（通信与信息系统专业论文）滤波多音调制（fmt）在wlan环境下的技术研究.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：拗i 红 日期：”椰，1 0 i j ， 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：抛导师签每弛 日期：塑! 占。! 山东大学博士学位论文 摘要 为实现未来移动通信的高速宽带和可靠传输，以正交频分复用( o f d m ) 为代 表的多载波调制( m c ) 技术，因其良好的抗多径能力和克服码间干扰( i s i ) 的 能力而获得了深入研究和广泛应用，其中o f d m 已经被多个标准采用，并作为第 四代宽带移动通信( 4 g ) 系统的备选关键技术之一。但是o f d m 也存在一些内在 缺点，如它的正交性在传输中易受破坏，从而需要大量的开销( 循环前缀( c p ) 和虚载波等) 、较为严格的现载波与定时同步等来保证系统性能。针对o f d m 的这 些缺点，本文研究了一种新的多载波调制技术滤波多音调制( f m t ) 技术及 其在无线通信中的应用。 滤波多音调制是基于滤波器组( f il t e rb a n k s ) 的多载波技术。该技术的主 要特点是各子信道具有很高的频谱约束性，对系统频率偏差不敏感，从而克服了 o f d m 易受频率偏差影响的弱点。但由于采用了不满足理想重构条件的有限冲激响 应( f i r ) 滤波器作为子信道滤波器，f m t 系统引入了码间干扰( i s i ) ，因此系统 接收端需要引入子信道均衡技术，以消除滤波器组的影响。 本文系统介绍了f m t 基本概念。由于f m t 是基于滤波器组调制的技术，因此 我们从多采样率数字信号处理和滤波器组技术的角度，对f m t 的基本概念进行了 描述，给出了严格采样f m t 系统和非严格采样f m t 系统的有效实现形式。 在f m t 系统中，影响系统性能的关键参数是原形滤波器的性能。本文对f m t 系统滤波器组的设计进行了系统的研究。由于f m t 系统性能与滤波器组的性能息 息相关，因此滤波器组的设计成为f m t 技术的关键之一。根据f m t 的特点，本文 提出f m t 系统中滤波器组设计的几项性能指标，给出满足这些指标的滤波器设计 方法和实例，同时创新性地提出了一种优化的f m t 原型滤波器的设计方案。仿真 试验表明，采用该准则设计出的原形滤波器与其他方法相比具有较高的可达比特 率和较好的误比特率性能。 系统均衡器的设计。因为f m t 系统是采用频带严格受限的滤波器组实现的， 因此不可避免地引入了i s i ，而有效克服i s i 的方式是均衡技术。本文根据f m t 的特点提出不同的均衡方案，并通过仿真实验比较它们的性能，提出不同环境， 不同要求下的不同的均衡方案，同时研究了基于辅助数据均衡( d a e ) 技术，创 新提出了结合因子图的d a e 二次判决算法，将其应用于f m t 中，取得了良好的均 山东大学博士学位论文 衡效果。 f m t 技术能否应用于无线信道环境下的首要问题之一，就是其同步系统的复 杂度问题。因此，我们对f m t 在w l a n 环境下同步系统进行了详细研究。首先从 理论上分析f m t 系统的载波频偏和时间采样偏移的性能，然后据此提出了一种适 用于f m t 的载波和定时联合同步盲算法，同时借鉴o f d m 的同步算法，对载波同 步和定时同步各提出了一种数据辅助的同步算法。 f m t 技术在甚高速数字用户环路( v d s l ) 中应用时，比离散多音调制( d m t ， 相当于o f d m 的基带形式) 的优越性在于，其系统可达比特率在v d s l 信道条件较 差时( 线缆长度大于7 0 0 米) 明显高于d m t 。为研究f m t 在无线信道环境下的应 用前景，我们从理论上分析了f m t 在w l a n 信道中容量( - j - 达比特率) ，给出了 适用于f m t 系统的自适应比特分配算法，并通过仿真试验得到了f m t 系统的可达 比特率上界。 本论文创新性研究包括： 1 f m t 原型滤波器的优化设计。虽然文献 6 6 ，7 7 提出了一种f m t 的优化 设计方案，但是其方法仅仅适用于严格采样的f m t 系统。本文给出的f m t 原型滤波器优化设计的一般准则及优化算法，不仅适用于严格采样的 f m t 系统，而且适用于非严格采样的f m t 系统。 2 将基于辅助数据的均衡技术( d a e ) 引入f m t 系统，创新性地提出了结 合因子图 6 7 的d a e 算法，解决了其物理可实现问题。 3 提出了基于接收信号二阶循环平稳性特征的f m t 系统频率和定时的联合 同步算法。 