（通信与信息系统专业论文）滤波多音（fmt）调制在无线通信中的关键技术研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：查玺渔 日期：呈受! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 、 论文作者签名：左垒煎导师 山东大学硕士学位论文 中文摘要 在近几十年来，随着半导体技术和计算机技术的不断发展，无线通信 已经逐渐成为人类日常生活中不可缺少的组成部分，而大量的用户需求反 过来又促进了无线通信的发展。 随着声音、图像和数据通信业务在i n t e r n e t 和无线通信中的快速增长， 对下一代通信系统的定义成为新的研究热点。在下一代通信系统中，传统 的固定网络、i n t e r n e t 及无线移动网络将相互融合，形成一个宽带无线通信 系统。在这种现代宽带无线通信系统中对数据速率的要求将超过几兆b p s ， 这意味着数据传输时需要占用相当大的信道带宽且信道的时延扩展将大于 个传输符号的符号周期，因此如何在有限的带宽内高速可靠地传输信息 是极为重要的。 加性噪声以及由多径传播导致的符号间干扰( i s i ) 限制了高速率无线 通信技术的发展。在高达几兆b p s 的传输速率下，传输符号的符号周期小 于信道的时延扩展，从而产生i s i 。因此在利用传统的单载波调制方式进行 高速率无线通信时需使用多抽头均衡器，从而使系统的复杂度大大增加。 研究表明，如果多径信道的时延扩展( 信道记忆长度) 远小于一个传输符 号的符号周期，则由多径传播造成的符号间干扰可以忽略不计。所以，我 们可以利用多载波传输技术在不降低信息传输速率的条件下使信道中的传 输符号的符号周期远大于多径信道的时延扩展，从而可以有效地对抗由多 径传播造成的i s i 。 o f d m 技术是当今4 g 研究中的一个热点。作为一种多载波技术，他 具有抗多径干扰能力强、频谱利用率高等优点。然而o f d m 技术也存在者 些缺点，如容易受频率偏移影响、符号同步困难以及有较大的峰值平均 功率比( p a p r ) 等，这些问题都制约着o f d m 在无线信道中的应用，现 在人们对o f d m 所进行的研究也主要集中在这些领域。 f m t 相对于o f d m 是一种新兴的多载波技术。该技术的主要特点是 各子载波具有很高的频谱约束性，对系统频率偏差不敏感。f m t 克服了 o f d m 易受频率偏差影响的问题，但也由滤波器组在系统中引入了i s i 。 山东大学硕士学位论文 因此，f m t 中需要引入子信道均衡技术来消除滤波器组的影响。 本文介绍了滤波器组多载波( f b - m c ) 传输技术的基本原理，给出了 可实用的高效实现形式，并从滤波器组的角度介绍了o f d m 和f m t 这两 种多载波技术的原理。o f d m 和f m t 技术各有优缺点，论文从原型滤波 器设计、频偏敏感性和虚载波等方砸对两种技术进行了详细比较。 论文的第四部分研究了无线通信中，f m t 系统可能的均衡方案，并对 其中部分方案进行了计算机仿真。仿真结果显示f m t 在无线通信中仍然 具有良好的性能。 由于时间和其他客观条件的限制，本文只对部分均衡算法进行了仿真， 还有很多f m t 系统的问题没有做进一步研究，如纠错码、时序恢复和频 率同步、信道估计等。在后续工作中，我们将对这几个方面进行深入探讨。 关键字：无线通信、滤波器组调制、多载波调制、滤波多音调制、正 交频分复用、原型滤波器、频率偏差、虚载波、信道间干扰、峰值平均功 率比、均衡 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sp l a y e dm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e s i n p e o p l e s d a i l y l i f ew i t ht h e d e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o ra n dc o m p u t e r n e t w o r kt e c h n o l o g i e si nr e c e n td e c a d e s ，w h i c hi nt u r n sp r o m o t e st h e r a p i d e x p a n s i o n o ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h er a p i di n c r e a s ei n v o i c e ，i m a g ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o n so v e rt h e i n t e r n e ta n dw i r e l e s s b y m o b i l e t e l e p h o n y c a l l sf o r h e a v y r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tt od e f i n et h en e