专利名称：多载波调制解调装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多载波系统的调制解调技术，特别是指多载波通信系统中的调制解调技术及其快速实现装置。
背景技术：
多载波并行传输技术，尤其是以正交频分复用(OFDM)技术为基础的正交多载波调制技术，近20年来得到了飞速发展，从早期的非对称数字用户环技术(ADSL)技术，到后来的欧洲的数字电视广播(DVB)标准，以及到近两年的国际电工电子协会(IEEE)的802.16d/e标准和第三代伙伴项目(3GPP)的长期演进技术(LTE)，都纷纷采用了OFDM技术。
OFDM调制技术作为一种典型的并行传输技术有着它一系列的优点，如子载波带宽通常较小、符号时间长，因此具有强的抗多径性能，用快速傅立叶变换(FFT)和快速傅立叶反变换(IFFT)变换实现调制、解调，可以方便地实现硬件的快速实现，可以在频域做单抽头的均衡，解决了传统宽带码分多址系统(CDMA)时域均衡(RAKE接收机)过于复杂的问题。与所有的技术一样，OFDM系统也有它一些固有的缺陷与不足，如宽带OFDM系统的子载波数往往较大，如512/1024/2048等，子载波带宽较小，如10kHz左右，此时OFDM的频域相当于是一个临界采样的系统，这就导致以OFDM技术为基础的多载波系统通常是一个频偏敏感的系统。较大的车速，频率同步偏差等带来的频率偏移往往会使传统的OFDM系统的系统性能急剧下降，严重时甚至不能工作。其次，子载波数较多的OFDM系统往往导致峰均比(PAPR)很高，使射频(RF)的功率效率下降，如果使用削波，选择性映射，编码等方法来解决，一方面这些方法的效果本身有限，另一方面往往会带来额外的处理复杂度或引入新的噪声影响。另一方面，OFDM技术由于其时域波形相当于是矩形窗，因此在频域响应对应为sinc函数，sinc函数具有频域滚降慢的特点，这导致OFDM系统在频域通常不满足世界各围、各地区频率模板(mask)要求。而各种加窗或其它的办法通常会引入新的处理复杂度，而且要么会引入新的干扰，要么会降低频谱效律。特别地，当OFDM的子载波数较小，子载波较宽的时候，这种宽子载波带来的带外散射功率就更大了，而此时通常用来解决较窄子载波的OFDM系统带外功率的办法往往难以奏效。
再则，随着移动通信技术的不断成熟，市场对终端的成本要求越来越高。如果直接将OFDM技术直接用于多载波通信系统的上行链路，则传统的OFDM系统由于高PAPR的问题，必然会影响到终端的功率效率，必然会直接地影响终端的成本和性能。当前LTE针对这个问题选用了“离散付立叶变换-扩展OFDM”(DFT-S-OFDM)技术作为上行技术，虽然较好地改决了终端高PAPR低功率效率的问题，但却以系统BER的损失为代价，而且带外下降太慢的问题仍然存在。
发明内容
本发明的主要目的是在于提供一种能够有效解决传统的OFDM多载波调制系统中带外泄露能量太大、PAPR太高等问题，本发明不仅适合于子载波数较多子载波带宽较窄的多载波系统，而且也适用于子载波数较少子载波带宽较宽的多载波系统，这种系统能够同时适用于上、下行的通信。
本发明的另一目的在于提供一种能够用快速算法实现以上多载波调制、解调过程的装置，使得本发明的调制方式不仅在带外和PAPR上优于传统的OFDM系统，实现复杂度也与传统的OFDM类似。
本发明的再一目的在于提供一种实现子载波调制解调的方法，使得本发明可以以接近正交频分复用(OFDM)系统的实现复杂度来有效地实现多载波的调制解调。
