滤波器设计方法和系统及其用途与流程

本申请要求享有于2014年3月21日提交、申请号为14/222,280、发明名称为“滤波器设计方法和系统及其用途”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用清楚地结合在本申请中。

技术领域

本公开一般涉及数字通信，更具体地，涉及一种滤波器设计方法和系统及其用途。

背景技术：

正交频分复用(OFDM)已经被用作很多先进无线通信系统的主要发送波形，包括第三代合作伙伴计划(3GPP)长期演进(LTE)。OFDM提供了很多优点，包括使用快速傅立叶变换(FFT)的有效实施、与循环前缀(CP)结合使用时对抗多径衰落信道的鲁棒性等。

OFDM的缺点是具有高频谱旁瓣，由于频率保护带的必要性使得其频谱效率低。例如，在3GPP LTE中，频率保护带约占可用带宽的10％。因此，可用带宽显著的一部分没有被使用于提高通信系统的性能。

技术实现要素：

本公开的示例性实施例提供了一种滤波器设计方法和系统及其用途。

本公开的一个示例性实施例提供了一种设计截断式滤波器的方法。该方法包括：设计装置设计具有目标频率响应的原型滤波器，以及所述设计装置选择具有滚降参数的软截断函数，所述滚降参数指定所述软截断函数过渡到零的速率。该方法还包括：所述设计装置将所述软截断函数应用到所述原型滤波器以产生截断式滤波器，以及所述设计装置将所述截断式滤波器存储至存储器。

本公开的另一个示例性实施例提供了一种发送数据的方法。该方法包括：发送装置设计由具有第一滚降参数的第一软截断函数截断的第一滤波器，所述第一滚降参数指定所述第一软截断函数过渡到零的第一速率，以及所述发送装置用所述第一滤波器对第一数据信号进行滤波。该方法还包括：所述发送装置发送所述滤波后的第一数据信号。

本公开的另一个示例性实施例提供了一种设计装置。该设计装置包括处理器和操作性地耦合到所述处理器的存储器。所述处理器设计具有目标频率响应的原型滤波器，选择具有滚降参数的软截断函数，将所述软截断函数应用到所述原型滤波器以产生截断式滤波器，并且将所述截断式滤波器存储至存储器，其中所述滚降参数指定所述软截断函数过渡到零的速率。所述存储器存储所述截断式滤波器。

本公开的另一个示例性实施例提供了一种发送装置。该发送装置包括处理器和操作性地耦合到所述处理器的发送器。该处理器设计由具有第一滚降参数的第一软截断函数截断的第一滤波器，并且用所述第一滤波器对第一数据信号进行滤波，其中所述第一滚降参数指定所述第一软截断函数过渡到零的第一速率。所述发送器发送所述滤波后的第一数据信号。

实施例的一个优点是，使用具有设计者可指定的滚降参数的软截断能够设计具有尖锐过渡和相对平坦的通带的有限长度滤波器。这种滤波器允许减小保护带的大小，而不会显著增加失真。滤波器的设计者能够折中考虑过渡锐度、滤波器长度、通带平坦度、失真等。

