（通信与信息系统专业论文）滤波器组多载波系统快速实现及同步技术研究.pdf

中文摘要 摘要 滤波器组多载波技术( 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 ) 具有较强的抗多 径干扰的能力，能够较好的解决高速率无线通信和复杂均衡接收技术之间的矛盾， 是未来新一代宽带无线通信系统的核心技术之一。o f d m 是滤波器组多载波技术 中选择矩形脉冲作为滤波器的一种特例，它实现了最大化的抑制符号问干扰( i s i ) ， 但是受载波问的干扰( i c i ) 影响十分严重，为了达到对i s i 和i c i 干扰的平衡抑制， 需要考虑性能更全面的滤波器组多载波技术。 本文首先全面介绍了滤波器组多载波技术研究现状和关键技术，并列出了目前 该领域的一些仍待解决的问题，指出了本文的主要研究内容。 然后在分析了移动通信衰落信道基本特性的基础上，比较了o f d m 和滤波器 组多载波技术的基本原理、基带等效模型和频谱特性等，重点分析了二者之间的 联系和区别，并给出了它们对应的实现框架。从基带实现上可以看到滤波器组多 载波选择了时域非矩形脉冲，在提高性能的同时，也给系统的调制和解调快速算 法、同步技术、信道估计和均衡技术等带来更高的实现难度。 为了降低多载波实现难度，论文从时频分析和基带多载波通信的理论基础， 提出了一种基于成型脉冲滤波的f b m c 系统高效快速实现算法。该算法先把多载 波连续系统抽样得到离散化模型，然后对系统模型延时进行因果化处理，最后利用 成型脉冲的有限截断长度和复指数函数的周期性简化离散模型并得到快速实现算 法。该算法计算复杂度仅略大于o f d m 中基于f f t 的快速实现算法，并且可以灵 活的选择滤波器截断长度和系统基带采样频率。 多载波技术一般较单载波技术更容易受同步偏差的影响。解决同步问题，首 先需要得到系统性能受同步偏差带来的量化干扰分析。基于o f d m 系统同步偏差 给系统影响的相关文献较多，研究也很成熟，但还很少有针对f b m c 做相关的理 论分析和给出对应的理论模型。本文接下来为了给f b m c 系统的帧结构、同步和 检测算法提供理论上的指导和参考，提出了一种针对频偏和符号定时偏移对f b m c 性能影响的分析模型建模方法。该方法首先把解调后的输出分为有用信号部分及 频率同步偏差带来的i c i 和i s i 部分，然后基于发送和接收成型脉冲的互模糊函数 给出了每个部分的量化分析，最后利用发送信号的相关统计特性得到解调后输出 的信干比。实验结果表明，同步偏差带来的系统误码率和分析方法理论计算得到 的信干比是一致的。 理论分析的结果和实验表明，f b m c 作为一种多载波技术和o f d m 一样，也 是受同步偏差的影响较大。为了提高f b m c 系统的性能，有必要解决该技术的同 重庆大学博十学位论文 步问题，由于基于o f d m 系统的同步算法已经很成熟，在各种文献和相关的无线 通信标准文档上都讨论的比较多，所以针对同步实现，本文提出基于o f d m 符号 结构的f b m c 同步技术，该部分内容先给出了三类o f d m 同步算法的基本原理和 同步度量比较，包括基于c p 的盲同步，基于二重复和四重复延迟相关同步，基于 z c 序列的互相关同步。通过分析，基于四重复延迟相关和互相关同步这两种算法 的性能较好，并且二者的优缺点正好互补，因此在提出的系统帧结构中，包含这 两种同步算法的训练符号，这样就可以在同步实现中综合二者的优点，得到更好 的同步性能。 采用o f d m 中一些很成熟的同步技术并直接运用到f b m c 系统中，尽管在实 际中是可行的，但这种方法有以下需要完善之处：1 发射和接收端都必须具备 o f d m 和f b m c 两种多载波调制解调装置，导致系统复杂性增加；2 同步训练符 号的添加不方便，为了避免其他f b m c 符号对训练符号的影响，只适合添加在突 发通信系统的帧头；3 对于非突发通信，o f d m 训练符号和f b m c 符号之间需要 额外添加时域过渡保护，降低了频谱效率；4 由于同步符号和数据符号不是基于同 一多载波调制解凋技术，因此难以把频域信道估计和同步联合处理。 为了克服以上不足，更好的提升系统性能，论文最后提出了种基于f b m c 帧结构训练序列的同步解决方案。该方案首先给出了同步训练数据结构，并从理 论上证明训练序列具有的延迟冗余特性，其次在同步算法上充分的利用到了训练 序列提供的有效冗余，提出了一种定时精确的f b m c 符号同步算法和高精度、大 估计范围的自适应频偏估计方法，在保证估计精度的同时，较以往算法的估计范 围提高了1 2 个数量级。 关键词：正交频分复用，滤波器组，多载波，快速实现，同步算法 英文摘要 a b s t r a c t 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 ) t e c h n o l o g yh a sas t r o n g a b i l i t yo f a n t i - m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ，a n dc a nb eab e t t e rs o l u t i o nf o rt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h e h i g h s p e e dw i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o na n d s o p h i s t i c a t e de q u a l i z a t i o np r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , w h i c hi so n eo ft h ec o r