根据本发明第一方面，所提供的多载波调制方法包括以下步骤 将待发送数据映射到多个子载波上，形成并行多路子载波数据； 将待发送脉冲进行离散化因果化处理，得到离散化因果化发送脉冲信号； 利用离散化因果化发送脉冲对所述并行多路子载波数据进行多路并行子载波数据的调制，由此生成为一路已调制的宽带串行数据流； 输出所述的已调制的宽带串行数据流。
其中，在系统设计时，给系统配置较宽的子载波，即所述子载波的带宽大于10kHz； 在上行传输时，给移动用户终端分配较少的子载波数，可以有效地降低移动终端的峰均功率比，即用于上行传输的子载波数量小于用于下行传输的子载波数量。
根据本发明第二方面，所提供的多载波调制装置包括 子载波数据映射装置，用来将待发送数据映射到多个子载波上，形成并行多路子载波数据； 发送脉冲离散化因果化装置，用来将待发送脉冲进行离散化因果化处理，得到离散化因果化发送脉冲信号； 子载波调制装置，用来利用离散化因果化发送脉冲对所述并行多路子载波数据进行多路并行子载波数据的调制，由此生成为一路已调制的宽带串行数据流； 输出已调制宽带数据装置，用来输出所述的已调制的宽带串行数据流。
根据本发明的第三方面，所提供的多载波解调制装置包括 接收离散化宽带数据装置，用来将通过信道后的宽带串行数据流按采样率的整数倍进行采样和离散化处理，得到接收串行宽带载波数据； 接收脉冲离散化因果化装置，用来对接收脉冲进行离散化因果化处理，得到离散化因果化接收脉冲信号； 子载波解制装置，用来利用离散化因果化接收脉冲信号对所述接收串行宽带载波数据进行数据解调，得到并行多路子载波数据； 子载波数据解映射装置，用来对所述并行多路子载波数据进行解映射处理，得到各个用户对应的数据。
根据本发明的第四方面，所提供的多载波调制的方法包括以下步骤 A1)对符号变量和自累加变量进行初始化操作； B1)从子载波映射装置生成的多路并行子载波数据中读取作为待调制的数据； C1)对读取的多路并行子载波数据的IFFT快速变换； D1)对IFFT快速变后的数据的多倍周期延拓，延拓的数据的度为滤波器对应的采样点数； E1)从离散化因果后的脉冲中读入发送脉冲的采样点数据，然后对采样点的发送脉冲进行归一化处理，归一化的因子为每个宽带数据符号的周期上对应的采样点数的开方； F1)对周期延拓后的数据进行加窗操作，即用归一化后的滤波器与延拓后的数据对应离散样点相乘，然后与存储的累加器里的数据对应相累加； G1)将累加器里的数据进行宽带符号周期长度上的样点值长度的左移操作； H1)将初始化的循环变量进行1的自累加，然后判断是否已经对所有子载波上的符号进行的调制操作，如果是则输出调制结束状态标志，否则就跳转到步骤D1)重复以上的操作过程。
根据本发明的第五方面，所提供的多载波解调的方法包括以下步骤 A2)将符号变量进行自累加，并将长为K点的寄存器置零； B2)从宽带离散化装置中读取离散化后的样点数据，一次读当前位置到后面位置的长为滤波器点的数据； C2)从接收脉冲离散化因果化装置读取进接收滤波器的样点值并进行归一化，归一化的因子为符号长度上的样点数的开方； D2)将得到的归一化后接收滤波器与读进的滤波器长度的宽带样点数据进行对应样点相乘； E2)对得到的滤波器长度点的加窗后的数据按子载波点数进行分段，然后将分成的每一段数据进行累加； F2)将累加后的数据进行FFT快速计算，生成并行的多路已解调的子载波上的数据； G2)输出已经解调的多路并行子载波数据； H2)将自累加变量自加1，然后判断解调是否结束，如果结束则输出解调结束状态标志，如果没结束，则返回到步骤D2，重复以上过程，直到将所有接收到的宽带样点数据进行全部解调为止。
