时域同步正交频分复用系统的时域加窗方法及装置

摘要

本发明公开了一种时域同步正交频分复用系统的时域加窗方法及装置，该方法包括：根据系统传输参数，将训练序列和对应的离散傅里叶反变换数据块组合后产生时域同步正交频分复用系统信号帧，将当前帧定义为本帧，其前、后信号帧依次定义为前帧、后帧；生成本帧的循环后缀，并复制到本帧数据块之后；对本帧训练序列前W/2个符号和循环后缀的后W/2个符号进行时域加窗处理，其中W是窗长度；将本帧训练序列经过时域加窗处理后的前W/2个符号与前帧循环后缀经过时域加窗处理后的W/2个符号在时域依次相加。本发明实现过程简单、复杂度低，在指定频段内提高传输速率的同时，还可提高信号传输的灵活性、有效性及可靠性，提升频谱效率。

说明书

技术领域

本发明涉及数字信号传输技术领域，特别涉及一种时域同步正交 频分复用（Time Domain Synchronous OFDM，TDS-OFDM）系统的时 域加窗方法及其装置。

背景技术

目前宽带无线通信技术主要解决的问题是如何在有限的带宽内可 靠地提高传输速率，对于有限的频谱资源需要进一步提升频谱效率， LTE-A的标准化中明确提出了上、下行链路频谱效率分别为15bit/Hz 和30bit/Hz的要求。正交频分复用（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术由于高频谱效率和对抗多径衰落的优异能 力而广泛受到应用，被认为是当前最有前景的传输技术之一。

然而，对于块传输系统而言，虽然数据块的持续时间远远大于单 个符号的持续时间，但是在大的延时扩展通道下，时域数据块之间仍 然存在不可忽略的IBI（Inter Block Interference，块间干扰）。现有技术 中块传输系统对抗IBI的一种有效方法是在时域数据块之间加入GI （Guard Interval，保护间隔），通道的最大多径延时不超过GI长度的 情况下，时域数据块之间不会产生干扰。根据GI填充内容的不同种类， 存在着多种GI填充技术，其中包括CP（Cyclic Prefix，循环前缀）填 充技术，ZP（Zero Padding，零填充）技术，和TS（Training Sequence， 训练序列）填充技术等等。其中CP填充技术已经成功应用到IEEE 802.11a无线局域网、地面数位视频广播（Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T）及其第二代标准DVB-T2系统和 IEEE1901和G.hn宽带电力线通信系统中，其帧结构如图1所示；基于 PN（Pseudo-random Noise，伪随机噪声）序列填充的方法是TS填充技 术的特例，属于TDS-OFDM系统的一个重要特征，该技术已成功应用 到中国地面数字电视传输标准（Digital Television Multimedia Broadcast， DTMB）中，其帧结构如图2所示。

在宽带通信中，有一些频段是为业余无线电、远程控制以及宇航 通信等服务预留的，因此不能受到较强的电磁辐射干扰；然而某些依 赖传输介质的通信，比如PLC（Power Line Communication，电力线通 信）无法做到完全对外界屏蔽，会有一些信号耦合出去；为了减少耦 合的信号对上述重要服务产生干扰，一般会对预留频段进行陷波处理。 在基于OFDM的传输系统中，一般有两种常见的陷波方法：第一种是 发送完整的OFDM符号，依靠陷波滤波器（Notched Filter，可以使用 IIR或FIR实现），但是固定参数的陷波滤波器不能很好的适应环境多 变、不确定性较强的情况，比如PLC的通信环境。第二种是直接关闭 OFDM中相应频段周围的部分子载波，但是此时需要让子载波在频域 快速滚降以尽可能降低干扰，同时提高系统频谱利用率。

经研究表明，在时域配合适当的加窗处理，可以让OFDM的子载 波在频域快速滚降，同时有效的降低子载波旁瓣，提高系统的频谱效 率。因此，对基于TDS-OFDM帧结构的数字通信传输系统，有必要通 过合理的帧结构设计、合适的加窗处理来提高信号传输的灵活性、有 效性以及可靠性，进一步提升频谱效率，减少特定频段上传输信号对 外界的干扰。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明目的在于提供一种基于时域同步正交频分复用（Time Domain Synchronous OFDM，TDS-OFDM）系统的时域加窗方法及装 置，以提高系统的频谱效率。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种时域同步正交频分复用系统 的时域加窗方法，包括以下步骤：

