（通信与信息系统专业论文）tetra数字集群通信系统多载波调制技术的研究.pdf

中文摘要 摘要：t e t r a 数字集群移动无线通信系统是e t s i ( 欧洲通信标准协会) 为了满足 欧洲各国的专业部门对移动通信的需要而设计、制定统一标准的开放性系统。为 了满足高速数据传输和适用基于i p 的高速多媒体应用，t e t r a 标准发展出t e t r a i i ，其物理层采用了一系列先进的技术，其中调制技术采用了基于滤波器组的多载 波调制滤波多音调制f m t 。t e t r a 系统在我国公安、交通运输等部门得到了广泛 应用，但是目前设备和技术都被国外垄断，设备引入价格昂贵，限制了我国数字 集群系统的持续发展。所以自主研发t e t r a 系统具有重要的理论和现实意义。 本文主要研究f m t 调制技术及其信道均衡和估计。论文研究了f m t 调制基 本原理以及滤波器组在多载波调制中的应用，重点研究了非严格采样f m t 调制的 有效实现方式，仿真分析了非严格采样f m t 在a w g n 下的误比特性能，并与 o f d m 进行了比较。论文研究了f m t 系统子信道等效，得出在一定假设条件下， 输出信号是输入信号与传输信道频率响应的乘积，以此结论采用了后置式d f e 均 衡方式，仿真分析了基本d f e 、p o s t d f e 以及分别基于m m s e 和迫零准则的线性 均衡算法，仿真结果表明单抽头频域均衡虽然性能稍差于基本d f e ，但计算量小， 更具实用性。论文研究了t e t r a 中导频符号的插入方式，并以此结合基于导频的 信道估计算法，利用二维线性插值和时域贝叶斯估计频域线性插值两种算法估计 信道，仿真表明，基于时域贝叶斯估计频域线性插值的算法性能更好。 关键词：f m t ；滤波器组多载波调制；判决反馈均衡；线性均衡；基于导频信道 估计；二维线性插值；贝叶斯估计 分类号：t n 9 2 9 5 i 匕立交堑态堂亟堂焦途塞旦si i a b s t r a c t a b s t r a c t ：t e t r a d i g i t a lm o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db yt h e e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ( e t s i ) t os a t i s f yt h er e q u i r ef r o m p r i v a t em o b i l er a d i os e c t o r si ne u r o p e t e t r as t a n d a r dh a sd e v e l o p e dt e t r a r e l e a s e2w h i c hi ss u i t a b l ef o ri p - b a s e dh i g h s p e e dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s t e t r a r e l e a s e 2 a d o p t s as e to fu p - t o d a t e t e c h n o l o g i e s t h ep h y s i c a ll a y e ra d o p t s f i l t e r - b a n k - b a s e dm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nf i l t e r e dm u l t i t o n e m o d u l a t i o n ( f m t ) t e t r a s y s t e mh a sb e e nu s e dw i d e l yi nc h i n a sp u b l i cs e c u r i t y ，t r a n s p o r t a t i o na n ds o o n b u tt h ee q u i p m e n t sa n dt e c h n o l o g i e sa r em o n o p o l i z e db yf o r e i g nc o u n t r i e s t h a t m a k e st h ec o s t st o oe x p e n s i v ea n dl i m i t st h ec o n t i n u e dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lt r u n k i n g s y s t e mi no u rc o u n t r y s od e v e l o p i n gt e t r ai n d e p e n d e n t l yh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e b o t hi nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l