（通信与信息系统专业论文）多载波滤波器组定点算法研究.pdf

摘要 摘要 近年来，移动通信业务在全球范围内迅猛发展。除了语音、短信等服务外，人们还需要更多的多媒 体服务，不仅有新的应用，还需要无所不在的各种个性化的服务。在我国即将推出3 g 商用系统之际， 国内外移动通信领域的专家正在进行b 3 g 4 g 系统的研究和开发工作。本课题根据国家“十五”8 6 3 计 划无线通信f u t l r r e 计划确定的研究目标，东南大学移动通信国家重点实验室开展了“下一代移动通 信无线传输链路技术”课题的研究。本课题主要研究广义多载波频分双工混合多j c i i ：( g m c - f d d - x d m a ) 蜂窝移动通信传输技术。 g m c f d d - x d m a 方案以3 g 技术演进为出发点，充分考虑新一代蜂窝通信系统的后向兼容性；以 基于多天线环境的网络结构为构架；以基于分块传输的联合空时信号处理和新型t u r b o 接收机技术为提 高系统性能的主要手段：以高效的多相分解滤波器组实现方式为降低系统实现复杂性的主要方法；并充 分借鉴了o f d m 系统易于f f t 实现的优点。这种新一代移动通信系统传输技术将是开放式的，能够灵 活地吸收其它技术优点，具有高频谱利用率、低发射功率和支持大动态范围分组数据传输的能力，其总 体目标是：支持峰值速率为2 0 m b p s 1 0 0 m b p s 的高速i p ( i n t e r a c t p r o t o c 0 1 ) 分组传输，在车载环境中 峰值速率不低于2 0m b p s ：支持8k b p s 2 0m b p s 速率变化，不同q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 和非对称的 多媒体业务；系统容量达到3 g 系统的3 5 倍：提供与3 g 系统反向兼容性和与其它无线通信系统交互 工作的可能性：提供无线资源优化配置的灵活性；具备不同业务需求的用户其移动手持终端所需成本的 合理性。 本人参与了该课题研究工作，承担了广义多载波( g m c ) 滤波器组的定点算法研究工作。 掌握定点算法研究的理论基础，包括数字滤波器理论、f i r 滤波器的有限字长效应、d f t 的有限字 长效应、概率统计知识等。应用多速率滤波器组理论，对广义多载波滤波器组的快速实现算法进行了浮 点仿真研究，在此基础上，根据f p g a 实现结构设计定点算法。使用m a n 曲编程实现快速算法，分别 对合成滤波器组和分析滤波器组设计了四大模块：合成滤波器组的子载波调制和前移频模块、i d f t 和 后移频模块、循环扩展和点乘模块、累加移位输出模块，分析滤波器组的滑动模块、求和和点乘模块、 d f t 和前移频模块、子载波解调和后移频模块。对四大模块的每一级都进行了定点仿真研究：在相同 的输入数据下，对r a a t l a b 程序各模块的输出数据和浮点数据都进行了详细的对比，确保了m a t l a b 快速 实现定点算法程序的正确性，在此基础上使用c 语言编程实现快速定点算法，同样对四大模块进行了 定点仿真研究。将定点仿真的结果与浮点仿真的结果作比较，确保了定点仿真的性能符合广义多载波滤 波器组的设计要求。 在设定系统输入为高斯分布条件下，对所有模块的输出都进行了大量的仿真统计研究，统计了它们 的概率分布特性，统计结果表明，各模块的输出都为高斯分布，为各模块的定标提供了参考依据。 应用定点算法模块，为实验系统的链路联调提供了可靠的测试和参照数据。通过参与对广义多载波 滤波器组的f p g a 实现作m o d e l s i m 仿真，在硬件板上f p g a 实现进行调试，将m a t l a b 程序每个模块 生成的结果都输入到硬件板上，然后将硬件板上的输出数据与相应的m a t l a b 仿真结果作仔细的比较， 加速了f p g a 实现的故障定位和排除，并且优化了各模块f p g a 实现的定标方式。 为了克服移动台与基站之间的时钟频率偏差和多普勒频移对多载波各子带间的正交性的影响，本课 题的广义多载波滤波器组采用冗余技术，每个子载波之间的交迭点在- 1 5 d b 。付出的代价是低通原型滤 波器的阶数为2 1 7 ，运算量很大。而采用频障法来设计，在实现相同阶数低通原型滤波器时，运算量减 少了近4 0 ，最后得到的多载波滤波器组中子带交迭点为一1 5 5 d b 。在相同的运算量下，采用频障法可 以进一步改善滤波器频谱的矩形特性、提高频谱利用率。但是本论文对用频障法研究广义多载波滤波器 组的快速实现算法还不够深入，用频障法设计锐截止f i r 滤波器组的方法值得进行进一步的研究。 