S1、根据系统传输参数，将训练序列和对应的离散傅里叶反变换 数据块组合后产生时域同步正交频分复用系统信号帧，将当前时域同 步正交频分复用信号帧定义为本帧，其前、后信号帧依次定义为前帧、 后帧；

S2、生成本帧的循环后缀，并复制到本帧数据块之后；

S3、对本帧训练序列前W/2个符号和循环后缀的后W/2个符号进 行时域加窗处理，其中W是窗长度；

S4、将本帧训练序列经过时域加窗处理后的前W/2个符号与前帧 循环后缀经过时域加窗处理后的W/2个符号在时域依次相加。

优选的，所述步骤S1中，所述训练序列包括m序列、Gold序列、 Legendre序列、Walsh序列、Golay序列、上述序列的循环扩展或截断， 以及其离散傅里叶变换域为上述序列或上述序列的循环扩展或截断的 序列。

优选的，所述训练序列为两段相同的已知序列。

优选的，所述步骤S2中，所述循环后缀为所述本帧数据块的前L 个符号，L为正整数。

优选的，所述步骤S2中，所述循环后缀为所述训练序列的前L个 符号，L为正整数。

所述步骤S3中，所述时域加窗处理为：所述本帧训练序列前W/2 个符号依次乘以相应的窗函数的前W/2个系数，所述本帧循环后缀的 后W/2个符号依次乘以相应的窗函数的后W/2个系数。

进一步的，在所述步骤S4之后还包括：

S5、对时域加窗处理后的信号进行成型滤波、上变频和数模转换 等后续处理操作。

优选的，所述时域窗函数包括升余弦滚降窗、汉明窗、汉宁窗和 凯撒窗。

优选的，所述窗长度W受所述数据块长度、训练序列长度或循环 后缀长度约束，其不超过数据块长度的1/16，或者不超过时域训练序 列长度，或者不超过循环后缀长度的两倍。

本发明还提供了一种时域同步正交频分复用系统的时域加窗装 置，该装置包括：

时域同步正交频分复用帧产生模块，用于根据系统传输参数，将 训练序列和对应的离散傅里叶反变换数据块组合后产生时域同步正交 频分复用系统信号帧；

循环后缀产生模块，与所述时域同步正交频分复用帧产生模块相 连，用于将本帧数据块的前L个符号或者本帧训练序列的前L个符号 复制到当前帧数据块之后，产生本帧的循环后缀，L为正整数；

时域加窗模块，与所述循环后缀产生模块相连，用于对本帧训练 序列前W/2个符号和本帧循环后缀的后W/2个符号进行时域加窗处 理，W为窗长度；

时域叠加模块，与所述时域加窗模块相连，用于将本帧训练序列 经过时域加窗处理后的前W/2个符号与前帧循环后缀经过时域加窗处 理后的后W/2个符号在时域依次相加；

后续处理模块，与所述时域叠加模块相连，用于对时域加窗处理 后的信号进行成型滤波、上变频和数模转换等后续处理操作。

（三）有益效果

基于本发明方案的时域加窗方法及装置，通信系统可以获得更高 的频谱效率。本发明实现过程简单、复杂度低，可以在复杂的无线传 输通道环境中有效地使用。

附图说明

图1是现有技术中CP-OFDM帧结构的一种示意图；

图2是现有技术中TDS-OFDM帧结构的一种示意图；

图3是本发明方法的流程图；

图4是本发明提出的一种基于TDS-OFDM的帧结构示意图；

图5是本发明提出的一种基于TDS-OFDM的帧结构加窗方法示意 图；

图6是本发明实施例一和三中的帧循环后缀的产生方法示意图；

图7是本发明实施例二和四中的帧循环后缀的产生方法示意图；

图8是本发明实施例的相邻帧的叠加方法示意图；

图9是本发明提出的一种基于TDS-OFDM的帧结构加窗方法的频 谱效率效果图；

图10是本发明装置的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图3是本发明方法的流程图，具体包括以下步骤：