附图说明

为了更全面地理解本公开及其优点，下面结合附图进行描述，其中：

图1示出了根据本文描述的示例性实施例的示例性通信系统；

图2示出了根据本文描述的示例性实施例的示例性频带；

图3a示出了根据本文描述的示例性实施例的示例性OFDM数据带和滤波器响应的频域图，其中滤波器具有慢过渡；

图3b示出了根据本文描述的示例性实施例的示例性OFDM数据带和滤波器响应的频域图，其中滤波器具有快速过渡；

图4示出了根据本文描述的示例性实施例的示例性软截断函数、示例性原型滤波器和示例性截断式滤波器的脉冲响应数据图；

图5a示出了根据本文描述的示例性实施例当设计装置设计截断式滤波器时设计装置中发生的示例性操作的流程图；

图5b示出了根据本文描述的示例性实施例当发送装置使用截断式滤波器进行发送时发送装置中发生的示例性操作的流程图；

图6示出了根据本文描述的示例性实施例的被具有不同滚降因子的软截断函数所截断的截断式滤波器的示例性频率响应的数据图；

图7a至7c示出了根据本文描述的示例性实施例的被具有不同滚降因子的软截断函数所截断的截断式滤波器的示例性频率响应、突出失真、过渡持续时间以及阻带抑制的数据图；

图8a和8b示出了根据本文描述的示例性实施例当示例性截断式滤波器对于不同滚降因子满足信号抑制阈值时频率的数据图；以及

图9示出了根据本文描述的示例性实施例的示例性装置。

具体实施方式

下面详细讨论当前示例性实施例的操作和结构。然而，应当理解的是，本公开提供了可在各种特定背景下实施的很多适用的创造性概念。讨论的具体实施例仅说明本公开的具体结构和操作本公开的方法，并不限制本公开的范围。

本公开的一个实施例涉及滤波器设计及其用途。例如，设计装置设计具有目标频率响应的原型滤波器，选择具有滚降因子的软截断函数，将所述软截断函数应用到所述原型滤波器以产生截断式滤波器，并将所述截断式滤波器存储到存储器，其中该滚降因子指定所述软截断函数过渡到零的速率。

本公开将针对具体背景，即使用OFDM作为发送波形的通信系统中的示例性实施例进行说明。本公开可应用于标准兼容的通信系统，例如符合第三代合作伙伴计划(3GPP)、IEEE 802.11等的通信系统，以及使用OFDM作为发送波形的非标准兼容的通信系统。然而，本公开也可应用于需要具有尖锐过渡和相对平滑通带的有限长度滤波器的场景。

图1示出了示例性通信系统100。通信系统100包括eNB 105，其服务于多个UE，例如UE 110、UE112和UE114。通常，来自UE和去往UE的通信会通过eNB 105。然而，在机器对机器(M2M)模式中，UE可以不经过eNB 105而直接通信。通信系统100还可以包括中继节点(RN)115。RN 115可以使用eNB的网络资源来帮助提高覆盖范围和整体性能。如图1所示，RN 115可服务于UE 114以帮助提高对于UE 114的覆盖范围。此外，eNB 105和RN 115可以同时向UE 114发送，以进一步提高整体性能。

应注意的是，eNB通常也可以称为基站、NodeB、控制器、通信控制器等。同样，UE通常也可以称为移动台、手机、用户、订户、终端等。

可以理解的是，通信系统可以采用能够与多个RN和UE进行通信的多个eNB，但是为简单起见，只示出一个eNB和几个RN和UE。

通信系统100还可以包括设计装置120。设计装置120可用于设计通信系统100中使用的滤波器。设计装置120可以是独立的装置，设计滤波器并将它们保存到存储器，例如本地数据库或远程数据库，或将滤波器提供给通信装置120的操作者，该操作者可以将滤波器提供给通信系统100中运行的装置。设计装置120也可以位于与通信系统100中的实体相同的位置，如eNB或任何其它网络侧实体。设计装置120也可以位于与通信系统100中运行的装置的子集相同的位置。对于具有位于相同位置的设计装置的设备，这些设备可以设计它们自己的滤波器。对于没有处于相同位置的设计装置的设备，这些设备可以使用另一设备设计的滤波器。

在支持OFDM的通信系统中，两个不同载波中的OFDM信号可以在由保护带分隔的相邻频带中发送。一般情况下，最好是有窄保护带而不是宽保护带，因为可以使用分配到宽保护带的频率的一部分来发送OFDM子载波，提高通信系统效率。

图2示出了示例性频带200。第一频带(显示为块)205可以代表具有宽保护带的频带，第二频带207可以代表具有窄保护带的频带。如图2所示，在基本相等的频率范围内，利用第一频带205的通信系统能够发送4个OFDM数据带，而利用第二频带207的通信系统能够发送5个OFDM数据带，其中频带的OFDM数据带占据大约相同的带宽。两者的差别是由第二频带207的较窄保护带引起的。因此，利用第二频带207的通信系统能够利用可用带宽的较大比例来发送数据。

