（信号与信息处理专业论文）用数字滤波器组实现多载波调制的研究.pdf

南京邮电学琥填士肇垃论文 摘要 多载波技术对于宽带技术的黢展菲常莺甏。用i d f t d f t 实麓多载波调制 解调的方法是以前应用和研究的热点。现在随着集成电路的发展，为了提筒子载 滚闻的抗于撬後能，嗣数字滤渡嚣缝实瑷多载波调制藏为薪懿豢簧懿研究漾题。 本文首先介绍了多泼波调制技术的原璁及其应用，接着给出了多速率抽样理 论及r e m e z 篓滚。在裁蒸萋窭上，觚羧善予载波闽菝于我装缝熬爨度提窭臻r e m e z 滤波器作为原溅滤波器，采用余弦调制数字滤波器组实现多载波调制。最后给出 了瘸不弱骧型滤波器豹余弦数字滤波器缎实现多载波溺割豹蘩爽结采及茭比较。 关键谢：多载波调制、数字滤波器组、数字滤波器设计、r e m e z 算法 南京邮1 u 学院倾l j 毕业论文a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h e d e v e l o p m e n to fw i d e b a n dt e c h n o l o g y p r e v i o u s l y ，i tw a sar e s e a r c h h o t s p o tt h a tm u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o n t e c h n o l o g yi sr e a l i s e dh y i d f t d f t n o w ，i tisa r li m p o r t a n tr e s e a r c ht h a tr e a li z em u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o nt h r o u g hd i g i t a lf i l t e rb a n k st oi m p r o v et h ea n t i j a m m i n g p e r f o r m a n c ea m o n gt h ec a r r i e rw a v e s t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c ea sf o l l o w s f i r s t l y ，i tg i y e st h et h e o r y o ft h em u l t i c a r r i e rm o d u l a r i o nt e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o n 。s e c o n d l y ，i td e s c r i b e st h et h e o r yo fm u l t i r a t es a m p l i n g a n dt h er e m e za r i t h m e t i c i no r d e rt oi m p r o v et h ea n t i j a m m i n g p e r f o r m a n c ea m o n gt h ec a r r i e rw a v e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e st or i s er e m e z f i l t e ra st h ep r o t o t y p ef i l t e ro fc o s i n ed i g i t a lf i l t e rb a n k st or e a l i z e m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n a tl a s t t h ee m u l a t er e s u l t so fd i f f e r e n t p r o t o t y p ef i l t e r so fc o s i n ed i g i t a lf i i t e rb a n k sa r ec o m p a r e di nt h e p a p e r k e yw o r d s ：m u i t i c a r r i o rm o d u l a t i o n ，d i g i t a lf i l t e rb a n k s ，d i g i t a l f i l t e rd e s i g n ，r e m e za i g o r i t h m 南京酃耄学院学链论文独剖憔声翡 率入声壤所望燮懿学位论文烂我个人在馨鼹指鼙下遴稃麓磷巍 工律及敬褥翁磷究残暴。尽我掰熟，除了文争褥粼翔蕊标注释致谢的 媲方辨，论文孛甭包食莫攮人已经发表蠛撰写避戆磷究成暴，迄不韪 禽为获褥商蜜邮电学院或冀它教肖规构的学位或诞书面馊髑过的材 料。与敬同工作的同志对本研究所做的任何赏献均融在论文中作了 瓣臻豹谈骥势表示了谢意。 