S1、根据系统传输参数，将训练序列和对应的离散傅里叶反变换 数据块组合后产生时域同步正交频分复用系统信号帧，将当前时域同 步正交频分复用信号帧定义为本帧，其前、后信号帧依次定义为前帧、 后帧；

S2、生成本帧的循环后缀，并复制到本帧数据块之后；

S3、对本帧训练序列前W/2个符号和循环后缀的后W/2个符号进 行时域加窗处理，其中W是窗长度；

S4、将本帧训练序列经过时域加窗处理后的前W/2个符号与前帧 循环后缀经过时域加窗处理后的W/2个符号在时域依次相加。

优选的，所述步骤S1中，所述训练序列包括m序列、Gold序列、 Legendre序列、Walsh序列、Golay序列、上述序列的循环扩展或截断， 以及其离散傅里叶变换域为上述序列或上述序列的循环扩展或截断的 序列。

优选的，所述训练序列为两段相同的已知序列。

优选的，所述步骤S2中，所述循环后缀为所述本帧数据块的前L 个符号，L为正整数。

优选的，所述步骤S2中，所述循环后缀为所述训练序列的前L个 符号，L为正整数。

所述步骤S3中，所述时域加窗处理为：所述本帧训练序列前W/2 个符号依次乘以相应的窗函数的前W/2个系数，所述本帧循环后缀的 后W/2个符号依次乘以相应的窗函数的后W/2个系数。

进一步的，在所述步骤S4之后还包括：

S5、对时域加窗处理后的信号进行成型滤波、上变频和数模转换 等后续处理操作。

优选的，所述时域窗函数包括升余弦滚降窗、汉明窗、汉宁窗和 凯撒窗。

优选的，所述窗长度W受所述数据块长度、训练序列长度或循环 后缀长度约束，其不超过数据块长度的1/16，或者不超过时域训练序 列长度，或者不超过循环后缀长度的两倍。

实施例1

实施例1具体描述一个具有复帧结构并基于连续TDS-OFDM的帧 结构加窗方法的工作流程。本实施例中帧结构如图4所示，加窗方法如 图5所示，其中N1表示训练序列第一段组成序列的长度，N2表示训练 序列第二段组成序列的长度，N表示时域数据块的长度。

在所述OFDM系统中，保护间隔填充的训练序列与OFDM数据块组 成一个信号帧，数据块间填充的训练序列由本实施例中的两段相同的 序列组成。帧结构加窗方法具体包括如下步骤：

S1、根据系统传输参数，将训练序列和对应的离散傅里叶反变换 数据块组合后产生时域同步正交频分复用系统信号帧，将当前时域同 步正交频分复用信号帧定义为本帧，其前、后信号帧依次定义为前帧、 后帧；

本实施例采用的训练序列由两段相同的序列组成。其中，每段序 列其离散傅里叶变换域为长度为256的m序列，即N1=N2=256。此序 列是8阶的m序列，由一个Fibonacci型线性反馈移位寄存器(LFSR) 实现。其特征多项式定义为x⁸+x⁶+x⁵+x+1。然后将上述的m序列做长度 为256的IDFT（Inverse Discrete Fourier Transform，离散傅里叶反变换） 变成长度为256的时域序列。然后将两段相同的时域序列组合构成总 长度为512的训练序列。

在本实施例中，每一帧传输4096个数据符号，即N=4096。在生 成训练序列的同时，产生本帧的待传输数据比特，经过FEC（Forward Error Coding，前向纠错编码）和交织，然后进行星座映射获得本帧的 4096个传输数据符号，经过IDFT后获得长度为4096的时域数据块。

在时域，将训练序列置于时域数据块之前组合后产生本帧的 TDS-OFDM系统信号帧。

S2、生成本帧的循环后缀，并复制到本帧数据块之后；

本实施例中，优选地，参数L选为32，将本帧数据块的前32个 符号复制到本帧数据块之后，产生本帧的循环后缀，如图6所示。这 样本帧的总长度就变为了256×2+4096+32=4640。