t h i sp a p e rf o r u s e so nf m tm o d u l a t i o nt e c h n o l o g ya n di t sc h a n n e le q u a l i z a t i o na n d e s t i m a t i o n t h ef u n d a m e n t a lo ff m tm o d u l a t i o na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ef i l t e r b a n k si nt h em u l t i c a r r i e r sm o d u l a t i o nh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h e np a p e rp r e s e n t st h e e f f e c t i v ea c h i e v ew a yo fn o n - s t r i c t e ds a m p l e df m tm o d u l a t i o n ，a n da n a l y z e si t sb e r p e r f o r m a n c ew h i c hi sa l s ob ec o m p a r e dt oo f d mi nt h ea w g n a f t e rs t u d i e df m t s u b c h a n n e l s ，p a p e rc o n c l u d e st h a tt h eo u t p u ts i g n a li st h ep r o d u c to ft h ei n p u ts i g n a l a n dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h et r a n s m i t t e dc h a n n e lu n d e rs p e c i f i cc o n d i t i o n s a sa r e s u l t ，p a p e ru s e st h ep o s td m t i nc h a n n e le q u a l i z a t i o n ，a n da n a l y z e st h eb a s i cd f e ， p o s td f ea n dt w od i f f e r e n tl i n e a re q u a l i z a t i o na l g o r i t h m sw h i c ha r er e s p e c t i v e l yb a s e d o nm m s ea n dz e r o - f o r c i n gc r i t e r i o nt h r o u g hs t i m u l a t i o n t h er e s u l to ft h es t i m u l a t i o n p r e s e n t st h ep e r f o r m a n c eo fs i n g l et a pf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o ni sw o r s et h a nb a s e d f e ，b u ti th a sl e s sc o m p u t a t i o na n dm o r ep r a c t i c a l a tl a s t ，p a p e rr e s e a r c h e so nt h e i n s e tm o d eo fp i l o ts i g n a li nt e t r a a n dp a p e rc o m b i n e st h i sm o d et ou s et w o d i f f e r e n tc h a n n e la l g o r i t h m s ，o n ei st w o d i m e n s i o n a ll i n e a ri n t e r p o l a t i o na n dt h eo t h e ri s b a y e s i a ne s t i m a t i o ni nt i m ed o m a i na n dl i n e a ri n t e r p o l a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i n t h e r e s u l to fs t i m u l a t i o ni n d i c a t e st h el a t t e ro n eh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：f m t ；f i l t e r - b a n km u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ；d f e ；l e ；p i l o t - b a s e d c h a n n e le s t i m a t i o n ；t w o d i m e n s i o n a ll i n e a ri n t e r p o l a t i o n ；b e y e s i a ne s t i m a t i o n c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师姚冬苹副教授的悉心指导下完成的，姚冬苹副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年多来姚老师对我的关心和指导。 