OFDM时域加窗方法及装置与流程

ofdm时域加窗方法及装置
技术领域
1.本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种ofdm时域加窗方法及装置。


背景技术：

2.在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为n个相互不重叠的频率子信道。每个子信道传输独立的调制符号，然后再将n个子信道进行频率复用。这种避免信道频谱重叠看起来有利于消除信道间的干扰，但是这样又不能有效利用频谱资源。
3.在向3g/4g/5g演进的过程中，正交频分复(orthogonal frequency division multiplexing,ofdm)是一种能够充分利用频谱资源的多载波传输方式，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高系统性能。ofdm可以很好地抵抗无线信道的频率选择性衰落，抑制多径效应和窄带上的射频干扰。常规频分复用与ofdm的信道分配情况如图1所示，从图1可以看出ofdm至少能够节约二分之一的频谱资源。
4.ofdm利用快速傅立叶反变换(ifft)和快速傅立叶变换(fft)来实现调制和解调，处理流程如下图2所示。
5.ofdm的调制解调流程如下：
6.1.发射机在发射数据时，将高速串行数据转为低速并行，利用正交的多个子载波进行数据传输；
7.2.各个子载波使用独立的调制器和解调器；
8.3.各个子载波之间要求完全正交、各个子载波收发完全同步；
9.4.发射机和接收机要精确同频、同步，准确进行位采样；
10.5.接收机在解调器的后端进行同步采样，获得数据，然后转为高速串行。
11.ofdm系统的多载波特性和信道时变特性决定了其对信道中子载波的正交性有严格要求，频率偏差会造成子载波之间的干扰。因此，ofdm技术的主要问题在于对收发载波频率偏移非常敏感，若发生频率偏移会导致出现子载波间的干扰ici，由此增加了接收端的误码率，导致系统的性能明显下降。
12.同时，由于计算机无法实现对无限长的信号进行fft运算和测量，应截取有限长序列进行分析。当无限长序列被突然截断后，相当于在时域乘以一个矩形窗口，窗内数据并不改变。在频域中，等同于二者各自频谱的周期卷积，原来集中在基处的能量被分散到两个较宽的频带中，从而产生频谱能量泄露，产生频率扩散畸变。采用不同的截取窗函数对信号进行截断可以减少频谱能量泄露，频谱泄露与窗函数频谱特性密切相关。
13.用变化缓慢的窗函数截取信号，并用高于信号频率n倍采样频率是解决频谱泄露的常用方法。若窗函数能量相对集中在主瓣，两侧瓣幅度趋于零，则可以真实的还原信号频谱。一个理想的窗函数应具有主瓣宽度窄、旁瓣宽度低、旁瓣衰减速度快的特点。
14.在传统的处理流程中，加窗处理和fft数据处理是分别独立进行的。传统的方案设计比较简单，对于流量小的场景下是有效的。但是，随着协议的演进和系统容量的增加，如
4g/5g系统，系统容量大幅增加，对处理时延要求较高，并且处理数据量也大幅增加。如果还采用传统方案，那么对于外部存储器的带宽要求就会非常高，而且性能不能有效提升，并且会导致功耗急剧增加。


技术实现要素：

15.本发明实施例提供了一种ofdm时域加窗方法及装置，以至少解决相关技术中ofdm的加窗和fft数据处理分别独立进行，所导致的处理时延大，功耗较高的问题。
16.根据本发明的一个实施例，提供了一种ofdm时域加窗方法，包括：按照配置任务对当前ofdm符号数据进行解析，并对所述数据进行ifft处理；对进行ifft处理后的输出数据增加循环前缀cp；按照所述配置任务确定所述数据的时域加窗模式，并按照确定的所述加窗模式对所述数据进行加窗运算，并输出加窗运算后的ifft数据。
17.其中，按照配置任务对当前ofdm符号数据进行解析之前，还包括：对所述当前ofdm符号数据进行任务配置，其中，所述配置任务中包括任务参数和加窗数据的读地址及加窗系数。
18.其中，按照配置任务中的加窗模式对所述数据进行加窗运算包括：当所述加窗模式为加窗bypass模式时，将增加循环前缀cp的所述ifft数据直接输出至后级模块。
19.其中，按照配置任务中的加窗模式对所述数据进行加窗运算包括：当所述加窗模式为第一加窗模式时，从前一个ofdm符号的头部取出长度为a0的部分复制作为循环后缀，将所述循环后缀与所述前一个ofdm符号最后的长度为a0的数据组成数据段b1；当前ofdm符号的cp头部取出长度为a0的数据，再取出cp之前的长度为a0的数据，组成长度为2