x tg e n e r a t i o no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw h e r e t h et r a d i t i o n a lf i x e dn e t s ，t h ei n t e r n e ta n dt h em o b i l en e t sw i l lm e r g et o g e t h e r t of o r maw i r e l e s sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ed e m a n d so nd a t a r a t e sw i l le x c e e ds e v e r a lm b p s ，w h i c hm e a n st h ed e l a yt i m eo ft h ed e l a y e d w a v e sw i l lb e c o m eg r e a t e rt h a no n es y m b o lt i m ea n dal a r g e rb a n d w i d t hi s n e e d e d s oi ti sm u c h i m p o r t a n t t ot r a n s m i td a t ao v e rb a n dl i m i t e dc h a n n e li na h i g hd a t ar a t e sr e l i a b l y h i g hd a t ar a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa r el i m i t e db ya d d i t i v en o i s ea n d t h ei n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) o w i n gt om u l t i p a t hp r o p a g a t i o n w h e nt h e d a t ar a t e sa r em o r et h a ns e v e r a lm b p s ，t h ei s ii sg e n e r a t e db e c a u s et h es i g n a l d u r a t i o ni ss h o r t e rt h a nt h ec h a n n e l d e l a ys p r e a d i n c o n v e n t i o n a i s i n g l e c a r r i e rm o d u l a t i o n ，t h es y s t e mc o m p l e x i t yw i l l i n c r e a s eg r e a t l yd u et o t h em u l t i t a p s e q u a l i z e ru s e di nh i g hd a t ar a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h e e f f e c t so ft h ei s ia r en e g l i g i b l es ol o n ga st h ed e l a ys p r e a do ft h em u l t i p a t h c h a n n e li s s i g n i f i c a n t l y s h o r t e rt h a nt h ed u r a t i o no fo n et r a n s m i t t e ds y m b 0 1 s o ，m u l t i c a r r i e r t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y c a nb eu s e dt oo v e r c o m et h i s i m i t a t i o n n o w a d a y s ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sa k e yt e c h n o l o g yi nt h e4 “g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a so n eo f t h em u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e s ，0 f d mc a nr e d u c et h em u l t i p a t h f a d i n g e f f e c tw i t h h i g hf r e q u e n c y e f f i c i e n c y h o w e v e r t h e r ea r es o m e d i s a d v a n t a g e s i no f d m s y s t e ms u c ha ss e n s i t i v i t yt of r e