（通信与信息系统专业论文）滤波多音（fmt）调制系统无线仿真平台及关键技术研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本声明的法律责任由本人 承担 论文作者签名：至五蕉 日期：兰型：里 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：牲导师签名刍籼期：趟 l v 山东大学硕士学位论文 摘要 社会进步与全面信息化对通信提出了越来越高的要求，单纯的语音服务己经 不能满足人们需要，能够通过无线网络随时随地获得多媒体业务的接入成为人们 对通信技术的要求，而电子技术、多媒体技术、移动通信技术的发展使其成为可 能目前，在第三代移动通信系统( 3 g ) 走向商用化的情况下，下一代移动通信系 统正成为研究的热点，其数据传输速率可以达到1 0 m b p s 至1 0 0 b i b p s ，能有效地 对抗多径衰落，具有非常高的频带利用率 多载波传输技术能够在保持较高信息传输速率的同时，有效地克服多径传播 造成的符号问干扰( i s i ) 正交频分复用( o f d m ) 作为种多载波调制技术， 成为下一代通信研究中的一个热点其凭借信号本身的特点能够高速传输数据信 息，有效地对抗多径衰落；但是它也存在许多需要解决的关键问题，如容易受频 率偏移和相位噪声影响，有较大的峰值平均功率比( p a p r ) 等这些问题都制 约着o f d m 在无线信道中的应用，现在人们对o f d m 所进行的研究也主要集中 在这些领域 滤波多音调制( f m t ) 相对于o f d m 是一种新兴的多载波技术该技术的 主要特点是通过滤波器组滤波使得各子载波具有很高的频谱约束性，从而对系统 频率偏差不敏感f m r 克服了o f d m 易受频率偏差影响的缺点，但也由滤波器 组在系统中引入了i s i 因此，n 仃中需要引入子信道均衡技术来消除滤波器组 的影响 本论文首先介绍了两种多载波传输技术o f d m 和f m t 的基本原理和系 统有效实现结构，对两种技术的子信道划分方式、系统实现结构、复杂度以及频 谱利用率和抗干扰性能进行比较然后对f m t 的凡种关键技术，主要是滤波器组 设计、均衡器设计问题进行研究，寻找适合孙仃系统的高性能滤波器组和简单有 效的均衡方案在此基础上，建立n f r 系统无线通信仿真平台通过该平台进行 实验，得到f m r 系统在频偏和多径信道下的性能仿真结果，表明f m t 在抵抗频偏 方面比0 f d m 具有优势，而且适合室内及近距离进行无线传输 由于f m t 宽带信号的各个子载波有着相对独立的信道衰落，使之能够根据 各个子信道的实际衰落情况灵活选择调制方式，分配发送功率和比特，即自适应 山东大学硕士学位论文 分配技术第五章基于国内外现有的各种单用户自适应加载算法，以发射功率为 限制，最大化系统容量为目标研究基于注水理论的自适应算法在保证系统达到 目标信息传输速率和总发射功率不变的前提下，提出一种简单高效的自适应比特 加载算法，并仿真验证此算法的性能结果表明，采用这种自适应比特加载技术 能显著提高f m t 系统的抗衰落性能，保持较高的信息传输速率和可靠性 由于时间和其他客观条件的限制，本文只对f l v l l 研究中的部分关键问题进 行了仿真，很多系统问题没有进行更深入的研究，如时间和频率同步、信道估计、 信道编码等在后续工作中，我们将对这几个方面进行深入探讨 关键字；无线通信、滤波多音调制( f i v l t ) 、正交频分) j e i i ( o f d m ) ，原型滤 波器、均衡、自适应比特加载 2 山东大学硕士学位论文 j i _ _ _ _ _ _ _ 一 w i t l at h ei n o g r e s so f t h ew o r l d p e o p l en e e dh i g hq u a l i t ya n dl i a l l s m i s s i o nr a t eo f c o m m u n i c a t i o n s a n ds i m p l ev o i c es e r v i c l ec a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t i ti sp o s s i b l et o g e tm u l d m e d i as c i v i c a ：砒w i r e l e s sn e t w o r ka ta l l y t i m ea n d 柚yp l a c e s f o rt h a t e l e c t r o n i c , m u l t i m e d i aa n dm o b i l ee o m m t m i e a t i o nh a sd e v d o p e dr a p i d l y u pt on o w , 3 gh a sb e e nl a t m e h e di n t ob u s i n e s si nm a n yc o u n l r i c s a n dr e s e a r c h e s 础f o c u so nt h e n e x tg c n c r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m , c a l l e d4 ( 3 ，w h i e l ai sr h a r - d c