一种短滤波器、单载波系统及多载波系统的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种短滤波器、单载波系统及多载波系统。

背景技术：

滤波器组多载波系统((filterbankmulti-carrier，fbmc)作为未来无线通信的一个关键技术，是通信系统研究中的一大热点。相较于正交频分复用技术(ofdm)，fbmc使用原型滤波器代替矩形窗，不同于使用矩形窗时信号的突变，经过原型滤波器的信号存在滚降过程，是平缓变化的，因此使用fbmc技术时信号会具有更好的频谱特性。然而，以快速傅氏变换(fastfouriertransformation，fft)实现fbmc系统为例，滤波器长度越长，则fft的点数越多，处理复杂度也就越高，同时，信号的传输时延由信号长度决定，滤波器长度越长则信号长度越长，且拖尾越长，传输时延也就越大。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有通信系统中的滤波器的长度过长，导致高处理复杂度和高处理延时的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种短滤波器，在通常情况下，fbmc系统中所使用的滤波器非零系数为km+1个，k是大于1的自然数，而本发明中所设计的短滤波器非零系数个数小于等于m，其中m是fbmc系统的总载波数，也是fbmc复数符号间隔的采样点数。具体的设计方法包括：该短波滤波器的长度为m+1，其冲激响应序列为：g(k),k＝-m/2,...,m/2，其中k表示采样点序号，m为偶数；

所述冲激响应序列关于原点对称，且在原点处取值为a，a为自然数；

所述冲激响应序列关于k＝m/4对称的任意两点的平方和为a²；

所述冲激响应序列对应的频率响应序列是冲激响应序列的m阶离散傅里叶变换，所述频率响应序列关于原点对称，且在原点处取值为0，所述频率响应序列的有效频点数为2l-1个，l为大于等于1的整数。

可选地，所述冲激响应序列关于原点对称，且在原点处取值为a，具体为：

可选地，所述冲激响应序列关于k＝m/4对称的任意两点的平方和为a²，具体为：

g(m/4-k)²+g(m/4+k)²＝a²,0≤k≤m/4。

可选地，所述冲激响应序列对应的频率响应序列是冲激响应序列的m阶离散傅里叶变换，所述频率响应序列关于原点对称，且在原点处取值为0，所述频率响应序列的有效频点数为2l-1个，具体为：

其中，g(f)表示频率响应序列。

可选地，当l＝3时，短滤波器的有效频点数为5个，对应的短滤波器表示为：

根据上面所给出的条件，通过0,m/4,m/2三个采样点，得到下面的方程组：

求解得：g(0)＝0.6036a，g(±1)＝0.25a，g(±2)＝-0.0518a。

可选地，当l＝4时，短滤波器的有效频点数为7个，对应的短滤波器表示为：

取0,m/8,m/4,m/2四个采样点，得到下面的方程组：

求解得：g(0)＝0.6036a，g(±1)＝0.2553a，g(±2)＝-0.0518a，g(±3)＝-0.0053a。

可选地，该短滤波器可以应用于基于滤波器组的多载波系统和基于滤波器组的单载波系统。

第二方面，本发明提供一种单载波系统，该单载波系统基于滤波器组工作，每个滤波器工作在不同的子载波上，所述滤波器组中的滤波器为上述第一方面提供的短滤波器；

所述单载波系统将待发送的数据符号划分成数据符号段并编序号，并对待发送的数据符号段按照其序号进行处理，包括加窗、fft，并采用所述短滤波器将处理过的数据符号映射到多个子载波上，对于偶数序号数据符号段，偶数序号子载波传输实数部分，奇数序号子载波传输虚数部分，对于奇数序号数据符号段，偶数序号子载波传输虚数部分，奇数序号子载波传输实数部分，实现相邻数据符号段之间合作发送数据。