关键字：多载波，滤波器组，定点算法，概率分布，频障法 l a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa r ed e v e l o p i n gr a p i d l ya r o u n dt h ew o r l d b e s i d e sp h o n ea n ds h o n m e s s a g e ，w en e e dm o r em u l t i m e d i as e r v i c e sm e e t i n ga l lk i n d so fi n d i v i d u a ln e e d s o nt h ee m e r g i n go ft h e c o m m e r c i a la p p l i c a t i o no ft h e3 0m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s r e l a t e dw o r l d w i d ee x p e r t sa r ew o r k i n gh a r do nt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h eb 3 gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h e8 6 3f u t u r ep r o j e c to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s 。n a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hl a b o r a t o r yo f s o u t h e a s tu n i v e r s i t yi sr e s e a c h i n g t h et r a n s m i s s i o nl i n kt e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h a ti s ，t h eg e n e r a l i z e d m u l t i - c a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e xx - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( g m c - f d d x d m a ) c e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m g m c - f d d x d m ae v o l u t e sf r o mt h e3 g c o n t a i n sh i g hb a c k - s u p p o r tc a p a c i t y i t sf l a m ei so nt h eb a s eo f t h em u l t i a n t e n n ae n v i r o n m e n tn e t w o r k 。t i m e - j o i n t s p a c ed s po nt h eb l o c kt r a n s p o r t t u r b er e c e i v e rf o r i m p r o v i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，e f f i c i e n tm u l t i p h a s ed e c o m p o s i n gf i l t e r b a n kf o rd e c r e a s i n g t h e c o m p l e x i t yo f r e a l i z a t i o n g m c f d d ，x d m ai n h e f i t st h ee x c e l l e n c eo f o f d m a n dw i l lb eo p e na n dh a v eh i g h f r e q u e n c yu t i l i t ya n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a b l et ot r a n s p o r tp a c k e td a t ai naw i d e l yv a r i a b l es c a l e g m c f d d - ，x d m aa i m st o ：s u p p o r t2 0 m b p st o1 0 0 m b p si pp a c k e tt r a n s p o r t a t i o na n dn ol e s st h a n2 0 m b p si n t h em o v i n gc a r ，p r o v i d e8 k b p st o2 0 m b p sn o n - s y m m e t r ym u l t i m e d i as e r v i c ew i t hd i f f e r e n tq o s ，h a v e3t o5 t i m e sc a p a c i t yo f3 gs y s t e m ，b a c k - s u p p o r t3 gs y s t e ma n dc a p a b l et oi n t e r w o r kw i t ho t h e rw i r e l e s ss y s t e m s ， a g i l i t