姚冬苹老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向姚老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，任熠、梁华予、张中晟等同学对我论文中的 研究和仿真工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 综述 数字集群系统是有调度功能的专用移动通信系统，多个用户( 部门、群体) 共同使用一组无线电信道并动态的使用这些信道。与其他移动通信系统类似，集 群通信系统也经历从模拟系统到数字系统的发展过程。集群系统能够提供指挥调 度、电话互联、数据传输、短消息收发等多种业务，可为一些要求通话建立速度 快的指挥调度部门提供专业的服务。数字集群系统如今得到越来越广泛的应用和 发展。t e t r a 系统是比较成熟的数字集群技术标准，t e t r a 标准一直不断地进 行完善，随着实际需要增加新的功能，是一种功能强大技术先进的数字集群系统。 我国已选择t e t r a 空中接口技术作为数字集群专用移动通信标准之一，研究 t e t r a 的关键技术对专用移动通信需求研究开发具有实际意义。 1 1课题的研究背景、意义和内容 t e t r a ( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o 一陆上集群无线电) 数字通信系统是基于 数字时分多址( t d m a ) 技术的专业移动通信系统，该系统由e t s i ( 欧洲通信标 准协会) 制定统一标准的开放性系统。于1 9 9 8 年开始投入，如今已成为欧洲的标 准，像g s m 一样，获得包括美国在内的欧洲以外国家及地区使用。 t e t r a 数字集群系统可在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输和电话服 务，不仅具有组呼、单呼功能，而且提供短数据信息服务、分组数据服务以及数 字化全双工移动电话服务。t e t r a 还支持功能强大的移动台脱网直通( d m o ) 方 式。可实现鉴权、空中接口加密和端对端加密。 t e t r a 数字集群系统的有以下特点：具有丰富的服务功能、更高的频谱利用 率、高通信质量、灵活的组网方式、快速的呼叫建立( 3 0 0m s ) 。 t e t r a 向p m r 和p a m r 部门的专业用户提供服务。t e t r a 用于公共安全组 织( 公安武警、消防和救护服务) ，运输交通( 轻轨地铁、机场、港口) ，公用事 业、政府以及军队等。 我国已建立t e t r a 通信网，北京正通公司的8 0 0 m h zt e t r a 网、北京市公 安局和武警北京总队两个3 5 0 m h zt e t r a 网都已经圆满地保障了例如北京中非 论坛、中国共产党第十七次党代表大会、二十九届奥运会、残奥会、亚欧首脑会 议以及建国六十周年大庆等重大活动。上海世博会、广州亚运会和深圳大运会等 都已先后选择和建设t e t r a 系统作为首要的移动指挥调度通信的保障工具。成都 市信息办的8 0 0 m h zt e t r a 网在抗汶川地震中也显示了它的不可磨灭的作用。 我国t e t r a 市场处于快速发展阶段，对数字集群有很大的市场需求。但是我 国一直不具备t e t r a 的知识产权，核心技术长期掌握在国外厂商手里，存在专利 等知识产权保护壁垒，集群产业的本土化发展严重受阻，专网通信的安全性和高 效性也无法保障，长期以来，形成了依赖进口设备采购和维护成本居高不下的局 面，无论是网络设备还是终端设备，其价格都非常昂贵。 t e t r a 项目技术难度大、行业门槛高，国内企业从事该行业研究的仅有一、 两家，且仍处在预研阶段。数字集群专网市场虽造就不了中兴、华为这样的企业， 但利润之高是g s m 、c d m a 等公众网所不可比拟的，近千亿的市场份额也不能让 m o t o r 、n o k i a 这些外企独享。况且，军队、安全、公安、海关等国家强力部 门宁可使用老的模拟系统，也不会选用国外品牌。所以不论从经济效益角度还是 从技术安全角度看，我们都应该自主研发t e t r a 数字集群系统，发展数字集群民 族产业。 随着对移动无线通信数据速度越来越高的需求以及无线网与互联网、多媒体 业务进一步融合的趋势，t e t r a 标准发展出了t e t r ai i ，目标是速率至少达到 t e t r a 中数据速率上限2 8 8 k b i t s 的十倍。