图3a示出了示例性OFDM数据带305和滤波器响应310的频域图300，其中滤波器具有慢过渡。OFDM数据带305位于滤波器的通带中，因此滤波器对OFDM数据带305的影响可能不显著。然而，滤波器的通带中存在的波纹可能会使OFDM数据带305失真，因此应使波纹最小化。滤波器的通带与阻带之间的过渡发生在保护带内。

图3b示出了示例性OFDM数据带355和滤波器响应360的频域图350，其中滤波器具有快速过渡。与具有图3a所示的滤波器响应310的滤波器相同，该滤波器的通带与阻带之间的过渡发生在保护带内。但是，该过渡速度更快，可以允许较窄的保护带。如图3a和3b所示，图3b中所示的保护带约为图3a中所示的保护带大小的75％。另外的25％可用于以另外的OFDM子载波的形式发送数据。应注意的是，图3a和3b所示是出于讨论的目的，所示部分可能被夸大以说明某些特征。

一种可能使用的滤波器是sinc滤波器。Sinc滤波器的频率响应与正方形和/或矩形相似，并且具有基本平坦的通带和瞬时过渡。虽然sinc滤波器在减少保护带的大小方面具有可能的最佳频率响应，但是sinc滤波器是无限长度滤波器，因为其滤波将永远不会完成(由于无限长度滤波器)，这实际上使它们在实际通信系统中成为非理想候选。因此，期望设计出有限长度滤波器，这种滤波器具有与sinc滤波器的频率响应非常匹配的频率响应。应注意的是，虽然讨论集中在sinc滤波器，但是本文呈现的示例性实施例可应用于具有任何频率响应的任何滤波器的设计。

根据示例性实施例，可能能够用逐渐过渡到零的软截断函数来截断具有指定的频率响应的原型滤波器，以产生截断式滤波器。截断原型滤波器，例如具有理想的平坦通带和无限短过渡的sinc滤波器，缩短了原型滤波器的长度，并且使得到的截断式滤波器成为可在实际通信系统中使用的候选。软截断函数过渡到零的速度多快在于滚降参数，如滚降因子β，其范围可从0.0到1.0。虽然讨论集中在范围从0.0到1.0的滚降参数，但其他滚降参数范围也是可能的。滚降参数接近0.0的软截断函数可以非常快地过渡到0，如果滚降参数等于0.0，软截断函数可相当于瞬时过渡到0的硬截断函数。滚降参数接近1.0的软截断函数可非常缓慢地过渡到0。通常，所述截断可类似于对原型滤波器施加窗口遮蔽。

图4示出了示例性软截断函数、示例性原型滤波器和示例性截断式滤波器的脉冲响应数据图。数据图405显示了具有滚降参数的一些示例性软截断函数，其中滚降参数的范围从0.0到1.0。如图4所示，滚降参数为0.0时，软截断函数具有与硬截断函数相匹配的形状。当滚降参数增加到1.0，软截断函数的形状表明到0的过渡变得更加平缓。数据图410显示了示例性原型滤波器的脉冲响应已被缩简为约33.33微秒。

根据示例性实施例，用软截断函数截断原型滤波器是通过将软截断函数与原型滤波器相乘而进行的。数据图415显示了与(应用数据图405所示的软截断函数)软截断后的原型滤波器相对应的示例性截断式滤波器的脉冲响应。该脉冲响应表明，截断式滤波器看起来与原型滤波器非常相似，尤其是在主瓣420。

图5a示出了当设计装置设计截断式滤波器时设计装置500中发生的示例性操作的流程图。操作500可以表示当设计装置设计截断式滤波器时发生在设计装置，如独立的或共处的设计装置中的操作。