yf o rt h ed e p l o y m e n to f w i r e l e s sr e s o u r c e , t h er e a s o n a b l ec o s to f m o b i l ee q u i p m e n t t h ek e yt a s ko f t h i sd i s s e r t a t i o ni st h er e s e a r c ho f t h ef i x e d - p o i n ta l g o r i t h mo f t h eg m cf i l t e rb a n k s t h e t h e o r e t i cb a s eo ft h ef i x e d - p o i n ta l g o r i t h mw a ss t u d i e d ，i n c l u d i n gt h e o r yo fd i g i t a lf i l t e r s ，f i n i t e - p r e c i s i o n e f f e a t so ff i rf i l t e r s f i n i t e - p r e c i s i o ne f f e c t so fd f tt o e f f i c i a n t s a n dt h e o r yo fp r o b a b i l i t ys t a t i s t i c s ，t h e f l o a t i n g - p o i n ts i m u l a t i o n so ft h ef a s ta l g o r i t h mo ft h eg m cf i l t e rb a n k ss y s t e mj ss t u d i e do nt h eb a s eo f c o n c e p to f t h em u l t i r a t ef i l t e rb a n k ，t h e n ，t h ef i x e d - p o i n ta l g o r i t h mo f t h ef a s ta l g o r i t h ma r es t u d i e da c c o r d i n g t ot h ef p g as t r u c t u r eo fg m c f i r e r b a n k p r o g r a m m e dt h ea l g o r i t h mu s i n gb o t hm a t l a bf i x e d p o i n tt o o l b o x a n dcl a n g u a g ea n dd e s i g n e dt h ef o u rm o d u l e s ：f o rt h es y n t h e s i sf i l t e rb a n k s s u b c a r r i e rm o d u l a t i o n & f r o n t f r e q u e n c ys h i f tm o d u l e , i d f t b a c kf r e q u e n c ys h i f tm o d u l e e x t e n t i o n & m u l t i p l i c a t i o nm o d u l ea n d s h i f t a d dm o d u l e ，a n df o rt h ea n a l y s i sf i l t e rb a n k s ：s l i p p i n gm o d u l e ，s u m & p o i n t - m u l t i p l ym o d u l e ，d f t f r o n tf r e q u e n c ys h i f tm o d u l e s u b c a r r i e rd e m o d u l a t i o n b a c kf r e q u e n c ys h i f tm o d u l e ，w i t ht h es a m e i n p u td a t af o rt h ef l o a t i n g - p o i n ta l g o r i t h ms i m u l a t i o n st h ef i x e d - p o i n ta l g o r i t h ms i m u l a t i o n sw e r ed o n ea n dt h e r e s u l to ff i x e d p o i n tw a sc o m p a r e dc a r e f u l l yw i t ht h eo n eo ff l o a t i n g - p o i n ts i m u l a t i o n st oe n s u r et h e p e r f o r m a n c eo f t h ef i x e d p o i n ts i m u l a t i o n sm e e tt h ed e m a n do f t h er e a l i z a f i