t l 蒯co f t h eg o o d r e s i s t a n c et om u l t i p a t t ld e c a ya n db i g he t l i e i e n e yo f f r c q u e e y md a t ar a t eo f 4 gi s r a n g i n gf r o ml o m b r t ol o o m b p s m 1 t i e a r r i e r t e e l m i q u cp r o v i d e sh i g h d a t at a t ca n de f f i e i c n t l y a v o i d i n g j n l 黜野恤b o ii n f 玳e e da r o s i g 蚵m u l t i p a t bp r o p a g a t i o n a so o ft i l e m u l t i e a r r i c rt e e l m i q u e s o f d mh a sm n n yn d v 蛆t a g e s s u c ha sh i g hd a t ar a t e 彻d r e s i s t i n gm u l t i p 甜ad e c a y , a n di t 五a sb o m eah o tf i e l di nt h er l - , e a r e h e so f 4 0 0 , 1 t h eo t h e ri n l , t l l e r c 眦m a n y p r o b l e m so fo f d m , f o re x a m p l e ：h i g hs e n s i t i v i t yt o f r e q e n c yo ： 蕾c s e ta n dg r e a tp e a kt oa v c a - a g ep o w e rr a t i oo a p r ) , e t c a l lt h e s ei s s u e s r e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o n so f0 f d mi nw i r e l e s se n v i r o n m e n t si ot 1 0 1 1 3 地e x t e n t l o t so f r e s e a r c h e r sp a ya t t e n t i o nt ot h e m c o m p a r i n gt oo f d m an e wm u l t i e a r r i e rt e e l m i q u cf m ri sd a a r a e t e r i s t i eo f t h e s i g n i f i c a n t l yl o w e rs r 脱t r a lo v e r l a p p i n g b c t w e a la 由戢蜘吐s u b e h a n n e l s f m t o v c r c o m c st h ew l 翰k l l c s $ o fb e i n gs e n s i t i v et of r e q u e a e yo ：匝娥i no f d m , b u tt h e 咖o f f i l t e rb a n k sb r i n gi s it ot h es y s t e m f o rt h i sr e a c h e q u a l i z e ri sn e c e s s a r yi n f m 盯s y s t e mt oe l i m i n a t ct h ei n t e r f e r e n c ef r o mf i l t e rb a n k s i nt l a i st h e s i s , a t t e ri n t r o d u c i n gt h ei 姐s i et h e o r ya n ds m l e t u t eo f o f d ma n d 同t w ee o m l r a r ct h e s et w od i f f e r e n tm u l t i e a r r i e rt e e l m i q u e sw i t ht h ew a ys e p a r a t i n g s u b e h a n n e i s , s l r n _ e t u r eo ft h es y s t e m c o m p l e x i t y , e 丘i e i e n e yo ff r e q u e n c ya n d p e r f o r m a e et oi n t e r f e r e , i n e l l x t i n gi s ia n di c i s e v e r a lk e yp a r t si nf m ts y s t e ma r e d i m m e d , s u d a 弱t h ed e s i g no f f i l t e rb a n k sa n de q u a l i z e r s b ys e t t i n gu pas i m u l a t i o n p l a t f o r mo ff m ts y s t e m w cg 吐l b ep e r f