关键词：滤波多音调制，原型滤波器，均衡器，定时同步，载波同步，可达 比特率 2 山东大学博士学位论文 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 i q u eh a sr e c e n t l ye v o k e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s t sa n d w i d e s p r e a da p p l i c a t i o n sf o ri t sa t t r a c t i v eq u a l i t i e si nr e s i s t i n gm u l t i p a t he f f e c t sa n d m i t i g a t i n gi s i t a k e na sa ne x a m p l e ，t h eo f d mt e c h n i q u eh a sb e e na d o p t e df o rs o m e f o r m e ds t a n d a r d sa n de v e nr e g a r d e da sac a n d i d a t ef o rt h ec o m i n g4 g w i d e b a n d m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o w e v e r , o f d mh a ss o m ei n t r i n s i cs h o r t c o m i n g s ： i t s o r t h o g o n a l i t yi ss u s c e p t i b l e t ob ed e s t r o y e di n p r a c t i c a lt r a n s m i s s i o n ，t h u s c o n s i d e r a b l eo v e r h e a d s ( c pa n dv i r t u a lc a r d e r s ) ，s t r i c ts y n c h r o n i z a t i o na n de t c a r e n e e d e d i no r d e rt oa v o i dt h e s ed i s a d v a n t a g e so fo f d m ，an e wm u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，n a m e df 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 ss t u d i e df o ri t s a p p l i c a t i o n si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nt h i st h e s i s w i t hs o m er e l a t e da s p e c t sb e i n g i n v e s t i g a t e di n t e n s i v e l y f m ti sa l s oam u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nf i l t e rb a n kt e c h n o l o g y t h em a i nc h a r a c t e ro ft h i st e c h n i q u ei st h eh i g h - s p e c t r a lc o n s t r a i n to fe a c hs u b c a r r i e r w h i c hr e s u l t si ni t sn o n - s e n s i t i v i t yt of r e q u e n c yo f f s e tw h e r eo f d m e n d u r i n g h o w e v e r , f m th a si n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e s ( i s i ) w h i c ha r ec a u s e db yt h en o n - i d e a l s u b c h a n n e lf i l t e r s i s ih a st ob ee l i m i n a t e db yp e r - s u b c h a n n e le q u a l i z e r s f i r s t l y , w ei n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p ta n de f f i c i e n tr e a l i z a t i o no ff m ts y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n f m tb e l o n g st of i l t e rb a n kt e c h n o l o g y t h u sw eg i v ed e s c r i p