闡述濾波正交頻分復用的子帶濾波方法

摘 要 相比于現有的正交頻分復用技術，濾波正交頻分復用主要新增了子帶劃分以及子帶濾波環節，以實現系統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用的系統構架以及子帶濾波器的設計方法——窗函數法。

關鍵詞 濾波正交頻分復用；子帶濾波；窗函數法；帶外泄露

前言

第五代（5G）移動通信系統作為新一代無線移動通信網絡，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，5G的業務類型將會在很大程度上得以豐富，對于系統的容量、配置的靈活性、連接數以及時延等都有了更高的要求[1]。目前廣泛應用的正交頻分復用（OFDM）技術在頻譜效率、靈活性以及異步傳輸等方面存在不足，從而限制了其在5G中的應用[2]。作為5G的候選波形之一，濾波OFDM在帶外泄露、業務靈活性、與高級長期演進技術的兼容性以及與多輸入多輸出技術的結合性等方面具有綜合優勢[3]。

1 濾波OFDM系統

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

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

系統的接收端基本上為發射端的逆處理過程：信號首先經過匹配濾波器，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準的OFDM接收機基本一致，將濾波后的信號拆分，對每個去除了CP的信號分別進行FFT，再經過信道估計和均衡后，進行子載波的解映射，從而獲得所需的數據。

2 子帶濾波技術

就子帶濾波器的設計方法而言，濾波OFDM并沒有特殊的要求，關鍵是要權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，兼顧對時域產生的碼間干擾抑制。本文采取窗函數法設計濾波器，對理想低通濾波器的脈沖響應函數進行軟截斷。

窗函數法的設計過程如下：在確定濾波器的帶寬等參數后，根據所需的濾波器長度生成一個時域函數和一個選定類型的窗函數，對應點相乘后得到原型濾波器。和原始的函數相比，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，而在遠端的旁瓣則有了平滑的效果。這種濾波器設計方法的優點之一是實現方法簡單，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，濾波器帶寬應略大于子帶的帶寬。另外，各子帶在頻率資源上占據的位置應是互不重疊的，因此各子帶濾波器的中心頻率也是不同的，需要先設計出基帶的低通濾波器，再根據各子帶的具體位置對其進行頻譜搬移。

使用MATLAB軟件對濾波OFDM的誤碼率和功率譜密度進行仿真，可以得到結論：濾波OFDM具有相比于傳統的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，即保證了數據傳輸的可靠性。

3 結束語

本文介紹了濾波OFDM系統的工作原理及流程，重點敘述了實現濾波OFDM的子帶濾波的窗函數設計法，并通過仿真證明了采用窗函數法進行子帶濾波的濾波OFDM系統能夠達到與傳統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技術以及窗函數法對于實現5G的需求具有一定的可行性和優越性。

參考文獻

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

[2] Chin W H，Fan 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[J].移動通信，2015，（9）：14-18.

作者簡介

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