤波器组的单载波频分多址接收装置,该接收装置包括:
保护间隔去除装置,用于将一个串行输入符号数据序列分割为预定长度的串行数据块序列,并去除每一串行数据块头部或尾部的一个特定长度的保护间隔,以生成去除保护间隔的串行输入符号数据块序列;
块分解装置,用于将所述去除保护间隔的串行输入数据块序列分解形成为一个串行输入符号数据序列;
子带匹配滤波装置,用于将所述串行输入符号数据序列进行与发射机端的子带滤波处理相对应的子带匹配滤波处理,以生成多个子带并行输出符号数据序列,该子带匹配滤波装置包括DFT变换装置;
IDFT变换装置,用于对所述多路子带并行输出符号数据序列进行与发射机端的DFT过程相逆的IDFT处理,以生成多路经过IDFT处理的并行输出符号数据序列;
输出并串转换装置,用于对所述多路经过IDFT处理的并行输出符号数据序列进行并串转换,以生成串行输出数据序列。
16.根据权利要求15所述的接收装置,其特征在于,还包括:
子带解映射装置,用于对将所述多个子带并行输出符号数据序列进行与发射机端子带映射相逆的子带解映射处理,以生成多个并行输出符号数据序列,并作为输入提供给所述IDFT变换装置。
17.根据权利要求15或16所述的接收装置,其特征在于,所述块分解装置为波形重构装置,用于通过在所述去除保护间隔的串行输入符号数据块序列的每个数据块两端添加一定长度的零,以重构发射端截断分块前的数据块长度,并由此形成一串行输入符号数据序列。
18.根据权利要求15或16所述的接收装置,其特征在于,所述子带匹配滤波装置包括:
波形分解装置,用于对所述串行输入符号数据序列进行与发射机端的移位叠加操作相逆的波形分解操作,以生成串行符号数据序列;
串并转换装置,用于对所述串行输入符号数据块序列进行串并转换,以生成多个并行输入符号数据序列;
多个多相匹配滤波器,用于对所述每个并行输入符号数据块序列进行与发射机端的多相滤波相逆的多相匹配滤波,以生成多个经过多相匹配滤波相对应的并行符号数据序列;
多个下采样装置,用于对所述每个经子带多相匹配滤波的并行符号数据序列分别进行与发射机端上采样操作相逆的下采样操作,以生成经过下采样的并行符号数据块序列;
DFT变换装置,用于将所述每个经过下采样的并行符号数据块序列进行DFT变换,以生成经过DFT变换后的多个并行符号数据块序列;
子带去移相装置,用于对所述每个经DFT处理后的子带并行符号数据序列进行与发射机端的移相操作相逆的去移相操作,以生成多个子带并行输出符号数据序列。
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冯景锋等.宽带无线多媒体传输新技术-OFDM.中国数据通信4 10.2002,4(10),63-66.
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李向宁,谈振辉.OFDM基本原理及其在移动通信中的应用.重庆邮电学院学报15 2.2003,15(2),25-30.
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