（通信与信息系统专业论文）fmt系统中的复用以及同步技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 滤波多音调制( f m t ) 技术相对于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 技术克服了o f d m 技术易受频率偏差影响的问题，但是其滤波器组在 系统中引入了i s i ，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。 本论文在介绍滤波多音调制技术基本原理的基础上，主要从以下三个方 面对滤波多音调制系统有关技术进行了探讨与改进。 首先，通过分析不同衰落信道条件下的接收机解调信号，得出了f m t 系统中平均载千比( c i ) 的量化表达式；通过对o f d m 系统与f m t 系统的仿 真分析可知，在慢衰落信道或者低频率选择性信道中，o f d m 系统性能优于 f m t 系统性能；而在快衰落信道或者高频率选择性信道中，f m t 系统性能 优于o f d m 系统性能。 其次，对比o f d m 系统中频谱资源的复用方式，把滤波多音调制系统的 复用方式分为时分复用f m t ( f m t - t d m a ) ，频分复用f m t ( f m t - f d m a ) ，码 分复用f m t ( f m t = c d m a ) 。并着重对f m t = f d m a 复用方式的性能作了仿真 分析，结果表明，块频分复用f m t 系统性能优于交织频分复用f m t 系统， 非严格抽样f m t 系统的性能优于严格抽样f m t 系统。 最后，系统论述了多载波调制系统中的时频同步问题，并将一种基于训 练序列的迭代同步方法与f m t - f d m a 系统结合，利用伪随机序列很好的自 相关特性，迭代估计每个用户的时频延迟。结果表明，使用较短的训练序列， 经过少量次数的迭代运算，该算法能准确的恢复数据。 本论文的研究还说明，f m t 系统在无线通信中同样具有良好的性能。 关键词：滤波多音调制；正交频分复用；原型滤波器；迭代同步 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 ( f m t ) i san e wm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g yi n c o n t r a s tt oo 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 ) t e c h n o l o g y i n f m ts y s t e m s ，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 g hl 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 rc h a n n e li n t e r f e r e n c e ( i c i ) o ff m ts y s t e mi sn e g l i g i b l e c o m p a r e dt oo t h e rf o r m so fi n t e r f e r e n c e s ，w h i l ei to f t e na p p e a r si no f d ms y s t e m b e c a u s eo fi t ss e n s i t i v i t yt of r e q u e n c yo f f s e t t h e r e f o r e ，s u b c h a n n e le q u a l i z a t i o ni s s e e d e di 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 sa n d t r a n s r n i s s i o nc h a n n e l t h ep a p e rd o e ss o m er e s e a r c hm a i n l yf r o mt h r e ea s p e c t sb a s e do nt h eb a s i c p r i n c i p l eo f f i l t e r e dm u l t i t o n em o d u l a t i o nt e c h n o l o g y f i r s t l y , t h i sp a p e rd e d u c e d t h ea v e r a g ec ir a t i o s q u a n t i t a t i v e f o r m u l a r e x p r e s s i o nb ya n a l y z i n gt h er e c e i v e ds i g n a la f t e rd e m o d u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n t f a d i n gc h a n