t i o n o ff m ts y s t e mb a s e do nm u l t i r a t e s i g n a lp r o c e s s i n ga n df i l t e rb a n k s e f f i c i e n t r e a l i z a t i o n so f b o t hc r i t i c a l l ys a m p l i n gs y s t e ma n dn o n - c r i t i c a l l ys a m p l i n gs y s t e ma r e d e d u c e d s e c o n d l y , w ea n a l y z eh o wt od e s i g nt h ef i l t e rb a n ko re q u a v e n t l yt h ep r o t o t y p e f i l t e r f o rf m ts y s t e m ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o e f f i c i e n t si st h ep r o t o t y p ef i l t e r i t sp e r f o r m a n c ea f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h eo v e r a l ls y s t e md i r e c t l y t h u s ，w ef i r s t g i v et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ep r o t o t y p ef i l t e r t h e n ，w eg i v es o m ee x a m p l e s w h i c hc o u l ds a t i s f yt h e s er e q u i r e m e n t s f i n a l l y , w ed e l i v e ras c h e m eo no p t i m i z i n g t h ep r o t o t y p ef i l t e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to p t i m u mp r o t o t y p ef i l t e rc o u l d a c h i e v eb e t t e re r r o rp r o b a b i l i t yp e r f o r m a n c ea n da c h i e v a b l eb i tr a t e s t h i r d ，w ec o n s i d e rh o wt od e s i g nt h es u b c a r r i e re q u a l i z e r s f m ts y s t e ms h o u l d a d ds u b c a r r i e re q u a l i z e r sa tt h eo u t p u to ft h er e c e i v e rt oc o m p e n s a t ei s ii n t r o d u c e db y 3 山东大学博士学位论文 t h en o ni d e a lp r o t o t y p ef i l t e r w eg i v es o m ed i f f e r e n te q u a l i z a t i o ns c h e m e s ，s u c ha s d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e ra n dp r e e q u a l i z e r , e t c w ea l s oi n t r o d u c ed a t a - a i d e d e q u a l i z e rt of m ts y s t e ma n dp r e s e n tat w o - d e c i s i o na l g o r i t h mb a s e do nf a c t o r d i a g r a m f o u r t h ，w er e s e a r c hs y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e so v e rw l a ne n v i r o n m e n t s w e a n a l y z et h et h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c eu n d e rf r e q u e n c yo f f s e ta n dt i m i n go f f s e t t h e nw e p r e s e n tab