S3、对本帧训练序列前W/2个符号和循环后缀的后W/2个符号进 行时域加窗处理，其中W是窗长度；

本实施例中，为了更好地降低带外功率提高频谱效率同时兼顾传 输速率，优选地，采用贝塔参数为10的凯撒窗作为加窗处理的窗函数， 窗长度为W，W受数据块长度、训练序列长度和循环后缀长度约束的 约束，本实施例中，W取64。

时域加窗处理的过程如下：将本帧的前32个符号（本帧训练序列 的前32个符号）分别乘以窗的前32个系数，将本帧的后32个符号（循 环后缀的后32个符号）分别乘以窗的后32个系数。

S4、将本帧训练序列经过时域加窗处理后的前W/2个符号与前帧 循环后缀经过时域加窗处理后的W/2个符号在时域依次相加。

在本实施例中，由于是连续系统的帧结构，可以通过相邻帧的部 分叠加来获得一定的传输效率：将本帧训练序列经过时域加窗处理后 的前32个符号与前帧循环后缀经过时域加窗处理后的32个符号对齐并 在时域依次相加，如图8所示；相应地，将本帧循环后缀经过加窗处理 后的后32个符号与后帧训练序列经过时域加窗处理后的前32个符号对 齐并在时域依次相加。经过这样的处理后，就能够从一定程度上抵消 时域加窗所带来的传输效率的降低，使得每帧等效的实际传输符号数 为256×2+4096=4608。经过加窗处理与未经过加窗处理后的频谱效果对 比图如图9所示。

本实施例中，在将相邻帧进行叠加处理之后，依次进行成型滤波、 数字上变频和数模转换，将信号发送出去。

实施例2

实施例2具体描述一个具有复帧结构并基于连续TDS-OFDM的帧 结构加窗方法的工作流程。本实施例中帧结构如图4所示，加窗方法如 图5所示，各参数描述同实施例1。

在所述OFDM系统中，保护间隔填充的训练序列与OFDM数据块组 成一个信号帧，数据块间填充的训练序列由本实施例中的两段长度不 同的序列组成。帧结构加窗方法具体包括如下步骤：

S1、根据系统传输参数，将训练序列和对应的离散傅里叶反变换 数据块组合后产生时域同步正交频分复用系统信号帧，将当前时域同 步正交频分复用信号帧定义为本帧，其前、后信号帧依次定义为前帧、 后帧；

本实施例采用的训练序列由两段长度不同的序列组成。其中，第 一段序列是第二段序列的循环扩展，第二段序列是长度为255的m序 列，第一段序列是第二段序列的后165个符号组成的序列，即N1=165， N2=255。然后将这两段时域序列组合构成总长度为420的训练序列。

在本实施例中，每一帧传输3072个数据符号，即N=3072。在生 成训练序列的同时，产生本帧的待传输数据比特，经过FEC和交织， 然后进行星座映射获得本帧的3072个传输数据符号，经过IDFT后获 得长度为3072的时域数据块。

在时域，将训练序列置于时域数据块之前组合后产生本帧的 TDS-OFDM系统信号帧。

S2、生成本帧的循环后缀，并复制到本帧数据块之后；

本实施例中，优选地，参数L选为64，将本帧训练序列的前64 个符号复制到本帧数据块之后，产生本帧的循环后缀，如图7所示。 这样本帧的总长度就变为了165+255+3072+64=3556。

S3、对本帧训练序列前W/2个符号和循环后缀的后W/2个符号进 行时域加窗处理，其中W是窗长度；

本实施例中，为了更好地降低带外功率提高频谱效率同时兼顾传 输速率，优选地，采用汉明窗作为加窗处理的窗函数，窗长度为W， W受到数据块长度的约束，不超过数据块长度的1/16，本实施例中， W取64。

时域加窗处理的过程如下：将本帧的前32个符号（本帧训练序列 的前32个符号）分别乘以窗的前32个系数，将本帧的后32个符号（循 环后缀的后32个符号）分别乘以窗的后32个系数。

