基于寬帶無(wú)線信道的多載波調(diào)制理論與技術(shù)研究.pdf

1、為實(shí)現(xiàn)未來(lái)寬帶無(wú)線信道下的高速率的可靠傳輸，多載波調(diào)制技術(shù)因其良好的抗多徑能力和克服碼間干擾(ISI)的能力而獲得了深入研究和廣泛應(yīng)用。以正交頻分復(fù)用(OFDM)為代表的多載波調(diào)制技術(shù)已經(jīng)被多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采用，并作為第四代寬帶移動(dòng)通信(4G)系統(tǒng)的備選關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，由于采用了子信道重疊的信道分割技術(shù)，OFDM在提高了頻譜利用率的同時(shí)也存在一些內(nèi)在缺點(diǎn)，如它的正交性在傳輸中易受破壞，引起了符號(hào)干擾和子信道間干擾，降低了系統(tǒng)性能，從而需要大

2、量的開(kāi)銷(循環(huán)前綴(CP)和虛載波等)、較為嚴(yán)格的載波與定時(shí)同步等來(lái)保證系統(tǒng)性能。針對(duì)OFDM的這些問(wèn)題，本文研究了一種新的多載波調(diào)制技術(shù)--濾波多音調(diào)制(FMT)技術(shù)及其在寬帶無(wú)線通信中的應(yīng)用。 濾波多音調(diào)制是基于濾波器組(filter banks)的多載波技術(shù)。采用了子信道不重疊的信道分割技術(shù)，子信道具有很高的頻譜約束性，對(duì)系統(tǒng)頻率偏差不敏感，從而克服了OFDM易受頻率偏差影響的弱點(diǎn)。但由于采用了不滿足理想重構(gòu)條件的有限沖激

3、響應(yīng)(FIR)濾波器作為子信道濾波器，F(xiàn)MT系統(tǒng)引入了碼間干擾(ISI)，因此系統(tǒng)接收端需要引入子信道均衡技術(shù)，以消除濾波器組的影響。 本文系統(tǒng)介紹了FMT基本概念。由于FMT是基于濾波器組調(diào)制的技術(shù)，因此我們從多采樣率數(shù)字信號(hào)處理和濾波器組技術(shù)的角度，對(duì)FMT的基本概念進(jìn)行了描述，給出了嚴(yán)格采樣FMT系統(tǒng)和非嚴(yán)格采樣FMT系統(tǒng)的有效實(shí)現(xiàn)形式。搭建了完整的FMT仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)全面研究了影響FMT系統(tǒng)的一些重要參數(shù)和各種

4、算法實(shí)現(xiàn)。 在FMT系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)是原型濾波器的性能。本文對(duì)FMT系統(tǒng)濾波器組的設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。由于FMT系統(tǒng)性能與濾波器組的性能息息相關(guān)，因此濾波器組的設(shè)計(jì)成為FMT技術(shù)的關(guān)鍵之一。根據(jù)FMT的特點(diǎn)，提出FMT系統(tǒng)中濾波器組設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)性能指標(biāo)，給出滿足這些指標(biāo)的濾波器設(shè)計(jì)方法和實(shí)例，同時(shí)創(chuàng)新性地提出了一種優(yōu)化的FMT原型濾波器的設(shè)計(jì)方案。仿真試驗(yàn)表明，采用該準(zhǔn)則設(shè)計(jì)出的原形濾波器與其他方法相比具有較高的可

5、達(dá)比特率和較好的誤比特率性能。從多采樣率數(shù)字信號(hào)處理和濾波器組技術(shù)的角度給出了嚴(yán)格采樣FMT系統(tǒng)和非嚴(yán)格采樣FMT系統(tǒng)的有效實(shí)現(xiàn)形式。對(duì)FMT和OFDM兩種多載波調(diào)制從不同的方面進(jìn)行了比較。不采用均衡技術(shù)的非嚴(yán)格采樣FMT系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真。 FMT技術(shù)能否應(yīng)用于無(wú)線信道環(huán)境下的首要問(wèn)題之一，就是其同步系統(tǒng)的復(fù)雜度問(wèn)題。因此，我們對(duì)FMT在同步系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。分析了定時(shí)偏差、頻率偏移和相位偏差對(duì)FMT系統(tǒng)的影響，對(duì)比OFDM系統(tǒng)的