o no f g m cf i l t e rb a n k s a l lo u t p u t so fe v e r ym o d u l eh a v eb e e ns i m u l a t e di nd e t a i la n dt h e i rd r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o ns t a t i s t i c sh a s b e e nd o n ew i t ht h en o r m d i s t r i b u t i o ni n p u td a t a i tp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rs c a l i n go f e v e r ym o d u l e p r o v i d e de n o r m o u sr e l i a b l et e s ta n dr e f e f e n c ed a t af o rt h e o i n t - t e s to ft h et e s ts y s t e mw i t ht h e f i x e d p o i n ta l g o r i t h m a d d i t i o n a l l yt h em o d e l s i ms i m u l a t i o n so fg m c f p g aa n dt h er e a lr e s u l to ft h eg m c f p g aw e r es t u d i e dc a r e f u l l y a l li na l lt h er e s u i t so fm a t l a b 。cf i x e ds i m u l a t i o n s ，f p g am o d e l s i m s i m u l a t i o n sa n df p g ar e a l i z a t i o na r ec o m p a r e dc a r e f u l l yt oa c c e l e r a t et h ed e b u g g i n ga n do p t i m i z et h e s c a l i n g a n dt h i sa l s op r o v e dt h ec o l t g c t n e s so ft h ef i x e d - p o i n ta l g o r i t h m f o rd e c r e a s i n gt h ei n f l u e n c et ot h e o n h o g o n a lr e l a t i o n sb e t w e e ns u b - c a r d e r so ft h ec l o c kw i n d a g eb e t w e e nm o b i l ee q u i p m e n t sa n db a s es t a t i o n s a n dt h ed o p p l e rf r e q u e n c y ，g m cf i l e r b a n k su s e st h er e d u n d a n c yt e c h n i q u e s u b c a r r i e r sf l e do nt h e - 1 5d b ，t h e c o s ti st h el e n g t ho ft h eo r i g i n a ll o wp a s sf i l t e ri s2 1 7a n dt h ea m o u n to fc o m p u t a t i o ni s v e r yh i 曲b u t f r e q u e n c y - r e s p o n s e - m a s k i n g ( f r m ) t e c h n i q u ec a nh e l pt od e c r e a s ea b o u t4 0p e r c e n tc a l c u l a t i o nw i t hr e a l i z i n g t h es a m ef i l t e rl e n g t ha n di m p r o v et h er e c t a n g l ef r e q u e n c yc h a r a c t e ra n dt h ef r e q u e n c yu t i l i t yw i t ht h es a m e a m o u n to fc o m p u t a t i o n b u tt h es t u d yo fq u i c kr e a l i z a t i o nf o rt h eg m cf i l t e r b a n kw i t ht h ef r mi n t h i s d i s s e r t a t i o ni s n te n o u g l la n di ti sw o r t hw h i l et od of u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：g m c ，f i l t e rb a n k s ，f i x e d p o i n ta l g o r i t h m ，p r o b a n l i t yd i s t r i b u t i o n , f r e q u e n c y r e s p o n s e - m a s k i n g i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 萄电 日期： 毛。