操作500可以从设计装置为原型滤波器设计脉冲响应(块505)开始。设计装置可以设计脉冲响应以便匹配或超过频谱要求，例如对OFDM信号或OFDM数据带进行滤波。作为说明性示例，该设计装置可以设计原型滤波器以使其具有足够的通带持续时间，从而使OFDM信号不会过度失真，以及具有足够快速的过渡，滤波后的OFDM信号的传输不会对其造成太多干扰，等等。换句话说，设计装置可以设计原型滤波器的脉冲响应，使其符合频谱要求。例如，设计装置可以设计原型滤波器，以使其具有sinc滤波器的脉冲响应。应注意的是，原型滤波器也可以在频域中设计。所述sinc滤波器可以是很好的候选原型滤波器，因为它在通带不失真，并且具有完全的带外抑制(即瞬时过渡)。

设计装置可以选择软截断函数(块507)。如前所述，sinc滤波器是无限长度滤波器，这使得它不太现实。设计装置可对原型滤波器进行软截断使其成为有限长度滤波器，而不会产生硬截断的显著滤波性能下降，硬截断通带中包括显著的波纹会导致失真，并且硬截断包括慢过渡，会导致干扰。根据示例性实施例，选择软截断可以包括选择执行软截断的函数，以及选择滚降参数，如滚降因子β，该参数指示了该函数过渡到0的速率。例如，可以选择升余弦来进行软截断。升余弦可以表示为

其中T_w为软截断函数的持续时间。应注意的是，升余弦是软截断函数的示例，也可以用其它逐渐过渡到0的函数代替。其它软截断函数的例子可以包括斜坡函数、曲线函数、椭圆函数、指数函数、布莱克曼(blackman)窗、凯泽(Kaiser)窗、切比雪夫(Chebyshev)窗等。

如前所述，滚降参数的范围可以从0.0到1.0(应当注意，其它的滚降参数范围也是可能的)。当滚降参数接近0.0时，到0的过渡变得较快，并且相应的软截断函数表现得类似于硬截断函数。当滚降参数接近1.0时，到0的过渡变得较慢，并且相应的软截断函数表现得不太像硬截断函数。一般情况下，滚降参数的选择可以包含评估得到的截断式滤波器的通带失真(滚降参数接近0.0)与过渡锐度(滚降参数接近1.0)之间的折衷。

设计装置可将软截断函数应用到原型滤波器以产生截断式滤波器(块509)。将软截断函数应用到原型滤波器可以表示为：

h(t)＝h_p(t)·f_w(t)，

其中h(t)为截断式滤波器的脉冲响应，h_p(t)为原型滤波器的脉冲响应，f_w(t)为软截断函数。例如，如果将原型滤波器设计为具有sinc函数的脉冲响应，则原型滤波器的脉冲响应可表示为：

h_p(t)＝W Sinc(Wt).

在时域将软截断函数应用到原型滤波器可以通过使二者相乘来实现，而如果该应用在频域中执行则使用卷积。

总的来说，原型滤波器的脉冲响应的设计、软截断函数的选择以及将软截断函数应用到原型滤波器以产生截断式滤波器可以称为设计截断式滤波器(块511)。

设计装置可以保存截断式滤波器(块513)。设计装置可以保存对应于截断式滤波器的系数。设计装置可以将截断式滤波器保存到本地存储器或数据库。设计装置可以将截断式滤波器保存到位于远处的存储器或数据库。设计装置可以通过将截断式滤波器提供给通信系统中的实体来保存截断式滤波器。

图5b示出了当发送装置使用截断式滤波器进行发送时发送装置中发生的示例性操作550的流程图。操作550可以表示当发送装置使用截断式滤波器进行发送时发生在发送装置，如具有处于相同位置的设计装置的eNB或UE中的操作。

操作550可以从发送装置设计截断式滤波器(块555)开始。根据示例性实施例，发送装置可以利用滤波器设计算法，例如图5a描述的算法来设计截断式滤波器。根据可替换的示例性实施例，发送装置可以从本地存储器或数据库、远程存储器或数据库、通信系统中的实体等取回截断式滤波器，例如截断式滤波器的系数。