n e lc o n d i t i o n s b yc o m p a r i n g a n da n a l y z i n go f d ma n df m ts y s t e m s p e r f o r m a n c ei ti n d i c a t et h a to f d ms y s t e mo u t p e r f o r mf m ts y s t e mo v e rs l o w l y t i m e - v a r y i i 】：gf a d i n gc h a n n e l sw i t hl o wd o p p l e rf r e q u e n c i e sw h i l ei t so p p o s i t e o v e rh i g h l y 丘e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l sw 曲1 1 i 曲d o p p l e rf r e q u e n c i e s s e c o n d l y , f r o mt h ep o i n to fv i e wo fm u l t i p l ea c c e s sm o d ei nm u l t i c a r r i e r t e c h n o l o g yt h i sp a p e rc l a s s i f i e df m ts y s t e mi n t ot i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f m t ( f m t - t d m a ) ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sf m t ( f m t - f d m a ) a s w e l la sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sf m t ( f m t - c d m a ) a n df i n a l l ym a d ea s e r i e so fp e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rf m t - f d m as y s t e m t h er e s u l ti n d i c a t et h a t f m t - b l o c k f d m a o u t p e r f o r mf m t - i n t e r l e a v e d f d m aa n dn o n - c r i t i c a l l ys a m p l e d f m t o u t p e r f o r mc r i t i c a l l ys a m p l e df m t u n d e rs a m ec o n d i t i o n s t h i r d l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e dt i m es y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo fm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o ns y s t e m ，a p p l i e do n ek i l l do ft r a i n i n g s e q u e n c e b a s e di t e r a t i v es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mt of m ts y s t e ma n du s e d p s e u d or a n d o ms e q u e n c e sg o o dc o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ei t e r a t i o na n d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e s t i m a t i o no fe a c ht i g e rs i g n a l st i m ed e l a ya n df r e q u e n c yd e l a y t h er e s u l ti n d i c a t e t h a ta f t e ras m a l ln u m b e ro fi t e r a t i v ec a l c u l a t i o n t h ea l g o r i t h mc a na c c u r a t e l y r e c o n s t r u c td a t ab yu s i n gs h o r tt r a i n i n gs e q u e n c e f i n a l l y , t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rp