1 2 幼 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名； 苘竞 导师签名： 第1 章绪论 第i 章绪论 1 1 引言 近年来，移动通信业务在全球范围内迅猛发展。除了当前第二代移动通信所能提供的通话、短信等 服务外，人们还要求更多的多媒体服务，不仅有新的应用，还要能满足无所不在的各种个性化的服务。 3 g 系统实际所能提供的最高速率也只有2 m b p s ，不能满足未来用户的实际需求，因此在我国即将推出 3 g 商用系统之际，国内外移动通信领域的专家正在进行b 3 g 4 g 系统的研究和开发工作i l j 。 欧洲从9 0 年代早期就开始b 3 g 4 g 移动通信系统的研究，其目标速率是2 0 1 0 0 m o p s ，预期在2 0 1 0 左右投入商用。国际电信联盟i t u - r 在1 9 9 9 年成立了w p s f 工作组，主要任务是负责3 g 未来发展和 b 3 g 的研究。在2 0 0 1 年1 0 月举行的第六次会议上讨论提出了n f 孓2 0 0 0 未来发展及超i m t - 2 0 0 0 的远 景框架及总目标( 删n 脚) l 。目前关于b 3 g 4 g 的一些热点技术有以下几个方面： 1 ) 全俨技术。核心俨网络不是专门用作移动通信，而是作为一种统一的网络，支持有线及无线 的接入。它就像具有移动管理功能的固定网络，其接 点可以是有线或无线。无线接入点可以 是蜂窝系统的基站，删( 无线局域网) 或者a dh o c 自组同等。对于公用电话网和2 g 以及 未实现全俨的j g 网络等则通过特定的网关连接。 2 ) 软件无线电技术。将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方 式来实现各种类型的无线电通信系统的具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序， 在硬件平台上可以实现不同的功能，实现在不同的系统中利用单一的移动终端进行漫游。核心 思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带a d 和d a 变换器，并尽可能多地用软件来定义无 线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现，其软件系统包括各类无线信令规则与处理 软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。 3 ) 自适应调制与编码( a m c ) 。根据信道条件瞬时的变化改变调制与编码格式( 传输格式) 。a m c 扩展了系统自适应良好信道条件的能力。信道条件应基于从接收机反馈信息来估计。具有a m c 的系统，对于靠近小区基站的用户分配给较高码率的较高阶的调制( 例如6 4 一q a m ，r = 3 1 4 t u r b o 码) 。另一方面，对靠近小区边界的，则分配给具有较低码率的较低阶调制( 例如q p s r 。r = - l i 2 t u r b o 码) 。a m c 允许按照信道条件分配给不同的用户不同的数据率。由于倍道条件在时间上的变化， 接收机将收集一系列信道的统计数值，用来提供给发射机和接收机去优化系统参数，如调制及 编码、信号带宽、信号功率、训练周期、信道估值滤波器，以及自动增益控制。 4 ) 自适应复合a r q 。一个成功的无线系统必须有有效的媒体接入控制( m a c ) 层，在有损无线信 道上具有可靠的链路性能。设计相应的m a c 使t c p i p 层看来为一高质量的链路。它由自动重 传及分片机制似胄q ) 获得，后者为接收机将从上层收到的信包分成更小的子信包，并被依次地 发出。如果子信包未正确地接收，则发射机被要求重传。五r q 可看成是将时间分集机制引入到 系统中，这是因为它具有从噪声、干扰和衰落中恢复的能力。自适应a r q 比单独的链路自适 应有更大的增益。复合彳r q 自优化与自动地调整l 信道条件而不需要经常或高度精确的c 1 比的测量：仅当需要时才加入冗余度；接收机保存失败的传输，试图去协助未来的译码；每 一传输有助于增加信包成功的概率。 5 ) m i m o 技术。利用m i m o 信道的空间复用增益，可以提高无线信道容量，在不增加带宽和天线 发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。同时m i m o 信道的空间分集增益，可以提高 信道的可靠性，降低误码率。