q u e n c yo f f s e tc a u s e d 3 山东大学硕士学位论文 b y o s c i l l a t o r i n a c c u r a c y a n dt i m ev a r i a n c eo fw i r e l e s s c h a n n e l ，s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o na n dh i g hp e a k - t o a v e r a g ed y n a m i cr a n g eo fo u t p u ts y m b o l s c a u s e db ys u m m a t i o no f m u l t i p l es u b c a r r i e r a l lo f t h e s el i m i tt h ea p p l i c a t i o n o fo f d mi nw i r e l e s se n v i r o n m e n t f i l t e r e dm u l t i t o n e ( f m t ) m o d u l a t i o ni san e wm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g y i n f m ts y s t e m ，t h es p e c t r u mo fe a c hs u b c h a n n e lh a sah i 曲l e v e lo fs p e c t r a l c o n t a i n m e n t s ot h ei n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ( i c i ) o ff m ti sn e g l i g i b l e c o m p a r e d t oo t h e rn o i s e ，w h i l ei to f t e na p p e a r si no f d m s y s t e mb e c a u s e o fi t s s e n s i t i v i t yt of r e q u e n c yo f f s e t h o w e v e r ，p e r s u b c h a n n e le q u a l i z a t i o ni sn e e d e d i no r d e rt or e d u c et h er e m a i n i n gi s ii n t r o d u c e db yt h ef i l t e rb a n k s i nt h i st h e s i sw ei n t r o d u c et h ef i l t e rb a n kb a s e dm u l t i c a r r i e r ( f b - m c ) t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y a n d g i v e t h e p r a c t i c a l e f f i c i e n t i m p l e m e n t a t i o n s t r u c t u r e i nt h ef o l l o w i n g ，w ei n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fo f d ma n df m t t e c h n o l o g yi n f i l t e rb a n kv i e wp o i n t w ea l s oc o m p a r et h et w om u l t i c a r r i e r t e c h n o l o g i e s f r o mt h e a s p e c t s o fp r o t o t y p ef i l t e r d e s i g n ，s e n s i t i v i t y t o f r e q u e n c y o f f s e ta n dv i r t u a lc a r r i e r s ( v c ) i nt h ec h a p t e r4 w eg i v es o m ee q u a l i z a t i o ns c h e m e so ff m ts y s t e mi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n ds i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo fs o m eo f t h es c h e m e s u s i n gc o m p u t e r t h es i m u l a t i o n r e s u l t si m p l yt h a tf m tt e c h n o l o g ys t i l l h a s g o o dp e r f o r m a n c e i nw i r e l e s