滤波器组多载波系统快速实现及同步技术研究

【摘要】：滤波器组多载波技术(Filter Bank based Multicarrier,FBMC)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。OFDM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间干扰(ISI),但是受载波间的干扰(ICI)影响十分严重,为了达到对ISI和ICI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OFDM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FBMC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OFDM中基于FFT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OFDM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FBMC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FBMC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FBMC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ICI和ISI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,FBMC作为一种多载波技术和OFDM一样,也是受同步偏差的影响较大。为了提高FBMC系统的性能,有必要解决该技术的同步问题,由于基于OFDM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OFDM符号结构的FBMC同步技术,该部分内容先给出了三类OFDM同步算法的基本原理和同步度量比较,包括基于CP的盲同步,基于二重复和四重复延迟相关同步,基于ZC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OFDM中一些很成熟的同步技术并直接运用到FBMC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OFDM和FBMC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FBMC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,OFDM训练符号和FBMC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调技术,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,论文最后提出了一种基于FBMC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FBMC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。