研究生签名：一一囝期： 南京邮电学院学位论文使用授权声龋 南窳邮魄学院、中国秭学技术信息研究所、国家闰书馆谢权保辩 本人薪遴交学位论文瓣复臻j 謦黎墩子文耧，可以蘩鬻辩窜、缡馥或冀 链复制手段缣存谵文。零人毫予文档的癍容弱纸溪论文躲氐容辐一 数。除农镰密攒肉鳃嫖寮论文外，允许论文被雀闽稻赣阕，趱淤公张 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊燮) 授权 南京潍魄学院研究聋部办邂。 、湫撼一镧馘蚴瓤蝉 南京邮电学院硕j j 毕业论文第章绪论 第一章绪论 1 1 多载波调制技术 随着计算机技术的飞速发展和通信技术的目益进步，计辣机通信网难以目新 月异的发展德度绘社会提供着丰富多彩的服务，以多媒体通信业务为主的新的网 络应用目益成为网络与通信领域新的经济增长点。计算祝通信阉功能的不断迸步 得髓于网络宽带化进穰的不断推进，网络瓶颈逐步缓解，高遮率通信系统发展很 狡，可良看到很多不丽的遥信系统采崩“多载波诵$ 1 j m c m ( m 醢ltlple car rie rm0dulati0r 1 ) ”或“多路副载波调s t j msm ( mu itptesube af riefmod 醢lation ) ”懿技术方案。 不论电通信溅光通信，也不沦有线通信或无线通信，都商实际使用多载波调制的 撼况。其豁戆滋，无线邀袈频遴翁、巍纾越痿以爱建无线运终等透蕊系统，咒是 传输较高数字速率的系统就有可能利用mcm j 币i i msm 。多裁波调制是指传送线 路每次传送信号时剩蜩多个不0 兹坦依次摊列的戏波，每潞载波轰爨受到数字 信号的调制。这些域衙数字信息的多路载波同沿线路向接收端传送。如传送线 姥商不良的频率选择性嚣1 多径传输等绣况，心了多载波调制可以有效地减小“籍 畸闻干扰isi ( inter symb0l interferen ce ) ”。 删此，多载波对j ：实现高速数字通信非常有利。 多载波澜隶椎超源较早。t 9 4 8 年在褥农的信惫论论文中藏有效琏零j 硝了多 傣道调制的方法，构造了在含有i s i 的a w g n 信道上传输的容量界，这就是多载 波调澍豹舔娥理论萋疆。 在2 0t 鼗纪8 0 年代以前，当大规模集成电路让f f t 技术的实现变得越来越容 易，垫一渡滩以实缓兹困难彀爨餐到了解决露，铡约多载波镳刳技拳发展豹桎 梏终于被椭掉，从此多载波调制技术成为了通信技术舞台上的主角之一。从2 0 邀纪年 起，多载波调到按术被j 泛应用在裹速率运售累绞中。其体地说， 有线网络遇信中、数字音频1 1 播、高清晰度电视、无线局域嘲、光纤通信以至光 无线通信等通信系绞，都剥用了多载波调制技术。 当然，多载波调制技术应用到不同的通信系统中，需要搬据特殊的条件维建 南京u 学院碗 ? 毕业论文瓣一章绪论 合理的系统。在有线网络通信中，使用的多载波调制技术为离散多音凋制技术， 它瓣谯点题可以掇据镕道频谱分精豹特点，在荟孑载波上婕辕不翅魄特，扶两取 得最大的信道容= 薰。谯无线通信网中，使用的多载波调制技术为1 e 交颓分复用技 术，它的优点是对无线信道条 牛下的多径效应和快衰落有较强的抵抗能力。 关于多载波调制技术的研究方向很多，基于传统的调制解调的研究有关于 均衡、同步等以提高熬个多载波调制系统的传输性熊为目的的，另外一个研究方 向楚跌调制解调入手，寻找更经的谲湔技术，觚穰心部分改善系统洼髓，戳降 低系统其它部分的要求。传统的调制解调是采用i d f t d f t 来实现多载波调制。 麓数字滤波器蕴来分耩f b 雅蚤瓣霹葭发瑷，l d 疆内鞭是霜藤甏滤渡器为矩形滤 波器的数字滤波器组米实现的。由于矩形滤波器的频谱旁瓣褒减不够大，会对相 邻戆载波产黛缀大笺手撬，爨以爝蕊纯器繁滤波器豹数字滤波辫鳃实现多载波调 制解调“j 以提高子载波问抗干扰的性能。本文就爝研究用数字滤波器组实现多 载波翦调制解翊，熏点研究蠲饯诧的低遐滤波器作为数字滤波器组憨蹶型滤波 器，用余弦调制数字滤波器组的形式来实现多载波调制。 1 2 论文瓣主要内容及框粱 论文豹内容安 j 如下： 第二章：多载波调制技术及其廒甩。介绍多载波调制在各种倍道中应用时比使用 单载波调制所具有的优点及多载波调制技术的原理。 第三章：多速率抽样疆论。本露首先分析多速率掏取、内插瓒论，接蕾穰据多载 波调制技术的原理，构造符合多载波调制技术的数字滤波器缎的模型。 第瞪章：原麓滤波嚣灏优纯设计。本章是实现系统穗能改善的关键部分，首先魄 较了使用不同的常用原型滤波器的性能，得出系统性能改善的可能性， 接着给窭当今被谈尧嫒饶稼夔鬣遴疆鍪数字滤渡器瓣雾法；r f a e z s 算 法及其改进算法。 繁纛章：鼹数字滤波嚣缝实瑷多载波调剿。本章续会蘩二、三、霆章驰漂理，褥 到矩形低通数字滤波器和r e m e z 低通数字滤波器的劳瓣衰减特性，并分 别绘出以它 f 】为骧型滤波器豹憾隰下用数字滤波嚣鳃实瑰多载波调制 、解调系统的仿真结果。 2 维柬邮屯学院碳“ ：毕业论立 第二辩多载波技术及其应用 第二章多载波调制技术及其应用 2 。1 多载波调制技术的历史背景 多载波渊制技术的第一个戍用是在2 0 世纪5 0 年代。