et e c h n o l o g yo fn e x t - g e n e r a t i o nb r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m o f d mi sa s p e c i a lc a s eo ff b m ca n dc h o s ear e c t a n g u l a r p u l s ea st h es e n da n dr e c e i v ef i l t e r , w h i c hg r e a t l yr e d u c e dt 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 ) ，h o w e v e rb o u g h ta tt h ep r i c eo fi n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) ，i no r d e rt oa c h i e v e t h er i g h tb a l a n c eb e t w e e ni s ia n di c ii n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n ，n e e dt oc o n s i d e rt h et h e f b m ct e c h n i q u et h a th a so v e r a l lp e r f o r m a n c ew i t ht h eu t i l i z a t i o no fn o n r e c t a n g u l a r p u l s e i nt h i s p a p e r ，ac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o nt of b m cs t u d ys t a t u sa n dk e y t e c h n o l o g yr e s e a r c h ，a n dl i s t ss o m eo ft h ep r o b l e m si nt h e s ef i e l dr e m a i n e dt ob e r e s o l v e d ，p o i n t so u tt h em a i nc o n t e n t so ft h i sa r t i c l e t h e nb a s e do nt h ea n s l y s i so fb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ff a d i n gc h a n n e l si nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，g i v e sc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fo f d ma n df b m cw i t ht h ea r e a so ft h e b a s i cp r i n c i p l e s ，b a s e b a n de q u i v a l e n tm o d e la n ds p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s ，e t c s p e c i a l f o c u s e do na n a l y z i n gt h el i n k sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w o ，a n d g i v e st h e i r c o r r e s p o n d i n gi m p l e m e n t a t i o nf r a m e w o r k f r o mt h eb a s e b a n di m p l e m e n t a t i o np o i n to f v i e w , d u et ot h et i m e - d o m a i nn o n r e c t a n g u l a rp u l s es e l e c t e db yf b m c ，i tc a ni m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，b u ta l s ob r i n gah i g h e rd e g r e eo fd i f f i c u l t yt ot h es y s t e mf a s t a l g o r i t h mf o rm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o na n d e q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y i no r d e rt or e d u c et h ei m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t yo ff b m cs y s t e m ，a ne f f i c i e n t f a s ta l g o r i t h mw a sp r e s e n t e d t h et r a n s c e i v e r sb a s e b a n ds y s t e mm o d e l sa r ep r e s e n t e d f i r s tb a s e do nt i m e - f r e q u e n c ya n dm u