l i n dc a r d e ra n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m i nt h em e a n w h i l e ，w e p r e s e n t ad a t a - a i d e dc a r r i e r s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m a n d t i m i n ga l g o r i t h m r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h ea d v a n t a g eo ff m t o v e rd i s c r e t em u l t i t o n em o d u l a t i o n ( d m t ) u n d e r v d s li st h a tt h ea c h i e v a b l eb i tr a t e sb e c o m eh i g h e rw h e nt h ec a b l el e n g t hi sl o n g e r t h a n7 0 0m e t e r s i no r d e rt oe v a l u a t et h ep e r s p e c t i v eo ff m ts y s t e mo v e rw l a n c i r c u m s t a n c e ，w ea n a l y z et h et h e o r e t i c a lc a p a c i t yo ff m ts y s t e ma n dp r o p o s ear a t e a d a p t i v el o a d i n ga l g o r i t h mo ff m ts y s t e m t h ei n n o v a t i o nr e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d ei n ： 1 ，o p t i m u md e s i g no ft h ep r o t o t y p ef i l t e r p a p e r s 6 6 ，7 7 】p r e s e n ta no p t i m i z i n g s c h e m eo ft h ep r o t o t y p ef i l t e rw h i c hc o u l do n l yu s e dt od e s i g np r o t o t y p ef i l t e rf o r c r i t i c a l l ys a m p l i n gf m ts y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ep r o p o s eag e n e r a lo p t i m i z i n g s c h e m ew h i c hc o u l db ea d o p tt od e s i g np r o t o t y p ef i l t e rf o rb o t hc r i t i c a l l ys a m p l i n g a n dn o nc r i t i c a l l ys a m p l i n gf m t s y s t e m 2 ，t w o d e c i s i o na l g o r i t h mo fd a ee q u a l i z e r w ei n t r o d u c et h ed a ee q u a l i z e rt o f m ts y s t e ma n dp r c s e mat w o - d e c i s i o na l g o r i t h mb a s e do nf a c t o rd i a g r a mt o o v e r c o m et h en o n c a u s a l l yo ft r a d i t i o n a ld a e e q u a l i z e r 3 ，w ep r e s e n tab l i n dc a r d e ra n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eb a s e do nt h e s e c o n d o r d e rc y c l o s t a t i o np r o p e r t i e so ft h ef m t s y m b o l 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 ，p r o t o t y p ef i l t e r , e q u a l i z a t i o n ，t i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n ，c a r d e rs y n c h r o n i z a t i o n ，a c h i e v a b l eb i tr a t e s 4 山东大学博士学付论文 4 4 g a b r a w g n b e r b p a c p c r c s d a e d b d f e d f t d m t d v b d w m t e c h o f b f b m c f d m f e x t f f f f t f i i t e rb a n k s n r f m t f m t c s 符号说明 第4 代移动通信系统 可达比特率 加性高斯白噪声 误比特率 每秒比特数 循环前缀 c r a m e r r a ob o u n d 循环后缀 数据辅助判决 分贝( r a t i oi nl o gs c a l e ) 判决反馈均衡器 离散傅立叶变换 离敝多音 数字视频广播 离散小波多音 回声 反馈滤波器 滤波器组多载波 频分复用 远端串扰 前馈滤波器 快速傅立叶变换 滤波器组 有限冲击响应滤波器 滤波多音 严格抽样f m t 山东大学博十学付论文 f m t - n c s非严格抽样f m t f s e分数间隔均衡器 h i p e r l a n ，2 h i g hp e r f o r m a n c el a nt y p e 一2 i c i信道间干扰 i d f t离散傅立叶逆变换 i f f t逆快速傅立叶变换 i s d n综合业务数字网 i s i 符号间干扰 i t u国际电信联合会 m a冗余自适应 m a p最大后验概率 m c 最大相关 m c m 多载波调制 m l最大似然 m l s e最大似然序列检测 m m s e 最小均方误差 n e x r近端串扰 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 p s t n公共电话通信网 r a 速率自适应 r m s 均方根 s n r信号噪声比 w l a n无线局域网 v d s l甚高速数字用户环路 6 山东大学博士学位论文 第一章前言 滤波多音调制( f m t ) 是一种多载波调制技术 1 ，3 ，5 ，1 4 ，1 8 ，6 0 ，6 1 ，6 2 ， 6 3 等 。该技术采用带宽严格受限的带通滤波器来分割信道，使得各子信道在频 域互不重叠，以达到子信道正交。采用这种正交方式的一个优点就是在实际的信 道传输中正交性不易被破坏，从而能够避免因此而产生的信道间干扰( i c i ) ，保 证了系统的性能。另一方面，f m t 不同于传统的频分复用( f d m ) 技术，通过多 采样率数字信号处理技术，保证了它的相邻子信道之间没有保护间隔，提高了系 统的频谱利用率。在当前频谱资源十分有限的条件下，较高的频谱利用率使f m t 的应用和发展成为可能。 f m t 技术于1 9 9 9 年由g i o v a n n ic h e n r u b i n i 7 3 等人首次提出，并将其应 用于v d s l 中。研究表明，f m t 在v d s l 中具有良好的抗干扰能力，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 ) 以及窄带射频干扰等。同时对于v d s l 中的某一 给定链路，采用f m t 技术无需提供上行数据流和下行数据流的同步信号，而且其 可达比特率高于d m t 。因此基于f m t 的调制方案被i t u t 接纳为v d s l 调制技术 的备选方案中 6 4 6 5 。 f m t 这种多载波调制技术，继承了传统的多载波调制技术o f d m 和d m t 的优 点，如良好的抵抗频率选择性衰落和窄带干扰的能力。同时由于f m t 采用频带严 格受限的子信道分割方式，其对载波频率偏移不敏感，故可以避免i c i ，且降低 了对系统同步的要求。 相对于o f d m 而言，f m t 的频谱效率较低，子信道信号间存在i s i ，加之子信 道分割采用滤波器组，系统的实现较为复杂。 由于f m t 的提出时问较晚，对它的系统研究刚刚展开。截止到2 0 0 6 年上半 年，国外发表出来的有关f m t 研究的论文总共约几十篇，其主要研究内容如下： 1 、v d s l 信道中f m t 系统可达比特率的研究。 对该问题的研究主要集中在1 9 9 9 2 0 0 2 年期间，i b m 的g c h e r u b i n i 。 e e l e f t h e r o u ，s o l c e r 等人设计了一种具有很高的子信道频谱约束的多相滤 7 山东大学博十学付论文 波器组调制系统，并命名其为滤波多音调制。将该技术应用到v d s l 中，发现与 采用d m t 的v d s l 系统相比，f m t 具有以下优点： v d s l 中，由于回声会破坏频谱重叠子信道的正交性，并引入i s i ，为保证子 信道的正交性和减少i s i ，d m t 需要循环前缀( c p ) 和循环后缀( c s ) 。