1 9 5 8 年，c o l f i n 在他 懿k i n e p l e xm o d e m 中虢最瑁了一令其有辫定调割嚣特薤豹多载波谓裁熬基本形 式。这个调制器可以实现3 0 0 0 b p s 速率的数据传输，比它同时代的调制器快l o 铸。这是i 歪明多载波溯制潜力的早期实验。 虽然早期实验证明多载波调制的性能更好，但由于当时大规模集成电路的应 用_ i 丕很薄弱，多载波澜制技术的实现需要设置大量纳正弦发生器和连续解调器， 所以系统j p 常复杂。瓶到7 0 年代提出用d f t 实现多载波调制后，简健了系统结 构，多载波调制技术的研究才越于实用化。1 9 9 0 年，美国s t a n f o r d 大学提出了 多载波调翻昭一释：离散多音谶镑l ( d m t ) ，并采餍实稿的办法解决了遮释技术中 的多个问题。通过实验证明，在同样的条件下，d m t 调制器的性能比单载波均衡 谲秘器靛瞧缝毒窦l o 令d 3 左右。妥1 9 9 5 年，基予d m t 调裁瓣a d s l 灞翻器，残 为美国国家标准化组织a n s i 的标准，随羼也成为欧洲e t s i 嗣国际电倍联盟i t u 戆搽准。在多载波调铡赘基毯上辑生出慕翅多个子鼗波； 瑟频率耋叠按零豹o f d m 系统。2 0 世纪8 0 年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了f f t 的实现问题， 髓誊d s p 芯片技术嬲发展，撂掇编码( t r e l l i s c o d e ) 技术、软判决技术 ( s o f t d e c i s i o n ) 、倍道自适戚技术等的成用，o f d m 技术开始从理论向实际应用 转他。2 0 世纪9 0 年代，o f d m 被欧洲和澳大利亚应用于广播信道的宽带数据通信、 数字音频广播( d a b ) 、高清晰废数字电视( h 昕v ) 和无线局域溺( w l a n ) 等。藏 外，由于其具有更高的频谱利用率和良好的抗多径于扰能力，也被看作第四代移 动暹信的核，心技术之一。欧潮鼢数字音凝广撵( 激8 ) 系统篌瓣静靛建o f d m 谲翻 技术。1 9 9 7 年，欧洲d v b - - t c o f d m 系统鼹欧洲数字电视广播( d v b ) 系列标准中 豹数字地嚣邀程广疆系统标灌。该系统壤掰c o f d m 诞翻方式，把铸羧 0 特分割裂 数千计的低比特率予载波上。日本1 9 9 9 年提出的地面综合业务数字广播( i s d b - - t ) 也采矮0 f d 麓技零，郄：i s d b - - t o f d m 。鼓嚣蔫熬黟 发蜷疆寒看，囊子o f d m 鼹有很高的频谱利用率和抗干扰能力，能够很好地满足电视系统的传输要求。在 3 南束姻瞧学院碳j ：毕业论文第二牵多载波技术及其应用 无线局域网领域，i e e e 8 0 2 1 l a 予1 9 9 9 年通过了个5 g h z 的无线局域网标准， 荚中疆o f d m 溪裁鼓本髂势它豹物理藩标壤。e t s i 戆爨繁无线菝入疆 瑟l a n ) 矮 目h y p e r l a n 2 也把o f d m 定为它调制的标准技术。在未来的宽带接入系统中，o f d m 瞧会是一项基零技寒。还毒缀多公司对o f d m 与c d m a 系统的融含，帮m c - - c d g a 很感兴趣。与普通的d s - - c d m a 相比，m c - - c d m a 系统舆有很多优点，比如更大的 灵活性、高嚣量、高性能、高抗干扰性等等。1 9 9 9 牮，我国信息产业部已参加 了o f d m 论坛。2 0 0 0 年l l 胃，o f 黼论坛的固定无线攘入工作缀向i e e e 8 0 2 1 6 3 的凭线城域嘲委员会提交了一份建议书，提议采用o f d m 技术作为i e e e s 0 2 1 6 3 城域网的耨璞层( p h y ) 标准。1 9 9 7 年，x i a n g g e nx i a 提出了静蘑多速率滤 波器组减少i s i 的新的编码方法。在此基础上，2 0 0 0 馨，y u a n p e il i n 和s e e - m a y 褥瘸侥纯豹传输器实蠛离散多鬻菝谲裁的方法。 多载波调制的广泛应用是由备种信道特性决定的。以下介绍使用多载波调制 筑器秘攘道懿特点、搜建多载波调翻戆毒效性、系统叠冬嚣理及擒藏。 2 2 使用多载波调制的各信道的特点 2 2 1 数字用户环路的基本特点 个典溅的数字用户环路的倍道特性如图2 - 1 所示。觚圈中可以看滏，信道 增益不是平煅分布的，随着频率的增加，倍道的衰减程度也不断增加，禚这样的 譬 3 g = 暴 = f r e q u e n c y 娟幻 图2 一l 典型的数字用户环路的信道特性 4 南嫩邮电学院碳士毕业论文 第二常多载波拽术及其应用 倍道中，如浆采用单裁波调制，因为符号间的干扰对系统性能的影响很犬，所以 即使在接收端进行均衡也很难实现较高舱数据传输速率。两粟用多载波调制豹方 式，通过合适的分配信号功率则可实现较满的传输遥率。 d m t 技术的主要优点主要在于性能方灏，它将信道划分为多个子载波，提供 了邋好静灵活性和幢能：首先，辩子射频干扰( r f i ) 等频率选择往干扰，d m t 可以选择不同的传输予频带，避开干扰的影响。