se n v i r o n m e n t b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no f t h et i m ea n ds o m ei m p e r s o n a lc o n d i t i o n s ，w e o n l ys i m u l a t ep a r t s o ft h ee q u a l i z a t i o ns c h e m e s a n dt h e r ea r em a n yt o p i c s w h i c ha r en o ts t u d i e d i n c l u d i n g e r r o r c o r r e c t i n gc o d e s ，t i m i n gr e c o v e r y ， f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n a n dc h a n n e le s t i m a t i o n f u r t h e rs t u d yo nt h e s e t o p i c sw i l lb ed o n ei nf u t u r ew o r k k e y w o r d ： w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 、 f i l t e rb a n km o d u l a t i o n 、 m u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o n 、f i l t e r e dm u l t i t o n em o d u l a t i o n 、o f d m 、p r o t o t y p ef i l t e r 、f r e q u e n c y o t f s e t 、v i r t u a lc a r r i e r 、i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e 、p e a k t o a v e r a g ep o w e r r a t i o 、 e q u a l i z a t i o n 4 山东大学硕十学位论文 符号说明 4 g 第4 代移动通信系统 a d s l a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e a w g n 加性高斯白噪声 b e r 误比特率 b d 多普勒扩展 b p s 每秒比特数 ( 衄) 。相干带宽 c d m a 码分多址接入技术 c p 循环前缀 d a b 数字音频广播 d b 分贝( r a t i oi nl o gs c a l e ) d f t 离散傅立叶变换 i d f t 离散傅立叶逆变换 d m t 离散多音 d s p 数字信号处理 d v b 数字视频广播 e t s i 欧洲电信标准化协会 f b - m c 滤波器组多载波 f d m 频分复用 f e c 前向纠错码 f e q 频域均衡器 f f t 快速傅立叶变换 i f f t 逆快速傅立叶变换 f i r 有限冲击响应滤波器 f m t 滤波多音 h d t v 高清晰度电视 h i p e r l a n 2 h i g h p e r f o r m a n c el a n t y p e 一2 l c i 信道间干扰 山东大学硕士学位论文 i s i 符号间干扰 m m s e 最小均方误差 m m s e d f e 最小均方误差判决反馈均衡器 q a m 正交幅度调制 o f d m 正交频分复用 p a p r 峰均功率比 p s k 相位调制 r m s 均方根 s n r 信号噪声比 & 例多普勒功率谱 t d m 时分复用 t e q 时域均衡器 ( 0 。相干时间 w l a n 无线局域网 v c 虚载波 6 山东大学硕士学位论文 1 1 意义和背景 第一章引言 现代社会己步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起 着支撑作用。由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致 力于现代通信技术的研究与开发以及现代通信网的建设。 随着声音、图像和数据通信业务在i n t e r n e t 和无线移动通信中的快速 增长，对下一代通信系统的定义成为新的研究热点。在下一代的通信系统 中，传统的固定网络与i n t e r n e t 及无线移动网络将相互融合，形成一个宽 带无线通信系统。在这种现代宽带无线通信系统中对数据速率的要求将超 过几兆b p s ，这意味着数据传输时需要占用相当大的信道带宽且信道的对 延扩展将大于一个传输符号的符号周期，因此如何在有限的带宽内高速可 靠地传输信息成为个极为重要的研究课题。 带宽受限加性噪声以及由多径传播导致的符号间干扰( i s i ) 限制了高 速率无线通信技术的发展。在高达几兆b p s 的传输速率下，传输符号的符 号周期小于信道的时延扩展，从而产生i s i 。