l t i c a r r i e rc o m m u n i c a t i o n t h e o r y t h e n ，ad i s c r e t e c a u s a lm o d e lw a so b t a i n e dd u et od i g i t i z e da n dd e l a y e dt r e a t m e n t f i n a l l y , t h r o u g ht h e u t i l i z a t i o no fl i m i t e dp u l s et r u n c a t i o nl e n g t ha n dc y c l i c a ln a t u r eo fc o m p l e x e x p o n e n t i a l f u n c t i o n ，t h ef a s ta l g o r i t h mw a sd e v e l o p e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h ea c c u r a c y a n de f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d m u l t i - c a r t i e rt e c h n o l o g ya r em o r ev u l n e r a b l et ot h e i m p a c to fs y n c h r o n i z a t i o n e r r o rt h a nt h es i n g l e c a r d e rt e c h n o l o g y t os o l v et h ei n f l u e n c e ，w ef i r s tn e e dt oo b t a i n 重庆人学博卜学位论文 t h eq u a n t i t a t i v ei n t e r f e r e n c ea n a l y s i sc a u s e db yt h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r a na n a l y s i s m e t h o do fe f f e c t so fs y n c h r o n i z a t i o no f f s e to nt h ep r o p e r t yo ff b m cs y s t e mi s p r e s e n t e d t h em e t h o d f i r s td i v i d ed e m o d u l a t o ro u t p u ti n t os i g n a l sa n di n t e r f e r e n c e ，a n d t h e nb a s e do nt h et h ec r o s s a m b i g u i t yf u n c t i o no ft r a n s m i tp u l s ea n dr e c e i v ep u l s e ，g e t t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fi n t e r f e r e n c ea n ds i g n a l ，f i n a l l yc a l c u l a t et h es i rw i t ht h e u t i l i z a t i o no fs t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so ft h et r a n s m i td a t a s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb e r c a u s e db ys y n c h r o n i z a t i o ne r r o ri sc o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h e s i r t h e r e f o r e ，t h er e l i a b i l i t yo ft h em e t h o di sv e r i f i e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，f b m ca so n eo f m u l t i c a r d e rt e c h n o l o g y i sa l s oi n f l u e n c e db yt h es y n c h r o n i z a t i o nb i a sl i k et h eo f d m i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ff b m cs y s t e m s ，i ti sn e c e s s a r yt oa d d r e s st h e t e c h n o l o g y s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m s ，d u et ot h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do n t h eo f d ms y s t e mi sa l r e a d yv e r ym a t u r e ，a n di nav a r i e t yo fl i t e r a t u r ea n dd o c u m e n t s r e l a t e