×
a0的数据段a2，其中2
×
a0等于cp长度；将所述数据段a2乘以上升窗系数，所述数据段b1乘以下降窗系系数，然后叠加得到数据段c；将数据段c的前a0个数据替换所述前一个ofdm符号的最后a0个点数据，数据段c的后a0个数据替换当前ofdm符号的cp前a0个数据。
20.其中，按照配置任务中的加窗模式对所述数据进行加窗运算包括：当所述加窗模式为第二加窗模式时，从前一个ofdm符号的头部取出长度为2
×
a0部分复制作为循环后缀数据段b1，其中2
×
a0长度小于等于cp长度；从当前ofdm符号的cp头部取出长度为2
×
a0的数据段a1；将所述数据段a1乘以上升窗系数，数据段b1乘以下降窗系数，将所述数据段a1和所述数据段b1加窗后的数据叠加得到数据c，将所述数据段c替换当前ofdm符号的数据段a1，剩余的部分数据段a2作为cp保留。
21.其中，按照配置任务中的加窗模式对所述数据进行加窗运算包括：当所述加窗模式为第三加窗模式时，从前一个ofdm符号的cp头部取出长度为2
×
a0的数据段a，其中，2
×
a0的长度小于cp长度；将所述数据段a乘以上升窗系数后替换所述数据段a的数据；从前一个ofdm符号的最后取长度为2
×
a0的数据段b，将所述数据段b乘以下降窗系统后替换数据段b的数据。
22.其中，输出加窗运算后的ifft数据之后，还包括：将所述加窗运算后的ifft数据进行整理后，通过无线信道进行传输。
23.根据本发明的另一个实施例，提供了一种ofdm时域加窗装置，包括：iff处理模块，用于按照配置任务对当前ofdm符号数据进行解析，并对所述数据进行ifft处理；循环前缀模块，用于对进行ifft处理后的输出数据增加循环前缀cp；加窗模块，用于按照所述配置任
务确定所述数据的时域加窗模式，并按照确定的所述加窗模式对所述数据进行加窗运算，并输出加窗运算后的ifft数据。
24.根据本发明的又一个实施例，还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。
25.根据本发明的又一个实施例，还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
26.通过本发明的上述实施例，利用ofdm的算法特性以及数据读写的特点，将fft变换和加窗处理步骤结合在一起，从而减少处理延时，降低了功耗，达到提高系统性能的效果。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
28.图1是根据相关技术的频分复用与ofdm的信道分配情况示意图；
29.图2是根据相关技术的ofdm数据处理流程图；
30.图3是根据本发明实施例的ofdm时域加窗方法流程图；
31.图4是根据本发明实施例的bypass加窗模式处理流程图；
32.图5是根据本发明实施例的加窗模式1处理流程图；
33.图6是根据本发明实施例的加窗模式2处理流程图；
34.图7是根据本发明实施例的加窗模式3处理流程图；
35.图8是根据本发明实施例的加窗模式1实现示意图；
36.图9是根据本发明实施例的加窗模式1部分数据缓存示意图；
37.图10是根据本发明实施例的加窗模式2实现示意图；
38.图11是根据本发明实施例的加窗模式2部分数据缓存示意图；
39.图12是根据本发明实施例的加窗模式3实现示意图；
40.图13是根据本发明实施例的时域加窗实现模块结构图；
41.图14是根据本发明实施例的ofdm时域加窗装置模块结构图。
具体实施方式
42.下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
43.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
44.在本实施例中提供了一种ofdm时域加窗方法，图3是根据本发明实施例的方法流程图，如图3所示，该流程包括如下步骤：
45.步骤s302，按照配置任务对当前ofdm符号数据进行解析，并对所述数据进行ifft处理；
46.步骤s304，对进行ifft处理后的输出数据增加循环前缀cp；
47.步骤s306，按照所述配置任务确定所述数据的时域加窗模式，并按照确定的所述
加窗模式对所述数据进行加窗运算，并输出加窗运算后的ifft数据。