因此在利用传统的单载波调制 方式进行高速率无线通信时需使用多抽头均衡器，从而使系统的复杂度大 大增加。而且单载波传输方式在高速率通信时一般采用扩频调制技术，这 种调制方式占用相当大的信道带宽，信道的带宽利用率较低。研究表明， 如果多径信道的时延扩展( 信道记忆长度) 远小于一个传输符号的符号周 期，则由多径传播造成的符号间干扰可以忽略不计。所以，我们可以利用 多载波传输技术在不降低信息传输速率的条件下使信道中传输符号的符号 周期远大于多径信道的时延扩展，从而可以有效地对抗由多径传播造成的 i s i 。 本论文主要研究滤波多音调制( f m t ) 这种特殊的多载波传输技术在 无线通信中的应用及其性能。该技术是一种有别于正交频分复用( o f d m ) 的特殊的多载波传输技术，研究表明该技术在某些特定应用场合具有比 o f d m 更好的性能。 山东大学硕士学位论文 1 2 无线信道的传输特性 多载波传输技术最初的构想是为了能够在不使用复杂的信道均衡器的 情况下在时间色散信道或频率选择性信道上进行高速数据传输f 1 ，2 】。为了 更好的了解多载波传输技术的原理，我们有必要对无线多径信道的传输特 性和用以区分不同多径信道的信道参数进行简要介绍。 论文中对工作在2 5 g 1 7 g h z 频率范围内的系统进行了仿真。实际信 道探测表明这些信道具有相似的特性并且可以用一种相似的模型来建模 【3 】。 1 2 1 无线信道的大尺度衰落 无线电波在自由空间内传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减 小，这会对数据速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的大尺度路径 损耗的模型可以表示为： 三= 鲁= 胃砉 ， 其中p 表示本地平均接收信号功率，f 表示发射功率，d 是发射机与 接收机之间的距离。对于典型环境来说，路径损耗指数，一般在2 到4 中 选择。由此可以得到平均的信号噪声比( s n r ) 为： s n r = 毒= k 要d 嘉nb z ， 只 7 o 其中n o 是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功 率和带宽的常数。如果为保证可靠接收，要求s n r s n r 。，则易得如下表 达式： 占 堡 ( 1 3 ) d 志厂 。， 山东大学硕士学位论文 i l l 可见，如果不采用其它特殊的技术，则数据的符号速率以及电波的传 播范围都会受到很大的限制。但是在区域规模相对较小的无线通信中，这 种大尺度衰落对通信系统的影响并不需要单独加以考虑。 1 2 2 无线信道的小尺度衰落和多径效应 小尺度衰落或简称衰落，是指无线信号在经过短时间或短距离传播后 其幅度快速衰落，以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。这种衰落是 由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的 信号互相干涉所引起的。这些波称为多径波。接收机天线将它们合成一个 幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传 播时间，以及传播信号的带宽。 1 小尺度衰落信道的时阅色散参数 时延扩展和相干带宽是描述信道时间色散特性的两个参数。无线信道 的多径传播会造成信道的时间色散特性。例如发射端发送个窄脉冲信号。 则在接收端可以收到多个窄脉冲，每一个窄脉冲的衰落和时延以及窄脉冲 的个数都是不同的。对应一个发送脉冲信号，图1 1 给出接收端所接收到 的信号情况。定义m 。为时间色散信道的最大时延扩展 4 1 。 图1 1 多径接收信号 下表1 i 中给出两种不同无线信道环境下的时延扩展值【1 1 】。 9 山东大学硕士学位论文 表1 1 不同信道环境下的时延扩展值 环境 最大时延扩展最大到达路径差 室内4 0 n s 2 0 0 n s1 2 m 6 0 m 室外 1 , u s - 2 0 l s 3 0 0 m 6 k m 相对于最大时延扩展。，我们还可以定义信道的r m s 时延扩展仉， 且仉为功率延迟分布的二阶矩的平方根。 时延扩展是由反射及散射传播路径引起的现象，而相干带宽( 衄) 。是时 延扩展的频域表示，实际应用中通常用最大时延扩展的倒数来定义相干带 宽【4 ，5 】，即： t ( 衄) 。 ( 1 5 ) 一 相干带宽是一定范围内的频率的统计测量值，是建立在信道是平坦( 即 在信道上，所有谱分量均以几乎相同的增益及线性相位通过) 的基础上。 即相干带宽是指一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的频 率相关特性。 2 小尺度衰落信道的频率色散参数 与时间色散参数不同，信道的频率色散参数主要用于描述信道的时变 特性，用多普勒扩展毋表示。在移动通信中，这种时变特性或是由移动台 与基站间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的。而在 固定无线通信中，这种时变特性主要是媒质物理特征不断变化的结果。为 了不失一般性，多普勒扩展毋一般定义为信道多普勒功率谱& 阳基本为 非零的a 值的范围。相干时n ( a 0 。