基于寬帶無線信道的多載波調(diào)制理論與技術研究.pdf

1、為實現(xiàn)未來寬帶無線信道下的高速率的可靠傳輸，多載波調(diào)制技術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用。以正交頻分復用(OFDM)為代表的多載波調(diào)制技術已經(jīng)被多個標準采用，并作為第四代寬帶移動通信(4G)系統(tǒng)的備選關鍵技術之一。然而，由于采用了子信道重疊的信道分割技術，OFDM在提高了頻譜利用率的同時也存在一些內(nèi)在缺點，如它的正交性在傳輸中易受破壞，引起了符號干擾和子信道間干擾，降低了系統(tǒng)性能，從而需要大

2、量的開銷(循環(huán)前綴(CP)和虛載波等)、較為嚴格的載波與定時同步等來保證系統(tǒng)性能。針對OFDM的這些問題，本文研究了一種新的多載波調(diào)制技術--濾波多音調(diào)制(FMT)技術及其在寬帶無線通信中的應用。 濾波多音調(diào)制是基于濾波器組(filter banks)的多載波技術。采用了子信道不重疊的信道分割技術，子信道具有很高的頻譜約束性，對系統(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。但由于采用了不滿足理想重構條件的有限沖激

3、響應(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，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，因此我們從多采樣率數(shù)字信號處理和濾波器組技術的角度，對FMT的基本概念進行了描述，給出了嚴格采樣FMT系統(tǒng)和非嚴格采樣FMT系統(tǒng)的有效實現(xiàn)形式。搭建了完整的FMT仿真實驗系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)全面研究了影響FMT系統(tǒng)的一些重要參數(shù)和各種

4、算法實現(xiàn)。 在FMT系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)性能的關鍵參數(shù)是原型濾波器的性能。本文對FMT系統(tǒng)濾波器組的設計進行了系統(tǒng)的研究。由于FMT系統(tǒng)性能與濾波器組的性能息息相關，因此濾波器組的設計成為FMT技術的關鍵之一。根據(jù)FMT的特點，提出FMT系統(tǒng)中濾波器組設計的幾項性能指標，給出滿足這些指標的濾波器設計方法和實例，同時創(chuàng)新性地提出了一種優(yōu)化的FMT原型濾波器的設計方案。仿真試驗表明，采用該準則設計出的原形濾波器與其他方法相比具有較高的可

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

6、同步性能。對FMT系統(tǒng)的同步算法進行了仿真?？疾炝硕鄰綄MT系統(tǒng)的影響。 研究多載波傳輸系統(tǒng)常見定時算法和FMT傳輸系統(tǒng)的定時算法，對現(xiàn)有的定時算法進行改進，提出了新的FMT定時同步算法，并分析了其性能。仿真結果表明，全盲估計的相關算法不需附加數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的頻譜效率。改進的H.Minn算法結構簡單，額外開銷小，僅需一個訓練符號，而且抗多徑能力強，定時估計精度較高。對于多載波傳輸系統(tǒng)的載波頻率同步技術，設計了一種基于訓練符號

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。仿真結果表明，采用輔助數(shù)據(jù)的頻率同步算法，改進了SCA算法，僅用一個訓練符號完成頻率同步。這就使得訓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铆h(huán)境。 信道均衡的設計。因為FMT系統(tǒng)(尤其嚴格采樣FMT系統(tǒng))是采用頻帶嚴格受限的濾波器組實現(xiàn)的，由于實際應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。本文根據(jù)FMT的特點提出不同的均衡方案，并通過仿真實驗比較它們的性能，提出不同環(huán)境，不同要求下的不同的均衡方案，同時研究了基于輔助數(shù)據(jù)均衡(DAE)技術，創(chuàng)新提出了結合因子圖的DAE二次判決算法，將其應用于FMT中，取得了良好的均衡效果。針對FMT系統(tǒng)內(nèi)的ISI問題，提出了高效的MMSE－DFE均衡方法，并研究了用預編碼(THP)在FMT系統(tǒng)中的應用，并仿真了THP在FMT系統(tǒng)中的性能。將網(wǎng)格編碼與預編碼結合，考慮網(wǎng)格預編