上述第一至第五方面还具有以下技术特征 所述的待发送脉冲或者接收脉冲从满足以下收发脉冲互模糊函数Ag，γ(P，Q)条件的脉冲函数中选出 其中，P是经过信道后的符号移位值；Q是经过信道后的子载波移位值。
所述的离散化因果化处理包括脉冲离散化处理和脉冲因果化处理，其中所述脉冲离散化处理是用采样率的倒数分之一为基本的时间单位对发送脉冲进行离散化。
所述脉冲因果化处理是若脉冲长为偶数个采样点，则为将脉冲向右移一半的采样点，若脉冲为奇数个采样点，则为将脉冲向右移脉冲长度减1后的一半的采样点。
本发明能够有效解决传统的OFDM多载波调制系统中带外泄露能量太大、PAPR太高等问题，本发明不仅适合于子载波数较多子载波带宽较窄的多载波系统，而且也适用于子载波数较少子载波带宽较宽的多载波系统，这种系统能够同时适用于上、下行的通信。
下面结合附图对本发明的原理、结构及工作原理进行详细说明。
图1为多载波调制、解调装置框图； 图2为多载波调制快速实现装置图； 图3为多载波调制快速实现装置图。
具体实施例方式 首先对本发明的调制解调原理进行详细说明。
本发明的发送的多载波连续复基带信号可以表示为 其中，K为子载波的个数，ak(l)表示为第k个子载波上的第l个符号上的发送数据，g(t)发送滤波器，F为每个子载波的间隔。gl，k(t)＝g(t-lT)ej2πkF(t-lT)表示发送滤波器的时频移位。
接收端第k个子载波上第l个符号的解调输出为 这里r(t)为接收到的连续基带复信号，γ(t)为接收脉冲，其时频移位为γl，k(t)＝γ(t-lT)ej2πkF(t-lT)，T为符号周期。
接收信号的解调表达形式为 其中为收发脉冲的互模糊函数。
当收发、脉冲满足 有bl(k)＝al(k)，可以实现完备地调制和解调，称满足条件(4)的收发脉冲为归一化双正交脉冲。收发脉冲只要满足条件(4)即为我们需要的脉冲。满足这种条件的脉冲有根升余弦脉冲，升余弦脉冲，sinc脉冲等。
式(1)的发送信号用采样率离散化后有 这里N＝T/Fs，Fs为系统的采样率。
如果脉冲是非因果化的，对脉冲进行因果化后有 其中L为滤波器的长度，以上为滤波器的长度为偶数的情形，当滤波器的长度为奇数时有 以上操作要求滤波器长度L/2(为偶数时)或(L-1)/2(为奇数时)为子载波数K的整数倍。
上式(6)(7)的信号生成过程可以用快速算法实现。
同样地对式(2)的接收信号，用采样率离散化后有 L为偶数时。
L为奇数时。
相应的当脉冲为偶数时 相应的当脉冲为奇数时 上式(9)的信号解调过程可以用快速算法实现。
下面结合附图对本发明的细节及工作过程进行详细说明。
图1为多载波调制、解调实现装置框图。如图1所示，首先将待调制的各个子载波上的数据按装置100映射到K0个子载波上。这里K0为被使用的子载波个数，使用的子载波数可以是全部可用的子载波数Ka，也可以是全部可用的子载波数Ka中的一部分，具体的分配方式按系统实际使用的子载波数来操作，K为总共做DFT的点数，不能被使用的子载波上面填上符号0。发送脉冲离散化因果化装置101用来将连续形式的发送脉冲函数实现离散化，然后如果脉冲是非因果的，则再将离散化后的非因果脉冲因果化。用g0(t)表示连续脉冲，离散化即为用系统的采样频率Fs对连续脉冲进行采样g0(n)＝g0(n/Fs)，n＝0，...，L-1，L为滤波器的长度，其数值大小需结合具体脉冲的成型因子通过分析和仿真确定，这里发送脉冲是实现调制的一部分，而因果化是指对非因果脉冲，当L为偶数时g(n)＝g0(n-L/2)，当L为奇数时g(n)＝g0(n-(L-1)/2)。将装置100中的各个子载波上分配的数据和装置101上产生的离散化因果化后的发送脉冲一并传到装置102，然后在子载波调制模块102里实现对各个子载波数据的调制。