r o v et h a tf m tt e c h n o l o g yc o u l dw o r k w e l li nw i r e l e s se n v i r o u m e n t s k e yw o r d s ：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 ( f m t ) ；o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ；p r o t o t y p ef i l t e r ；i t e r a t i v es y n c h r o n i z a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：j 孥佥一 日 期：h c 眸弓月j 弓日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及目的 现代社会是信息的社会，而信息的传输需要系统进行大量数据的通信。 由于人们对通信的要求越来越高，任何时间，任何地点，向任何个人提供快 速可靠的通信服务已成为未来通信的目标。要实现这个目标，无线通信起 到了非常重要的作用。近年来，随着无线通信技术的不断发展和社会需求的 日益增长，包括移动电话、数传电台以及卫星通信等在内的无线通信得到了 越来越广泛的普及和应用，并展示出广阔的市场前景，其应用已经深入到人 们的日常生活中。 无线通信可以划分为固定的无线2 3 2 通信和移动通信乜1 。所谓移动通信， 是指移动体之间或移动体与固定体之间的通信，即通信中至少有一方可以移 动。常见的移动通信系统有：无线寻呼、无绳电话、对讲机、集群系统、蜂 窝移动电话和卫星移动电话等。近十年来，移动通信的发展速度惊人。从最 初的单电台对讲方式发展到现在的系统和网络方式，从小容量到大容量，从 模拟方式到数字方式。通信技术的不断发展和个人通信的设计目标促使因特 网、多媒体以及移动通信等技术的结合越来越紧密，并要求下一代无线通信 提供高速可靠的综合数据通信业务。为了实现高速宽带的数据通信要求，未 来的无线通信系统要具备较强的抗多径能力和较高的频谱利用率。 在数字传输中，随着数据速率的不断提高，由于时延扩展和信道带宽的 限制，符号间干扰( i s i ) 的存在大大地限制了单载波调制系统的性能，成为提 高数据通信速率的瓶颈n 1 。传统的单载波调制在无线多径衰落环境下的性能 己经不能满足高速率传输的要求。研究表明，当符号周期大于信道的记忆长 度或多径传播所造成的最大延迟扩展时，通信系统可以有效地克服传输信道 所造成的i s i 。多载波调制使用n 个子载波来并行的传输信息符号，使得每子 信道内的符号时间是单载波传输时的n 倍，从而有效地克服了各子信道的 i s i ，提高了传输速率并降低了误码率。 哈尔滨工程人学硕十学位论文 目前，多载波调制技术在宽带无线移动环境中的应用正在被广泛关注和 研究，以正交频分复用技术( o f d m ) h 1 为例，它已经被多个标准( i e e e 8 0 2 1 1 a ， h i p e r l a n 2 等) 所采用，并且它很有可能成为下一代宽带移动通信的物理层 的调制技术，有关o f d m 的关键技术是无线通信中的研究热点之一。但是 o f d m 技术也存在一些缺点，一个备受关注的问题就是其子载波间的正交性 容易受频偏等的影响而被破坏，引起信道间干扰( i c i ) ，从而导致系统性能的 下降。 1 9 9 9 年g i o v a n n ic h e n i u b i n i 等人首次提出了一种异于o f d m 技术的正 交多载波调制技术，即滤波多音调铝l j ( 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 f m t ) 啼。 f m t 系统在每个子信道中采用了严格的低通滤波器来限制子信道的频带，使 得它们的频谱在频域互不重叠，形成一种特殊的正交。这种正交性的一个优 点就是它在实际的信道传输中不易被破坏从而能够避免因此而产生的i c i 干 扰，保证了系统的性能。在应用到甚高速数字用户环路( v d s l ) 的研究中，它 呈现出良好的抗干扰能力，能有效地消除很多原来离散多音调制技术( d m t ) 所不能很好解决的问题如近端串扰( n e x t ) 、远端串扰( f e x t ) 、回声( e c h o ) 等。正是这些干扰容易造成在高数据速率传输下严重的信道间干扰( i c i ) ，从 而导致系统性能的恶化，基于f m t 的调制方案因此而被建议采纳到v d s l 技术中。更重要的是，这一技术也可以应用于无线信道。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国外的研究现状 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约1 。在无线信道中， 发送信号的多次反射导致了多径传播，不同的传播路径具有不同的延迟特性， 从而使得信道表现出时间色散特性。由此引起的符号间干扰( i s i ) 是无线传输 系统设计中需要考虑的因素，随着系统数据速率的增加i s i 会变得更加严重。 