其次，d m t 可以在多个子频带上 逡行有效豹功率控熹。最后，泰予琴菠焉实际载波，辑馥瓣不零要绦护带，霹 以提高频带利用率。d m t 的主要缺点是多个子频带增大了管理的难度和系统的复 杂经，也使模攒蔻羰熬实凌更热复杂。在露线网络中搜爱多载波谖割是囊骞线嬲 络的信道的不平坦特性决定的。 2 2 2 无线信道的特往 a 多径效应 多径效成即接收机所接收到的信号燎通过直射、反射、折射等不同的路径到 达接收机的。这些幅度衰减和j j 寸延各不相同的信号相互重叠，产生干扰，造成接 收端判断错误，严重影响信号传输质量。这种特j 陵称为信遭的时间弥散憔，同一 个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，在信号带宽接近和越过信道相 予带宽镫，会产生频率选择毪衰落。在数字传输系统中，多径效应对传输的数字 储号产生时延扩展，造成接收端码间干扰。当数据传输速率非常高时，收端信号 波澎重叠羲痉将遗一参麴深，蘩号阉于挽褥更热严麓。薅闼弥数是羡嚣线售逶装 输速率受限的主要原因之一。 8 。螃变瞧 衰落储道的传递函数h ( t ) 是随时间变化而变化的。发送端在不同时刻t l 、 t 2 发送相阉的信号，在接收城收到豹信号是不同的。时变拨在移动通信系统中 的其体体现就是多普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 。这样就造成了信道的频率弥散性。 多普勒频移对载波频偏敏感的邋信系统性能会产生很大的影响。 采用多载波调制( 酾c 黼) 可鞋解决上述无线信邀中多径效应掰带采瓣闯题。 在无线网络中应用的多载波调制技术称为正交频分复用( o f d k 4 ) 。o f d m 系统与单 载波系统鞠阮，优势在于一是不需要线蛙均餮，获箍避免了噪声懿墙翔，显由手 南寨郏如学院颧l ：毕业避文第二帮多载波技术及其虚用 它的符号间鞘很长，对多径效应、脉冲噪声和快速焱落有较强的抵抗能力：另一 个绽熹是予载波额谱瓣董叠霞焚蔟谱囊藤攀毙擎载波系统要藏褥多：述骞一令 优点是o f d m 系统能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化。能动态 娥绞逶或切凝超瘦的载波，激绦涯持续蟪邀蠢成功黪逶售。邋年来，夔麓频率资 源的日益紧张，通信系统对频带利用率的骚求越来越高，通倍系统需要传输的数 据速率也越来越高，蕊传统豹单载波系统爨多径信邋引起的i s i 的限制，不能提 供高速的数据传输速率。由于单载波系统的种种限制，再加上d s p 技术和微电子 技术的发展，o f d m 技术得到了广泛的应用。 2 2 3 光纤的基本特性 麸图2 2 可罄看磁，除在1 3 8 0 n m 有一个o 啜收峰导致援耗 i 较大矫，其它 区域光纤损耗都小于0 5d b k m 。现在所利用的只是光纤低损耗频谱( 1 3 1 0 1 5 5 0 a m ) 极少戆一部分。浚掌簇熬s d h 2 5 g b s 系统必饲，袭巍绎豹繁赛孛灵占 很小的一部分，大约只有0 0 2 n m 左右。 在理论上，w i n 鼓零霹裁翅鹣单摸必终带宽为2 0 0 n m ( 2 5 t h z ) ，馨馊按照波 长间隔为0 8 n m ( i o o g h z ) 计算，理论上也可以开通2 0 0 多个波长的w d m 系统， 聪强前光纾的若宽远逡没有利用。w d m 技术的出现燕是巍了东分利用这一赘竟， 使得光纤传输能达到更高的速率。光纤本身的宽带宽、低损耗特性也为w d m 系统 的应用发展提供了可熊。 圈2 - 2 竞缍攒耗频谱 6 南翎衅也学硫磺i ：毕业论文第二二章多载波技术殷其应用 2 3多载波调制与单载波调制的比较 在以上绘出的应用多载波调制的各种倍遒中，僚道都其有在不同颓段上其有 不平坦的幅度特性。以下对在这些信道中应用单载波调制和多载波调制进行比 较。 单载波调制是在熬个信道中只发送一个射频信号。多载波调制是应用多个予 载波传送一个并行的数据流，缀过编码翻交织的数据流被调铺于多个子载渡上； 在不平坦特性的信道中，单载波调制系统陡能比不上多载波调制主要表现在以下 凡个方覆： 1 多载波均衡器比单载波均衡器简单 一觳说采，符号速率越嘉，均衡器的笈杂往氇稳痘增长，因兔睫终输速率麓 增加( 符号周期变得较短) ，i s i 贝, j 更大。在d m t 年h o f d m 两种情况下，信道被划 分戏霞予不澍频带载圣譬多子售遂，这裁诖豢裹转送率戆 l 特浚进一多剡分残谗 多较低传送率的比特流，从而减少每个符鼍周期( 此时的符号周期较长) 中i s i 的 掇对效应，并允诲简纯均骛嚣。因兹，童子其符号速率鞍抵，o f i ) m 秘d 淞系统 能以更简单得多的方式实施均衡。d m t 年h o f d m 还蜜施两个简单的均衡器( 一个 在时间域、个在频率域) ，i i i 不必象单载波调制那样，仅农时间域中使用一个 踅杂的均衡器。 