o m a i nw i r e l e s sd i t f e m a te n v i r o n m e n t s w i t hf r e q e e yo t 蕾s c to rm u l t i p a t hi t e r f c m a e e t h er e s u l t so f s i m u l a t i o ni m i e a t e 曲i 越 f m ts h o wb e t t e rp e r f o m a c et h a no f d m t h r o u g h 血瑚y i n gc h a n n e l sw i t h 自e q 耻m c y o 丘e cf m tj s 丑f e a s i b l ew i r e l e s s s o l u t i o ni ni n d o o re n v i r o n m e n t s0 1 w i t hs h o r t 3 山东大学硕士学位论文 加ki n d e p e n d e n c yo f d e c a yi nd i t f e i e n ts u b c h a n n e l sm a k e si tp o s s i b l et h a tt a k i n g d i f f e r e n tm o d u l a t i o ns c h e m e s ，l o a d i n gd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o np o w e ra n db i t si n s u b c h a n n e l sa c c o r d i n gt ot h er e a lc b 甜a c t c ro ft h e m 弛l o a d i n gs c h e m ei sc a l l e d a d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u e i nc h a p t e r5 ，m a n ya d a p t i v el o a d i n ga l g o r i t h m sa d i s c u s s e d , w h i c hh a sb e e np r o p o s e dt ot a k ei n t oa p p l i c a t i o nb e f o r e b a s e do ne q u a l p o w 贸a d a p t i v eb i tl o a d i n ga l g o r i t h m , w fp u tf o r w a r da l l 哪e f f i c i e n ta l g o r i t h m , c a l l e ds d r - b a s e da d a p t i v eb i tl o a d i n ga l g o r i t h m r e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a t t h i sa l g o r i t h me n h a n c e st h er e s i s t a n c ea b i l i t yt od e c a yo f m s y s t e m , a n dk e e p sd a t a r a t eh i o a ya n dr e l i a b i l i t y w ed i s c u s s e ds o m ek e yi s s u e si n t h i st h e s i s , a n do n l ya p a r to fs i m u l a t i o n r e s u l t sa r es h o w e d s o m ei s s u e si nt h ef m t s y s t e ma r en o td i s c u s s e d , s u c ha st i m e a n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n , c h a n n e le s 6 m a 6 0 na n dc h a n n e lc o d h l g ，w h i c hw i l lb e r e s e a r c h e di nt h ef o l l o w i n gw o r k k e yw o r d ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , f i l t e r e dm u l l i t o n em o d u l a t i o n ， o r f l m g o n a l 丘嘲u c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f i ) h np r o t o t y p ef i l t e r , e q u a l i z a t i o n , a d a p t l v l $ b i tl o a d i n g 山东大孝硕士学位论文 符号说明 4 g 第4 代移动通信系统 a d s l 非对称数字用户环路 a w c 烈加性高斯白噪声 b e r 误比特率 b p s 每秒比特数 b w a 宽带无线接入 