多载波传输提供了可以让数据以较高的速率在具有较太延迟的信道中传 输的另一种途径订1 ，通过把高速数据流分解为若干个子比特流，使每个子数 据流具有低得多的比特速率，用这样的低速率多载波符号再去调制相应的子 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统，可以有效的避免单载 波调制系统中在高数据速率下遇到的难以克服的i s i 问题，且在单载波传输 系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效，但在多载波系统中某 一时刻只有少部分的子信道会受到深衰落的影响。 广义的多载波传输可以按其子信道频谱的划分分为两大类，一类是子信 道频谱相互重叠的划分方法，通过正交的子载波组来实现正交调制；另一类 是通过保证各子信道的频带严格不重叠来获得子信道间的相互正交。前者以 常见的o f d m 和d w m t 为代表，其频谱一般是基于s i n c ( ) 函数形式的；后 者以传统的频分复用( f d m a ) 及本文中使用的滤波多音调制( f m t ) 为代表，主 要是采用了滤波器组来实现各子信道的严格划分，保证各子信道具有很高的 频谱约束性。 f m t 调制技术一经提出，便得到了各地学者的广泛关注；开始，c h c n i u b i n i 等人是针对v d s l 技术中的高速率数据信号传输问题提出该技术的，该技术 主要是为了解决d s l 传输技术中的数据传输速率低、频谱利用率低、近端串 扰( n e x t ) 、远端串扰( f e x t ) 、回声( e c h o ) 严重等问题。在技术实现上，f m t 系统需要在发送端和接收端采用高频谱约束性的滤波器组分割频谱，针对这 一技术难题，b a h r a i nb o m a 在文献【8 】中提出了一种有效的原型滤波器实现方 案，此设计方案可以对原型滤波器的频谱约束性和由此产生的i s i 干扰问题作 折中考虑，即降低原型滤波器的频谱约束性可以使得i s i 干扰降低。即便如此， 滤波器组的设计计算量和工作量都是很大的，不易于工程实现，基于这一考 虑，a t o n e l l o 等人在文献 9 中提出了一种基于小波包的f m t 系统实现方案， 并且给出了该原型滤波器的f p g a 硬件实现，该方案最吸引人的地方就是易于 工程实现；并且得出结论：该实现方案同样适用于无线环境。 由于采用了高频谱约束性的滤波器，f m t 系统中的i c i 干扰和其他干扰 相比，达到可以忽略的地步。但是，高频谱约束性的滤波器组很难满足重建 条件，加之信道的时变衰落特性都使得f m t 系统i s i 干扰严重；针对这一问 题，b e n v e n u t o 在文献 1 0 】中详细介绍了f m t 系统中的判决反馈多载波均衡 ( d f m e ) 方案，然而，d f m e 方案中存在差错扩散现象，于是b e n v e n u t o 又在 文献 1 1 】中将一种称为预编码( p r e c o d i n g ) 的均衡方案用于f m t 系统，并通过 仿真验证，预编码均衡方案能很好的克服判决反馈均衡方案的缺点。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此外，国外对f m t 技术中的信道估计、信源编码、信道编码、频谱资 源复用以及同步等问题也有一定的研究。c h e r u b i n i 在文献 1 2 中介绍了一种 基于f m t 技术的联合t d m a c d m a 复用方案，并指出，这种方案适合在遭 受窄带干扰的时变信道中传输信号。然而，这方面的研究还非常有限。 1 2 2 国内的研究现状 国内对f m t 技术的研究甚少，主要是集中在信道估计、滤波器组设计、 信道均衡、同步技术等几方面。参考文献【1 3 】中建立了无线f m t 系统信道模 型，论述了基于l s 估计方法和使用扩频序列估计方法的基本原理，对使用 扩频序列的信道估计方法进行了改进，并且讨论了f m t 的空时联合信道估 计方法；同时提出，由于发送滤波器组的严格带限功能放松了发送和接收滤 波器组的理想重构条件，发送和接收滤波器组不完全匹配，导致了系统中i s i 严重，因此在时域中对f m t 的信道进行估计较为简单有效。参考文献 1 4 】 中对判决反馈多载波均衡方案以及预编码均衡方案进行了更深的研究，提出 将网格码与预编码( 网格预编码) 技术相结合，并以p s k 和q a m 为调制方式， 通过计算机仿真，比较了f m t 中判决反馈多载波均衡、预编码均衡以及网 格预编码均衡在a w g n 和多径衰落信道下的性能；结果显示：采用网格预 编码技术将使f m t 系统性能进一步提高。 ， 频谱资源复用技术以及同步技术一直是多载波通信技术研究中的热点问 题，f m t 中复用技术的研究非常少，国内尚没有此方面的研究。有关同步技 术的研究，参考文献【1 5 定量分析了定时偏差与载波频率偏差对f m t 系统性 能的影响，采用接收星座图和误比特率来衡量各种同步误差对f m t 系统性 能的影响大小。