S4、将本帧训练序列经过时域加窗处理后的前W/2个符号与前帧 循环后缀经过时域加窗处理后的W/2个符号在时域依次相加。

在本实施例中，由于是连续系统的帧结构，可以通过相邻帧的部 分叠加来获得一定的传输效率：将本帧训练序列经过时域加窗处理后 的前32个符号与前帧循环后缀经过时域加窗处理后的32个符号对齐并 在时域依次相加，如图8所示；相应地，将本帧循环后缀经过加窗处理 后的后32个符号与后帧训练序列经过时域加窗处理后的前32个符号对 齐并在时域依次相加。经过这样的处理后，就能够从一定程度上抵消 时域加窗所带来的传输效率的降低，使得每帧等效的实际传输符号数 为165+255+3072=3492。

本实施例中，在将相邻帧进行叠加处理之后，依次进行成型滤波、 数模转换和模拟上变频，将信号发送出去。

实施例3

实施例3具体描述一个具有复帧结构并基于连续TDS-OFDM的帧 结构加窗方法的工作流程。本实施例中帧结构如图4所示，加窗方法如 图5所示，各参数描述同实施例1。

在所述OFDM系统中，保护间隔填充的训练序列与OFDM数据块组 成一个信号帧，数据块间填充的训练序列由本实施例中的两段相同的 序列组成。帧结构加窗方法具体包括如下步骤：

S1、根据系统传输参数，将训练序列和对应的离散傅里叶反变换 数据块组合后产生时域同步正交频分复用系统信号帧，将当前时域同 步正交频分复用信号帧定义为本帧，其前、后信号帧依次定义为前帧、 后帧；

本实施例采用的训练序列由两段相同的序列组成。其中，每段序 列的离散傅里叶变换域为长度为512的Walsh序列，即N1=N2=512。 然后将上述的Walsh序列做长度为512的IDFT变成长度为512的时域 序列。然后将两段相同的时域序列组合构成总长度为1024的训练序列。

在本实施例中，每一帧传输8192个数据符号，即N=8192。在生 成训练序列的同时，产生本帧的待传输数据比特，经过FEC和交织， 然后进行星座映射获得本帧的8192个传输数据符号，经过IDFT后获 得长度为8192的时域数据块。

在时域，将训练序列置于时域数据块之前组合后产生本帧的 TDS-OFDM系统信号帧。

S2、生成本帧的循环后缀，并复制到本帧数据块之后；

本实施例中，优选地，参数L选为128，将本帧数据块的前128 个符号复制到本帧数据块之后，产生本帧的循环后缀，如图6所示。 这样本帧的总长度就变为了512×2+8192+128=9344。

S3、对本帧训练序列前W/2个符号和循环后缀的后W/2个符号进 行时域加窗处理，其中W是窗长度；

本实施例中，为了更好地降低带外功率提高频谱效率同时兼顾传 输速率，优选地，采用海宁窗作为加窗处理的窗函数，窗长度为W， W受到训练长度的约束，不超过训练序列的长度，本实施例中，W取 128。

时域加窗处理的过程如下：将本帧的前64个符号（本帧训练序列 的前64个符号）分别乘以窗的前64个系数，将本帧的后64个符号（循 环后缀的后64个符号）分别乘以窗的后64个系数。

S4、将本帧训练序列经过时域加窗处理后的前W/2个符号与前帧 循环后缀经过时域加窗处理后的W/2个符号在时域依次相加。

在本实施例中，由于是连续系统的帧结构，可以通过相邻帧的部 分叠加来获得一定的传输效率：将本帧训练序列经过时域加窗处理后 的前64个符号与前帧循环后缀经过时域加窗处理后的64个符号对齐并 在时域依次相加，如图8所示；相应地，将本帧循环后缀经过加窗处理 后的后64个符号与后帧训练序列经过时域加窗处理后的前64个符号对 齐并在时域依次相加。经过这样的处理后，就能够从一定程度上抵消 时域加窗所带来的传输效率的降低，使得每帧等效的实际传输符号数 为512×2+8192+128-64=9280。