48.在本实施例的步骤s302之前，还可以包括步骤：对所述当前ofdm符号数据进行任务配置，其中，所述配置任务中包括任务参数和加窗数据的读地址及加窗系数。
49.在本实施例的步骤s306中，当所述加窗模式为加窗bypass模式时，将增加循环前缀cp的所述ifft数据直接输出至后级模块。
50.当所述加窗模式为第一加窗模式时，从前一个ofdm符号的头部取出长度为a0的部分复制作为循环后缀，将所述循环后缀与所述前一个ofdm符号最后的长度为a0的数据组成长度为2
×
a0数据段b1；当前ofdm符号的cp头部取出长度为a0的数据，再取出cp之前的长度为a0的数据，组成长度为2
×
a0的数据段a2，其中2
×
a0长度等于cp长度；将所述数据段a2乘以上升窗系数，所述数据段b1乘以下降窗系数，然后叠加得到数据段c；将数据段c的前a0个点数据替换所述前一个ofdm符号的最后a0个点数据，数据段c的后a0个点数据替换当前ofdm符号的cp前a0个点数据。
51.当所述加窗模式为第二加窗模式时，从前一个ofdm符号的头部取出长度为2
×
a0部分复制作为循环后缀数据段b1，其中2
×
a0长度小于等于cp长度；从当前ofdm符号的cp头部取出长度为2
×
a0的数据段a1；将所述数据段a1乘以上升窗系数，数据段b1乘以下降窗系数，将所述数据段a1和所述数据段b1加窗后的数据叠加得到数据c，将所述数据段c替换当前ofdm符号的数据段a1，剩余的部分数据段a2作为cp保留。
52.当所述加窗模式为第三加窗模式时，从前一个ofdm符号的cp头部取出长度为2
×
a0的数据段a，其中，2
×
a0的长度小于cp长度；将所述数据段a乘以上升窗系数后替换所述数据段a的数据；从前一个ofdm符号的最后取长度为2
×
a0的数据段b，将所述数据段b乘以下降窗系统后替换数据段b的数据。
53.在本实施例的步骤s306之后，还可以包括步骤：将所述加窗运算后的ifft数据进行整理后，通过无线信道进行传输。
54.在本发明的上述实施例中，将ofdm系统中的fft变换和加窗步骤结合在一起处理，增强针对不同场景时域加窗的处理方式，从而减少处理延时，降低功耗，提高系统性能，增强接收信号的传输质量。
55.为了便于对发明实施例所提供的技术方案的理解，下面将结合具体应用场景的实施例进行详细描述。
56.本实施例所要解决的技术问题是：增强时域加窗处理的配置灵活性，降低加窗和fft运算的综合处理延时，提高系统性能，降低系统功耗。
57.时域加窗有以下特点：
58.1、加窗运算是在ifft运算之后。
59.2、窗系数的上升窗和下降窗是对称的，只需要存储一半的窗系数。
60.3、对于两个相关运算的加窗处理，需要缓存前一个符号的数据，以便进行加窗处理运算。
61.4、加窗运算的数据量小于cp数据量。
62.本实施例利用上述时域加窗特点，提供了一种用于无线通信系统的时域加窗方法，如图4至7所示，主要包括如下步骤：
63.任务下发：外部主控模块发送处理任务配置给fft处理模块。
64.加窗模式判断：加窗模式一共有四种，分别为加窗bypass模式、加窗模式1、加窗模式2和加窗模式3。任务下发通过寄存器进行开关配置。如果是bypass模式，直接bypass fft运算后的输出数据。如果是加窗模式1，则跳转到加窗模式1的处理流程。如果是加窗模式2，则跳转到加窗模式2的处理流程。如果是加窗模式3，则跳转到加窗模式3的处理流程。
65.加cp：增加循环前缀。
66.数据整理：对数据整理，为发送做准备。
67.数据发送：发送数据到后续模块进行处理。
68.下面将分别对上述的四种加窗模式处理分别进行具体的说明。
69.图4为加窗bypass模式的处理流程，如图4所示，当配置为加窗bypass模式时，增加完循环前缀cp的ifft的数据直接输出到后级模块。即，进行数据整理，为数据发送做准备，然后发送数据到后续模块进行处理。
70.图5为加窗模式1的处理流程。图8为加窗模式1实现过程示意图。如图8所示，首先，从前一个符号k的头部取出长度为a0的部分复制作为循环后缀，然后循环后缀与符号k最后的a0数据组成数据段b1，长度为2
×
a0。然后从后一个符号k+1的cp头部取出长度为a0的数据，再取出cp之前的a0点数据，组成总长度为2
×
a0点的数据作为数据段a2。数据段a2乘以上升窗，数据段b1乘以下降窗，然后叠加得到数据段c。数据段c的前a0个点替换符号k的最后a0个点；数据段c的后a0个点，替换符号k+1的cp前a0个点数据。