t e t r a i i 标准中的高速数据服务( h s d ) 适用于基于i p 高速多媒体应用，标准的主要成果是t e t r a 增强数据业务( t e d s ) ， 在2 0 0 5 年末完成。所以t e t r ai i 是一个很新的通信标准，里面采用了许多最先 进的技术，有很大的研究空间。t e t r ai i 的物理层采用了一系列先进的技术【1 ： l 、采用了基于滤波器组的多载波调制方式，这种调制方式在频率选择性衰落 信道中表现出很好的鲁棒性。子载波数从8 个( 2 5 k h z 信道带宽) 到4 8 个( 1 5 0 k h z 信道带宽) ，子载波频率间隔是2 7 0 0 h z 。并且采用频率利用率高的多级调制方式， 子载波上的符号调制可根据传输信道质量自适应地选择4 q a m 、1 6 q a m 和 6 4 q a m ，提高系统数据吞吐量以达到真正的h s d 能力 2 】【3 1 。这些q a m 调制外加 万8 一d q p s k 调制与当前t e t r a 中使用的石4 一d q p s k 调制方式一起构成 t e t r ai i 的调制方式。t e t r ai i 采用了链路自适应技术，不仅能自适应选择调制 级( 4 一q a m 、1 6 q a m 和6 4 q a m ) ，还自适应选择编码率和信道带宽( 2 5 k h z 、 5 0 k h z 、1 0 0 k h z 和1 5 0 k h z ) ，增加系统性能( 如总信息吞吐量) 。 2 、信道编码上，在业务信道使用码率1 2 、2 3 和l 的p c c ct u r b o 编码，对 头模块单独使用一种基于r e e d m u l l e r 的块编码来增加载荷性能并使时隙解码和网 络运营可靠。 3 、使用扇区天线，不用增加基站而增加高速信道覆盖。 除了物理层以上的增强，t e d s 的高层也加了一些主要特点，以支持在空中接 口点对点和点对多点有效的i p 分组数据服务。 本文主要研究了t e t r ai it e d s 物理层多载波调制f m t 技术，包括f m t 基 2 带有效实现方式调制解调、使用于f m t 的信道估计和信道均衡。 1 2 国内外研究现状 t e t r a 选择万4 一d q p s k 调制方式，选择这种调制方式的优点是【4 】【5 】：信息 由相位的改变来传递，不需要估计载波的绝对相位，可以采用简单的非相干解调 方式；幅度没有过零点，有利于设计线性射频功率放大器。t e t r a 采用的信道模 型来源于g s m ，虽然刀4 一d q p s k 在h i l l y t e r r a i n 的情况下b e r 性能显著变差， 但是并没有坏到不能通信的程度。实际上在h i l l yt e r r a i n 情况下不用基带均衡也可 以满足b e r 的一致性测试要求，所以是否用均衡器由设备设计者根据需要衡量额 外的复杂性和功耗获得性能的改善决定。 为了支持宽带多媒体服务同时保证在时间频率选择性移动衰落信道下可靠的 链路性能，t e t r ai it e d s 选用了一系列最新的技术。在调制方式上，除了 万4 一d q p s k 调制，增加了z 1 8 一d q p s k 调制以及基于滤波器组的多载波调制方 式。采用多载波调制方式是因为这种调制方式在频率选择性衰落信道下也有健壮 性能。还采用了频谱效率高的多级调制方式，提高系统吞吐量达到真正的h s d 能 力，采用自适应技术，根据传播信道变化的情况自适应的选择调制等级( 4 q a m 、 1 6 一q a m 或6 4 一q a m ) ，编码率和信道带宽。 多载波调制方式在频率选择性信道中显示了显著的健壮性。大家最熟悉的多 载波技术正交频分复用( o f d m ) ，在高比特率传输领域中的几种标准中被提出作 为核心调制技术，例如地面数字音频广播( d a b ) 、地面数字视频广播( d v b t ) 、 无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 a g 和h i p e r l a n 2 、以及宽带无线接入( b w a ) i e e e 8 0 2 1 6 。 在这种趋势下，t e d s 物理层也基于多载波调制技术，但是与以上提到的标准不同， 其采用一种不同的调制技术，通常称为滤波器组多载波调制( f b m c m ) 。 滤波器组多载波调制技术最开始在高速有线接入网中引进 6 】，最近成为地面回 传通道d v b ( d v b r c t ) 的标准。它与传统的o f d m 技术不同点在于数据符号 先经过脉冲成形后再调制到不同的子载波上，这样导致子载波的频带被带限，各 个相邻子载波只有一部分重叠。这种特点带来了很多好处有：减少了窄带干扰的 敏感度；不需要循环前缀后缀就可以均衡，提高了频带利用率：带宽分配更加灵 活。 t e d s 中采用的滤波多音调制( f m t ) 是滤波器组多载波调制的一种，由 g i o v a n n i 于1 9 9 9 年提出作为极高速数字用户线路( v d s l ) 的调制方式【7 j ，并给出 了有效实现方式【引。