6、同步性能。對(duì)FMT系統(tǒng)的同步算法進(jìn)行了仿真?？疾炝硕鄰綄?duì)FMT系統(tǒng)的影響。 研究多載波傳輸系統(tǒng)常見(jiàn)定時(shí)算法和FMT傳輸系統(tǒng)的定時(shí)算法，對(duì)現(xiàn)有的定時(shí)算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了新的FMT定時(shí)同步算法，并分析了其性能。仿真結(jié)果表明，全盲估計(jì)的相關(guān)算法不需附加數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的頻譜效率。改進(jìn)的H.Minn算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，額外開(kāi)銷小，僅需一個(gè)訓(xùn)練符號(hào)，而且抗多徑能力強(qiáng)，定時(shí)估計(jì)精度較高。對(duì)于多載波傳輸系統(tǒng)的載波頻率同步技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于訓(xùn)練符號(hào)

7、的FMT突發(fā)傳輸系統(tǒng)載波頻率捕獲方案，并分析了其性能。仿真結(jié)果表明，采用輔助數(shù)據(jù)的頻率同步算法，改進(jìn)了SCA算法，僅用一個(gè)訓(xùn)練符號(hào)完成頻率同步。這就使得訓(xùn)練序列的冗余降低一半，而且在快衰落環(huán)境中更具有魯棒性，尤其適用于類似WLAN的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用環(huán)境。 信道均衡的設(shè)計(jì)。因?yàn)镕MT系統(tǒng)(尤其嚴(yán)格采樣FMT系統(tǒng))是采用頻帶嚴(yán)格受限的濾波器組實(shí)現(xiàn)的，由于實(shí)際應(yīng)用中不滿足完全重建條件，因此不可避免地引入了ISI。而有效克服ISI的方

8、式是均衡技術(shù)。本文根據(jù)FMT的特點(diǎn)提出不同的均衡方案，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)比較它們的性能，提出不同環(huán)境，不同要求下的不同的均衡方案，同時(shí)研究了基于輔助數(shù)據(jù)均衡(DAE)技術(shù)，創(chuàng)新提出了結(jié)合因子圖的DAE二次判決算法，將其應(yīng)用于FMT中，取得了良好的均衡效果。針對(duì)FMT系統(tǒng)內(nèi)的ISI問(wèn)題，提出了高效的MMSE－DFE均衡方法，并研究了用預(yù)編碼(THP)在FMT系統(tǒng)中的應(yīng)用，并仿真了THP在FMT系統(tǒng)中的性能。將網(wǎng)格編碼與預(yù)編碼結(jié)合，考慮網(wǎng)格預(yù)編

9、碼帶來(lái)的編碼增益和成形增益，仿真得到了其在多徑衰落信道中的性能。以PSK和QAM為調(diào)制方式，比較了FMT中MMSE-DFE、THP及網(wǎng)格預(yù)編碼在AWGN和多徑衰落信道環(huán)境中的性能，在保證不擴(kuò)展帶寬和傳輸速率不變的情況下，提高了FMT系統(tǒng)的性能。 信道估計(jì)算法。寬帶無(wú)線信道下的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸一般采用基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)方法。本文在研究了OFDM基于導(dǎo)頻序列的信道估計(jì)的算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合FMT系統(tǒng)的特點(diǎn)，將基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)算法