71.在此模式下，2
×
a0长度必须等于cp长度。每个符号至少要向前偏移a0个点，即将符号k的后a0个点随符号k+1输出。因此，在符号k处理时，需要将符号k的b1数据段乘以下降窗之后的数据输出到win_addr和win_addr_offset指示的memory地址缓存起来，等k+1符号处理时再读出来与符号k+1的a数据段加窗后的数据完成叠加处理。
72.在此模式下，至少需要缓存2
×
a0的数据，同时考虑到动态tti时分场景下，相邻两个符号的fft点数和窗长不一致，为了保证处理不出错，使用参数wa(win_data_wa)表示需要缓存b1数据段的数据长度，缓存数据量为2
×
wa个采样点，此时每个符号向前偏移wa个点。wa必须大于a0，并且wa+cp_len<＝fft点数。
73.如果wa>a0,则输出的缓存数据组成如图9所示。先输出b1数据段之前的wa-a0点数据，再输出b1数据段加窗后的2
×
a0个数据，最后剩余的wa-a0点空间补0处理，补够2
×
wa个采样点。第一个符号以及上下行切换点要假设上个符号数据全为0。
74.在加窗模式1处理完成后，进行数据整理，为数据发送做准备，然后发送数据到后续模块进行处理。
75.图6为加窗模式2的流程图。图10为加窗模式2实现过程示意图。
76.如图10所示，首先，从前一个符号k的头部取出长度为2
×
a0的部分复制作为循环后缀(数据段b1)。然后，从后一个符号的k+1的cp头部取出长度为2
×
a0的数据段a1。再将数据段a1乘以上升窗系统，数据段b1乘以下降窗系数，将a1和b1加窗后的数据叠加得到数据c，将数据c替换符号k+1的数据a1，剩余的部分a2仍然作为cp保留。
77.在此模式下，2
×
a0长度必须小于等于cp长度。fft的输出数据为每个符号的a1+a2+ifft output，由于符号k+1的a1数据与之前的一个符号k的b1加窗后的数据有关。因此在符号k处理时，需要将符号k的b1数据段乘以下降窗之后的数据输出到win_data_addr指示的memory地址缓存起来，等k+1符号处理时再读出来与a1数据段加窗后的数据完成叠加处
理。
78.b数据段指示缓存2
×
a0的数据，但是考虑到动态tti时分场景下，相邻两个符号fft点数和窗长不一致，为了保证处理不出错，使用参数wa(win_data_wa)表示需要缓存b1数据段的数据长度，缓存数据量为2*wa个采样点。wa必须大于等于w0，并且2
×
wa≤cp长度。
79.如果wa>w0，则输出的缓存数据如图11所示。先输出b1数据段加窗后的2
×
a0点数据，然后再将剩余的2
×
(wa-a0)的空间补0处理，补够2
×
wa个采样点。上电初次工作和上下行任务切换时，要假设上个符号数据全为0。
80.在加窗模式2处理完成后，进行数据整理，为数据发送做准备，然后发送数据到后续模块进行处理。
81.图7为加窗模式3处理流程图。图12为加窗模式3实现过程示意图。如图12所示，此模式为只加窗不交叠加窗方式，此时相邻两个符号直接不耦合。首先，从符合k的cp头部取出长度为2
×
a0的数据段(数据段a)，然后将数据段a乘以上升窗系数，替换a数据。从符合看最后取2
×
a0数据(数据段b)，然后将数据段b乘以下降窗系数，替换b数据。a和b均只加窗，不叠加。
82.在此模式下，2
×
a0的长度必须小于cp长度。
83.在加窗模式3处理完成后，进行数据整理，为数据发送做准备。然后，发送数据到后续模块进行处理。
84.本发明实施例还提供了一种用于无线通信系统的时域加窗实现装置，如图13，包含以下模块：
85.模块a，任务配置：配置任务参数和加窗数据的读地址及加窗系数。
86.模块b，ifft处理：利用ifft(inverse fast fourier transform)，将信号做转换，由离散频域转变成离散时域，如同信号分别乘上不同子载波频率一样。
87.模块c，插入循环前缀：信号尾端的部分移到信号前端，减少多径干扰对系统的影响。
88.模块d，加窗模式1：乘上窗函数，减少接收到二个信号之间可能因为极不连续的相角变化而产生的高頻信号。
89.模块e，加窗模式2：乘上窗函数，减少接收到二个信号之间可能因为极不连续的相角变化而产生的高頻信号。
90.模块f，加窗模式3：乘上窗函数，减少接收到二个信号之间可能因为极不连续的相角变化而产生的高頻信号。
91.模块g，信道传输：通过无线信道进行数据传输。