t e n e l l o 将f m t 用于多用户通信【9 】，并提出另外两种有效实现 方式【1 0 】，分析了f m t 调制在衰落信道中的性能【1 1 。 f m t 技术主要的研究问题包括：有效数字实现，原型滤波器的设计，信道估 计和均衡方法的研究，以及总体的性能分析。 有效实现。滤波器组多载波调制往往采用有效实现方式，通过傅里叶变换 ( i d f t ) 以及多相滤波器技术实现。f m t 调制分为严格采样f m t 和非严格采样 f m t 。严格采样f m t 是采样因子等于子载波数目，其有效实现比较简单，多相滤 波器不需要循环移位；非严格采样f m t 是采样因子大于子载波数目，在有效实现 中多相滤波器是时变的，需要循环移位操作，比较复杂。g i o v a n n 给出了两者的有 效实现瞵j ，通过对信号以子载波数目为周期进行多相分解获得的，采用i f f t f f t 以及多相滤波器的方法。t e n e l l o 给出了基于时域和频域的有效实现【1 0 】，其时域方 法是通过对信号以采样因子和子载波数的最小公倍数为周期进行多相分解获得 的，也是采用i f f t f f t 以及多相滤波器方法，比g i o v a n n 提出的方法简单易懂。 频域的方法是对信号进行以采样因子为周期的多相分解获得的，通过i f f t f f t 以 及加权叠加的方法。 原型滤波器的设计。f m t 系统原型滤波器的设计影响系统的i s i 和i c i ，是f m t 的关键参数之一。b a h r a mb o m a 提出了基于迭代功率负载算法的原型滤波器设计 【l 引，这个设计可以用来选择f m t 系统子载波个数，以满足i c i 和i s i 的要求。张 丙峰以输出端子信道的信干比最大化为准则得到一个优化的滤波器设计方法【l 引， 该方法可以得到有最小化阻带能量的原型滤波器。朱维红基于系统最信道大容量 的准则设计原型滤波器【l4 1 。许晓荣采用不同窗函数同时采用频率采样法、l s 算、 约束l s 算法等设计了不同的低通滤波器，分析不同滤波器构成的滤波器组的性能 【l5 | 。张灿采用了优化的最小均方误差法设计滤波器，经过优化后的设计有效控制 了滤波器峰值起伏，减小了信号幅值失真【l6 1 。 信道均衡。f m t 系统频带约束力很好，使得i c i 小到可以忽略，所以各个子 载波可以看做是相互独立的，在输出端均衡时可以对每个子信道单独均衡，均衡 的对象是由原型滤波器和传输信道带来的i s i 。b e n v e n u t o 等人给出了三种适用于 f m t 的简单有效的均衡算法【i7 1 ，这三种算法由判决反馈( d f e ) 均衡器演变而来， 一种是基本d f e 结构，在每个子载波输出端插入d f e 。另外两种在基本结构上进 行改进，提出了后置d f e 和前置d f e 均衡结构，并比较了f m t 和o f d m 在这三 种均衡时的复杂性以及性能，得出虽然f m t 稍微复杂，但在a b r 和b e r 上的性 能都比o f d m 好的结论【l 引。j o a og o m e s 研究了基于f m t 调制的水下通信，文章 使用后置式d f e 并融合了信道估计，信道估计值改变了均衡器系数，改善了均衡 的性能【1 9 】【2 0 1 。钟华经过公式推导根据最小均方误差准则提出了频域子信道均衡算 法，均衡器系数由最小二乘准则实现【2 ，又提出了以最大化比特速率为目标确定 均衡器系数的频域均衡算法【2 2 1 ，此算法提高了a b r ，但是这两个算法只适用于严 4 格采样f m t 系统，不能用于非严格采样f m t 。钟华在前两个文献的基础上，将函 数连接型神经网络算法用于f m t 系统均衡，并提出了基于扩展卡尔曼滤波的 f l a n n 算法【23 i ，此算法在信号经过非线性衰落时比d f e 和线性均衡有更好的性 能。论文还使用t u r b o 迭代算法均衡f m t 滤波器带来的i s i 。论文将盲均衡算法 用于f m t ，提出了修正步长盲均衡算法。张丙峰研究了基于辅助数据均衡技术以 及基于d f e 结构的与编码技术【2 4 】【2 5 】【2 们。 信道估计。如果已知信道信息就能更加准确快速的均衡信道，信道估计就是 帮助均衡获得更好的性能。f m t 调制结构比o f d m 复杂，用于o f d m 的信道估 计未必能同样用于f m t 。m w e c k e r l e 掣2 7 】提出基于空时编码的信道估计。胡兰雨 等人在传统的l s 和m m s e 导频信道估计算法的基础上，用p n 码做导频【2 8 】【2 9 】， 得到的信道估计算法好于二者。他通过对信道多次估计取估计的平均值改进了l s 信道估计方法，在p n 序列后加了循环后缀得到改进的p n 码信道估计，提出了利 用卡尔曼滤波算法的半盲信道估计方法【3 0 1 。金国平提出了f m t 频域信道估计算法， 其原理是在某子载波上全部插入相同的信息序列，由这些序列得到信道的频域响 应【3 ，此算法好于p n 码算法和l s 算法，但是导频插入太多，降低了频带利用率， 他将o c i 序列作为导频利用其周期正交特性进行时域信道估计，也采用了插入循 环前缀的频域信道估计【3 2 】【3 3 】。