9、碼帶來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)格預編碼在AWGN和多徑衰落信道環(huán)境中的性能，在保證不擴展帶寬和傳輸速率不變的情況下，提高了FMT系統(tǒng)的性能。 信道估計算法。寬帶無線信道下的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸一般采用基于導頻符號的信道估計方法。本文在研究了OFDM基于導頻序列的信道估計的算法的基礎上，結合FMT系統(tǒng)的特點，將基于導頻符號的信道估計算法

10、應用到FMT系統(tǒng)中。提出并驗證了基于導頻符號的時域LS信道估計算法、頻域LS和LMMSE信道估計算法和時頻二維信道估計算法在FMT信道估計中的性能，給出了兩種不同的實現(xiàn)結構，并基于該結構將信道估計結果用于FMT子信道均衡器中，取得了較好的實驗結果。研究表明FMT系統(tǒng)完全適合插入導頻的信道估計方法。估計性能穩(wěn)定，效果較好。論文的創(chuàng)新點包括： 　　(1) 本文提出FMT系統(tǒng)中濾波器組設計的幾項性能指標，給出滿足這些性能指標的濾波器設

11、計方法和實例。提出了一種優(yōu)化的FMT原型濾波器的設計方案。由于原有提出的一種FMT的優(yōu)化設計方案，其方法僅僅適用于嚴格采樣的FMT系統(tǒng)。本文給出的FMT原型濾波器優(yōu)化設計的一般準則及優(yōu)化算法，不僅適用于嚴格采樣的FMT系統(tǒng)，而且適用于非嚴格采樣的FMT系統(tǒng)。 　　(2) 論文完成了FMT系統(tǒng)相關的均衡器的設計，就FMT的特點提出不同的均衡方案，并將預編碼和網(wǎng)格編碼技術應用到FMT系統(tǒng)，保證不擴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)的均衡技術引入FMT系統(tǒng)，創(chuàng)新性地提出了結合因子圖的輔助數(shù)據(jù)的均衡算法，解決了其物理可實現(xiàn)問題。 　　(3) 研究了FMT系統(tǒng)的同步性能，并與OFDM系統(tǒng)進行比較。分析了定時偏差、頻率偏移和相位偏差對FMT系統(tǒng)的影響，對比OFDM系統(tǒng)的同步性能。 　　(4) 通過研究OFDM系統(tǒng)的信道估計算法，給出了適合FMT系統(tǒng)的基于導頻的信道估計方法。通過仿真實驗得出結論，F(xiàn)MT系統(tǒng)非常適用基于

13、導頻的信道估計方法，估計性能穩(wěn)定。 應指出，將FMT技術應用到寬帶無線通信系統(tǒng)中，仍許多問題有待于進一步研究，例如： 1.FMT峰均比問題的研究。眾所周知峰均比過大是制約OFDM在高速無線通信領域應用的主要問題之一。FMT技術是否存在峰均比問題呢?如果存在，該如何克服?直觀來看，F(xiàn)MT由于采用的子信道數(shù)較少(32，64，128等)，其峰均比問題應不如OFDM嚴重。如果能通過FMT系統(tǒng)自身參數(shù)的調(diào)整(如設計原型濾波器時

14、將減小峰均比也作為設計的參數(shù))加以克服，那么FMT的應用前景將更加光明。　　2　原型濾波器的自適應設計問題?？煞窀鶕?jù)不同信道環(huán)境設計不同的原型濾波器呢?從非嚴格采樣FMT系統(tǒng)的有效實現(xiàn)可以看出，其每個子信道的沖激響應對應不同的時間基準是變化的，能否根據(jù)這個特性設計出針對不同信道環(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，非常有利于無線頻譜資源的管理。采用FMT的多址接入方法及異步多用戶通信相關技術需進