改进了h m i n n 定时算法以及s c a 频率同步算法，并且指出： h m i n n 算法结构简单，额外开销小，抗多径能力强，定时精度高；s c a 算 法计算量小，而且在快衰落环境中具有鲁棒性。 前人的研究取得了很大成就，然而，有关f m t 技术的研究还有待于进 一步发展，首先，f m t 系统中的图象传输、声音传输问题尚待进一步研究； 其次，同步算法有很多，将各种同步算法与f m t 系统结合还有很大的研究 空间，例如迭代同步算法；最后，频谱资源短缺已成为不争的事实，f m t 系 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统中的频谱资源复用问题还有待于进一步研究。 1 3 课题主要工作 滤波多音调带i j ( f m t ) 系统的基本原理是在发送端采用严格带限的低通滤 波器对每个子信道的频带进行限制以获得正交的多载波调制。由于f m t 系 统采用的是频谱分割的方法，为了尽可能的提高频带的利用率，就要求相邻 子信道的频谱间隔尽可能的小，这就必须采用高性能的低通滤波器进行带限。 通过限制各子信道在频域互不重叠，来消除可能由信道非线性失真引起的多 载波系统正交性的破坏，从而避免了i c i 干扰问题。但是在频谱约束性提高 的同时，低通滤波器的运算复杂度也随之提高。因此要对系统性能和复杂度 作折中考虑，以相对简单高效的形式来降低f m t 相对于o f d m 在实现简易 度上的差距。 鉴于前人对频谱资源复用技术以及同步技术的研究甚少，论文将在全面、 深入的阐述滤波多音调制系统各项基本原理的基础上，对f m t 系统中的常 见干扰问题进行定量计算以及系统、直观的仿真分析；重点研究f m t 系统 中的频谱资源复用理论以及多用户信号的同步传输理论，1 详细分析频分复用 f m t 系统相关理论，将一种基于训练序列的迭代同步算法与f m t 技术相结 合，并进行性能仿真。详细说来，论文的内容安排如下： 第1 章，简单介绍滤波多音( f m t ) 调制系统的国内外发展现状以及本课 题的研究背景与意义。 第2 章，详细介绍f m t 系统的基本模型以及与该系统有关的若干基本 原理，研究f m t 系统的时域和频域实现。并对f m t 系统与o f d m 系统的结 构以及实现复杂度作一个详细的对比。 第3 章，通过分析不同衰落信道条件下的接收机解调信号，得出f m t 系统中平均载干比( c i ) 的量化表达式。并且在相同的信道条件和频谱效率下 对f m t 系统与o f d m 系统的载干比作全面性对比。通过本章的分析可知， 在频率选择性时变衰落信道中，由于衰落信道造成了相位和幅度失真，不仅 破坏了滤波多音调制( f m t ) 系统中不同子载频间的正交性，而且破坏了基带 匹配滤波器的奈奎斯特抽样条件，所以，传输信号将产生失真。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章，首先，讨论f m t 系统中的频谱资源复用问题，并在分析o f d m 系统中的复用方式基础上，将f m t 系统中的复用方式划分为f m t - t d m a ( 时 分复用) ，f m t - f d m a ( 频分复用) ，f m t - c d m a ( 码分复用) ，而且将要重点讨 论f m t - f d m a 方式的基本原理；其次，对频分复用f m t 系统中复接入上行 链路动态速率控制进行理论探讨；最后，对频分复用f m t 系统在各种条件 下的性能作仿真分析，并与o f d m a 系统作对比。 第5 章，将要重点、系统的讨论频分复用f m t 系统中的多用户信号同 步传输问题，因为不同用户信号经历不同的传输信道，则不同用户信号的时 间延迟以及频率延迟不同，所以存在多用户信号传输的同步问题。这里将要 详细阐述迭代同步算法在f m t 系统中的应用，并对该算法作详细的仿真分 析。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章滤波多音调制的基本原理 滤波多音调制( f m t ) 技术是一种与正交频分复用( o f d m ) 系统类似的多 载波传输技术，其基本原理是在发送端采用严格带限的低通滤波器对每个子 信道的频带进行限制以获得正交的多载波调制技术n 6 埘1 。由于f m t 系统采用 的是频分复用的方法，为了尽可能的提高频带的利用率，就要求相邻子信道 的频谱间隔尽可能的小，这就要求必须采用高性能的低通滤波器进行严格的 带限。但是在频谱限制性能提高的同时，低通滤波器的运算复杂度也随之提 高。因此要对系统性能和复杂度作折中考虑，以相对简单的形式来降低f m t 系统相对于o f d m 系统在实现难易度上的差距。本章介绍了f m t 系统的基 本模型以及与该系统相关的若干基本原理，研究了f m t 系统的高效实现形 式，并对f m t 系统与o f d m 系统作了性能和实现复杂度上的对比。 2 1 f m t 系统的基本模型 滤波多音调制( f m t ) 技术是通过滤波器组技术将整个系统带宽划分为若 干个带限且互不相重叠的子频带，在每个子频带上用相应的子载波进行信息 的传输。为了完成对每个子频带的划分，我们可选择一组均匀滤波器来实现， 其中每个滤波器都是由同一个低通滤波器( 称为原型滤波器n 帅刚) 经过等间隔 的频谱搬移得到的带限滤波器。