是多普勒扩展在时域的表示，用于在时 域描述信道频率色散的时变特性。相干时间的定义为： 1 ( 肘) 。z 寺 ( 1 6 ) 相干时间是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。即相干 时间指的是一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关 性。如果基带信号带宽的倒数大于信道相干时间，那么传输中基带信号就 会发生改变，导致接收机信号失真。 山东大学硕七学位论文 3 小尺度衰落类型 当信号通过无线信道传输时，其衰落类型决定于发送信号特性及信道 特性。信号参数( 如带宽、符号周期等) 与信道参数( 如时延扩展和多普 勒扩展等) 决定了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。 多径特性引起的时闻色散，导致发送的信号产生平坦衰落或频率选择 性衰落。当信号带宽远小于信道相干带宽或信道延迟扩展远小于符号周期 时，发送信号将经历平坦衰落，反之则经历频率选择性衰落。 无线信道的时变特性引起的频率色散( 也称时间选择性衰落) ，导致发 送信号产生快衰落或慢衰落。在快衰落信道中，信道冲击响应在符号周期 内变化很快。即信道的相干时间比发送信号的符号周期短。所以信号经历 快衰落的条件是信号的符号周期大于信道的相干时间或信号的带宽小于信 道的多普勒扩展，反之信号将经历慢衰落。通常快衰落仅发生在数据速率 非常低的情况下。 4 衰落信道的统计模型 有几种概率分布可用作衰落信道的统计特性的模型。当信道传送到接 收机的信号的散射分量数目很大时，应用中心极限定理可得到信道冲击响 应的高斯过程模型。如果该过程是零均值的，那么任何时刻信道的包络都 具有瑞利( r a y l e i g h ) 概率分布，而相位在( o ，2 n ) x r 间内是均匀分布的，即 rp 2 见( ，) 2 寺e x p ( 一吾) ，r _ 0 ( 1 7 ) r a y l e i g h 分布可用单一参数，= e ( r 2 ) 表征。r a y l e i g h 分布是常见的用于描 述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。 信道响应包络的另一种统计模型为n a k a g a m i - m 分布。其概率密度函 数( p d f ) 为 加) 2 志 蠢p 2 “e x p ( - m r 2 e 僻2 ) ，垃o ( i 8 ) n a k a g a m i 研分布包含两个参数，即参数m 和二阶矩e ( r 2 ) ，而r a y l e i g h 分布用单一参数来匹配衰落信道统计数据。因此，在对观测信号统计数据 匹配时，n a k a g a m i m 分布更灵活、更精确。n a k a g a m i - m 分布最适合用于 描述郊区无线多径信道接收的数据信号。 山东大学硕士学位论文 莱斯( r c i e a n ) 分布也是两参数分布，其p d f 定义如下 只( 加素e x p ( r ：+ a 。 - ) i o ( 仃r a ) 2 0 ，。 6 g 。 其中参数为a 和矿。在等效的z 2 分布中，a 2 叫做非中心参数。 接收信号的非衰落信号分量( 有时称为镜像分量) 的功率。 1 2 3 具有指数衰减特性的r a y l e i g h 衰落信道 ( 1 9 ) 该参数表示 在本论文的仿真中，我们采用一个具有指数衰减特性的r a y l e i g h 衰落 信道模型【6 】。 该信道模型是i e e e 8 0 2 1 l w l a n ( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) 规范中采用的一种用于比较调制方法的基带信道模 型，它被建模为一个具有指数衰减功率分布的r a y l e i g h 衰落模型。 在该信道中，信道的r m $ 时延扩展吼可以完全表征信道的时延特性。 这种信道易于分析和仿真，通过选择恰当的时延扩展值可以很好的模拟实 际信道。 假定在每个符号周期内信道是非时变的，且对于不同的发送符号具有 不同的信道特性。信道的等效低通单位样值响应可表示为 f 一l c ( k ) = a ( k ) 6 ( t 一丝) ( 1 1 0 ) 其中，c ( 女) 为信道单位样值响应，缸) 为相位服从均匀分布、 r a y l e i g h 分布且平均功率随着等间隔时延指数衰减的衰减因子t 周期。 信道单位样值响应c ( k ) 中的每一个等间隔系数o 【( k ) 定义为： 嘶) ：n ( 0 ，丢) + j n ( o ，丢) 幅度服从 t s 为采样 盯p 。v 舢 ( 1 1 2 ) = 1 一p 也枇 ( 1 1 3 ) 其中n ( 0 ，吼沈) 为均值为零，方差为m 2 的高斯随机变量。回。的取值是为了 使条件巩= i 成立，从而保证具有相同的平均接收功率。 山东大学硕士学位论文 信道的单位样值响应长度。的选择要保证信道的拖尾有足够的衰 减，般选择。满足 k o 。= 1 0 z( 1 1 4 ) 例如，在h i p e r l a n 2 中，对于采样率为1 t s = 2 0 m h z ，工作在5 g h z 的室内无线信道，非视距传输的时延扩展仃。