c d m a 码分多址接入技术 c p 循环前缀 d a b 数字音频广播 d v b - t 陆地数字视频广播系统 d b 分贝( r a t i o 缸l o g 删 d f t 离散傅立叶变换 d m t 离散多音 d s p 数字信号处理 d v b 数字视频广播 e t s i 欧洲电信标准化协会 f f t 快速傅立叶变换 f i r 有限冲击响应滤波器 f m t 滤波多音 h d t v 高清晰度电视 p e r l a n 陀h i g hp e f f o r m a a c el a nt y p e - 2 i c i 信道问干扰 嘲离散傅立时逆变换 i f l 盯快速傅立叶逆变换 i s 符号问干扰 l t i 线性时不变 m c m 多载波调制 山东大学硕士学位论文 m 0 】) e m 调制解调器 误比特率 足误码率； q a m 正交幅度调制 o f d m 正交频分复用 p a p r 峰值平均功率比 p s k 相移键控 蝴s 均方根 r f 射频 $ d r 信号失真比 s n r 信号噪声比 瓦采样周期 w l a n 无线局域网 v d s l 甚高速数字用户环路 山东大学硕士学位论文 一i i i i i | i 一 1 1 研究背景和意义 第一章引言 通信技术的发展和进步对社会的发展产生了深刻的影响从第一代模拟通信 的产生，到第二代数字通信前所未有的发展，第三代移动通信系统正处在大规模 商用化的前夕，它提出语音、数据以及视频等多媒体通信业务继第三代以后的 下一代移动通信系统的技术研究目前也正在紧张开展 从移动通信系统提供的传输速率来看，第三代移动通信系统数据传输速率最 高可达2 m b i t s ，其中。静止环境为2 m b i t s ，慢速移动环境为3 8 甜西甜s ，快速移 动环境为1 4 4 i 曲i t s ；卫星移动通信为9 6 m n t s 下一代移动通信系统预计系统 速率可达到2 0 m b i t s ，甚至更高为实现这一目标。在无线环境和有限的频谱资 源条件下，如何稳定可靠高效地支持高速率的数据传输值得研究 无线信道中传输信号容易受到存在带宽受限加性噪声以及由多径传播导致 的符号问干扰( i s d 在高达几兆b p s 的传输速率下，传输符号的符号周期小于 信道的对延扩展：从而产生i s i 因此在利用传统的单载波调制方式进彳于高速率 无线通信时需要使用多抽头均衡器，从而使系统的复杂度大大增加研究表明， 如果多径信道的时延扩展( 信道记忆长度) 远小于一个传输符号的符号周期，则 由多径传播造成的符号间干扰可以忽略不计所以，我们可以利用多载波传输技 术在不降低信息传输速率的条件下使信道中的传输符号的符号周期远大于多径 信道的对延扩展，从而可以有效地对抗由多径传播造成的i s i 多载波传输技术正交频分复用( o f d m ) 因其网络结构高度可扩展，且有良 好的抗噪声性能和抗多径干扰的能力以及频谱利用率高的特点成为科研人员关 注的焦点，得到广泛研究【l 】一种新的异于o f d m 的多载波传输技术滤波多音 调制( f i l t e r e dm u l t i - t o n e , f m t ) 同样具有较高的频谱利用率和传输效率，因而 将该技术应用于高速率通信的研究正在展开 本论文主要研究滤波多音调制( n 仃) 这种特殊的多载波传输技术在无线通 信中的技术应用及其性能通过建立f m t 系统仿真平台，得到该系统的各项性 7 山东大学硕士学位论文 能指标，并在此基础上与o f d m 性能作比较研究表明该技术在某些特定应用 场合具有比o f d m 更好的性能 1 2 多载波传输 过去，由于甩户对通信系统的数据传输速率要求不高，通常采用单载波方案 就可以满足通信需求但随着时代的发展，越来越多的信息需要传输而且用户对 通信质量有了更高的要求通信系统的功能从提供简单的语音通信到宽带多媒体 通信发展到未来的个人通信在数据传输速率较高的情况下，时延扩展造成数据 符号之间的相互交叠，从而产生了符号之间的串扰，这对均衡提出了更高的要求， 需要引入复杂的均衡算法，还要考虑到算法的可实现性和收敛速度从频域来看， 当信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间色散性将会造成频率选 择性衰落，使得同一个符号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，造成通信 质量降低可见单载波传输技术已经不能满足不断增长的通信需求，多载波传 输因为可以很好的解决以上两个问题而成为下一代移动通信采用的关键技术 1 工i 多载波传输技术原理 所有的多载波传输系统都是建立在信道分割( c h a n n e lp a r t i t i o n i n g ) 这一基本 思想上的【2 】。信道分割就是指把一个宽带的带限信道分割成个并行、独立的 正交窄带子信道的过程多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流，使得 每个子数据流具有低的多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符 号去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。只要信 道被划分的足够细，则每个子信道的频率特性都可以看作是平坦的理论上，就 可以实现接近信道容量的传输。 