10、應(yīng)用到FMT系統(tǒng)中。提出并驗(yàn)證了基于導(dǎo)頻符號(hào)的時(shí)域LS信道估計(jì)算法、頻域LS和LMMSE信道估計(jì)算法和時(shí)頻二維信道估計(jì)算法在FMT信道估計(jì)中的性能，給出了兩種不同的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，并基于該結(jié)構(gòu)將信道估計(jì)結(jié)果用于FMT子信道均衡器中，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究表明FMT系統(tǒng)完全適合插入導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法。估計(jì)性能穩(wěn)定，效果較好。論文的創(chuàng)新點(diǎn)包括： 　　(1) 本文提出FMT系統(tǒng)中濾波器組設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)性能指標(biāo)，給出滿足這些性能指標(biāo)的濾波器設(shè)

11、計(jì)方法和實(shí)例。提出了一種優(yōu)化的FMT原型濾波器的設(shè)計(jì)方案。由于原有提出的一種FMT的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，其方法僅僅適用于嚴(yán)格采樣的FMT系統(tǒng)。本文給出的FMT原型濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則及優(yōu)化算法，不僅適用于嚴(yán)格采樣的FMT系統(tǒng)，而且適用于非嚴(yán)格采樣的FMT系統(tǒng)。 　　(2) 論文完成了FMT系統(tǒng)相關(guān)的均衡器的設(shè)計(jì)，就FMT的特點(diǎn)提出不同的均衡方案，并將預(yù)編碼和網(wǎng)格編碼技術(shù)應(yīng)用到FMT系統(tǒng)，保證不擴(kuò)展帶寬和傳輸速率不變的情況下，提高了

12、FMT系統(tǒng)的性能。特別是將基于輔助數(shù)據(jù)的均衡技術(shù)引入FMT系統(tǒng)，創(chuàng)新性地提出了結(jié)合因子圖的輔助數(shù)據(jù)的均衡算法，解決了其物理可實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。 　　(3) 研究了FMT系統(tǒng)的同步性能，并與OFDM系統(tǒng)進(jìn)行比較。分析了定時(shí)偏差、頻率偏移和相位偏差對(duì)FMT系統(tǒng)的影響，對(duì)比OFDM系統(tǒng)的同步性能。 　　(4) 通過(guò)研究OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)算法，給出了適合FMT系統(tǒng)的基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，F(xiàn)MT系統(tǒng)非常適用基于

13、導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法，估計(jì)性能穩(wěn)定。 應(yīng)指出，將FMT技術(shù)應(yīng)用到寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中，仍許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究，例如： 1.FMT峰均比問(wèn)題的研究。眾所周知峰均比過(guò)大是制約OFDM在高速無(wú)線通信領(lǐng)域應(yīng)用的主要問(wèn)題之一。FMT技術(shù)是否存在峰均比問(wèn)題呢?如果存在，該如何克服?直觀來(lái)看，F(xiàn)MT由于采用的子信道數(shù)較少(32，64，128等)，其峰均比問(wèn)題應(yīng)不如OFDM嚴(yán)重。如果能通過(guò)FMT系統(tǒng)自身參數(shù)的調(diào)整(如設(shè)計(jì)原型濾波器時(shí)

14、將減小峰均比也作為設(shè)計(jì)的參數(shù))加以克服，那么FMT的應(yīng)用前景將更加光明。　　2　原型濾波器的自適應(yīng)設(shè)計(jì)問(wèn)題?？煞窀鶕?jù)不同信道環(huán)境設(shè)計(jì)不同的原型濾波器呢?從非嚴(yán)格采樣FMT系統(tǒng)的有效實(shí)現(xiàn)可以看出，其每個(gè)子信道的沖激響應(yīng)對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間基準(zhǔn)是變化的，能否根據(jù)這個(gè)特性設(shè)計(jì)出針對(duì)不同信道環(huán)境的最優(yōu)原型濾波器呢? 3.FMT作為頻譜不重疊的多載波調(diào)制技術(shù)，非常有利于無(wú)線頻譜資源的管理。采用FMT的多址接入方法及異步多用戶通信相關(guān)技術(shù)需進(jìn)