这里的发送脉冲函数可以是符合条件的成型脉冲中的一种，如根升余弦滤波器(SRRC)，高斯脉冲(Gauss)，汉密特脉冲(Hermite)等，不同的脉冲函数将存在不同的调整脉冲波形的成型参数，参数的大小需结合系统设计的子载波间隔和3dB带宽以及带外频谱衰减的mask共同确定。102装置中调制的过程即为将分离的各个K个子载波上的数据调制形成宽带信号的过程，其快速实现算法将在后面进一步介绍。调制完成后在装置103中输出为已调的宽带串行数据流，数据流对应的时间间隔为采样率Fs。
进一步地，经过调制之后的多载波串行数据流通过模数转换和上变频操作后变成模拟信号(这些模块未示出)，然后在发射断通过相应原装置发送出去。整个基带信号的模拟化以及发送过程，可以等效地看成基带信号通过信号的过程。信道的具体形式和通信所采用的媒介有关，如果是有线通信则信道为具体的介质，如电话线、光纤、双绞线等介质对应的信道响应，如果传送信号的媒介是是空口中的无线电，则信道为空中所对应的具体的通信环境。无论是经过哪种媒介，信道部分可以用装置104来示出。
装置105是用来接收离散化宽带数据装置，这一部分主要是将接收到的宽带模拟信号进行离散化操作，如AD采样等。采样率则少是系统设计的采样率Fs的整数速(可以是1倍)，以下的说明都是按采样率为单倍的基带采样率Fs来进行说明的。装置106为接收脉冲离散化因果化装置，该装置的作用与发射机装置101完全相同，只是此处是对接收脉冲进行操作。同样的，用γ0(t)表示接收脉冲的连续函数，离散化即为用系统的采样频率Fs对连续脉冲进行采样γ0(n)＝γ0(n/Fs)，n＝0，...，L-1，L为滤波器的长度，其数值大小需结合发送脉冲来确定，当接收脉冲与发送脉冲相同时则与发送脉冲的长度大小相同。而因果化是对非因果脉冲，当L为偶数时γ(n)＝γ0(n-L/2)，当L为奇数时γ(n)＝γ0(n-(L-1)/2)。接收脉冲通常是与接送脉冲具有相册性质的脉冲，接收脉冲按如下的表达式来确定∫g(t)γ(t-lT)e-j2πkF(t-lT)dt＝δlδk，这里g(t)是发送脉冲的连续函数，γ(t)为接收脉冲的连续函数，F为子载波间隔，T为符号周期，δ为单位冲击响应函数。107为子载波解调装置，用以实现宽带信号到子载波信号的解调制，是装置102的逆过程，它可以用快速算法实现，快速实现装置将在后面结合图3进一步介绍。108是子载波数据解映射装置，它是装置100的逆过程，用以实现从解调出的各个子载波上的数据得到各个用户对应的数据，解映射的过程按子载波数据映射方式的反过程来进行。
下面结合图2来介绍调制的快速实现装置。图2为多载波调制快速实现装置的流程图，亦即为图1中的102装置的快速实现装置。200为初始化装置，即l＝0，sl(n)＝0，n∈
，这里l为子载波上对应的符号序号。201为读取子载波上的数据符号ak(l)的装置，这里的数据是从100模块传递过来的，亦即为子载波k上第l个待调制的数据符号。从201的数据送到装置202来做K点的IFFT得到b(n)，即计算b(n)＝K·IFFT(ak(l))，其中0≤n≤K-1，0≤k≤K-1。将计算得到的b(n)送到装置203做周期延拓，即c(n)＝[b(n)，b(n)....]，0≤n≤L-1，得到c(n)。装置204从101获取调制脉冲，同时需将脉冲进行归一化，即这里N为符号周期T进行采样率为Fs的采样后得到的采样点数。205为加窗累加装置，即将装置203得到的数据进行加窗和叠加操作，即sl(n)＝sl(n)+c(n)p(n)，n∈