多载波传输也称为多载波调制( m c m ) ，其实现有多种方案根据子信道不 同的频谱重叠情况，可以将m c m 分为两大类【3 】一类是子信道频谱重叠方式( 图 1 1 ( a ) ) 。以离散多音技术一正交频分复用( o f d m ) 为代表另一类是以滤波 多音( f m t ) 调制技术为代表的子信道频谱不重叠方式( i 1 ( b ) ) 传统的多载波 调制技术是通过在发送端和接收端分别利用一个模拟滤波器组来实现的 山东大学硕士学位论文 ( 时 ( 妨 图i i 子信道频带分割图( a ) 重叠频谱o ) 非重叠频谱 o f d m 系统的优点是具有极高的频带利用率和良好的抗多径造成的i s i 的能 力因为o f d m 各子信道，即子载波的频谱是s i n c ( 函数且相邻子载波位于m e ( t ) 函数的过零点，所以在理想信道中o f d m 系统的各子载波同是严格正交的，系 统中不存在载波问干扰t i c i ( 有时也称为倩道问干扰) 但由于实际传输信道的非 理想特性以及系统的载波不同步和定时不准确等问题，往往使得o f d m 中各子 载波闯的正交性遭到破坏，从而产生i c i 导致系统的性目 严重下降，甚至无法正 常工作除此之外，在实际应用中o f d m 系统还存在其他一些有待克服的问题： 如峰值功率控制问题，信道估计问题等 多载波传输方式中非重叠频谱形式的例子f m t 调制技术同样具有较高的频 带利用率和抗多径符号问干扰能力f m r 的优点是在多径环境下不需要o f d m 中用以维持子载波正交性的循环前缀( c y c l i cp f e f 吣c p ) 4 i ，从而提高了整个系 统的吞吐量与o f d m 不同的是，f m t 中各子信道滤波器具有很高的频带限制 能力使得各子载波间是近似正交的。因此即使在非理想信道下i c i 相对于系统中 的其他干扰也可以忽珞不计，但是必须引入每子信道均衡技术来消除由系统中各 滤波器的频带限制性而引入的系统本身的i s i 如何设计f m t 中的原型滤波器使 系统中i c i 相对较小，同时使得每子信道均衡易于实现是一个值得研究的问题 o f d m 和f m t 两种调制技术虽然都属于多载波调制，但由于其频谱特性不 同导致两种技术在实现结构、技术性能和采用的关键技术等方面都存在诸多差 异有关两者在这些方面的比较，我们将在本论文的2 3 节详细介绍本章下面 两节，首先回顾0 f d m 和n f r 的研究发展及应用情况 山东大学硕士学位论文 1 2 2o f d m 技术的发展与应用 o f d m 技术基本原理的提出可以追溯到上世纪6 0 年代，当时o f d m 技术主 要用于军用高频通信系统。到7 0 年代，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了一种高效的实 现o f d m 的方法【5 1 ：采用离散傅立叶变换来实现多个载波的基带调制、解调 他们把注意力放在如何高效的处理和解决信道间相互于扰的问题上：为了解决 i s i 和i c i ，他们在时域上采用插入符号间保护间隔以及加窗的方法虽然系统不 是很完善，但简化了系统结构，使得o f d m 技术更趋于实用化，成为o f d m 发 展过程中的一个里程碑 1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 引入循环前缀这一概念解决了正交性问题昀不 是采用插入空保护间隔的办法，而是用o f d m 的循环延伸填充保护间隔当c p 的长度比信道的脉冲响应时间长时，这样可以在色散信道上保持正交性随后， 人们研究了如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m 进入9 0 年代，o f d m 技术的研究深入到无线信道上的宽带数据传输近年 来，由于高速数字信号处理芯片( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 作为一种可以 有效对抗i s i 的高速传输技术，更引起了广泛关注o f d m 之所以备受关注，其 中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反交换，离散傅立叶变换 ( 啪d f t ) 代替多载波调制和解调。由于o f d m 系统中各个子载波是相互正 交的，所以频带利用率相对来说是较高的 o f d m 作为高速数据通信的调制方法，已经成功地应用于非对称数字用户 环路( a d s l ) 、甚高速数字用户环路( v d s l ) 、数字音频广播( d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g , d a b ) ，陆地数字视频广播系统( t e r r e s t r i a ld i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n gs y s t e m , d v b t ) 、高清晰度电视( h i g h - d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n , h d t v ) 和无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w l a n ) 。