快速濾波器組理論及在多載波調制中的應用研究.pdf

1、在軟件無線電應用領域中，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特性，設計者往往只能通過犧牲資源來獲得更好的性能。基于FFT的蝶形結構，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)一結構方面的研究，無法給出FFB傳遞函數(shù)的數(shù)學表達式，阻礙了FFB理論的進一步完善和應用?；诖?，本文圍繞FFB傳遞函數(shù)統(tǒng)一表達式的建立、原型濾波器的設計、低復雜度的實現(xiàn)以及針對實際場景的應用等一系列問題開展研究工作，實現(xiàn)理論和應用的源頭創(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結構推導了綜合快速濾波器組(Synthesis FFB，SFFB)的結構形式，給出了SFFB中各子濾波器傳遞函數(shù)與對應原型濾波器傳遞函數(shù)之間的關系、SFFB和AFFB中對應原型濾波器脈沖響應系數(shù)之間的關系以及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中對應原型濾波器組傳遞函數(shù)相同的條件下，AFFB和SFFB中各對應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特性與均勻

5、濾波器組各通道的頻率響應特性相同，即各通道的頻率響應可以由同一低通原型濾波器頻率響應通過搬移而得到，根據(jù)此性質，可以在一定允許誤差范圍內，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在聯(lián)系，并得到了對應的多相濾波器組等效結構形式;
　　3)對FFB所需乘法器總數(shù)量與對應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、波器的脈沖響應系數(shù)，彌補了目前文獻中無法根據(jù)全局指標設計各級原型濾波器的不足，并在此基礎上，利用FFB相鄰子通道合并特性，設計了可配置變帶寬有限脈沖響應(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)濾波器，并通過修改FFB中第0級原型濾波器的結構形式，使可配置變帶寬FIR濾波器具有在一定范圍內中心頻率連續(xù)可調和帶寬連續(xù)可調的功能;
　　4)將FFB應用于頻譜分析中，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。結合數(shù)字熒光(Digital Phosphor，DPX)技術，設計實現(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應用于數(shù)字信道化中，在硬件結構不變的條件下，通過合理設計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，與其他設計方法相比較，具有更小的過渡帶帶寬和較低的實現(xiàn)復雜度，且不需要額外的資源存儲濾波器組的脈沖響應系數(shù)。將FFB所設計實現(xiàn)的數(shù)字信道化結構形式用于信號重構中，該結構不需要對應的綜合濾波器組，因而可以大大降低系統(tǒng)資源消耗;
　　6)研究了FFB應用于以交錯正交幅度調制(Offset Quad

9、rature Amplitude Modulation，OQAM)為調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多載波調制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)近似重構的要求，擴展了原型濾波器所滿足的互補關系，在此條件下，重新推導了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)，設計各級原型濾波器。在多載波調制系統(tǒng)應用場景下，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可以得到對應的多相濾波器組等效結構形式。利用車載無線通信協(xié)議802.11p對基于FFB的多載波調制系統(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