对b 3 g 无线移动通信增加高性能的要求促使其在基站及用户终端 采用多天线系统。多天线技术具有很高的能力去适应互联网及多媒体服务，并能极大地增加通 信范围与可靠性。这一设计是由于宽带无线互联网接入日益增长的需求促成的。对无线宽带接 入的挑战在于要求提供与有线技术可以比拟的服务质量，而只有相似的可竞争的价格。对此系 t 东南大学硕士学位论文 统的目标频带为2 5 c h z , 由于其具有较好的传播特性和低的射频( 胴设备价格。宽带信道是 一典型的非视线信道，并包含不匹配性，例如时间选择性及频率选择性衰落。发射机和接收机 的多天线提供了在一衰落环境下的分集。采用多天线则产生了多个空间信道，从而不会所有的 信道同时产生衰落。多个信道同时并行工作可大大增加系统的容量。 6 ) 多载波技术。多载波技术是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是 非平坦的，而多载波技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子 信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的， 即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输， 信号带宽小于信道的相干带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。多载波技术的最大优 点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰，主要的技术难点是系统中的频率和时间同步、基于导 频符号辅助的信道估计、峰均比问题和多普勒频偏的影响。 1 2 多载波技术及其应用广义多载波传输系统 通信分为两大类：有线通信和无线通信。不论是有线电缆，无线电射频或者是光纤，这些传输信道 的频率响应都不是完全理想的，数据传输速率越高，所占用的信道带宽越宽，信号的失真就越明显，需 要越复杂的均衡算法来克服它。多载波调制( 脚枷的出发点是把一个带宽较宽的非线性信道，划分 成若干个子信道。从每个子信道来看，它的频率响应是近似平坦的。这样，就可以把高速的数据流分解 成若干个低速的子数据流，分别在各个子信道上并行传输。 多载波调制的思想源于五、六十年代，当时人们提出了在相互间隔一个码元速率的多个载波上进行 并行的交错9 4 吖调制来传输信号，但由于受条件限制，产生独立、稳定的并行多路载波，并在接收端 很好的恢复它比较困难，使得该技术一度难以实用。随着通信技术和数字信号处理技术的发展，采用 f f t 使实现多载波调制成为可处理技术，多载波调制才又重新被人们所重视，并得到广泛的应用。目前 最常用的多载波调制的方式是正交频分复用。该技术能方便地与亚m 私和c m 州技术相结合，构成灵 活的、易于调配的空中接口，且能够方便地利用月叮进行实现。但其在应用于蜂窝移动通信系统时存 在一些缺点：难以实现与3 g 和增强型3 g 的后向兼容；为便于用可实现，需增加循环保护时间间隔 c p ，将使频谱利用率下降2 0 以上；对反向信道引入的定时误差和频率偏差、多普勒频偏极为敏感， 若每个子载波的带宽为1 0 0k h z ，则频偏应控制在lk h z 以内，实际应用中难以满足；第四，较难解决 传输信号的峰均比相对较高及对非线性效应敏感的问题。针对这些缺点，东南大学移动通信国家重点实 验室高西奇教授提出了广义多载波( g a 贮，g e n e r a l i z e d m u l t i - c a r r i e r ) 调制技术”j 。 g m c 技术既能吸取正交频分复用的易于f 玎实现的优点，又能调节各个子载波的带宽、子载波之 间的交叠程度、以及各子载波调制方式，克服正交频分复用系统的定时和频偏敏感性、难以与3 g 和增 经型3 g 的后向兼容、以及因c p 引入所造成的频谱利用率下降等缺点，且能与f d m a 、t d m a 和c d m a 直接结合，构成棍合多址( x d m a ) 接入方式，具有不同业务需求的用户，可以动态地占用一个或多个 子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、码道等，从而克服正交频分复用系统的高峰均比问题、 对谁线性效应的敏感性问题、以及较难实现不同用户移动终端所需成本的合理性闯题等。g m c 技术具 有技术上的开放性和未来发展的灵活性。 本课题根据国家“十五”8 6 3 计划无线通信f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d i o e n v i r o n m e n t ) 计划确定的研究目标，开展下一代移动通信无线传输链路技术研究。本课题研究广义多 载波( g m c ，g e n e r a l i z e dm u l t i - c a r r i e r ) 频分双工( f d d ，f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 混合多址( x d m a ， x d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信传输技术。 