f m t 采用 子信道频谱不重叠的分隔方式，正交性不会被破坏，因此不需要c p 和c s 。 为了在公共电话交换网( p s t n ) 或综合业务数字网( i s d n ) 的对绞铜线用户 线上实现v d s l ，必须在通信网交换局端和每一用户端分别加v t u - o 和v t u r 。这 就是v d s l 传输单元( v t u ) ，0 代表交换局、r 代表用户端。采用d m t 技术，要求 v t u - o 和v t u r 之b j 保持帧同步。采用f m t 技术，则没有这一要求。 采用d m t 的v d s l 中，即使采用了加窗技术和频谱成型，也很难消除近端串 扰。因此，应尽量使相邻的子信道簇同向( 要么都上行传输，要么都下行传输) 传输，且一簇中所含的子信道数越多越好。采用f 舯技术，则可以将各子信道任 意分配给上行链路或下行链路，而不会引入近端串扰。 相对于d m t 而言，f m t 在子信道分隔方面更灵活，可以采用较少的子信道数， 如3 2 、6 4 或1 2 8 个子信j 萱等，频谱利用率不会降低。采用d 1 4 t 技术，由于c p 和c s 的引入，为保证较高的频谱利用率，必须采用较多的子信道数，如1 0 2 4 或 2 0 4 8 。 文献 1 6 4 6 5 等给出的试验结果表明，采用f m t 的v d s l 系统，子信道数为 2 5 6 时，与相同信道环境、采用d m t 且子信道数为4 0 9 6 的v d s l 系统相比较，当 电缆长度大于7 0 0 米之后，前者可达比特率明显高于后者。文献同时指出，f m t 系统的实现复杂度要高于d m t 。 2 、f m t 在无线信道中的应用 f m t 技术成为i t u 的v d s l 技术之备选方案后，对f m t 的研究开始转移到其 在无线信道的应用前景中，文献 1 8 ，7 4 均是在这方面进行了探讨。较之f m t 在 v d s l 中的应用，文献 1 8 ，7 4 没有太多的理论创新，仅仅是将信道环境变成 h i p e r l a n 2 或t e r r e s t r i a ld i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) 信道 7 5 ，7 6 。 研究了f m t 系统中采用最小均方误差判决反馈均衡器( 删s e d f e ) 和预均衡器( 或 预编码) 时的系统性能( 包括误码率信噪比性能和可达比特率信道均方延迟 ( r m s ) 性能) 。 3 、f m t 中优化原型滤波器的设计 山东大学博十学位论文 b o r n a ，b 和d a v i d s o n ，t n 于2 0 0 4 年 6 6 提出了一种严格采样f m t 系统 的原型滤波器优化准则，后来又将其总结发表在2 0 0 6 年5 月的i e e e 通信学报上 7 7 3 。该优化方法参考了文献 4 4 对g d f t 原形滤波器的优化设计，综合考虑了 滤波器设计时的诸多参数，重点考虑了i c l 和i s i 的折中，试图找到可达比特率 最高的f m t 原型滤波器。但是，其优化设计准则中没有考虑原型滤波器的过渡带 约束，因此严格上说该方法不适合于用于非严格采样f m i 系统。 4 、f m t 在衰落信道中的误比特率上限的分析 2 0 0 5 年，a n d r e am t o n e l l o 6 2 通过详细的数学论证，给出了d a t 系统在 时变频率选择性衰落信道中的误比特率上界，给出了今后硎t 研究中的参考基 准。 5 、f m t 频率同步的研究 f m t 技术的优势之一，就是其子信道严格的频谱约束，使其对载波的频率偏 差不敏感，从而频率同步电路较之o f d m 可以简化。2 0 0 4 年，a n d r e am t o n e l l o 和f a b i or o s s i 在文献 7 8 中提出了一种基于训练序列的f m t 时频同步算法。 2 0 0 5 年，他们又将该算法推广到多用户f m t 系统中 6 1 。仿真试验表明，他们 的算法效果不错。 以上是f 姗技术迄今为止在国际上的主要研究内容，由于其提出较晚，加之 该技术同滤波器组调制技术 7 9 8 l 等 ( 如离散小波多音调制( d w m t ) 8 2 ，8 4 等 ) 有部分重叠，对f m i 技术的研究，国际上目前集中在美国斯坦福大学c i o f f i 教授的研究组，加拿大m c m a s t e r 大学d a v i d s o n ，t n 研究组和意大利d iu d i n e 大学的a n d r e a 教授研究组。 国内同行就f m t 的研究尚未见报道。笔者对f m t 这一新技术的关注开始于 2 0 0 2 年，2 0 0 3 年开始对其系统研究。从最基础的多采样数字信号处理技术丌始， 对滤波器多音调制f m t 技术进行了全面而系统地研究，并得到国家自然科学基金 资助。本文根据几年来研究成果，进行如下的研究和探索： f m t 基本概念及有效实现( 见论文第二章) 。