闡述濾波正交頻分復(fù)用的子帶濾波方法

摘 要 相比于現(xiàn)有的正交頻分復(fù)用技術(shù)，濾波正交頻分復(fù)用主要新增了子帶劃分以及子帶濾波環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性并抑制帶外泄露。因此，本文主要闡述了濾波正交頻分復(fù)用的系統(tǒng)構(gòu)架以及子帶濾波器的設(shè)計方法——窗函數(shù)法。

關(guān)鍵詞 濾波正交頻分復(fù)用；子帶濾波；窗函數(shù)法；帶外泄露

前言

第五代（5G）移動通信系統(tǒng)作為新一代無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于滿足2020年以后的移動通信需求。相比第四代移動通信系統(tǒng)，5G的業(yè)務(wù)類型將會在很大程度上得以豐富，對于系統(tǒng)的容量、配置的靈活性、連接數(shù)以及時延等都有了更高的要求[1]。目前廣泛應(yīng)用的正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)在頻譜效率、靈活性以及異步傳輸?shù)确矫娲嬖诓蛔悖瑥亩拗屏似湓?G中的應(yīng)用[2]。作為5G的候選波形之一，濾波OFDM在帶外泄露、業(yè)務(wù)靈活性、與高級長期演進(jìn)技術(shù)的兼容性以及與多輸入多輸出技術(shù)的結(jié)合性等方面具有綜合優(yōu)勢[3]。

1 濾波OFDM系統(tǒng)

濾波OFDM系統(tǒng)通過子帶劃分和應(yīng)用子帶濾波器，使每個子帶都可以看作一個相對獨(dú)立的OFDM系統(tǒng)，在不同的子帶上就可以配置不同的波形參數(shù)，從而滿足5G對于波形靈活性的需求。

濾波OFDM發(fā)射端的主要工作流程為：被分配到每個子帶上的二進(jìn)制信息分別通過正交振幅調(diào)制、子載波映射、快速傅里葉反變換和添加循環(huán)前綴（CP）等操作，得到該子帶內(nèi)的OFDM信號，再將信號通過一個適當(dāng)設(shè)計的子帶濾波器進(jìn)行頻譜成形，最后將所有子帶上的信號相加后發(fā)送。

系統(tǒng)的接收端基本上為發(fā)射端的逆處理過程：信號首先經(jīng)過匹配濾波器，以抑制相鄰子帶可能引入的干擾，同時最大化接收信噪比。接下來的信號處理過程與標(biāo)準(zhǔn)的OFDM接收機(jī)基本一致，將濾波后的信號拆分，對每個去除了CP的信號分別進(jìn)行FFT，再經(jīng)過信道估計和均衡后，進(jìn)行子載波的解映射，從而獲得所需的數(shù)據(jù)。

2 子帶濾波技術(shù)

就子帶濾波器的設(shè)計方法而言，濾波OFDM并沒有特殊的要求，關(guān)鍵是要權(quán)衡濾波器的時域和頻域特性，在追求過渡帶陡峭程度的同時，兼顧對時域產(chǎn)生的碼間干擾抑制。本文采取窗函數(shù)法設(shè)計濾波器，對理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行軟截斷。

窗函數(shù)法的設(shè)計過程如下：在確定濾波器的帶寬等參數(shù)后，根據(jù)所需的濾波器長度生成一個時域函數(shù)和一個選定類型的窗函數(shù)，對應(yīng)點相乘后得到原型濾波器。和原始的函數(shù)相比，加窗后得到的原型濾波器時域的主瓣和主要的旁瓣基本保留了原來的特性，而在遠(yuǎn)端的旁瓣則有了平滑的效果。這種濾波器設(shè)計方法的優(yōu)點之一是實現(xiàn)方法簡單，更容易在線生成濾波器。

需要注意的是，子帶濾波器的帶寬理論上等于系統(tǒng)為該子帶所分配的頻譜寬度，而實際上考慮到濾波器邊緣存在的陡降，濾波器帶寬應(yīng)略大于子帶的帶寬。另外，各子帶在頻率資源上占據(jù)的位置應(yīng)是互不重疊的，因此各子帶濾波器的中心頻率也是不同的，需要先設(shè)計出基帶的低通濾波器，再根據(jù)各子帶的具體位置對其進(jìn)行頻譜搬移。

使用MATLAB軟件對濾波OFDM的誤碼率和功率譜密度進(jìn)行仿真，可以得到結(jié)論：濾波OFDM具有相比于傳統(tǒng)的OFDM能夠有更好的頻率局部化的能力，與此同時還能夠獲得與OFDM相似的誤碼率性能，即保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 結(jié)束語

本文介紹了濾波OFDM系統(tǒng)的工作原理及流程，重點敘述了實現(xiàn)濾波OFDM的子帶濾波的窗函數(shù)設(shè)計法，并通過仿真證明了采用窗函數(shù)法進(jìn)行子帶濾波的濾波OFDM系統(tǒng)能夠達(dá)到與傳統(tǒng)OFDM相似的誤碼率性能，且獲得更低的帶外泄露水平。因此，濾波OFDM技術(shù)以及窗函數(shù)法對于實現(xiàn)5G的需求具有一定的可行性和優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

[1] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學(xué)，2014，44（5）：551-563.

[2] Chin W H，F(xiàn)an Z，Haines R.Emerging technologies and research challenges for 5G wireless networks[J].Wireless Communications IEEE，2014，21（2）：106-112.

[3] 趙錦程，黃斐一，孔繁盛.面向5G的無線寬帶多載波傳輸技術(shù)[J].移動通信，2015，（9）：14-18.

作者簡介

曹明月（1992-），女，江蘇連云港人；畢業(yè)院校：哈爾濱工程大學(xué)，專業(yè)：電子信息工程專業(yè)，學(xué)歷：本科，現(xiàn)攻讀哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程專業(yè)碩士研究生，研究方向：5G波形技術(shù)。