阐述滤波正交频分复用的子带滤波方法

摘 要 相比于现有的正交频分复用技术，滤波正交频分复用主要新增了子带划分以及子带滤波环节，以实现系统的灵活性并抑制带外泄露。因此，本文主要阐述了滤波正交频分复用的系统构架以及子带滤波器的设计方法——窗函数法。

关键词 滤波正交频分复用；子带滤波；窗函数法；带外泄露

前言

第五代（5G）移动通信系统作为新一代无线移动通信网络，主要用于满足2020年以后的移动通信需求。相比第四代移动通信系统，5G的业务类型将会在很大程度上得以丰富，对于系统的容量、配置的灵活性、连接数以及时延等都有了更高的要求[1]。目前广泛应用的正交频分复用（OFDM）技术在频谱效率、灵活性以及异步传输等方面存在不足，从而限制了其在5G中的应用[2]。作为5G的候选波形之一，滤波OFDM在带外泄露、业务灵活性、与高级长期演进技术的兼容性以及与多输入多输出技术的结合性等方面具有综合优势[3]。

1 滤波OFDM系统

滤波OFDM系统通过子带划分和应用子带滤波器，使每个子带都可以看作一个相对独立的OFDM系统，在不同的子带上就可以配置不同的波形参数，从而满足5G对于波形灵活性的需求。

滤波OFDM发射端的主要工作流程为：被分配到每个子带上的二进制信息分别通过正交振幅调制、子载波映射、快速傅里叶反变换和添加循环前缀（CP）等操作，得到该子带内的OFDM信号，再将信号通过一个适当设计的子带滤波器进行频谱成形，最后将所有子带上的信号相加后发送。

系统的接收端基本上为发射端的逆处理过程：信号首先经过匹配滤波器，以抑制相邻子带可能引入的干扰，同时最大化接收信噪比。接下来的信号处理过程与标准的OFDM接收机基本一致，将滤波后的信号拆分，对每个去除了CP的信号分别进行FFT，再经过信道估计和均衡后，进行子载波的解映射，从而获得所需的数据。

2 子带滤波技术

就子带滤波器的设计方法而言，滤波OFDM并没有特殊的要求，关键是要权衡滤波器的时域和频域特性，在追求过渡带陡峭程度的同时，兼顾对时域产生的码间干扰抑制。本文采取窗函数法设计滤波器，对理想低通滤波器的脉冲响应函数进行软截断。

窗函数法的设计过程如下：在确定滤波器的带宽等参数后，根据所需的滤波器长度生成一个时域函数和一个选定类型的窗函数，对应点相乘后得到原型滤波器。和原始的函数相比，加窗后得到的原型滤波器时域的主瓣和主要的旁瓣基本保留了原来的特性，而在远端的旁瓣则有了平滑的效果。这种滤波器设计方法的优点之一是实现方法简单，更容易在线生成滤波器。

需要注意的是，子带滤波器的带宽理论上等于系统为该子带所分配的频谱宽度，而实际上考虑到滤波器边缘存在的陡降，滤波器带宽应略大于子带的带宽。另外，各子带在频率资源上占据的位置应是互不重叠的，因此各子带滤波器的中心频率也是不同的，需要先设计出基带的低通滤波器，再根据各子带的具体位置对其进行频谱搬移。

使用MATLAB软件对滤波OFDM的误码率和功率谱密度进行仿真，可以得到结论：滤波OFDM具有相比于传统的OFDM能够有更好的频率局部化的能力，与此同时还能够获得與OFDM相似的误码率性能，即保证了数据传输的可靠性。

3 结束语

本文介绍了滤波OFDM系统的工作原理及流程，重点叙述了实现滤波OFDM的子带滤波的窗函数设计法，并通过仿真证明了采用窗函数法进行子带滤波的滤波OFDM系统能够达到与传统OFDM相似的误码率性能，且获得更低的带外泄露水平。因此，滤波OFDM技术以及窗函数法对于实现5G的需求具有一定的可行性和优越性。

参考文献

[1] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学，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] 赵锦程，黄斐一，孔繁盛.面向5G的无线宽带多载波传输技术[J].移动通信，2015，（9）：14-18.

作者简介

曹明月（1992-），女，江苏连云港人；毕业院校：哈尔滨工程大学，专业：电子信息工程专业，学历：本科，现攻读哈尔滨工程大学信息与通信工程专业硕士研究生，研究方向：5G波形技术。