它应该被设计为具有非常好的频谱约束能力， 使得子频带间干扰( i c i ) 甚至比系统内的其他噪声还要低，低到可以被忽略的 程度。理想的原型滤波器是矩形频率响应滤波器。 f m t 系统模型如图2 1 所示，频谱划分如图2 2 所示，在发送端，m 个 复值数据a 。( 咒丁) ，i = o ，l ，肛1 以符号速率1 刀输入到系统，被上采样( 采样因 子为k ，表示为f 的后，并行输入到一组称为原型滤波器( 频率响应为h ( f ) ， 冲激响应为忍( 露) ) 的基带滤波器组中进行滤波。发送信号坼是由膨个滤波器 的输出信号经过精确的频率搬移( 频移的大小为的m 乃相加而得到，因此x 。的 速率为k t 。信道的传输函数为c ( 厂) ，l 。为加性高斯白噪声。在接收端，信 哈尔滨工程大学硕士学位论文 号经抽取运算后送入与发送端匹配的滤波器组中。参数k 的不同取值决定了 各子带的频带宽度以及相邻子带的间隔，当k = m 时，滤波器组被称为严格 抽样的滤波器组，各子信道所占带宽最窄，频谱的利用率最高，对滤波器的 性能要求也越高：当k m 时称为非严格抽样滤波器组，此时，各个子信道 间具有一个保护间隔，使得子频带间干扰( i c i ) 甚至更低。 图2 1f m t 调制系统模型 - 幅度 一k 汀m 一r ， wj刀 f 【r u2 k t m 图2 2f m t 系统频谱划分示意图( m 个子信道，抽样因子均 发送到信道上的数据为 咖分纵灯矽l(一从)去p肛(2-i1)-0 7 l - - - 。o 1 l l、j 接收机的输出信号为五，( ，z 丁) 棚= 薹吐c 旅训剐脚印2 寺； ， 为了使得各子信道间有一个保护间隔，图2 1 中的插值抽取都可以是非 严格的，但为了方便起见，本章中仅讨论严格抽取( 插值) 肛m 时的情况，等 效结构如图2 3 所示。图中发送端的插值运算和带通滤波器构成的插值滤波 器组也称为综合滤波器组瞄引，相应的，接收端的抽样运算和匹配滤波器组则 称为分解滤波器组。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j 1 1 _ f 。夕、j 。上z i 了互。爪j 7 i ! 耍墨i 7 w1 1 m t _ r l 一 j 2 r 图2 3f m t 系统的合成滤波器组和分解滤波器组结构表示 图2 3 中，( 刀) ，j 1 2 l ( ，z ) ，一。( 甩) 等是中心频率间隔相同的一组均匀滤波 器( 称为均匀滤波器组) ，对应的时域和z 变换域的一般描述为 ，竺i | ，l h i ( n ) = h ( n ) x e 。肘 ( 2 - 3 ) e ( z ) ：艺办( 刀) p 7 或一一( 2 - 4 ) 式中办0 ) 为原型滤波器脉冲响应。 相应的，接收端的滤波器组g o ( n ) ，g l ( n ) ，g u 一，( 疗) 中心频率间隔相同， 由原型滤波器的匹配滤波器经过频率搬移而得到，它们的一般描述为 一f 竺加 g ，( 雄) = g ( n ) e 。m ( 2 5 ) g f ( z ) ：, 9 0 0g ( 疗) p 一7 万2 1 1 加z 一一( 2 - 6 ) 式中g ( 功为原型滤波器的匹配滤波器。 由匹配滤波器原理知识可知 g ( z ) = 日( z )( 2 - 7 ) 根据z 变换的性质，有 日( z ) 卜一五( - n ) ( 2 8 ) g ，( 玎) = 群( - n )( 2 9 ) 这样的滤波器是非因果的，为了得到因果可实现的滤波器，一般取 ( 以) = h ；( u r - n ) ，这里胁是原型滤波器的长度。 理论上，f m t 系统可以用图2 3 所示的结构直接实现；但是，此方式中 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发送滤波器组 纸( ) ，m = 0 ，1 ，m - 1 ) 和接收滤波器组 域( e 归) ，m = l 2 一, m - l 都工作在较高速率k t 下，这是子信道输入码流速率的m 倍，在高抽样率上 实现复杂的滤波器要求系统的高运算能力；而且为了获得较高性能的带通滤 波器，需要增加滤波器的抽头数，由于系统在每个子信道上都要有原型滤波 器和匹配滤波器，系统的复杂度将是巨大的。为了能使f m t 更为实用，必 须找到一种非常高效的实现形式。 根据滤波器的多相分解知识口1 1 1 ，一个滤波器的频域表示可以分解表示 如下： ( z ) = h ( n ) z = z ”h ( m l + m ) z 一= z “邑( z ) ( 2 一l o ) 式中滤波器组研刁的第m 个多相分量表示为 e 朋( z ) = h ( m l + m ) z - 埘 ( 2 1 1 ) 对凰( z ) ，蜀( z ) ，巩一。( z ) 这些带通滤波器作膨个分量的多相分解 凰( z ) ：芝z 飞，等拥佃h ( m + 聊) z 制：篁z 一用p ，警拥e 。