张丙峰分别采用了基于训练序列的时域信道估计和 基于导频的频域信道估计【2 4 1 ，并用二维内插算法和二维维纳滤波算法提高估计的 准确度。 1 3 论文主要贡献和章节安排 论文的研究工作以t e t r ai i 中f m t 多载波调制技术为中心，文中所作的主 要工作和贡献包括： l 、f m t 技术的研究和仿真。作者研究了f m t 调制原理以及滤波器理论，并 采用了基于多相滤波器和i f f t f f t 的时域有效实现方式，根据t e t r a 规范设置 系统参数进行仿真。 2 、f m t 信道均衡算法的研究和仿真。论文分析了f m t 系统中i s i 和i c i 的成 分和来源，给出了等效子信道冲激响应。论文推导了基于m m s e 准则的d f e 均衡 器系数，基于m m s e 准则和迫零准则线性横向滤波器系数，并使用等效子信道冲 激响应对子信道独立均衡。论文用公式推出了传输信道对子载波的影响可以用单 抽头频域均衡消除，以此得到改进的d f e 均衡结构。文章对各种均衡算法进行了 仿真，比较分析了仿真结果。 3 、f m t 信道估计算法的研究和仿真。论文采用了基于导频的信道估计算法， t e t r a 规范中对不同的突发在时域和频域上插入了不同的导频符号和同步符号， 并且导频符号位置间隔在时域和频域上都不是均匀分布的，本文导频的插入与规 范近似，在时域上均匀分布，在频域上与规范相同。该算法先计算出导频符号位 置的信道频域响应，再用插值算法估计其他符号位置的频域响应。本文采用了二 维线性插值和时域一维贝叶斯估计频域一维线性插值两种方法，给出了一维贝叶 斯估计的计算公式。文章对两种插值方法进行了仿真，分析了二者的估计误差性 能，并用p o s t d f e 进行了均衡，得到一个调制、信道估计、信道均衡、解调的完 整仿真过程。 论文章节安排如下： 第一章是引言部分，介绍了本论文的研究背景和意义，简单介绍了t e t r a 数 字集群通信系统，t e t r ai i 中的关键技术，以及f m t 技术的研究现状。 第二章介绍了基于滤波器组多载波调制技术，重点研究了f m t 调制技术基本 原理以及其有效实现方式，介绍了t e t r a 规范中对多载波调制的一系列参数设 置，仿真分析了在a w g n 下f m t 的误比特性能。 第三章首先分析了f m t 系统接收信号i s i 和i c i 来源，得出f m t 系统各个子 载波间i c i 很小可以视为相互独立的结论，并推导出子载波的等效子信道。阐述了 d f e 均衡器结构原理，给出了基于m m s e 准则的均衡器系数并给出改进的后置式 d f e 均衡结构。介绍了线性横向均衡器，分别推导出在m m s e 准则和迫零准则 下系数求解公式。最后仿真分析了在多径信道下各种均衡器的性能。 第四章先介绍了多载波调制中常用的信道估计方法，根据t e t r a 系统特点， 给出了适用于f m t 的信道估计方法，并介绍了二维插值方法。最后仿真研究了不 同插值方法下信道估计的性能。 第五章总结了论文的研究内容和得出的结论，探讨了论文的不足和今后的工 作研究重点。 6 2t e t r a 系统多载波调制 多载波调制技术是把数据流串并变换成多个子数据流，使得每个子数据流具 有低得多的传输比特速率，将这些数据分别调制到若干个子载波。 多载波调制方式一般可以分为三种类型。第一种方式为多频( m u l t i t o n e ) 调制 方式，在该调制过程中，每个子带的频谱都不重叠，因此该种调制方式的频带利 用率较低。第二种方式是正交频分复用方式( o f d m ) ，在该调制过程中，虽然每 个子带都有一半相互重叠，但它还是能够保持正交性，因此该方式比第一种提高 了频带利用率。第三种是基于小波基的多载波调制方式，采用了基于半带滤波器 组的迭代算法，每一个子带的频率响应都是不规则的，因此可以根据各业务需求 的不同对信道进行不同的频带划分【2 5 1 。多载波调制有多音、正交多载波调制 ( o f d m ) 、离散多音调制( d m t ) 、滤波多音调制( f m t ) 等。 随着移动通信和互联网技术的进一步融合，以多媒体业务为代表的移动互联 网正在兴起。为了能够在无线环境下提供与传统互联网类似的用户体验，特别是 高清视频业务，无线通信迫切需要解决频谱资源受限、易受信道衰落影响等问题。 此外，多媒体信息应用的发展，使得支持不同数据率的需求增大。多载波技术由 于其频谱利率高、抗多径衰落鲁棒性好、支持不同带宽等优点，使多载波技术被 广泛纳入下一代移动通信的核心技术之一。在这个趋势下，t e t r a 标准发展出的 t e t r ar e l e a s e2 标准中将基于滤波器组多载波调制技术滤波多音调制( f m t ) 作 为关键技术之一。本章研究了f m t 技术调制解调的有效实现方式，介绍了根据 t e t r a 标准得到的f m t 系统参数设置，并仿真了在a w g n 信道下f m t 的误码 率性能。 2 1滤波器组多载波调制技术 一个单滤波器组是由一定数量的滤波器组成的。