dt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sa r em o r ed i s c u s s i o n so nb o m ，s oi nt h i s p a p e r ，as y n c h r o n i z a t i o ni m p l e m e n t a t i o nw a sp r o p o s e db a s e do nt h eo f d ms y m b o l s t r u c t u r e ，i n c l u d i n g t h o s eb a s e do n4r e p e a td e l a y r e l a t e ds y n c h r o n i z a t i o na n d c r o s s c o r r e l a t i o ns y n c h r o n i z a t i o nw i mz cs e q u e n c e t h r o u g ha n a l y s i s ，b e c a u s et h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et w ok i n d so fa l g o r i t h m sc o m p l e m e n te a c ho t h e r e x a c t l y , s ot h ep r o p o s e ds y s t e mf r a m es t r u c t u r e ，c o n t a i n i n gb o t ht h et r a i n i n gs y m b o l s ， s u c hc a nb ei n t e g r a t e db o t hs y n c h r o n o u si m p l e m e n t a t i o na n dw i t l lt h ea d v a n t a g e so f b e t t e rs y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e u s i n gs o m eo fv e r ym a t u r es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo fo f d ms y s t e m a n d d i r e c ta p p l i c a t i o nt ot h ef b m cs y s t e m ，a l t h o u g hi np r a c t i c ei t i s f e a s i b l e ，b u tt h i s m e t h o dh a st h ef o l l o w i n gn e e d sf o ri m p r o v e m e n t ：1t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rs i d em u s t h a v et w ok i n d so fc a r t i e rm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nd e v i c e s ，r e s u l t i n gi ni n c r e a s e d s y s t e mc o m p l e x i t y ；2t r a i n i n gs y m b o l sa d di n c o n v e n i e n c e ，i no r d e rt op r e v e n to t h e r f b m cs y m b o l i ci m p a c to nt h et r a i n i n gs y m b o l s ，i to n l ys u i t a b l ef o re m e r g e n c y c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a d d e d t ot h e h e a d e r ； 3f o r n o n - e m e r g e n c y c o m m u n i c a t i o n s ，o f d mt r a i n i n gs y m b o l sa n dt h es y m b o l sf b m ct oa d dt i m e - d o m a i n b e t w e e nt h en e e df o ra d d i t i o n a lt r a n s i t i o n a lp r o t e c t i o n , r e d u c i n gt h es p e c t r u me f f i c i e n c y ； 4d u et os y n c h r o n i z a t i o ns y m b o l sa n dd a t as y m b o l sa r en o tb a s e do nt h es a m e m u l t i c a r d e rm o d u l a t i o nd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，i ti sd i f f i c u l tt op r e s e n taj o i n t a l g o r i t h mt oe s t i m a t ec h a n n e la n ds y n c h r o n i z a t i o n b i a s i no r d e rt oo v e r c o m et h ea b o v es h o r t c o m i n g s ，t