f m t 是基于滤波器组调制的 技术，因此，从多采样率数字信号处理和滤波器组技术的角度对f m t 的基本概念 进行描述，给出严格采样f m t 系统和非严格采样f m t 系统的有效实现形式。 f m t 系统滤波器组的设计( 见论文第三章) 。由于f m t 系统性能与滤波器 组的性能息息相关，因此滤波器组的设计成为f m t 技术的关键。本文提出f m t 系 9 山东大学博十学付论文 统中滤波器组设计的几项性能指标，给出满足这些指标的滤波器设计方法和实 例，同时提出一种优化的f m t 原型滤波器的设计方案。 f m t 系统均衡器的设计( 见论文第四章) 。f m t 系统采用频带严格受限的 滤波器组实现，不可避免地引入了i s i 。有效克服i s i 的方法是均衡技术。本文 就f m t 的特点提出不同的均衡方案，包括接收端均衡和预均衡，并通过仿真实验 比较它们的性能，提出不同环境、不同要求下的不同均衡方案。 f m t 在w l a n 环境下同步系统的研究( 见论文第五章) 。首先从理论上分 析f m t 系统的载波频偏和时间采样偏移的性能，然后据此提出了一种适用于f m t 的载波和定时联合同步盲算法，同时借鉴o f d m 的同步算法，对载波同步和定时 同步研究相应的数据辅助的同步算法。 从理论上分析f m t 在w l a n 信道中容量( 可达比特率) 问题( 见论文第六 章) 。给出基于自适应比特分配算法( r a ) 的f m t 系统在w l a n 环境下的可达比特 率仿真试验结果。 三年多来，笔者从搭建f m t 的基本仿真平台入手，对f m t 理论进行了较系统 的研究，其中创新性研究包括：一、f m t 原型滤波器的优化设计。文献 6 6 ，7 7 提出的一种f m t 的优化设计方案，仅仅适用于严格采样的f m t 系统。本文给出的 f m t 原型滤波器优化设计的一般准则及优化算法，不仅适用于严格采样的f m t 系 统，而且适用于非严格采样的f m t 系统。二、将基于辅助数据的均衡技术( d a e ) 引入f m t 系统，创新性的提出了结合因子图 6 7 的d a e 算法，解决了其物理可实 现问题。三、提出了基于接收信号二阶循环平稳性特征的f m t 系统频率和定时的 联合同步算法。 事实上，在对f m t 的研究时，应将f m t 的性能与o f d m 的性能进行对比，笔 者也在这方面做了许多工作。但是由于本论文容量有限，为了保证论文的一致性， 文中没有涉及与o f d m 比较的内容，这也算是本论文写出后笔者的一点遗憾。 1 0 山东大学博+ 学位论文 第二章滤波多音调制基本原理 本章摘要：详细介绍了滤波多音调制系统的基本原理，介绍了滤波多音调制的理 论基础滤波器组理论，给出了严格采样非严格采样滤波多音调制系统的有效实 现形式。 2 1f m t 系统模型 f m t 是一种滤波器组调制技术。它是通过滤波器组将整个信道划分为若干个 频带有限且互不重叠的子信道，用多个子载波在这些子带上进行信息的并行传 输。f m t 采用一组均匀滤波器组( u n i f o r mf i l t e rb a n k ) 实现对信道频带的严 格划分，以保证相邻子信道不重叠并且信道间隔最小。均匀滤波器组中的每个滤 波器都是由同一个低通滤波器原型滤波器( p r o t o t y p ef i l t e r ) 经过等间隔 的频率搬移得到的。该原型滤波器具有良好的频带约束能力，可使各子信道以不 重叠的方式保持正交，从而保证系统的信道间干扰( i c i ) 远低于系统中的其它 噪声 1 ，达到可以忽略的水平。 f m t 系统等效基带模型如图2 1 所示。图2 1 中，m 个独立同分布信号 ，。( 聍丁) ，p = o ，1 ，吖一1 是符号速率为1 t 的复值信号，被上采样( 采样因子为足， 表示为fk ) 后，并行输入到一组称为原型滤波器( 频率响应为h e ) ，冲激响应 为 内) 的基带滤波器组中滤波。发送信号是由肘个滤波器的输出信号经过 精确的频移( 频移的大小为k m r ) 后相加而得到，因此h 的速率为k t 。整个 信道的传输函数为c 6 9 ，为加性高斯白噪声。接收端，用对应的子载波从接收 到的信号中解调出每路调制信号，经过与原来的低通滤波器对应的匹配滤波器 日+ ( ，) ( 表示复共轭) 后，再对输出信号进行抽取( 采样因子为j ( ，用上k 表 示) ，得到符号周期为r 的接收码元 1 。 当k = m ( 或m ) 时，滤波器组被称为严格( 或非严格) 抽样的滤波器 组 2 。图2 2 为f m t 信道频谱的示意图。从图2 2 可以看出，在f i d t 中，子信 道问的信号频谱是不重叠的。 山东大学博七学倚论文 ，0 0 ) ( 蚪) ，村一。( ”) 图2 1f m t 系统框图 图2 2f m t 子信道频谱图 i o ( n ) ( 胛) l 。( h ) 若将图2 1 中第m 子信道上的发送滤波器日( n 与对应的子载波平衡调制器 p 地”结合起来，用一个等效的带通滤波器日，( ) ( 单位样值响应为( ，哆) 来代 替，如图2 3 所示，并且将接收端滤波器组进行类似的替换，那么对应的f m t 系 统的等效带通结构框图如图2 4 所示。