当一个滤波器组的全部子滤 波器组都以一个相同信号作为输入信号时，就叫这个滤波器组为分析滤波器组或 频率解复用器，如图2 1 a 。与分析滤波器组结构相反，每个子滤波器都有自己的 输入信号，输出时合成一路信号，这样的滤波器组称为综合滤波器组或频率复用 器1 3 4 j ，如图2 1 b 。 分析滤波器组中的子滤波器的带宽可以是不同的，即非均匀滤波器组，图2 2 a 。 如果所有的子滤波器带宽相同并且中心频率均匀分布，就是均匀滤波器组，如图 2 2 b 。均匀滤波器组可以高效地实现。 m 通道分析滤波器组和m 通道综合滤波器组连起来，得到一个滤波器组对。 毫无疑问，滤波器组对中每一对滤波器都应该是匹配的。 | i | i b l l l 1 ab 图2 1 ( a ) 分析滤波器，( b ) 综合滤波器 f i g 2 1 ( a ) a n a l y s i sf i l t e r , ( b ) s y n t h e s i sf i l t e r 图2 2( a ) 非均匀滤波器组带宽，( b ) 均匀滤波器组带宽 f i g 2 2 ( a ) b a n d w i d t ho f n o n - u n i f o r mf i l t e rb a n k ，( b ) b a n d w i d t ho f u n i f o r mf i l t e rb a n k 综合滤波器组中，m 个子滤波器是由原型滤波器( 第o 个子带滤波器) 的频 率响应按2 万m 的倍数均匀移位得到的滤波器组称为均匀d f t 滤波器组。子滤波 器的频率响应为【3 5 】 时域冲激响应为 风( p 归) = h 0 ( e 他勘”7 肘) 聊= o ，1 ，m - 1 ( 2 1 ) h 。c n ) = h o ( n ) e 。2 m = o ，1 ，m 一1( 2 2 ) 图2 3 表示了均匀d f t 滤波器组结构。m 路输入序列经过k 倍上采样后经过 原型滤波器，再进行频移后个子带信号求和得到序ns ( n ) ，接收端先频移后在经 过匹配原型滤波器，输出肘路序列。当分析滤波器组的输出信号分别是综合滤波 器组对应的输入信号的时延时，在幅度上它们只相差一个固定的倍数，在时问上 有一个固定的延迟，即无幅度失真也无相位失真时，称为完全重建( p r ) 滤波器 组。 2 7 匕= l 巷一 图2 3 均匀d f t 滤波器组结构 f i g 2 3 s t r u c t u r eo fu n i f o r md f tf i l t e rb a n k 图2 3 也可以表示一个广义的多载波系统【36 1 。原型滤波器g ( 以) 和h ( n ) 可以选 择不同脉冲成形滤波器。在o f d m 中两者采用矩形脉冲成形，在f m t 中g ( 甩) 和 ( ，z ) 采用根升余弦脉冲成形。 将滤波器组应用于多载波系统的好处是，a f r o = k i m ( k - m ) ，不为整数时 也易于实现，a f r o = k m 不为整数意味着可以根据具体环境灵活选取子载波间隔 ，使系统获得更优性能，而不必受制于载波符号周期r o 。而o f d m 多载波系统 则有严格限制，必须保证帆= k m 为整数，一般情况为胡：= k m = 1 。 2 2f m t 调制原理及有效实现 图2 4 所示的是一个有m 个子载波的f m t 直接实现结构，它与图2 3 结构相 同，f m t 调制技术是一种基于滤波器组的多载波调制。 9 口。( f l )i a 。芸电 气q 旦抠卜ll ； g - l o 瓦) 匪卜昏 图2 4f m t 直接实现结构图 f i g 2 4 b l o c ko ff m ts y s t e m 其中a m ( t r o ) ，m = 0 ，l ，m 一1 是复数值的q a m 调制符号，符号速率是1 t o ， 个k 标识符表示k 倍上采样，经过上采样后每路数据流以速率t = r o k 经过一个 基带滤波器即原型滤波器g ( n t ) ，调制到子载波上后相加到一起。接收端经过匹配 滤波器后进行k 倍下采样。当k = m 时此系统称为严格采样，当k m 时称为非 严格采样。此系统m 、k 、t o 决定了子信道频带宽度，这里子信道频带宽度等于 子载波间隔矽，所以可以由公式得出： = 鑫 ( 2 3 ) 由图2 4 可得出发送端信号x ( i t ) 为： 信号x ( i t ) 经过信道得到信号y ( i t ) ，y ( i t ) 经过各个子信道得到输出为： z k ( z o ) = y ( i t ) e 中卿7 1 h ( t t o - i t ) k = o ，m 一1( 2 5 ) f z f m t 的直接实现方式只适合理论仿真，但在实际应用时是非常复杂的。因为 直接实现f m t 需要各个子信道上的原型滤波器性能完全相同是很难实现的，而且 原型滤波器想要获得良好的频谱约束性需要较长的滤波器系数。而且图2 4 中滤波 器的工作速度在1 r ，是输入速度的k 倍，在高速数据传输下不仅对滤波器是个很 高的要求并且对系统的运算能力也是个很高的要求。所以想要实际实现f m t 系统， 需要有效的实现方式。