本实施例中，在将相邻帧进行叠加处理之后，依次进行成型滤波、 数字上变频和数模转换后，将信号发送出去。

实施例4

实施例4具体描述一个具有复帧结构并基于突发TDS-OFDM的帧 结构加窗方法的工作流程。本实施例中帧结构如图4所示，加窗方法如 图5所示，各参数描述同实施例1。

在所述OFDM系统中，保护间隔填充的训练序列与OFDM数据块组 成一个信号帧，数据块间填充的训练序列由本实施例中的两段相同的 序列组成。帧结构加窗方法具体包括如下步骤：

S1、根据系统传输参数，将训练序列和对应的离散傅里叶反变换 数据块组合后产生时域同步正交频分复用系统信号帧，将当前时域同 步正交频分复用信号帧定义为本帧，其前、后信号帧依次定义为前帧、 后帧；

本实施例采用的训练序列由两段相同的序列组成。其中，每段序 列为长度为512的Legendre序列，即N1=N2=512。然后将两段相同的 序列组合构成总长度为1024的时域训练序列。

在本实施例中，每一帧传输8192个数据符号，即N=8192。在生 成训练序列的同时，产生本帧的待传输数据比特，经过FEC和交织， 然后进行星座映射获得本帧的8192个传输数据符号，经过IDFT后获 得长度为8192的时域数据块。

在时域，将时域训练序列置于时域数据块之前组合后产生本帧的 TDS-OFDM系统信号帧。

S2、生成本帧的循环后缀，并复制到本帧数据块之后；

本实施例中，参数L选为64，将本帧训练序列的前64个符号复 制到当前帧数据块之后，产生本帧的循环后缀，如图7所示。这样本 帧的总长度就变为了512×2+8192+64=9280。

S3、对本帧训练序列前W/2个符号和循环后缀的后W/2个符号进 行时域加窗处理，其中W是窗长度；

本实施例中，为了更好地降低带外功率提高频谱效率同时兼顾传 输速率，优选地，采用汉宁窗作为加窗处理的窗函数，窗长度为W， W受到循环后缀长度的约束，不超过循环后缀长度的两倍，本实施例 中，W取32。

时域加窗处理的过程如下：将本帧数据的前32个符号（本帧训练 序列的前32个符号）分别乘以窗的前32个系数，将本帧数据的后32 个符号（数据循环后缀的后32个符号）分别乘以窗的后32个系数。

S4、将本帧训练序列经过时域加窗处理后的前W/2个符号与前帧 循环后缀经过时域加窗处理后的W/2个符号在时域依次相加。

在本实施例中，由于是突发系统的帧结构，因此没有相邻帧来进 行部分叠加，因此这个步骤省略。

本实施例中，将帧体依次进行成型滤波、数模转换和模拟上变频， 将信号发送出去。

实施例5

图10是本发明装置的结构图，本发明还提供了一种时域同步正交 频分复用系统的时域加窗装置，该装置包括：

时域同步正交频分复用（TDS-OFDM）帧产生模块，用于根据系 统传输参数，将训练序列和对应的离散傅里叶反变换数据块组合后产 生时域同步正交频分复用（TDS-OFDM）系统信号帧；

循环后缀产生模块，与所述时域同步正交频分复用帧产生模块相 连，用于将本帧数据块的前L个符号或者本帧训练序列的前L个符号 复制到当前帧数据块之后，产生本帧的循环后缀，L为正整数；

时域加窗模块，与所述循环后缀产生模块相连，用于对本帧训练 序列前W/2个符号和本帧循环后缀的后W/2个符号进行时域加窗处 理，W为窗长度；

时域叠加模块，与所述时域加窗模块相连，用于将本帧训练序列 经过时域加窗处理后的前W/2个符号与前帧循环后缀经过时域加窗处 理后的后W/2个符号在时域依次相加；

后续处理模块，与所述时域叠加模块相连，用于对时域加窗处理 后的信号进行成型滤波、上变频和数模转换等后续处理操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。