快速濾波器組理論及在多載波調(diào)制中的應(yīng)用研究.pdf

1、在軟件無線電應(yīng)用領(lǐng)域中，無論是頻譜分析、數(shù)字信道化，還是多載波通信，大都是以快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)和快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)為核心設(shè)計實現(xiàn)的，但是由于FFT/IFFT第一旁瓣衰減大約為-13dB，具有較差的頻率響應(yīng)特性，設(shè)計者往往只能通過犧牲資源來獲得更好的性能?；贔FT的蝶形結(jié)構(gòu)，Lim教授提出的快速濾波器組(Fast

2、Filter Bank，F(xiàn)FB)實現(xiàn)了低復(fù)雜度和良好頻響特性二者的統(tǒng)一，并且該濾波器組具有多相濾波器組所不具備的相鄰子通道合并特性。然而，由于缺乏FFB的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)方面的研究，無法給出FFB傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式，阻礙了FFB理論的進一步完善和應(yīng)用。基于此，本文圍繞FFB傳遞函數(shù)統(tǒng)一表達式的建立、原型濾波器的設(shè)計、低復(fù)雜度的實現(xiàn)以及針對實際場景的應(yīng)用等一系列問題開展研究工作，實現(xiàn)理論和應(yīng)用的源頭創(chuàng)新。本文的研究工作主要包括如下幾個方面:

3、r>　　1)利用通道的二進制編碼和各級原型濾波器的脈沖響應(yīng)系數(shù)統(tǒng)一表達了分析快速濾波器組(Analysis FFB，AFFB)中各通道組成子濾波器傳遞函數(shù)和通道傳遞函數(shù)。通過IFFT結(jié)構(gòu)推導(dǎo)了綜合快速濾波器組(Synthesis FFB，SFFB)的結(jié)構(gòu)形式，給出了SFFB中各子濾波器傳遞函數(shù)與對應(yīng)原型濾波器傳遞函數(shù)之間的關(guān)系、SFFB和AFFB中對應(yīng)原型濾波器脈沖響應(yīng)系數(shù)之間的關(guān)系以及SFFB中各通道所包含子濾波器的傳遞函數(shù)和通道傳遞

4、函數(shù)的統(tǒng)一表達式。特別的，如果SFFB和AFFB中各級原型濾波器采用半帶濾波器方法進行設(shè)計，且具有對稱非因果特性時，可以將各傳遞函數(shù)表達式進行進一步簡化，并證明了在AFFB和SFFB中對應(yīng)原型濾波器組傳遞函數(shù)相同的條件下，AFFB和SFFB中各對應(yīng)子濾波器和通道具有相同的傳遞函數(shù)表達式;
　　2)根據(jù)AFFB和SFFB中各通道所包含子濾波器傳遞函數(shù)以及通道傳遞函數(shù)的統(tǒng)一表達形式，證明了AFFB和SFFB中各通道的頻率響應(yīng)特性與均勻

5、濾波器組各通道的頻率響應(yīng)特性相同，即各通道的頻率響應(yīng)可以由同一低通原型濾波器頻率響應(yīng)通過搬移而得到，根據(jù)此性質(zhì)，可以在一定允許誤差范圍內(nèi)，對AFFB和SFFB進行多相分解，從而建立了AFFB和SFFB與多相濾波器組之間的內(nèi)在聯(lián)系，并得到了對應(yīng)的多相濾波器組等效結(jié)構(gòu)形式;
　　3)對FFB所需乘法器總數(shù)量與對應(yīng)低通原型濾波器的通帶、阻帶紋波峰值進行聯(lián)合優(yōu)化，以達到根據(jù)全局指標設(shè)計各級原型濾波器的目的，并利用迭代方法計算得到各級原型濾

6、波器的脈沖響應(yīng)系數(shù)，彌補了目前文獻中無法根據(jù)全局指標設(shè)計各級原型濾波器的不足，并在此基礎(chǔ)上，利用FFB相鄰子通道合并特性，設(shè)計了可配置變帶寬有限脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)濾波器，并通過修改FFB中第0級原型濾波器的結(jié)構(gòu)形式，使可配置變帶寬FIR濾波器具有在一定范圍內(nèi)中心頻率連續(xù)可調(diào)和帶寬連續(xù)可調(diào)的功能;
　　4)將FFB應(yīng)用于頻譜分析中，由于FFB具有良好的頻率選擇性，頻譜泄露現(xiàn)象不明顯，因

7、而與FFT頻譜分析系統(tǒng)相比具有頻譜分析更加準確的特點。結(jié)合數(shù)字熒光(Digital Phosphor，DPX)技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了實時頻譜分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)以模塊化儀器作為硬件平臺，利用場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)設(shè)計實現(xiàn)了以FFB為核心的基帶信號處理模塊，完成了時域信號的實時頻譜分析和數(shù)字熒光統(tǒng)計功能，并將統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)傳輸接口上傳至主控機，以彩色位圖的形式對實時頻譜予以顯示;

8、
　　5)將FFB應(yīng)用于數(shù)字信道化中，在硬件結(jié)構(gòu)不變的條件下，通過合理設(shè)計FFB的通道數(shù)和各級原型濾波器，實現(xiàn)均勻和非均勻數(shù)字信道化，與其他設(shè)計方法相比較，具有更小的過渡帶帶寬和較低的實現(xiàn)復(fù)雜度，且不需要額外的資源存儲濾波器組的脈沖響應(yīng)系數(shù)。將FFB所設(shè)計實現(xiàn)的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)形式用于信號重構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)不需要對應(yīng)的綜合濾波器組，因而可以大大降低系統(tǒng)資源消耗;
　　6)研究了FFB應(yīng)用于以交錯正交幅度調(diào)制(Offset Quad

9、rature Amplitude Modulation，OQAM)為調(diào)制方式的多載波通信系統(tǒng)的可能性與可行性，本文稱作FFBMC/OQAM多載波調(diào)制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)近似重構(gòu)的要求，擴展了原型濾波器所滿足的互補關(guān)系，在此條件下，重新推導(dǎo)了AFFB和SFFB中各通道所組成子濾波器傳遞函數(shù)和通道傳遞函數(shù)的統(tǒng)一表達式。利用以子信道間的干擾(Interchannel Interference，ICI)和符號間干擾(Intersymbol Inter

10、ference，ISI)最小化作為目標函數(shù)，阻帶衰減為約束條件的優(yōu)化函數(shù)，設(shè)計各級原型濾波器。在多載波調(diào)制系統(tǒng)應(yīng)用場景下，證明了FFB仍然屬于均勻濾波器組，從而在一定允許誤差范圍內(nèi)可以得到對應(yīng)的多相濾波器組等效結(jié)構(gòu)形式。利用車載無線通信協(xié)議802.11p對基于FFB的多載波調(diào)制系統(tǒng)FFBMC/OQAM與OFDM系統(tǒng)進行了性能對比分析，仿真實驗表明，在存在頻偏、多普勒、多徑和白噪聲的通信信道中，F(xiàn)FBMC/OQAM系統(tǒng)比OFDM系統(tǒng)的誤碼