为4 0 n s 。如果假定单位样值 响应的系数具有3 0 d b 的动态范围，那么有( 1 1 4 ) 可得a 。= 5 。图1 2 给出了 在选择以上参数时，该信道在次仿真实现中的功率延迟分布图。 p o w e r d e c a y i n gp r o f i l e i s = 8 0 n st r m s = 4 0 n sk m a x = 5 图1 2h i p e r l a n 25 g h z 室内信道功率延迟分布仿真图 1 3 多载波传输技术 通常我们采用的通信系统是单载波方案，这种系统在数据传输速率不 太高的情况下，多径效应对符号之间造成的干扰不是特别严重，可以通过 使用合适的均衡算法使得系统能够正常的工作。对于宽带业务来说，由于 数据传输的速率较高，时延扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生 了符号之间干扰，这对均衡提出了更高的要求，需要引入复杂的均衡算法， 还要考虑到算法的可实现性和收敛速度。从另一个角度来看，当信号的带 宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间色散性将会造成频率选择性 、喜w曰i目ht葛m墨譬亍 山东大学硕士学位论文 衰落，使得同一个符号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，这是我 们不希望看到的。 多载波传输通过把数据流分解为若干个子数据流，这样每个子数据流 将具有低的多的传输速率，用这样的低传输速率形成的低速率多状态符号 再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。 在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效，但是在多 载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。 多载波传输也称为多载波调制( m c m ) ，其实现有多种方案。根据信 道频带分割的方式可分为重叠频谱( 图1 3 a ) 和非重叠频谱( 图1 3 b ) 两 种形式。传统的多载波调制技术是通过在发送端和接收端分别利用一个模 拟滤波器组来实现的。 血口口凸：- ( b ) t 图i 子信道频带分割图( a ) 重叠频谱( b ) 非重叠频谱 采用重叠频谱频带分割方式的多载波技术的典型例子是在无线环境下 的正交频分服用( o f d m ) 。目前在许多标准( 如d a b 、h i p e r l a n 2 及 d v b 等) 中均采用这种多载波技术。o f d m 系统的优点是具有极高的频带 利用率和良好的抗多径造成的i s i 的能力。因为o f d m 各子载波( 或称子 信道) 频谱为s i n c ( ，) 函数且相邻予载波位于s i n c o 函数的过零点，所以在 理想信道中o f d m 系统的各子载波间是严格正交的，系统中不存在i s i 和 子信道间干扰i c i ( 有时也称为子载波间干扰) 。但由于实际传输信道的非 理想特性往往使得o f d m 中各子载波间的正交性遭到破坏，从而产生i c i ， 导致系统的性能严重下降，甚至无法正常工作。除此之外，在实际应用中 o f d m 系统还存在其他一些有待克服的问题：如同步问题，峰值功率控制 问题，信道估计问题等。 山东大学硕士学位论文 采用基于非重叠频谱形式的典型例子是用于v d s l 中的滤波多音 ( f m t ) 调制技术，该技术于1 9 9 9 年由c h e r u b i n i 等人最先在v d s l 应用中 提出 7 ，8 】。作为一种多载波传输方式，f m t 也具有较高的频带利用率和良 好的抗多径符号闯干扰能力的优点，在多径环境下f m t 系统并不需要 o f d m 中用以维持子载波正交性的循环前缀( c p ) ，从而提高了整个系统 的吞吐量。与o f d m 不同的是，f m t 中的各子信道滤波器具有很高的频带 限制性使得各子载波间是近似正交的，因此即使在非理想信道下，i c i 相对 于系统中的其他干扰也可以忽略不计，但是必须引入每子信道均衡技术来 消除由系统中各滤波器的频带限制性而引入的i s i 。另外，如何设计f m t 中 的原型滤波器使系统中i c i 相对较小，同时使得每子信道均衡易于实现也是 一个值得研究的问题。 0 f d m 和f m t 都可以看作是滤波器组调制技术的一种实现方式，我 们将在本论文的第二章详细介绍滤波器组调制技术的原理，并在此基础上 对o f d m 和f m t 技术进行详细的对比。 1 4 论文的主要工作 本文在对滤波器维多载波( f i l t e rb a n kb a s e dm u l t i c a r r i e r - - - f b m c ) 传输理论和应用进行研究的基础上，对f m t 通信系统中的若干关键技术 进行了研究。 在无线通信中，无线衰落信道的时变性和多径传播是限制高速率数据 通信发展的瓶颈，如何有效地对抗无线信道的这些传输缺陷是实现未来高 速无线通信的必要条件。对于无线衰落信道而言，提高通信质量或减小误 码率都是十分困难的。