92.下面将分别针对不同加窗模式，具体描述上述各模块的工作流程：
93.对于加窗bypass模式，模块a配置任务，配置当前符号相关数据、参数，以及加窗系数的读地址和数据。模块b对模块a配置的任务进行解析处理，根据配置参数开始进行ifft处理。对b模块的输出数据取出尾部长度为cp的数据放到当前符号数据队列的头部。数据直接输出到模块g进行发送处理，输出到无线信道中。
94.对于加窗模式1，a模块配置任务，配置当前符号相关数据、参数，以及加窗系数的读地址和数据。b模块对a模块配置的任务进行解析处理，根据配置参数开始进行ifft处理。对b模块的输出数据取出尾部长度为cp的数据放到当前符号数据队列的头部。如果a模块配
置的是加窗模式1，此时数据输入到模块d，模块d按照加窗模式1的处理流程进行数据缓存和加窗运算，运算完成后输出当前的ifft数据。模块g对模块d的输出数据进行处理，发送到无线信道中。
95.对于加窗模式2，a模块配置任务，配置当前符号相关数据、参数，以及加窗系数的读地址和数据。b模块对a模块配置的任务进行解析处理，根据配置参数开始进行ifft处理。对b模块的输出数据取出尾部长度为cp的数据放到当前符号数据队列的头部。
96.4.如果a模块配置的是加窗模式1，此时数据输入到模块e，模块e按照加窗模式1的处理流程进行数据缓存和加窗运算，运算完成后输出当前的ifft数据。模块g对模块e的输出数据进行处理，发送到无线信道中。
97.对于加窗模式3，a模块配置任务，配置当前符号相关数据、参数，以及加窗系数的读地址和数据。b模块对a模块配置的任务进行解析处理，根据配置参数开始进行ifft处理。对b模块的输出数据取出尾部长度为cp的数据放到当前符号数据队列的头部。如果a模块配置的是加窗模式1，此时数据输入到模块f，模块f按照加窗模式1的处理流程进行数据缓存和加窗运算，运算完成后输出当前的ifft数据。模块g对模块f的输出数据进行处理，发送到无线信道中。
98.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
99.在本实施例中还提供了一种ofdm时域加窗装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
100.图14是根据本发明实施例的ofdm时域加窗装置的结构框图，如图14所示，该装置包括iff处理模块10、循环前缀模块20和加窗模块30。
101.iff处理模块10，用于按照配置任务对当前ofdm符号数据进行解析，并对所述数据进行ifft处理。
102.循环前缀模块20，用于对进行ifft处理后的输出数据增加循环前缀cp；
103.加窗模块30，用于按照所述配置任务确定所述数据的时域加窗模式，并按照确定的所述加窗模式对所述数据进行加窗运算，并输出加窗运算后的ifft数据。
104.需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，对于后者，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。
105.本发明的实施例还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。
106.可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：u盘、只读存储器(read-only memory，简称为rom)、随机存取存储器(random access memory，简称为ram)、移动硬
盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
107.本发明的实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
108.可选地，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。
109.可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
110.显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
111.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。