2 多载波调制比单载波调制的眷吐量大 在d m t 帮j l 已纤传输中，可戳蹋多路子载波传输信譬，如栗蔻频谱特懿平逛酶傣 道，用多载波调制得到的传输速率是和单载波调制是一样大的，但在多载波调制 中，霹淡校罐信道特穗最霞纯撼分配各予信道繇健豹魄穗数，傻传辕速率匏更菝 ：i 黩香农限，所以能实现比单载波调制更大的数据吞吐量。 3 薅搴謦予扰多载波调镄系绞魄擎载波豢统奏更强豹抗砉| | l 然力 在单载波调制系统中，误麓函数是攘个频带平均s n r 的函数，因此，窄带干 专| | ：馈号可熊损辐整令频豢。在多载波调制系统孛。埘以忽略趿窄带于抗褥毁损豹 予信道，并不影响其它子信道。运用取消干扰的有效技术，大大减少了因窄带干 扰两毁损的子信道数爨。在o f d m 中抗扰能力表现在抗无线信邋时问弥散的特性。 多载波调制系统拥有比单载波调制系统筒单很多的前端处理 7 南宗酆哇三学院颂士毕业论文 第二章多载波技米爰其应用 单载波依赖高度篾杂的滤波器将接收到的信号与传送的信号分开。在单载波 系统孛是透过滤波来实瑰叛分复耀豹。众掰周知，绩号麴频漤限度与辩闽羧度胡 置成反比。潮此，单载波系统必须使用其滤波器长度( 时间限度) 和过墩带宽( 频 窭限度效熊) 之间工程上的折衷。较高的滤波器阶数可能降低频谱开销且增加频 率利用；但间时也导致成本较商：首先，鞭实旖滤波器需要较高的阶数，要求进 行更多乘法运算；其次，为充分利用削减的开销，定时要求熨严格才能避免由较 长的滤波器脉渖响应两造成的i s i 。典墅瓣单载波系统具有损耗频谱中2 0 的过 燮带宽来得到时间域中合理的滤波器大小。 d m t 系统豹谤嚣瑟不阉，它袋磊数字黢工。对予全双工搽律，可羧遥过颓势 多路复用将上下流信号分开。在d m t 解决方案中，可以通过实施数字双工( 同步 发送器霸接收器) 等技拳实蓬羰分复瘸，溃除霹滤波器麴嚣婺。d m t 系绫瓣豢宽 损耗大约是整个系统的7 8 。遮一损耗怒为了简化均衡并提供上下流方向的正 交，在对润域中使用了循环扩鼹。这一损耗大大低予爆单载波系统对的2 0 豹损 耗。 2 4 多载波谲制的基本原理 多载波调捌盘夺涮蓑统中黝瘦曩露葵专业的命名。毽是d m t 和o f d m 具有蠲 同的信道划分。它们的差别主臻在于比特分配的算法不同；o f d m 是在所有的予 信道中放戤姻阉的比特数，丽d m t 则是擞撰不同乎信道的信嗓比加载不蚓的比特 数，所以o f d m 主要用于单向倍道，而d m t 则主要用于慢时变双向信邋。接下暑乏 以d m t 的摹本原理作为多载波调制的原理进行介绍。 所谓离散多音霞输，就是把整个逶倍信道在蒙竣上划分为穰多子傣道。在每 一个子信道上，仍然采用q a m 或类似的带通信号进行传输，其中o a m 的通带中心 寂该与稿瘦予信道豹审心频率一致。霾魏，这秘调露l 方法是在强一个逶傣信道上， 采用两个或更多的并行带通信譬( 如q a m 或类似的信号) 来承载一个单一的比特 滚。瑟在接收投中，不嗣豹带邋信号分别独立懿遴行解调，器遵过舞簧溺莰复是 原始的传输比特流。 鹰敖多啻调制约本蒺是把麓一个遥镶售道划分必很多缀窄的子痿邋。如果每 个子信邋的带宽足够窄，则熬本上可以认为这个予信道内的频率响威是“平坦” s 南索邮电学院碱士毕业论文第二章多载波技术及其应用 的，如果一个子信道肉的频率响应是“平坦”的，则它周期延拓后的频率将是全 遴豹。因北，根据n y q u i s t 定律，在每个予信道孛怒没有符号闯干找( i s i ) 豹。 根据傅立叶变换的对偶性，子信道上很窄的传输带宽意味着很长的符号周 期。实际上，姆个子信邀中传输的符号周期t 远远大予整个信邋的脉冲响应长度。 因此，相对于子信道巾的符号周期t ，整个信道的脉冲响应长度几乎可戳不计。 这相当于把信道的脉冲响应可以看做是一个冲激函数，因此没有i s i 。遨就从时 域角度谎嚼，多音调制可良澄酴i s i 。 2 4 1 采鼹i d f t d f t 实现调铡瓣调 要实现一个d m t 传输系统，需要产生n 个子载波，接收端也要对遮n 个子 载波送行分澍释调霜步。显然，当n 缀大辩系统豹疆薛秘藏姆雾豢复象。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 将d f t 技术引入到d m t 系统，使d m t 系统的实现变得经 渗实耀。 d m t 把可传输的最高频率划分成多个予信道。比如将最高频率 乇= 1 0 2 4 k h z 的带宽分割威2 5 6 个子信邋，每个予信道4 k h z 。用2 5 6 个载频 ( 相隔4 k h z ) 对2 5 6 个子信道信号进行正交调制耐相加，相当于将倍道划分为 2 5 6 个频带聪骢叛分复爝。由予频带是均匀划分豹，第k 个予信道豹载频可写残 厶k m ，k = o ，m - 1 t f 2 2 5 6 ，乞= 1 0 2 4 k h z ，两个正交载波可写作 2 1 - i f _2 r l f ) s ( 萨和s s i n ( 萨_ c ( k , t c o k t )- k t ) 用数字方法实现d m t 对，可以对上述载波进行撼样，取攒样频率 ，t = 2 厶= 2 0 4 8 k h z ，于是模拟频率对应数字频率2 1 i ，箍频率厶对应数字 皴率疆。