( z ) ( 2 - 1 2 ) 分析式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 中发送信号与接收信号形式，对发送信号作变换，令 m = i m + p ：旷l ，2 ，, m - 1 ； x 卜p ，舟薹喜a i n t n t 口叫c i m + p ) k 一埘x i 岬) 刽2 荟善2 训办l (堋叫 其中 者加珊 c 脚埘三叫 a p ( n t ) = 4 ( n t ) e 口删= i d f t 4 ( n t ) ( 2 1 4 ) 类似的，对接收信号作变换，假设m = i m + p , p = o ，1 ，彤一1 ，得到 棚=嫠吐(nkim刊剐(im训丢e-j2,npmp=o 五( 刀r ) = y i 一 一p ) 专川+ p ) 专 ，= l 工kj l工j 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = z ( 聆专) p 。2 酬m = d f t z o 专) 】 ( 2 1 5 ) 口= o aa 式中，咖丢，= 套 c 以k m p ，丢 c 晰+ 们司，并且办 c m + p ，习和 h + f ( 1 m + p ) 专1 分别是为发送滤波器和接收滤波器的多相分量的时域表示形 式。我们可以用逆离散傅立叶变换( i d f t ) 来实现f m t 系统的高效形式。由式 ( 2 1 3 ) 的形式可知，发送信号在形式上是i d f t 与发送端滤波器多相分量的卷 积，而接收信号是离散傅立叶变换( d f t ) 与接收滤波器多相分量的卷积。因 此，可以用图2 4 中的i d f t d f t 加原型滤波器多相分量的网络来实现。 尾( 嚣) + 叶陌帮圜一噪声叫h o ) ( z ) 卜呻+ l 均衡器o l r 且( ，1 ) l l 叶丽酊母 s p 刊华( z ) t - - - d f t 叫均衡器l r r +i d f l _ + l o ( z ) _ 一 p s 1 1 、。 一 亍 ； r ； ； r 占0 一l ( 力； + t - , 1 日”( z ) bt + 蚵舭m ( z 卜 + l 均衡器坷一1 l 1丁t 图2 4f m t 系统的高效实现 图2 4 中日似( z ) 和日晖r ( z ) 分别为发送端和接收端第k 个子信道滤波器 的多相分量，其长度( 抽头数目) 仅是原型滤波器的n m 与原来系统的直接 实现形式图2 2 相比，这种实现方法使得f m t 系统的复杂度比原来降低了很 多：首先，由i d f t d f t 与多相分量滤波器网络组成的结构替代了基于每个 子信道的滤波器组与子载波调制部分，同时完成了滤波限带与调制功能，简 化了系统结构；其次，这种结构中的多相分量滤波器和i d f t d f t 的工作速 率都与输入符号速率相同，降低了运算速度的要求。 2 2f m t 系统与0 f d m 系统的结构比较 综合前面所述，f m t 与o f d m 体现了两种不同的多载波调制方案。从 f m t 系统的基本原理我们可以看出，在f m t 系统中，各子信道的正交性是 通过频域的不重叠分割特性来保证的，而o f d m 系统则是采用了s i n e ( ) 函数 哈尔滨工程大学硕士学位论文 形式的频谱来实现各子信道间的正交；d m t 的信号频谱与o f d m 的基本相 同；f m t 与d m t 以及o f d m 等频带重叠的正交调制方法的最大差别就在于 f m t 对各个子信道频谱的控制上。由于采用了滤波器组，各子信道信号的主 瓣不相交，旁瓣则可根据实际设计需要衰减得很快，这取决于滤波器复杂度 和性能要求的折中心们。 o f d m 系统的个优点在于它的各子信道频谱正交而且相互重叠，这样 可以获得较高的频谱利用率。然而这也使o f d m 系统对频率偏差敏感。由于 无线信道存在的时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率延迟，由于发 射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，也会使o f d m 系统 子载波间正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号干扰( i c i ) 。为了维持在 多径环境下各子信道的正交性，o f d m 通常采用时域的循环扩展( 主要是循环 前缀c p ) 和虚载波( v i m l a lc a r d e r s ) 来克服多径信道对信号的影响，这些措施 反过来又削弱了正交频分复用的频谱利用率。以h i p e r l a n 2 为例，该标准 中，每符号的8 0 个抽样中有1 6 个是c p ：在其6 4 个子载波中，用于做导频 的有4 个，用于虚载波的有1 2 个，共占了1 4 ，这种用于保证正交性的开销 是相当大的瞳引。尽管f m t 系统采用子信道频谱互不重叠的划分方法，单从频 谱资源的利用率来说，它不如o f d m 系统高，因为后者的子信道频谱是重叠 的，能最大限度地利用频带资源。但是，由于f m t 系统的子信道频带是严 格划分的，i c i 能被降低到一个可以忽略的水平，频率延迟对系统正交性的 影响极小，因此它不需要循环前缀( c p ) 以及虚载波等o f d m 系统必需的开 销，这样，在实际应用中，系统对频谱资源的总的利用率不会与o f d m 系统 的相差太远。