可选地，所述单载波系统将短滤波器滤波后的符号乘以后调制到不同的子载波上。

第三方面，本发明提供一种多载波系统，该多载波系统基于滤波器组工作，每个滤波器工作在不同的子载波上，所述滤波器组中的滤波器为上述第一方面提供的短滤波器；

所述多载波系统将待发送的实数符号序列乘以相位旋转因子得到实虚交错的符号序列，并采用所述短滤波器将处理过的数据符号映射到多个子载波上。

可选地，设am,n是待发送的实数符号，m表示子载波序号，n表示时间序号；所述多载波系统将am,n乘以相位旋转因子后，am,n由原来的实数变为实虚交错，并将短滤波器滤波后的符号乘以后调制到不同的子载波上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的滤波器的长度设置为与滤波器组子载波总数相同，且其频率响应序列仅在有限点上取非零值，以降低基于滤波器组的通信系统的计算复杂度。

本发明基于有限频点数，通过傅里叶逆变换得到滤波器的单位冲激响应函数，再根据设定条件建立以频域响应函数为未知数的方程组，并进行求解，降低了计算的复杂度。

附图说明

图1为本发明提供的基于滤波器组的fbmc系统发送端的框图；

图2为本发明提供的基于滤波器组的fbmc系统接收端的框图；

图3为本发明提供的基于滤波器组的fbmc系统发送端的具体实现框架示意图；

图4为本发明提供的原型滤波器的单位冲激响应函数示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种短滤波器，包括：短滤波器的长度设置为与滤波器组子载波总数相同，且其频率响应序列仅在有限点上取非零值，以降低滤波器组通信系统中的计算复杂度。基于有限频点数，通过傅里叶逆变换得到原型滤波器的单位冲激响应函数，再根据特定条件建立以频域响应函数为未知数的方程组，并进行求解。

可选地，本发明提供一种短滤波器，设原型滤波器的长度为lg＝m+1，其冲激响应序列是：

g(k),k＝-m/2,...,m/2

其中k表示采样点序号，所设计的滤波器冲激响应需要满足以下条件：

(1)关于原点对称，且原点处取值为a；

g(0)＝a；

g(k)＝g(-k),k＝-m/2,...,m/2

(2)关于k＝m/4对称的任意两点间平方和为a²；

g(m/4-k)²+g(m/4+k)²＝a²,0≤k≤m/4

(3)与g(k)对应的频率响应序列记为：

g(f)是g(k)的m阶离散傅里叶变换，其中f取值为整数，表示第f个频点，满足：g(f)＝g(-f)，且对|f|≥l，g(f)＝0，即有效频点数为2l-1。

因此，综合上述条件，所设计的原型滤波器应满足下述方程组：

通过求解上面的方程组，得到滤波器的冲激相应序列。

在一个具体的实施例中，设滤波器的有效频点数为5个，即l＝3，对应的短滤波器表示为：

根据上面所给出的条件，通过0,m/4,m/2三个采样点，得到下面的方程组：

求解得：g(0)＝0.6036a，g(±1)＝0.25a，g(±2)＝-0.0518a。

在一个具体的实施例中，设滤波器的有效频点数为7个，即l＝4，短滤波器可以表示为：

根据上面所给出的条件，取0,m/8,m/4,m/2四个采样点，得到下面的方程组：

求解得：g(0)＝0.6036a，g(±1)＝0.2553a，g(±2)＝-0.0518a，g(±3)＝-0.0053a。

可选地，按照上述方法所设计的滤波器可以应用于基于滤波器组的多载波系统(fbmc)，发送端的具体步骤如附图1所示，其中am,n是实数符号，m表示子载波序号、n表示时间序号，am,n乘以相位旋转因子后，由原来的全为实数变为实虚交错，对得到的实虚交错符号序列以倍上采样，通过用上述滤波器滤波后，乘以调制到不同的载波上，各个子载波的信号相加得到最终的发送信号，接收端的步骤即为发送端的逆过程。

对应的接收端框图如图2所示，是图1中发送端的逆过程。

可选地，按照上述方法所设计的滤波器可以应用于采用该种滤波器的滤波器组单载波通信系统。将待发送的数据符号划分成数据符号段并编序号，并对待发送的数据符号段按照其序号进行处理，包括加窗、fft，并采用滤波器组技术将处理过的数据符号映射到多个子载波上，其中，滤波器使用本发明方法设计的滤波器，对待发送的数据符号段按照其序号处理使得数据符号段映射到多个子载波上后，对于偶数序号数据符号段，偶数序号子载波传输实数部分，奇数序号子载波传输虚数部分，对于奇数序号数据符号段，偶数序号子载波传输虚数部分，奇数序号子载波传输实数部分，实现相邻数据符号段之间合作发送数据。