考虑到数字频率魏周鬏性，n - - 2 n 槎当予一n o ，藩先在。一( 数 字频率0 一i i ) 分2 5 6 个子信遂相当于在一n 一兀阆划分5 1 2 个子信道，正负谱 会起来实骣蠢用豹翁邋频谱爨然是。一厶，令第k 予揍遘输入接鲻绩譬豹羁穗、 藏交分量分别为d t 、，n = 2 m a 则由式( 2 1 ) 可知调制后附合路信号是 9 薅囊鼯逸学茨蠖士毕韭论文筵二搴多载渡技术及箕疫趣 砌) 2 酗c o s ( 詈螂傅虿2 h 触) 】 ：孙 ：i b 。) n ! 如l ( 2 2 ) l “。 令x ( 七) = 盘女一i b 女，在每个子信道上粱上系数1 n ，得 f n 一1 2 h ，1 ( 雅) = r e l x ( 七) e 7 百加 l “” j 一博渤e 净 = n r e i d 搬1 x ( 女) 】 ( 2 3 ) 为使在信道上传输的是实信号，在进行i d f t 之前需要弓f 入共轭对称量。 i d f t 的输入其如下特性： x = c o n j ( x 一 ) k = ( m + 1 ) ( n 1 ) x 掰2c a n j ( x o ) ( 2 。4 ) 由于子载波之间的正交性，解调器能很方便地从接收信号中解出传输符号。 接收蝼豹瓣调避攫毒采爱d f t 来实域： r ( i ) = d f t ( x ( n ) ) 竺n - i触k n 川勰 ：r 。( r 。( x ( 七广百广喵) ：n - i n - 1 x ( 女) 。， 2 k n 。- 2 口等 = 7 , x ( k ) 8 ( k - o = x ( f ) ( 2 5 ) 。 这撵麟冯楚荤搜缮粒i d f t d f ? 模块求实瑷7 多载波豹调潮解调过程，大大 简化了d m t 系统的硬件构成。 南焱邮电学院瑚上毕业论立第= 章多载波技米及其应用 2 4 2 循环前缀 循环前缀鹣弓| 入怒d m t 技术的特色之一。它的誊接好处就是可戬减少对时 域均衡器的疆求。由于i d f t 是以n 点为单位的，所以n 长的x ( 1 2 ) 称为个数据 袋。魏采僖游? 孛澈鹃疵h ( t ) 豹辛蠡群h ( n ) 瀚长度尧r ，都么数据块逶遘信道薅葙 当于作卷积邋算，在信道输出端的信号晌_ 陂的长度变为n + r 一1 。如果发端一块接 一块豹簧送n 长黪数攒块，裂羧溃每夸辩长鼗据块豹蘩r 令镶会受至l 予扰( 豫块 间干扰i b i ) 而失效。为了解决这个问题，在发端每个数据块前插入原数据块的 最慝r 个点，这样看起来首尾糕连，拣为循环翦缀如图2 - 3 翳示，其绍髑是将数 掘块拉长到n + r ，其中前r 点的信息是冗余的。均衡器的复杂性和运算髓随着均 衡器的抽头数的增加魁指数增长，如果不引入循环翁缀，那么时域均衡器需将r 设计蓟接近1 个长度，那是菲常复杂而且昂贵的。 窿 窿 r川 瓣2 - 3 循环藏缀 在d m t 系统鹈接羧潺虽然爨骞r 令壤羧坏，掇这露按坏戆是捶奁懿嚣兹r 点的信息，黼不是有效数据，只要将它丢弃就可以了。 当然，系统鸯要入缓嚣兹缀瞧繁来了一定豹牲能羧失。系绞损失了傣号毙量， 因为能量的r ( n + r ) 被用来传送循环前缀。而循环前缀在接收端解调时怒被删除 不髑豹。一般系统中，r 控制在n 鲍2 0 之内。 2 4 3d m t 的实现框图 d m t 的实现过程如瞄2 4 所示。在d m t 的工作过程中，首先是子信道的i l l 练， 即通过发送个接受端已知的训练序列计簿每个子倍道的信噪比。根据每个子信 遂豹信嗓罐，许算每个予信遵可潋分配的魄特数。校据计算的缩莱，把待佟输的 暂京邮l 乜学院坝j ：毕业论定第二章多载波技术及其成用 信息拆分为n 个僖息比特，进行串并转换后，分别进行q a m 基带调制，再注入相 应豹子傣道( 图2 - 4 发射枫中的第一个模块) 。为了得到适合于信遒传输的实信 号，在做i d f t 变换之蘸，需要先对输入的基带信号加入旗轭部分，从而使输入 由n 变为2 n 。做i d v t 变换膀，取输出值中的最后r 个值作为并串燮化的前r 个 输入，形成循环裁缀，这样藏构成了个基本的糯t 数瓣流。把d m t 数据漆经 d a 转换，经整形滤波后发送到信道上。这就是d m t 的发射部分。 比特 输入 比特 输出 ( 2 n + r ) 点 丽“几闲2 n 厂司2 n 网躺鬯磊 与编码卜3 叫后缀卜3 叫i p f t 卜叫静缀r 叫转换 ( 2 n + r ) 点 酬1 1 f e f v 再两警翦每露接舻 2 、1复燕轻h 鼯 弋1缓净_ |转换 圈2 - 4 # 瓣实瑰掇溷 在接收端滤波后进入a d 变换器，把输出的数据流进行串并变换、删除循 嚣兹缀，零到2 n 路费行数据，进行o f t 变换。从处理藤的n 个数据中取滋裁 n 点信息数据，缀并串转换、基带解调后，就褥到接收的信息比特流。 2 。4 4 漶教多啻调割效关键游蘧 根据前聪的分析，多音调制需要解决以下问题 l 信道划分的问然 信遒蚓努裁鼹挺一个传输痿遭划分成一个势行、理想独立熬予售道集；在 d m t 中，不同的予信道在频域上分开，子信道之间相互独焱。只有程特定条件下， d m t 才越最优的信道划分方法。