f m t 作为多载波传输技术，具有天然的对抗多径传 播的特性，而且可以采用高效的调制方式，大大提高频谱的利用率，另外 f m t 系统中也可以对子载波进行灵活的分配并且可以和其他的多址方式 进行结合，使得这种技术更适应于未来的通信系统。然而，f m t 技术是一 种新兴的技术，它在无线环境下的应用研究还处于起步阶段，还有很多值 得研究的问题，如原型滤波器设计、均衡方案及峰均比等问题。本论文所 做的工作主要集中在f m t 系统中原型滤波器设计和均衡方案的研究上， 并对f m t 系统在无线宽带通信中的性能进行了仿真。论文各部分的安排 山东大学硕士学位论文 m _ 2 ii m g ! ! 自! ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! ! _ _ _ _ _ 自s ! ! 如下： 一、介绍滤波器组多载波调制技术的基础知识、基本模型，并给出了 f b m c 传输系统的高效实现形式( 第二章) 。 二、从滤波器组的角度出发介绍o f d m 和f m t 技术的基本原理，并 从频偏敏感性、虚载波和原型滤波器设计等方面对两种技术做了对比。对 f m t 中现有的原型滤波器设计方法进行计算机仿真，研究比较各种方法的 优缺点( 第三章) 。 三、研究f m t 中可能的均衡方案，并对各种均衡技术进行性能仿真， 找出各种技术的优缺点( 第四章) 。 四、结论与展望( 第五章) 。对论文中所做的工作进行总结，给出有待 今后解决的各研究问题。 山东大学硕士学位论文 第二章滤波器组多载波( f b m c ) 传输技术 滤波器组多载波传输是一种频分复用技术【8 ，它通过一个滤波器组对 信道频谱进行分割以实现信道的频率复用( f d m ) 。该技术可以将前面介 绍的o f d m 和f m t 两种多载波调制方案统一的用滤波器组调制来表示， 通过对滤波器组中各分支滤波器的不同选择来区分两种方案。通过对 f b m c 传输技术的学习，我们可以更好的研究各种多载波方案的优缺点， 从而对不同应用环境下的多载波方案做出正确的选择。 最初，多载波传输思想是通过一组模拟滤波器实现的。这组模拟滤波 器将信道的频谱分割成多个子带，相邻子带之间留有足够的保护间隔，以 防产生予信道间的串扰。但这种多载波方式造成了频谱资源的极大浪费， 而且对模拟滤波器的高要求限制了该技术的广泛应用。随着数字信号处理 ( d s p ) 技术的发展，特别是d s p 器件运算能力的飞速提高，我们已经可 以利用数字滤波器组来代替模拟滤波器组实现信道频谱的分割，且通过对 滤波器组中各分支滤波器频率响应的灵活设计可以将各子带间的保护间隔 去掉，从而大大的提高了信道的频谱利用率。 2 1 滤波器组多载波传输的基本原理 我们可以将f b m c 传输方案中各分支滤波器的频率响应看作是信号 空间的组基函数，因此滤波器组使我们可以用统一的方法对具有不同基 函数的多载波调制方案进行研究，从而设计出适用于不同应用场合的 f b m c 方案。 图2 1 给出了f b - m c 数字系统直接实现形式的等效低通框图 8 】。 山东大学硕士学位论文 图2 1f b m c 数字系统直接实现形式的等效低通框图 在图2 1 中，当子带数目m 和插值抽取因子芷相等时称为严格抽样 ( 或最大抽取) 系统，当k m 时称为非严格抽样系统。在本章及后续章 节中没有特别声明的情况下，以k 为时间序号的序列对应的抽样周期是l 而以n 为时间序号的序列对应的抽样周期是t k ( 在最大抽取时为形m ) 。 发送端来自相同的q a m 或q p s k 星座集( 也可以来自不同星座集) 的各信息符号爿。( t ) ，m = 0 ，l ，m l 以速率l t 在m 个子信道中并行传输， 在经过k 倍的零值插值( 图中以个足表示) 后分别通过一个基带滤波器 h ( e j 。) ( 单位样值响应为h ( n ) ) 进行滤波，以此将信号的频谱限制在一个 较窄的带宽内，然后将所得的带限信号分别与各子载波p 一“相乘，从而使 基带信号调制到频率间隔为k m t 的各子载波上。发送信号x ( 拧) 是各滤波 器输出信号经过不同频移后的叠加，传输速率为k t 。 接收端先对各子载波调制信号分别解调，然后使用与发送端相匹配的 滤波器h 。( e j 。) ( 十表示复共轭) 对各子信道信号分别滤波来恢复原信号的 频带信息，晟后经过足倍抽取( 图中以上k 表示) 后得到原发送信号的估 计值一，( t ) ，m = o ，l ，m 一1 。 恒亚卜l ip ， 、 k ( ”) 图2 2 等效带通滤波器 若将第m 子信道上的发送滤波器h ( e ，。) 与对应的子载波平衡调制器 p ，“一按图2 2 方式结合起来用一个等效的带通滤波器h m ( e 。) ( 单位样值响 山东大学硕士学位论文 应为 ，( h ) ) 来代替且将接收端滤波器组进行类似的替换，那么对应的 f b m c 传输数字系统的等效低通框图如图2 3 所示。 ( ) ( ) ( 七) 图2 3f t m c 数字系统的等效低通框图 设a 。( ，m = o 1 ，m 1 为第m 个子信道上经星座映射后待发送的信 息符号。 巩 j o , ) ，m = 0 , 1 ，m 一1 为发送端滤波器组，对应的单位样值响 应分别为 ( 仃) ，m = o ，1 ，j