f m t 的提出者g i o v a n n i 提出了一种有效实现方式【7 j ，后来 t o n e l l o 提出了时域和频域的有效实现方式【l0 1 。本文采用了t o n e l l o 的时域有效实 1 0 42 z 汀 厶 丌 p 瓦 t f r o g、- 、 瓦 ，f ，一七 口 旭枷 = 丁 0 x 现方式。 2 2 1 非严格采样f m t 在调制端，假设五= 0 h z ，则五= 尼= k ( m t ) ，我们对( 2 4 ) 以周期互= m 。t 进行多相分解，m l 是m 和k 的最小公倍数，记为m l = ，c m ( m ，k ) = e , m = k ， 则可推导出公式如下： x 1 ( 聊2 ：) 2 x ( i t + m 】：)i = 0 ，m l 一1 ，m z ：m - i 吼( t o ) g ( i t + 朋石一t t o ) 口删扣州) m i 2 z (26)j i k = 咏( 识) e g ( i t + m t t - t t o ) 2 驴( t t o ) g ( m p 2 t o t t o ) 其中， a ( t t o ) 是通过对 吼( 峨) 进行m 点反傅里叶变换后循环弓遍增加 m 。一m 个点获得的。假设m = 8 ，k = 9 时，m 。= 7 2 ( 如果没有特别说明本论文 以下章节也将如此假设) ，那么a o ( 1 t o ) ，a 。( t t o ) ，a ，( 亿) 8 个点经过8 点的反傅里叶 变换可得到a 。( t o ) ，a 1 ( t t o ) ，a 7 ( t o ) ，则 a ( t o ) 为： a o ( t o ) a 1 ( t o ) a 肌1 q t o ) a m ( t o ) a 吖+ 1 ( t o ) a 2 m - i ( z t o ) a 2 m ( 佤) a 2 m + 1 ( t o ) a x 一1 m 一1 ( 1 t o ) a k 一1 mq t o ) a 村广1 ( 1 t o ) a o ( i t o ) a 1 ( 1 t o ) a 肌1 ( 1 t o ) a o ( 1 t o ) a 1 ( t t o ) a m 1 ( t t o ) a o ( 1 t o ) a 1 ( 1 t o ) a m - 1q t o ) a o ( 1 t o ) a m 一1 ( t t o ) ( 2 7 ) 成形脉冲g i ( t o ) = g ( i t + l t o ) ，原型滤波器g ( f 丁) 的系数以周期k 进行多相分 解得n i 【个多相分量，每路成形脉冲g i ( f r o ) 是这些多相分量经过补零后延迟或提 前获得的。 例如 g u l - i ( i t o ) = g ( t r o + ( m 。- 0 r ) = g ( i k t + m k t t + k r k r 、 ：赢+ m 一1 ) 胛+ ( k 一1 ) t ) ( 2 8 ) ；g x - i ( ( ，+ m 一1 ) t o ) 所以g m - 。1 ( 峨) 就是g ( i t ) 的第k 一1 个多相分量经过m 一1 个点的提前获得的。 假设g ( i t ) 的长度是1 0 k ，那么每个多相分量的长度是1 0 ，由于g m i 。1 ( t r o ) 需要提 前m 一1 个点，所以为了不丢掉有用信息，每个多相分量在前面至少补m 一1 个零， 我们补m 一1 个零后每个成形脉冲的长度变为1 0 + m 一1 ，对于提前点的要在尾部补 上相应个数的零点保持长度不变。假设g ( i t ) 的k 个多相分量记为 g o ( 1 ) ，g o ( 2 ) ，g o ( 1 0 ) ； 9 1 ( 1 ) ，9 1 ( 2 ) ，9 1 ( 1 0 ) ； g 肛1 ( 1 ) ，g 卜1 ( 2 ) ，g 肛( 1 0 ) 那么g w 兀) ，i = o 1 ，m 。- 1 为： g , - x - i ( 1 t o ) 9 2 x ( t t o ) 9 2 k + ! ( ，瓦) g ( m - o x ( t r o ) g m l - i ( t t o ) ( 2 9 ) 000000 g o ( 1 )g o ( 2 ) g o ( 1 0 ) 0 000 00 g l ( 1 )gj ( 2 ) g l ( 1 0 ) 0 0000 g 卜1 ( 1 ) 0000 g o ( 1 ) g o ( 2 ) 0000 9 1 ( 1 ) g l ( 2 ) g x - i ( 1 ) g o ( 2 ) 9 1 ( 2 ) 所以，调制信号的过程是： 1 ) 输入数据经过m 点反傅里叶变换； g 一1 ( 1 0 1 9 0 0 0 ) 0 9 1 0 0 ) 0 g n 0 0 、 0 g o ( 1 0 ) 0 0 9 1 ( 1 0 1 00 000 000 ( 2 1 0 ) 、j、，o 哪哪 g g o o o o o 0 o o o o o o o o o ， u o。-：。o o。翟 啪劢儡酗惕蜘|!讹 g g 驴妒” 2 ) 循环增加到m 。个点： 3 ) 经过脉冲成形滤波器g ( t t o ) ； 4 ) 以周期p ：o 下采样； 5 ) 并串变换。 图2