。然后在装置206中输出sl(n)的前N点数据s(m)＝s(n+lN)＝sl(n)，n∈
，m∈[lN，lN+N-1]，此时即为第l时刻基带发送信号输出的N点宽带数据。进一步地，在装置207中实现左移更新操作，将sl(n)左移N点并更新，即装置208中将变量l自累加1，即l＝l+1，然后判断调制是否结束，如果结束则转到子模块209，输出调制结束标志，否则，则返回到装置202重复以上过程，直到子载波上的所有符号都实现调制。
图3为实现宽带数据解调制的实施装置图。装置300实现初始化操作，即l＝0，rsum(n)＝0，0≤n≤K。装置301从装置105读取数据，即为读取离散化之后的宽带数据，r1(n)＝r(n+lN)，n∈
，r(n)为装置105中取得的离散化宽带数据。装置302从装置106读取接收调制脉冲并实施归一化操作，即装置303实现对从装置301和装置302获取的数据进行加窗，即c(n)＝p(n)rl(n)，n∈
。装置304实现分段累加操作，即n∈
，M＝floor(L/K)，floor()为向下取整数函数rsum(n)＝rsum(n)+c(n)，n∈[KM，L-1]。装置305实现FFT快速变换，即k∈
。装置306输出已解调子载波数据，即输出K个并行子载波的数据bl(k)。进一步地在装置307中更新循环变量，即l＝l+1，然后判断解调是否结束，如果结束则转到子模块308，输出解调结束标志，否则，则返回到装置303重复以上过程，直到解调出所有子载波上的已调制符号。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1、一种多载波调制方法，包括以下步骤
将待发送数据映射到多个子载波上，形成并行多路子载波数据；
将待发送脉冲进行离散化因果化处理，得到离散化因果化发送脉冲信号；
利用离散化因果化发送脉冲对所述并行多路子载波数据进行多路并行子载波数据的调制，由此生成为一路已调制的宽带串行数据流；
输出所述的已调制的宽带串行数据流。
2、根据权利要求1所述的多载波调制方法，其中
所述子载波的带宽大于10kHz；以及
用于上行传输的子载波数量小于用于下行传输的子载波数量。
3、根据权利要求1或2所述的多载波解调方法，其中所述的接收脉冲从满足以下收发脉冲互模函数Ag，γ(P，Q)条件的脉冲函数中选出
其中，P是经过信道后收、发信号间的符号移位值；Q是经过信道后收、发信号间的子载波移位值。
4、一种多载波调制装置，包括
子载波数据映射装置，用来将待发送数据映射到多个子载波上，形成并行多路子载波数据；
发送脉冲离散化因果化装置，用来将待发送脉冲进行离散化因果化处理，得到离散化因果化发送脉冲信号；
子载波调制装置，用来利用离散化因果化发送脉冲对所述并行多路子载波数据进行多路并行子载波数据的调制，由此生成为一路已调制的宽带串行数据流；
输出已调制宽带数据装置，用来输出所述的已调制的宽带串行数据流。
5、一种多载波解调制装置，包括
接收离散化宽带数据装置，用来将通过信道后的宽带串行数据流按采样率的整数倍进行采样和离散化处理，得到接收串行宽带载波数据；
接收脉冲离散化因果化装置，用来对接收脉冲进行离散化因果化处理，得到离散化因果化接收脉冲信号；
子载波解制装置，用来利用离散化因果化接收脉冲信号对所述接收串行宽带载波数据进行数据解调，得到并行多路子载波数据；
子载波数据解映射装置，用来对所述并行多路子载波数据进行解映射处理，得到各个用户对应的数据。
6、根据权利要求4或5所述的多载波调制、解调装置，其中所述的发送脉冲或接收脉冲从满足以下收发脉冲互模函数Ag，γ(P，Q)条件的脉冲函数中选出