g 埘删d 徘纠方案以3 g 技术演进为出发点，充分考虑新一代蜂窝通信系统的后向兼容性：以 基于多天线环境的网络结构为构架；以基于分块传输的联合空时信号处理和新型t u r b o 接收机技术为提 2 第1 章绪论 高系统性能的主要手段：以高效的多相分解滤波器组实现方式为降低系统实现复杂性的主要方法；并充 分借鉴了正交频分复用系统易于用可实现的优点这种新一代移动通信系统传输技术将是开放式的， 能够灵活地吸收其它技术优点具有高频谱利用率、低发射功率和支持大动态范围分组数据传输的能力， 其总体目标是： 1 ) 支持峰值速率为2 0 m b p s 1 0 0 m b p s 的高速i p ( f n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 分组传输，在车载环境中峰 值速率不低于2 0m b p s 2 ) 支持8k b p s 2 0m o p s 速率变化、不同q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 和非对称的多媒体业务。 3 ) 系统容量达到3 g 系统的3 5 倍。 4 ) 提供与3 g 系统反向兼容性和与其它无线通信系统交互工作的可能性。 5 ) 提供无线资源优化配置的灵活性。 6 ) 具备不同业务需求的用户其移动手持终端所需成本的合理性。 系统方案的总体框架为： 1 ) 系统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模式下，可把总带宽( 连续或非连续) 为2 0 睦 的信道分解成1 6 个3 d 8 带宽为1 2 8 a t 垡 i z 的基本子载波，通过1 6 个子带的滤波器组( f i l t e r b a n k ) 进行多载波合路和分路，多载波滤波器组可通过本课题组的发明专利技术多相分解和f f t 快速实现；在扩展模式下，可把相邻的基本子载波合成为带宽为3 8 4 皿陇扩展子载波，可根 据未来不同国家的频谱分配情况，灵活地分配不同的扩展子载波，并可实现与3 g 系统的共存 与后向兼容。 2 ) 支持x d m a 混合多址方式：每个基本子载波或扩展子载波可采用t d m a 方式、多码道c d m a 方式、自适应调制编码、空时联合发送与联合检测、自适应时隙结构等技术以及它们之间的相 互组合，以达到支持高效分组传输之目的。 3 ) 采用极为灵活的x d m a 混合多址方式共享无线资源，每个移动用户可动态地占用一个或多个基 本子载波或扩展子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、码道等，从而达到从1k b p s 至 1 0 0m b p s 的大动态范围传输的要求；并可通过不同小区间的基本子载波或扩展子载波的灵活分 配，避免系统所可能遇到的时隙碰撞问题。 4 ) 可扩展至多天线环境，通过设置多于发射天线数的接收天线，使系统频谱利用率线性提高，或 使发射功率线性降低，从而满足系统容量提高3 5 倍，发射功率降低1 0d b 以上之要求。 1 3 论文的主要工作和结构 本文是作者在攻读硕士学位期问。参与f u t u r e 项目g 贮一f d d 以d a 舶通信系统的广义多载 波滤波器组研制工作的总结。工作包括三个方面。其一，认真总结、掌握定点算法研究的理论基础，研 究多载波滤波器组的算法，包括合成滤波器组和分析滤波器组的数字快速实现算法。还研究了其数字实 现方法。其二。根据前期提出的f p g a 实现结构设计定点算法，使用m a t l a b 、c 等工具对快速算法进 行定点仿真得出算法性能。其三，在i s e 集成开发环境下，应用m o d e l s i m 、s y n p t 沙等工具软件验证了 滤波器组快速算法的f p g a 实现，并将m o d e l s i m 仿真结果与m a t l a b 、c 语言定点仿真结果以及x i l i n x v i r t e x - l lp r o1 0 0 芯片实现结果加以比较，进一步验证了定点算法的正确性。另外，本人对前期提出的 多载波滤波器组最优的四大模块的实现结构进行了大量的定点仿真研究上，即对包括子载波调制和前移 频模块、i d f t 和后移频模块、循环扩展和点乘模块、累加移位输出模块以及分析滤波器组的滑动模块、 求和和点乘模块、删叮和前移频模块、子载波解调和后移频模块在内的所有模块的每一级的输入输出 都进行了大量详细的仿真研究，并仔细统计了它们的概率分布特性，为每一级模块的定标提供了参考依 据。本论文总共分为七章，主要内容如下： 3 东南大学硕士学位论文 第l 章主要内容是多载波技术及其应用广义多载波传输系统： 第2 章主要内容是多速率信号处理的一些基本概念，以及多速率滤波器组的基本概念和广义d f t 概念； 第3 章主要内容是g m c - f d d - x d m a 系统的广义多载波滤波器组结构、相应的原理，并从硬件的 实现角度考虑，研究了广义多载波滤波器组的快速实现算法； 第4 章主要内容是定点算法研究的理论基础，包括量化与量化误差、f i r 滤波器的有限字长效应、 d f t 的有限字长效应、m a t l a b 在概率统计中的应用等： 第5 章主要内容是广义多载波滤波器组快速实现算法的f p g a 实现结构，为下章设计定点算法 提供参考依据； 第6 章针对广义多载波滤波器组的f p g a 实现结构设计定点算法。