发送端的具体步骤如图3所示：信号经过滑动窗口分段截取后加窗，再通过fft转换到频域，进行实虚交错提取后映射到载波上，再进行基于滤波器组的调制系统发送端的一系列调制步骤(包括ifft、滤波器组滤波、错位相加等)。

可选地，在上述单载波通信系统中，所加的窗也可以采用该方法设计出来的滤波器的冲激响应序列。

以下通过具体实施例介绍本发明所提供的技术方案。

实施例1

本实施例中设定的条件为，子载波总数m为64个，在该具体条件下，设原型滤波器的冲激响应函数为：

g(k),k＝-32,...,32

其中k表示时刻，所设计的滤波器冲激响应函数需要满足以下条件：

(1)关于原点对称，且原点处取值为1；

g(0)＝1；

g(k)＝g(-k),k＝-32,...,32

(2)关于k＝16对称的任意两点间平方和为1；

g(16-k)²+g(16+k)²＝1,0≤k≤16

(3)与g(k)对应的频率响应序列记为：

g(f)是g(k)的m阶离散傅里叶变换，其中f取值为整数，表示第f个频点，满足：g(f)＝g(-f)，且对|f|≥l，g(f)＝0，即有效频点数为2l-1。

设滤波器有效频点数为5个，即l＝3，原型滤波器可表示为：

根据上面所给出的条件，通过0,16,32三个采样点，得到下面的方程组：

求解得：g(0)＝0.6036a，g(±1)＝0.25a，g(±2)＝-0.0518a。

设滤波器的有效频点数为7个，原型滤波器可以表示为：

取0,8,16,32四个采样点，得到下面的方程组：

求解得：g(0)＝0.6036a，g(±1)＝0.2553a，g(±2)＝-0.0518a，g(±3)＝-0.0053a。

在一个示例中，取a＝1，此时原型滤波器的单位冲激响应函数如附图4所示，附图4为该情况下原型滤波器的冲激响应，也即g[0],...,g[64]。

实施例2

本实施例的预设条件为将满足条件的冲激响应序列作为窗应用于基于滤波器组的单载波通信系统中，子载波总数n为1024个，t时刻内发送的数据符号数m为64个，待发送的符号序列{a0,a1,a2,...}为复数符号，所使用滤波器的重叠因子k＝4。在该具体条件下，实施步骤可以表示为：

(1)所述待发送的数据符号序列要经过长度为64的滑动窗口，每隔32点滑动截取数据符号，得到在第n个数据符号段xn上的符号为：

xn[i]＝a32(n-1)+i,0≤i≤63,(n≠0)

其中，x0[i]表示序号为0的数据符号段取值，xn[i]表示序号不为0的符号段取值。

(2)用g表示长度为64的窗矢量，对第n个数据符号段xn加窗后得到rn：

rn＝diag(g)·xn

其中，diag函数的作用是将矢量转换成对角矩阵形式，窗矢量g所对应的冲激响应序列g[i]满足：

g(f)是g(k)的64阶离散傅里叶变换，其中k取值为整数，表示第k个频点，满足：g(f)＝g(-f)，且对|f|≥l，g(f)＝0，即有效频点数为2l-1。

(3)通过64点离散傅里叶变换将rn转换到频域形式rn：

rn＝fft(rn)

fft函数表示傅里叶变换，将第m个元素的取值记为rn[m]。

(4)对于第n个数据符号段，将经过进一步调制后得到的en中第m个元素记为en[m]，当n为偶数可以表示为：

当n为奇数时，en[m]可以表示为：

其中，函数的作用是取实部，函数的作用是取虚部。

(5)将64个元素en[m]映射到1024个子载波上，第m个子载波上的信息in[m]表示为：

(6)in[m]通过ifft转换到时域后与长度为1025的滤波器相乘，第i时刻的发送信号sn[k]可以表示为：

其中，g'[k]表示滤波器的冲激响应，满足：

等效于对in[m]进行1024点ifft变换；

(8)将所有经过上述步骤得到的sn[k]进行依次位移512累加，得到最终的发送信号s[k]。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。