发送装置可以使用该截断式滤波器对OFDM信号进行滤波(块557)。发送装置可以使用截断式滤波器对该OFDM信号进行滤波。应注意的是，如果发送装置是在多条频带上同时发送多个OFDM信号，那么发送装置可能需要使用多个截断式滤波器来单独地对OFDM信号进行滤波。发送装置可以发送滤波后的OFDM信号(块559)。

图6示出了被具有不同滚降参数的软截断函数所截断的截断式滤波器的示例性频率响应的数据图600。截断式滤波器对应于具有sinc滤波器脉冲响应的原型滤波器，该原型滤波器用升余弦软截断函数进行软截断，该升余弦函数的滚降参数分别为0.0、0.2、0.5、0.8和1.0。数据图600表明，当滚降参数增加(即，软截断函数到0的过渡较慢)时，过渡变得较慢，通带失真变得较大，而阻带抑制变得较大。

图7a至7c示出了被具有不同滚降参数的软截断函数所截断的截断式滤波器的示例性频率响应、突出失真、过渡持续时间以及阻带抑制的数据图700、705和710。截断式滤波器对应于具有sinc滤波器脉冲响应的原型滤波器，该原型滤波器用升余弦软截断函数进行软截断，该升余弦函数的滚降参数分别为0.0、0.2、0.5、0.8和1.0。数据图700表明，当滚降参数增加时，由于通带中较大的纹波而使失真增加。数据图705表明，当滚降参数增加时，过渡持续时间增加并且滤波器锐度降低。数据图710表明，当滚降参数增加时，阻带抑制增加。

图8a和8b示出了当示例性截断式滤波器对于不同滚降因子满足信号抑制阈值时频率的数据图800和850。数据图800对应于-50dB的信号抑制阈值，数据图850对应于-60dB的信号抑制阈值。该数据图表明，截断式滤波器满足信号抑制阈值的频率大体上随着滚降参数的增加而降低。

图9示出了示例性装置900。装置900可以是设计装置、发送装置等的实现。装置900可用于实现本文所讨论的各个实施例。如图9所示，发送器905用于发送数据包等。通信装置900还包括接收器910，用于接收数据包等。

脉冲响应设计单元920用于为原型滤波器设计脉冲响应以满足频谱要求，如通带宽度、通带波纹、过渡持续时间等。例如，脉冲响应设计单元920选择遵循满足频谱要求的sinc函数的脉冲响应。软截断选择单元922用于选择软截断函数，例如升余弦、斜坡等，以及滚降参数。截断单元924用于用软截断函数截断原型滤波器以产生截断式滤波器。可以保存截断式滤波器的系数。滤波器处理单元926用于保存截断式滤波器。滤波器处理单元926用于取回已保存的截断式滤波器。滤波器处理单元926用于用截断式滤波器对信号进行滤波。存储器930用于存储原型滤波器、软截断函数、滚降因子、截断式滤波器、待滤波的信号、滤波后的信号等。

装置900的元件可以被实现为特定的硬件逻辑块。在一替代方案中，装置900的元件可以被实现为处理器、控制器、专用集成电路或其它中执行的软件。在另一替代方案中，装置900的元件可以被实现为软件和/或硬件的组合。

例如，接收器910和发送器905可以被实现为特定的硬件块，而脉冲响应设计单元920、软截断选择单元922、截断单元924和滤波器处理单元926可以是微处理器(例如处理器915)或定制电路或现场可编程逻辑阵列的定制编译逻辑阵列中执行的软件模块。脉冲响应设计单元920、软截断选择单元922、截断单元924和滤波器处理单元926可以是存储在存储器930中的模块。

尽管已经详细描述了本公开及其优点，但是应当理解，可以在不脱离所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下做出各种变化、替换和修改。