图2 4 中发送端的插值运算和带通滤波器 构成的插值滤波器组称为综合滤波器组，对应地，接收端的抽取运算和匹配滤波 器构成的抽取滤波器组则称为分析滤波器组 2 。 、一 4 o f ) 图2 3 等效带通滤波器 图2 4f m t 系统的等效带通框图 山东大学博十学付论文 更一般的，若接收端的滤波器组用( 以) 表示，则得到如图2 5 所示的f m t 系统框图。 l 唑卅 堕咂 一 。掣咂卜 在图2 5 中，有 图2 5f m t 系统框图 h a n ) = ( 押) 睃轴= h ( n ) e 7 2 砌7 。 g a n ) = f 巧p g ( 疗) = h a - n ) = 阡i “h ( 一，z ) 阪= e - 胁x 2 2 滤波器组的一般概念 2 】 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 。l3 ) 一个滤波器组有共同的输入，或者有共同相加后的输出，如图2 6 所示。 卑- 匝乎一x o ( n ) 卜匝卜一置( 一) lli l 岖丕p 1 ( 帕 ( a ) m 路滤波器组分析器( b ) m 路滤波器组综合器 图2 6 滤波器组基本构成 在肼路滤波器组分析器中，输入信号x ( n ) 被分成路数为m 的一组信号。图 2 6 中，x k ( m ) 表示各路信号，其中k = o ，l ，m 一1 。在滤波器组综合器中，对 应的信号为置( m ) ， k = o ，1 ，肘一i ，表示滤波器组综合器的各路输入信号。 而量( 疗) 表示该综合器的输出信号。一般来说，各路信号的抽样率与输入或输出信 号的抽样率是不同的。根据不同的应用场合，x ( m ) 和j ( 埘) 也可能是不同的。 滤波器组中通路滤波器的设计方式有三种，如图2 7 所示。图( a ) 中滤波 山东大学博十学付论文 器组的频带是不重叠的，图( b ) 中是稍有重叠，而图( c ) 中有很大重叠的。不 重叠设计主要用于通信系统的时分到频分的复用转换器中；在诸如包含频带压缩 的系统中，希望采用稍有重叠的滤波器组设计方法；重叠很大的滤波器组设计常 用于含有频谱分析器的系统中。 图2 7 滤波器组设计的比较；( a ) 不重叠( b ) 稍有重叠( c ) 大量重叠 滤波器组的一个重要分类是均匀滤波器组。在均匀滤波器组中，所有的通路 有同样的带宽和抽样率。从实际实现的观点看，采用均匀滤波器组特别有利，因 为它可以通过快速傅立叶变换来实现。 均匀滤波器组中，离散傅立叶变换( d f t ) 滤波器组是一类最重要的滤波器 组，如图2 8 所示。在图2 8 ( a ) 的分析器中，输入信号x ( n ) 被函数e 。一调制 后经低通滤波器h ( n ) 滤波，然后将采样率降低倍产生通路信号置( 脚) 。o f t 滤 波器组中各通路的中心频率是q = 等， _ | = o ，1 ，m 一1 。 定义醪0 = p 叫2 7 埘和p “4 = e - a 2 “= 黟孝，则通路信号可以表示成 五( 所) = h ( m k 一栉) “疗) 辟玄，k = o ，1 ，一1 ( 2 2 1 ) 在图2 8 ( b ) 的d f t 滤波器组综合器中，各通路信号首先被分别内插为k 倍的高速率信号，然后经低通滤波器g ( n ) 滤波，被p ，叩调制，最后把所有的通 路信号相加产生单一输出叠( n ) ，即 曼( 功= g ( 玎一袱) 丘( 肌) “ ( 2 2 2 ) 均匀滤波器组中，当k = m 时，称为严格抽样滤波器组，k ) m 时，称为非 严格( 过) 抽样滤波器组。 1 4 山东大学博士学位论文 在滤波器组的应用中，通常采用分析器一综合器的结构形式，当采用综合器一 分析器的结构时，称为滤波器组多载波技术( f b m c ) 。可以看出，f m t 属于f b m c 技术。 吧叼 ( a ) 分析器 x o ( m ) 置枷) 噩( m ) 五。( 棚 图2 8d f t 滤波器组模型 2 3f m i 的有效实现形式 ( b ) 综合器 从2 2 节的论述可以看出，f m t 技术实际上是均匀d f t 滤波器组的一个应用， 因此我们从均匀d f t 滤波器组的理论出发，给出f , f f 的有效实现形式。 事实上，f 婀系统采用直接方式是非常复杂的。从图2 1 可以看出，系统的 滤波器工作在k t 的速率上，是输入码流( 速率为1 t ) 的k 倍，在高速数据传 输环境下，对滤波器的工作速率提出了很高的要求；同时为了获得优秀的频谱约 束性，原型滤波器的长度一般较长( 6 4 个子信道符合i c i m 时的基于短时傅立叶 变换的加权叠接一相加结构。 2 3 1 精确重建的( 置= 肘) 的多相结构 由图2 1 可知，在信道输入端，有 山东大学博七学付论文 z ( ) = i k ( m ) h k ( n m g ) t ；0m = “ m - 1 = i k ( m ) h ( n - m m ) w i u “ ( 2 3 1 )