其中，P是经过信道后收、发信号间的符号移位值；Q是经过信道后收、发信号间的子载波移位值。
7、根据权利要求4或5所述的多载波调制、解调装置，其中，所述的离散化因果化处理包括脉冲离散化处理和脉冲因果化处理，其中所述脉冲离散化处理是用采样率的倒数分之一为基本的时间单位对接收脉冲进行离散化。
8、根据权利要求4或5所述的多载波调制、解调装置，其中，所述脉冲因果化处理是若脉冲长为偶数个采样点，则为将脉冲向右移一半的采样点，若脉冲为奇数个采样点，则为将脉冲向右移脉冲长度减1后的一半的采样点。
9、一种由权利要求1所述的子载波调制装置实现子载波调制的方法，包括以下步骤
A1)对符号变量和自累加变量进行初始化操作；
B1)从子载波映射装置生成的多路并行子载波数据中读取作为待调制的数据；
C1)对读取的多路并行子载波数据的IFFT快速变换；
D1)对IFFT快速变后的数据的多倍周期延拓，延拓的数据的度为滤波器对应的采样点数；
E1)从离散化因果后的脉冲中读入发送脉冲的采样点数据，然后对采样点的发送脉冲进行归一化处理，归一化的因子为每个宽带数据符号的周期上对应的采样点数的开方；
F1)对周期延拓后的数据进行加窗操作，即用归一化后的滤波器与延拓后的数据对应离散样点相乘，然后与存储的累加器里的数据对应相累加；
G1)将累加器里的数据进行宽带符号周期长度上的样点值长度的左移操作；
H1)将初始化的循环变量进行1的自累加，然后判断是否已经对所有子载波上的符号进行的调制操作，如果是则输出调制结束状态标志，否则就跳转到步骤D1)重复以上的操作过程。
10、一种由权利要求5所述的子载波解调装置实现子载波解调的方法，包括以下步骤
A2)将符号变量进行自累加，并将长为K点的寄存器置零；
B2)从宽带离散化装置中读取离散化后的样点数据，一次读当前位置到后面位置的长为滤波器点的数据；
C2)从接收脉冲离散化因果化装置读取进接收滤波器的样点值并进行归一化，归一化的因子为符号长度上的样点数的开方；
D2)将得到的归一化后接收滤波器与读进的滤波器长度的宽带样点数据进行对应样点相乘；
E2)对得到的滤波器长度点的加窗后的数据按子载波点数进行分段，然后将分成的每一段数据进行累加；
F2)将累加后的数据进行FFT快速计算，生成并行的多路已解调的子载波上的数据；
G2)输出已经解调的多路并行子载波数据；
H2)将自累加变量自加1，然后判断解调是否结束，如果结束则输出解调结束状态标志，如果没结束，则返回到步骤D2，重复以上过程，直到将所有接收到的宽带样点数据进行全部解调为止。
全文摘要
本发明公开了一种多载波调制解调装置，调制装置包括多载波数据映射装置，发送脉冲因果化离散化装置，子载波调制装置以及宽带数据输出装置；解调装置包括接收宽带数据离散化装置，接收脉冲离散化因果化装置，子载波解调制装置以及子载波数据解映射装置。本发明还同时公开了一种多载波调制解调实现的快速算法，采用本发明的多载波调制、解调制装置和快速实现算法，可以以接近正交频分复用(OFDM)系统的实现复杂度来有效地实现多载波的调制解调，该发明的方案不仅适合于子载波带宽较窄的多载波系统，同时也适合于子载波带宽较大的多载波系统，调制出来的多载波宽带数据具有良好的带外频谱滚降特性，当使用宽子载波进行调制时系统具有更低的峰均功率比(PAPR)。
文档编号H04L27/26GK101515918SQ20091010309
公开日2009年8月26日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者超 黎, 段世平, 华 吴 申请人:重庆无线绿洲通信技术有限公司