ob e t t e re n h a n c es y s t e m i v 英文摘要 一一一一一 p e r f o r m a n c e ，i nt h ef i n a l ，p a p e rp r e s e n t sas y n c h r o n i z a t i o ns o l u t i o nb a s e do nt r a i n i n g s e q u e n c ew i t haf r a m es 仃u c t u r eo ff b m c f i r s t , b yu s i n gt h et r a n s m i s s i o no ft h e s e q u e n c eo fs a m et r a i n i n gs y m b o l sa n dw h i c hl e n g t hi s g r e a t e rt h a nt h eo v e r l a p f a c t o r , t h a tm a k e st h es y s t e mt i m e d o m a i ns y n t h e t i cs i g n a lw i t hm u l t i p l e d e l a y e d r e d u n d a n c yf e a t u r e s ，a n dt h e na na d a p t i v ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nm e t h o da n da h i g hp r e c i s i o ns y m b o lt i m i n ge s t i m a t i o nm e t h o df o rf b m cs y s t e m sa r ep r o p o s e d t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h ee s t i m a t i o nm e t h o da r eu n b i a s e da n dg i v e s t 1 1 e e s t i m a t e dv a r i a n c e ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h e a l g o r i t h m sa r e c o n e c ta n d e f f e c t i v e k e y w o r d s ：o f d m ，f i l t e rb a n k ，m u l t i c a r r i e r , f a s ti m p l e m e n t a t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m v 学位论文独创性声明 士 学位论文 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 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 导师签名： 签字日期：纱哆佗， 签字日期：力纱矽7 乙 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称t t 章程，) ，愿意将本人的毖士学位论文徽鳞鱼吲纽醯锄绸兰搠蕤 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签名： 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年月日。 说明：本声明及授权书坐逐装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 早期的无线通信主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专用领域，用户数 量很少。2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，使无线通信摆脱了传统 的大区制结构，为无线通信的大规模商用奠定了基础。2 0 世纪7 0 年代，具有高可 靠性的固态微型射频硬件的发展使移动通信逐渐成熟起来。从2 0 世纪7 0 年代术 到现在的几十年时问里，无线通信系统从第1 代发展到了第4 代，进入了一个飞 速发展的时期，并随着多媒体信息化时代的到来，无线通信技术正渗透到社会生 活的方方面面。基于视频、图像、数据的通信业务需求逐渐增大，传统的以语音 通信为主的移动通信网络已经无法满足人们日益提升的消费需求。正在演进中的 第四代移动通信网络技术( 4 g ) ，如l t e a 0 1 ( l t e a d v a n c e d ) 已经提出系统基本指 标：下行峰值速率1 g b p s ，上行峰值速率5 0 0 m b p s ，上下行峰值频谱利用率分别达 到1 5 m b p s h z 和3 0 m b p s h z 。其系统带宽将从1 5 m h z 到2 0 m h z ，并且通过载波聚 合技术最大能聚合带宽高达1 0 0 m h z 。因此移动通信技术发展的最新要求就是要在 较宽的频带内提供稳定可靠的高速数据传输，并且尽可能在有限的频谱资源上提 升频谱效率。 由于宽带高速无线信道受多径影响严重，传统移动通信中的解决办法如： g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 中的时域均衡，c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 中的r a k e 接收。都只是在相对较窄的频带下具有较好性 能，而在4 g 环境中，由于带宽的成数量级提高，如果依然采用时域均衡的办法， 滤波器的阶数将会很大，使得均衡器的结构过于复杂，并且均衡效果也严重下降。 