在两者最终的频谱利用率差不多时，在实际应用中更应该考虑 到多径环境的影响，f m t 系统因其远比o f d m 系统出色的子信道频谱控制 能力而更具优势盼5 1 豳6 1 。表2 1 给出了f m t 系统与o f d m 系统一些对比。 显然，f m t 系统要比o f d m 系统复杂，因为它的优于o f d m 系统的频 带抑制能力是通过在系统的各个子信道加入了一个具有相当复杂度的滤波器 为代价来获得的。直接实现的f m t 系统在运算量上与o f d m 系统的差距巨 大，但通过采用f m t 系统的高效实现形式，f m t 系统与o f d m 系统在实现 复杂度上的差距明显减小。 从图2 4 看出，在发送端，f m t 系统比o f d m 系统多了m 个长度为y 的 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多相分量滤波器，但在每个输出时刻，因为并串转换的原因，系统只需完成 其中一个多相分量滤波器的运算，又因为i d f t 的输出是复数，而滤波器系 数为实数，所以运算量相当于7 2 次复数乘。这样，对应发送端每个输出的 抽样值x ( 刀) ，f m t 系统与o f d m 系统相比，只多了一个多相分量滤波器所 表2 1f m t 系统与o f d m 系统的对比 o f d mf m t 共同点都是多载波传输，能有效对抗多径干扰，方便动态比特分 配和动态子信道分配，都能用i d f t d f t 实现，存在较高的峰 值平均功率比( 渊等 1 、予信道频谱重叠，最大限度1 、子信道频谱不重叠，频谱 利用频谱资源 资源利用相对低 2 、易于消除i s i ，均衡简单2 、使用了滤波器组，不易消 不同点3 、易受频偏影响导致i c i ，要除i s i ，要求复杂的滤波器与 求有c p , 虚子信道等开销保证均衡器 正交3 、正交性不易破坏，无须额 4 、易于结合其他接入方法，如外的比特、频带开销 m c c d m o f d m t d m a 等4 、目前缺少相关研究 需的y 2 次复数乘法，相对缩小了f m t 系统与o f d m 系统在复杂度上的差 距。以，取值为1 6 为例，只多了8 次复数乘法运算，相对于进行m 点的i d f t 所需的运算量( m 2 ) l o g ，m 来说，这个增加量是很小的。 需要指出的是，这里对f m t 系统与o f d m 系统作对比时，并未考虑到 由系统的均衡带来的运算量，实际上由于必要的均衡措施而增加的运算量与 多相分量滤波网络的基本相当。 2 3 本章小结 本章首先介绍了f m t 系统的基本模型以及与该系统相关的若干基本原 理，研究了f m t 系统的高效实现方法，对f m t 与o f d m 的优缺点作了对比。 f m t 系统通过滤波器组技术划分整个频带资源为若干个带限且互不相重叠 的子频带，在每个子频带上用相应的子载波进行信息的传输，然而，在高抽 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 样率上实现复杂而且高性能的带通滤波器，需要很大的运算量，系统的复杂 度非常巨大。为了能使f m t 技术更实用，必须寻求一种高效的实现形式， 即本章介绍的i d f t d f t 与原型滤波器多相分量相结合的形式。直接实现的 f m t 系统在运算量上比o f d m 系统巨大，但通过采用f m t 系统的高效实现 形式，f m t 系统与o f d m 系统在实现复杂度上的差距明显减小。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章f m t 系统中的干扰分析 在时变、频率选择性衰落信道中，由于信道的时变衰落性造成了相位失 真和幅度失真，这不仅破坏了滤波多音调制( f m t ) 系统中不同子载频间的正 交性，而且破坏了基带匹配滤波器的奈魁斯特抽样条件砼 位。1 ，所以，传输信 号将产生失真。本章通过分析不同衰落信道条件下的接收机解调信号，得出 了f m t 系统中平均载干比( c i ) 的量化表达式，并在相同的信道条件和频谱效 率下对f m t 系统与o f d m 系统的载干比以及误码率特性做了比较。 3 1f m t 系统中干扰分析 以图2 1 的模型进行分析，在发送端，m 个复值数据a t o r ) ，i = 0 ，l ，彤1 以符号速率胛输入到系统，被插值( 插值因子为心表示为f 均后，并行输 x 至；j - 组原型滤波器( 频率响应为h ( f ) ，冲激响应为办( 后) ) 中进行滤波。发送 信号x ( m t k ) 是由m 个滤波器的输出信号经过精确的频移( 频移的大小为 k m 7 3 复合得到，因此磁的速率为k t 。 咖争善塾c 刀t ) h 卜n k ) - 至多l e j 2 月i m u p ， x ( 朋专) = 4 l 沏一 ( 3 1 ) l i 七0 月宣l- j 信号x ( m tik ) 经过一个时变、频率选择陛信道传输。在接收端，输出信号为 j ，( 肌丢) = 篓x 沏一d i tk i t ) + w ( 垅丢) ( 3 2 ) 式中g ，( 聊去) 是第，条路径的信道脉冲响应。三代表子信道数目，w