迸行了基于m a t l a bf i x e d - p o i n t 工具箱和基于c 程序的定点仿真，给出了定点算法性能。还给出了硬件板上测试结果、m o d e l s i m 仿真 结果、m a t l a b 定点仿真结果三者的比较，在同样的输入数据情况下，将m a t l a b 程序每个模块生成的结 果都输入到硬件板上，然后将硬件板上的输出数据与相应的m a t l a b 程序生成的结果都作仔细的比较， 加速了f p g a 设计的故障定位和排除，并且优化了各模块的定标方式。在设定系统输入为高斯分布条 件下，对所有模块的输出都进行了大量的仿真统计研究，统计了它们的概率分布特性，统计结果表明， 各模块的输出都为高斯分布，为各模块的定标提供了参考依据。 第7 章主要内容是为用频障法设计广义多载波滤波器组，并将用频障法设计与用其他方法设计低通 原型滤波器进行了比较： 第8 章对上述工作做了总结； 参考文献 1 1tz a h a r i a d i s ，d k a z a k o s ，“r e v o l u t i o nt o w a r d4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，”i e e ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s 。v 0 1 1 0 ，1 1 0 4 ，p p 6 - 7 ，a u g 2 0 0 3 【2 】b ge v a n s ，k b a u g h a n ，“v i s i o n so f4 g , ”e l e c t r o n i c s c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n gj o u r n a l ，v 0 1 1 2 ，n o 6 ，p p ，2 9 3 3 0 3 ，d e c 2 0 0 0 【3 】b r s a l t z b e r g ，“c o m p a r i s o no fs i n g l e - c a r r i e r a n dm u l t i t o n ed i g i t a lm o d u l a t i o nf o ra d s l a p p l i c a t i o n s 。”1 e e e c o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e ，v 0 1 3 6 ，n o 1 1 ，p p ，1 1 4 1 2 1 ，n o v 1 9 9 8 【4 】m a t z a n n e s ，m c t z a n n e s ，j p r o a k i s ，e ta 1 ，“d m ts y s t e m s ，d w m ts y s t e m sa n dd i g i t a l f i l t e rb a n k , ”i ni e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nc o m m u n i c a t i o n s ( i c e9 4 s u p e r c o m m f c c 9 4 ) ，m a y1 9 9 4 ，v 0 1 1 ，p p 3 1 1 - 3 1 5 5 】高西奇广义多载波并行传输系统的优化设计与快速实现0 3 3 g 研究系列报告) 南京：东南大 学移动通信国家重点实验室b 3 g 研究组2 0 0 3 4 第2 章多速率数字信号处理理论 第2 章多速率数字信号处理理论 2 1 多速率系统 系统不同部分有着不同采样率的离散时间系统称为多速率系统( m u l t i r a t es y s t e m ) 1 1 1 2 多速率系 统在数字滤波器、信号编码、数据压缩等许多领域有广泛的应用 2 2 多速率滤波器组 多速率滤波器组以其灵活处理各种速率要求的数字信号而受到广泛关注，它将信号划分为不同的子 带，针对各个子带的特点做不同的处理。滤波器组是一组数字滤波器的集合，它由分析滤波器组和合成 滤波器组组成，分析滤波器组具有共同的输入信号，合成滤波器组具有共同的输出信号，图2 1 所示是 m 带滤波器组原理图。其中，z ( h ) 是输入信号，“h ) 是输出信号。分析滤波器组得到分解的子信道信 号毛( ) ，k = 0 ，l ，m l 。分析滤波器组的脉冲响应是吃( ”xk = 0 ，1 , - - m l ，合成滤波器组的脉冲响应 是工如) ，k = o ，1 ，m l 。当滤波器组的子信道数m 与其抽取倍数( 或插值倍数) n 相等，即n = 肘时， 称为最大采样滤波器组；当n m 时，称为冗余滤波器组l j j l 4 j 。 y o ( n ) f 分析滤波器组一 一合成滤波器组一 图2 1m 带滤波器组原理图 以最大采样滤波器组为例，设风0 x 耳( = ) ，以。( 力是分析滤波器组相应