在现敬广泛应用的多载波调制技术巾，信道嬲划 分是由i d f t d f t 实现的，其前提是加入循环前缀。这种信道的划分是等宽、信 道问信号是正交传输的。每个子信邋的宽度是熬个信道传输宽度的1 n 。因此， d 啊发射祝的调制都分藏惫“i d f t + 循环前缀”；接收撬的解调藏愚“去循环旃缀 信道 南柬邮电学院磺士毕业论文第二鞲多载波技术及其应用 + d f t ”。 2 魄特热载豹润题 在划分子信道之厢，不同的子信道可以按照相同的比特速率进行传输，也可 戳绞照不嚣麴毙穗速率健辕。裰爨信惑谂孛绘密豹凌各令苓嗣豹子痿遴审分配毙 特数的准则：从概念上说，应该谯具有大倍噪比的予信道内加载较多的比特，在 ，l 、谊蜈毙粒子信道内麴载较少的比特，霹森信嗓比特鄹差的予售道内不期载任秘 比特，这样分配就是最优的。 3 信道辨识姻闷题 根据前面的分析，需要根据备个子信邋特性进彳亍蕞优的e b 特分配。不同子信 道特性的获褥就是信邋识别的翊题。 在d m t 中，通常采用的还怒训练的方法：在每一个子信邋都发射训练序列， 这个训练序刎在接受端是预先知道的。接受端根据接收到的信号和己知的训练序 鳓，就可以稚断出每个子信道的特往，如信嗓昆。 4 信道缩短的问题 根据前飚的分析，在离散多皆调制中，希望在每个子信遵中传输静符号周麓 t 避远大于熬个信道的脉冲响应长度。也就是说，如果信道的脉冲响应长度较短， 上述霰设条件会更容荔满是。 因此，在d m t 调制中，通常需要一个信道缩短功能，把倍道的脉冲响应长度 缀蘧到是够，l 、。这个功憨，逶豢楚嚣露域均蕊纂( 羊e q ；t i m ed o m a i ne q u a l i z e r ) 采实现的。t e q 也是一种均衡器，但是销的目的不是消除i s i 和噪声千扰，而 是缝短痿道豹熬泞旗疲。这是t e q 与索爝均餐器魏主要差别。 5 频域均衡的问题 对于每个不同魏予信遂来滋，薅遵豹增盏都是不嗣豹。因貌，发羹搴端信号星 鹰之间相同的距离间隔在经过不同的子信道之后会鼗得不同。这样，就需要对不 嗣携子信遵瀑月不同戆检测器。 如果想采用间一个检测器对不同的子信遵输出进行检测，这时就必须把不回子信 邀的增益调整为相同的。这个调整子储道特性的过程称为频域均衡( f e q ： f r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e r ) 。 南京邮电学院坝j i ：毕业论文 第二颦多载波技术及其应用 6 倍道的变化与比特飘换 在实琢翳捷输中，信遭特技弼能会发嫩变化，这对原来的激优比特分配裁会 变麓。因此在信道特性变化后要进行比特分配的调整：在信噪比变大的予信道中， 应增加比特数；在信嵘比变小的予信道中，虚减少比特数。这个过程通常是把比 特从信嗓比嶷差的子倍道交换到信嗓比交好的子信邋中，困_ 【魄称为“院特互换” ( b i te x c h a n g e ) 。 2 5d f t i d f t 与数字滤波器组的关系 d f t 只使爝于有限长序列。箍于序列傅氏变换所得盼连续谱不便于糟计算机 处理，那么设想将有限长的序列延拓成周期序列，然后用离散傅氏变换得到离散 线谱。整个交换过程麓 周期延拓 n d f s n 截取主慎周期 x ( n ) 并( 摊) x 女) i - x 女) 截敬主值周期糗当于让x ( 曼) 乘以一个矩形滓捌露( 毒) ，用数学式表示 n - 1 x ( 女) = x ( k ) r n ( ) = t z 戈( 扎) 孵妒】露( 女) n = o n - i = x ( 州玄0 k n - 1 ( 2 ，6 ) n = 0 由式( 2 6 ) 可知，d f t 实际上是先乘以一个矩形序列，从滤波器的角度来 讲，就是先经过了矩形窗滤波器的滤波，氍进行频谱搬移的。这就是数字滤波器 缓辩表现形式：各子带滤波器罴经过同一低遥滤波秣频谱搬移，各搬移频率相互 正交。 1 4 南京邶l b 学院坝。l ：毕业论文 第三章多抽样率理论 第三章多抽样率理论 上一章介绍了多载波调制系统和用i d f t d f t 实现多载波调制的技术，在最 舔褥窭i d f 羊蚤疆调sr j l 解谖与矩形数字滤波器缝豹关系。菝下来分绍舔数字滤渡 器组实现多载波调制的方法。 数字滤波黎组熬理论基磁楚多撞群率信号处理。其孛嚣令耋要豹摄念是抽取 和内插。 3 1 抽取 笈 鑫榉攀耩羝豹獭榉率转换嚣舞撞取，遣稼梵键样率墨缨。 设五( 牲) 2 x t ) l 。r ，如果希望将抽样频率减小m 倍，一个最简单的方法 避从z ( n ) 的每m 个点中抽取一个，依次组成一个新的序列x ( h ) ，即 x ( = x ( m m ) t i l e ( 一一，+ 一) ( 3 1 ) 为了便于讨论工积) 簪口x ( n ) 时域及频域的关系，现定义一个中间序列x 。( 牲) ： l 戏 砷，= 鬈劣砘埘毒2 眠 慨z a ， 芹l ( m ) = x ( m ) p ( m ) = 省( m ) 各( m 一 “) ( 3 2 b ) f = - 式中p 是脉冲串序掰，它在硪的整数倍处的值为1 ，其氽皆为零。 令匝! 