因此基于分块传输和频域均衡的多载波和单载波技术如o f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ) 、s c - f d e ( s i n g l e - c a r d e rf r e q u e n c yd o m a i n e q u a l i z a t i o n ) 成为l t e t m ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 和l t e a 等移动通信的核心技术之 一。 多载波技术( m u l t i c a r t i e rt e c h n i q u e ) 在6 0 、7 0 年代由s a l t z b e r g t 3 1 ，c h a n g 4 。， w e i n s t e i n t 5 j 和b i n g h a m 6 】等人提出，最初受制于实现上的复杂性并没有在业界受到 重视，随着数字信号处理技术的发展，尤其是快速傅立叶算法、大规模集成电路 的出现，从9 0 年代开始，多载波技术逐渐得到了大范围的应用。该技术其本质上 就是把一路宽带高速数据流通过串并变换转换为并行的多路相对低速的数据流， 然后再对应调制到相互正交的多个子载波上，从而有效延长符号周期，降低多径 带来的频率选择性衰落影响。o f d m 作为多载波技术中的特例，其每个子载波上 重庆大学博+ 学位论文 传输的是矩形脉冲包络的复指数信号，并且在相邻时域符号间添加循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 作为保护间隔。由于矩形脉冲优良的时域性能和c p 的保护，并通过频 域单抽头均衡处理，o f d m 能够很好的抑制符号问干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ， i s i ) 和降低系统接收复杂度。只是传统o f d m 相当于采用矩形脉冲来成型滤波， 其频谱可以看作是s i n e 函数与一组位于各个子载波频点上的万函数的卷积，尽管 频域上这组s i n e 谱重叠且相互正交，由于s i n e 函数旁瓣较大、衰减缓慢。所以 o f d m 的子载波间正交性在复杂移动条件下的快时变衰落信道中是十分脆弱的， 难以得到保证。 因此尽管o f d m 实现了最大化的抑制i s i 干扰，但是受载波间的干扰 ( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 影响十分严重，为了达到多载波技术对i s i 和i c i 干扰的折衷考虑，实现在时频双弥散信道下的可靠通信，已经有一些相关文献提 出了非矩形脉冲子带成型的多载波，如k o z e k ，h a a s ，b o l c s k e i ，m a t z 等 7 - 2 0 1 提出 的非正交多载波和低干扰时频局部化多载波，c h e r u b i n i ，a s s a l i n i 等1 2 1 2 4 j 提出的滤 波多音调制，高西奇，尤肖虎等【2 5 】提出的广义多载波等。 这些非o f d m 多载波技术思想基本相同，即首先在每个子带上采用时域和频 域均有较好紧支性能的滤波器进行处理，然后合成为宽带信号进行发送和接收， 只是分析的思路、系统的参数和实现的方法上有所区别，因此可以把它们统一称 为滤波器组多载波技术( 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 ) 。由于采用了非矩 形脉冲处理，从而导致符号间具有拖尾重叠和记忆效应，使得f b m c 的系统实现 和同步、估计、均衡等接收技术都较o f d m 更加有难度，并且相应的研究工作远 不如o f d m 那么成熟和充分。 因此有必要在当前f b m c 发展现状的基础上，总结现有技术的优缺点，并结 合当前宽带无线通信的要求，对f b m c 系统相关技术进行研究，从而推动多载波 技术在无线通信中的更好应用。 1 2 滤波器组多载波技术的发展和关键技术 滤波器组多载波技术在上世纪9 0 年代由不同的研究者从不同的角度进行分析 和提出的，其中滤波多音调制、广义多载波等是基于多抽样率数字信号处理1 2 ， 从调制滤波器组的思路对该技术进行的分析，即发射机对串并变换后的多路信号， 首先进行上插值，然后分别通过带通凋制滤波器调制到不同的频带上，时域合成 以后就构成宽带多载波信号，而接收机的处理是对应的逆过程，通过一组不同中 心频率的带通滤波器得到对应子带的信号后再进行下抽样、解调输出。而非正交 多载波、时频局部化多载波的理论基础是二维时频面上的框架理论m 47 。，它把发 送和接收原型脉冲的时移和频移构成的网格看成是时频面上一组基函数。发射机 2 1 绪论 就是把各个子带上的每个符号投影到二维时频网格，再进行信号综合得到宽带合 成信号，接收端是对应的信号分析的逆过程，利用网格在时域和频域上的正交或 近似j f 交特性，来解调输出。尽管这两类多载波技术的分析工具，思考的角度有 所不同，但是它们最后得到的基带调制解调模型是等效的，这在第二章会从数学 上给出证明。只是从时频分析的角度出发并且结合无线信道的统计特征，更有利 于找到性能相对更优异的原型脉冲和系统设计参数，能够从更本质上揭示f b m c 的数学背景和物理意义之间的联系。 非矩形成型脉冲在提高子带间频域性能的同时，在时域上必然带来相邻符号 间的拖尾叠加，这就使得基于o f d m 多载波系统成熟的快速算法、同步技术、均 衡技术不能直接应用于f b m c ，必须要进行相应调整或提出新的对应处理方案。 下面就总结下f b m c 在这些技术方面的发展情况 1 2 1 原型脉冲设计 原型脉冲的设计决定了f b m c 系统的理论性能，并对其他接收、检测技术都 有根本性的影响，因此对于该技术的讨论是f b m c 系统设计的核心之处、并且也 是十分复杂和难以处理，尽管目f j i 在工程中最常用的是能量归一化的平方根升余 弦脉冲，但从从理论上针对具体的无线环境或某种具体的性能要求的分析和讨论 非常多，具体如下：文献1 2 孓4 l i 等依据数字信号处理中的f i r 或f i r 逼近的i i r 滤 波器设计原理，设计具有线性相位的实系数低通滤波器，主要考虑的是滤波器的 阻带衰减、子带问保护间隔以及滤波器的长度等指标。这种思想好处是可以借用 成熟的滤波器设计理沦，方法容易理解和掌握，但没有考虑到通信中信道的多径 衰落和时变多普勒干扰，没有结合信道的时频特性来考虑对滤波器设计的影响， 因此难以达到最优效果。而基于时频分析1 47 j 中的w e y l h e i s e n b e r gs e q u e n c e s ， f r a m e s ，a n dd u a l i t yt h e o r y ，结合描述无线信道的散射函数，延迟多普勒扩展函数 来进行原型脉冲的设计具有更理想的效果。根据测不准原理【4 7 】，高斯脉冲在二维 时频平面上具有最佳时频局部化特性，因此l ef l o c h1 1 7 j 提出了采用正交化的高斯 脉冲，该文首先讨论了多载波系统和h i l b e r t i a nb a s i s 的联系，得到可以采用正交 基来实现调制、解调，并针对信道的时域弥散和频域弥散提出两种基于正交化高 斯脉冲的设计方案，分别是全向正交传输和定向正交传输方法。前者的系统脉冲 的时频问隔是相等的，后者的时频问隔分别和信道的时频弥散程度成比例，这意 味着全向的方式可以用在通用的信道环境，而针对特殊的无线信道适合采用定向 传输体系。文章的最后对提出的多载波系统在无线信道中的干扰做了定量分析。 h a a s 9 j 采用互模糊函数来描述脉冲局部化特性，理论上给出多载波频谱效率是由子 载波带宽、子载波间隔、载波个数和子载波调制方式共同决定，并给出兼顾频谱 效率和脉冲局部化特性的原型脉冲应该满足的4 个条件：1 原型脉冲的时频移位是 重庆人学博十学位论文 一组正交基；2 原型脉冲的时域支撑性和频域带宽应该接近高斯脉冲；3 原型脉冲 应该具有傅立叶变换不变性，即脉冲的频域形式和时域形式应该等效；4 原型脉冲 应该满足合理的时频格密度。该文最后选择满足上述四个条件的h e r m i t ef u n c t i o n s 的线性组合作为原型脉冲。v a h l i n s l 针对o f d m o q a m 系统，采用有限支撑脉冲， 并依据能量带外衰减最小化进行优化设计，重点是从优化的带外衰减能力可以有 效降低多载波系统的保护带，从而提高频谱效率。文献 1 0 , 1 3 , 1 4 对多载波系统和 w e y l h e i s e n b e r g ( o rg a b o r ) f r a m e s 进行了对比，并分析了二者之间数学上的对偶 性，从理论上证明可以采用时频分析中的框架理论来设计用于多载波系统的原型 脉冲。s t r o h m e r 【l l 】提出了六角时频网格，并用球形填充理论和高斯脉冲的正交化 来设计原型脉冲。m a t z 1 8 j 在k o z e k t7 j 的理论基础上提出了采用多载波系统在无线信 道中的信干比作为尺度，利用时频分析和信道时频弥散描述函数，把干扰分为信 道对发送信号的干扰和信道对收发原型脉冲之间正交性的干扰两部分，并把两种 干扰的分析联合考虑，用干扰的最小均方误差最小化来设计正交或近似正交的原 型脉冲。 综上所述，尽管近年来的原型脉冲滤波器的设计理论，已经从早期的单纯数 字滤波器设计思想发展到基于时频分析、框架理论并结合无线信道特征的数学和 通信的结合来考虑。不过目前取得一些理论上的结果，但还没有能很方便在工程 上应用，因此无论实际的系统标剧3 5 1 还是一些理论上讨论滤波器组性能分析【4 黏5 6 】、 估计和均衡【5 7 。7 7 】、同步【7 8 罐8 1 的文献都还是采用的能量归一化的平方根升余弦滤波 器。不过该滤波器依然有相关参数需要设定，其中最重要的是滚降系数，本文第 二章从基带多载波通信等效模型出发，得到发送和接收成型脉冲之间的互模糊函 数与解调输出的关系，然后从理论上得到脉冲滚降系数取值与系统过采样倍数以 及系统子载波数之间的数学约束，从而为滤波器系数选择提供有效的理论依据。 1 2 2 快速算法 o f d m 的每个符号的调制、解调可以独立直接采用f f t ，实现很容易并对系 统采样率、子带数都没有太多额外要求，但是f b m c 的符号间存在记忆性，如果 直接按定义先在每个子带上插值和滤波，再时域叠加，这样不仅算法复杂度太高、 硬件实现也不灵活。基于多速率数字信号处理【2 6 4 l 】和多相调制滤波器组思想，文 献【2 7 - 2 9 , 3 6 通过多相分解得到了快速实现算法，但由于多相分解的原理，该算法对系 统采样率和子带个数的关系有过多的限制，通常要么采样率必须为子带个数的整 数倍或者采用牺牲算法效率的方法推广到任意采样率的情况，这样处理使得算法 的实用性和计算复杂度不能兼顾，给系统参数的设置带来过多的限制。w e i s s l 3 7 1 在 z o r a n 3 6 l 基础上得到低复杂度的实现算法，但是要求原型滤波器长度是采样率和 子带个数的公倍数，同样给系统参数设置带来过多限制。k o z e k 7 1 提出把卷积转换 4 1 绪论 为乘积的数学等价变换思路来降低复杂度，并且理论指出系统采样率、子带个数 可以任意灵活选择，但没有给出具体的实现算法。m a t z 在k o z e k 7 1 的基础上给 出了非因果的快速算法，该方法有效降低了滤波器组多载波调制、解调实现上的 复杂度，只足算法没有考虑因果化处理，每个符号发送和解调处理需要该符号之 前和之后的若干符号共同参与处理，从而实现上需要较多的额外存储空