豫零表示将袋样率减少m 倍的抽敬，( 3 。1 ) 和( 3 2 ) 式的含懑翔圈3 一i 所示，图中m = 3 。 南京邮电学院硕j 二毕业论文第三章多抽样率理论 驻然 惹 x ( 8 。) = 芹( 咖一枷= x ( 撬矿翮 n = * = 一 所以 = 茗1 ( m n ) e - 脚= x 1 ( e j w t m ) ( 3 3 a ) x l o 归) = x ( n ) p ( n ) e 。 。墨壶驴m p 糊1 一ji ：三字x ( g ( e a - 2 l i k ) t m ) 掰怎 。 ( 3 。3 b ) x b = 吉薯x ( ? ) ( , - 2 r l k ) l m ) c s 一4 ， 式中x ( e j 。) ，x ( e 脚) 分别是x ( n ) 釉工( n ) 的d tf 1 t 。这样，x ( e j o ) 是原倍 露频谱x 印坤) 先律雒倍斡扩袋嚣在搿辘上每隰2 , , r i m 酶移位叠蠢霾，翔圈 3 - 2 ( b ) 和( c ) 所示，图中m = 2 。 由抽样定瑕，在第一次对工( f ) 抽样时，糟保证工2 正，那么抽样的结果不会产 生混叠，翔嚣3 2 ( a ) 弱嫱) 掰示。对摊) 蕈1 , 1 镶糖取螽褥盖( 拜) ，装保证能由 并。( 托) 重建蔗( f ) ，那么， x ( e 灿) 的一个周期( 一吾一言 也应等于x ( m ) ，这 聚求抽样频率与信号最高频率之间必须满足工2 坝。如果不满足t 那么 x 殛扭) 将发生混叠，磐图( e ) 耩示。戮凳麓是霹变瓣，| l 孬 美缀难要裳在不霜豹 1 6 磁柬邺电学院碗士毕业论文 第三章多抽样率理论 m 下都保证l 2 蛾。为此，可以在抽取之前先对戈( h ) 作抗混叠低遇滤波，然 露藩抽取，懿錾( d ) 掰示。 ( a ) 原信号x ( n )( b ) 中间变激x ，( n )( c ) 抽取艏的信号工( n ) 黼3 - 1 信号箍取示意图，m = 3 ，横坐标为抽样点数 令h ( n ) 为一理想糕逶滤波嚣，鄯 妒q 戴- l - - ： ( 3 。) 麴謦( e ) 掰示。令滤波嚣薛瓣疆为雄) ，蘩 诫蟛= h ( k ) x ( n 一蠢) 褥令对以矬) 接取后嬲序剜为y ( n ) ，到 y ( m ) = “m m ) = w ( m ) p ( m ) 谢京邮电学院硕_ ：毕业论文 第三章多抽样率理论 = h ( k ) x ( m m 一) = h ( m m 一) x ( t ) ( 3 6 ) k = 一 实际上该式是将低通滤波和抽取两个过程统起来处理，因为x ( n ) 中的非 m 整数倍焱不需关一，所以统一处理对实际省略了对这些点的滤波处理，从两 减少了运算量。 ( a ) ( b ) 智( 豫) 一， 箍o1一q 。q 。 蛀 z 二二- 2 z t 三- 荃a 仑万二2 z ：0 9 。 锄型q 互 p 盟( 豆p ， 佰( 日一) 翰3 马# ) 一 n 俏n 娃上迈矿上二垓 弓r 弼上1 厂 1 斑、 ( g ) _ l = 磊之_ j _ i 瓦_ - 图3 - 2 抽取后对频域的影响 ( a ) 缀模掇痿号j 8 ) 的频谱x ( j e j ) 。 ( b ) 冀( n ) 的频谱x ( e j “) ，没有发生混叠。 ( c ) 作m = 2 倍的抽取，x 。托归) 中发生混叠； ( d ) 辩善( 雄) 先痒低：l 萋滤波舞接玫； ( e ) 低通滤波器的频谱； ( f ) 瓣x ( n ) 滤渡嚣静频谱摊疆冲) l 南泶邮l 毡学院獭士毕业论文第三章多搦榉率理谤 ( g ) 辩w ( n ) 作抽取得y ( n ) ，在( _ 硝，肘丌，村) 内y 脚) = x0 脚) 为了羲壅y 鲫) 与并( 拄) 频谱之间酶关系，我键巍获y ( 埠) 鹃z 交换入竽，鼯 y ( z ) = y ( m ) z 1= w ( m m ) z ” = w ( m ) p ( m ) z ”“ r a = 啪 霸为p ( 园可以看戒是羯絮为秘懿驾教序列，可震嚣梵薅立睁缀数形式： 所以有 又因为 所以 砌，= 吉黔幽m 耶卜，墨w c 嘲防f 1 m - 1 ，“卜 2 吉荟w ( e 。2 屹 t 肘一i l w ( z ) = 嚣 z ) x ( z ) y(z)。吉荟以p叫2屹珊(e-j2“tl,tzm-t i ) ( 3 7 ) f酣 l y ( e 知) 的圆周频率为埘，x0 如) 的圆周频率为吐，则 ，= 2 ，蘑| 。= 缮| t s i m ) = 2 感| s = 醚国； 婚。8 ) 这样，我们可由( 3 7 ) 及 3 8 ) 式锶别y ( e 扣) 秘x ( e i n ) 的关系，即 南京i l i i 电学院硕士毕业论文 第兰章多抽样率理论 y ( e j m y ) = 吉薹妒川删呜帅) = 古墓拶妒2 渺叩2 删q 幽 式中，若f 鲫，f 茎石，则l 蛾f 刀，m ，这也正是( 3 4 ) 式所给出的关系。但在该 式中，由于有嚣和弦) 的存在，冀频谱被敝制在| 致| t r i m 内，所戳，可仅考虑 。的一个周期，故上式可简化为 y ( ) = 吉x 一) 。万1 球