【1 , 7 1 1 9 9 9 年e e 8 0 2 1 l a 通过了一个5 g h z 的无线局域网标准，其中o f d m 调 制技术被采用为它的物理层标准此外，欧溯电信标准协会( e t s i ) 的w u 心 技术标准h i p e r l a n 2 物理层也采用了o f d m 调制技术 o f i ) m 是适用于无线环境下的高速传输技术，除了无线局域网外，在宽带 无线接入( b w 气) 中也有应用i e e e s 0 2 1 6 工作组专门负责b w a 方面的技术工 作，它开发的2 - - l l g i - i zb w a 的标准i e e e 8 0 2 1 6 a ，物理层采用了o f d m 技术 1 0 山东大学硕士学位论文 在b w a 领域，一些公司开发的技术虽然都基于o f d m ，但有各自的特色，形成 一些专利技术，如c i s c o 和i o s p a n 公司的v e t o ro f d m t v o f d m ) ，w i - l a n 公司 的w i d e b a n do f d m ( w o f d m ) ，f l a r i o n 公司的f l a s h - o f d m 1 2 2n 仃技术的研究 。 1 9 9 9 年，c - i o v a n n ic h e m u b h l i 等人首次提出了一种不同于o f d m 的正交多 载波调制技术滤波多音调制 8 1 f m t 技术在每个子信道中采用严格的低通 滤波器来限制子信道的频带，使得它们在频域互不重叠。从而保持正交采用这 种正交方式的一个优点就是在实际的信道传输中正交性不易被破坏，从而能够避 免因此而产生的i c i ，保证了系统的性能另一方面。f m t 不同于传统的频分复 用( f 【) m ) 技术，它的相邻子信道之间没有保护间隔，提高了系统的频谱利用 率在当前频谱资源十分有限的条件下，较高的频谱利用率使f v l t 的应用和发 展成为可能 f m t 不需要循环前缀或循环后缀，减少了系统开销在应用到甚高速数字 用户环路的研究中，它展现了良好的抗干扰能力，能有效地消除很多原来离散多 音调制技术( d m t ) 所不能很好解决的问题，如近端串扰( n e x t ) 、远端串扰 ( f d 汀) 、回声( e c h o ) 以及窄带射频干扰等 正是这些干扰容易造成在高数据速率下严重的信道间干扰，从而导致系统性 能的恶化。基于f m r 的调制方案因此而被建议采纳到v d s l 技术中【9 ，l o 未来通信技术要向无线通信方向发展，在这一趋势下，随后出现的关于f 仃 技术的研究较多集中在无线信道环境。在系统结构方面，研究主要包括以下几点： ( 1 ) 对系统性能起关键作用的滤波器组的研究和设计【1 l ，1 2 】 ( 2 ) 发送端采用预编码，接收端采用高效率均衡器的研究，目的是为了降低f m t 系统的复杂度【3 4 ，1 3 1 ( 3 ) f m r 系统同步问题的研究【1 4 ，1 5 1 此外，越来越多的研究集中在异步上行多用户环境中由于f m t 在频谱带 限方面具有明显优势，所以在异步上行多用户环境下的性能研究表明f m t 比 o f d m 具有更好的性能【1 6 1 山东大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作 在无线通信中，无线衰落信道的时交性和多径传播是限制高速率数据通信发 展的瓶颈，如何有效地对抗无线信道的这些缺陷是实现未来高速无线通信的必要 条件对于无线衰落信道中的单载波传输而言，提高通信质量或减小误码率都是 十分困难的f m t 作为多载波传输技术，具有天然的对抗多径传播的特性，而 且可以采用高效的调制方式，大大提高频谱的利用率，另外f m t 系统中也可以 对子载波进行灵活分配并且可以和其他的多址方式进行结合使得这种技术更适 应于未来的通信系统然而，f m t 技术是一种新兴的技术它在无线环境下的 应用还处于起步阶段，还有很多值得研究的问题，如滤波器组设计、均衡方案以 及高p a p r 等问题本论文所做的工作主要是在研究f m t 系统关键技术的基础 上，建立f m t 系统无线通信仿真平台，并将仿真得到的结果与o f d m 系统进行 比较和分析，研究f m t 系统的自适应比特加载技术设计和实现f m t 仿真平台 过程中，系统的滤波器组的原型滤波器设计和均衡方案是研究的重点论文各部 分的安排如下： 一、第二章介绍o f d m 和f m t 技术的基本原理，两种系统的基本结构和高 效实现模型。 二、第三章是f m t 系统的设计：主要包括滤波器组的设计一重点是原型 滤波器设计，以及均衡器设计等方面的研究，比较各种技术的优缺点 三、第四章介绍建立f m t 系统仿真平台采用的方案，给出系统性能仿真结 果研究f m t 在频偏和多径传播环境中的性能，与o f d m 系统作比较，分析两 种技术的传输效率和抗频偏性能的差异 四、第五章进行f m t 系统的自适应比特加载技术研究，目的是保持数据传 输速率和发送端总发射功率不变的情况下，提高系统传输可靠性提出了一种简 单有效的自适应比特加载算法，并给出性能仿真结果 五、结论与展望对论文中所做的工作进行总结，给出有待今后解决的研究 问题和方向 山东大学硕士学位论文 第二章o f d m 与f m t 技术 在无线通信中，信号从发射天线经过不同路径到达接收天线，引起信号在时 间上展宽并导致频率选择性衰落通过延长符号周期可以在一定程度上降低多径 传播造成干扰的影响。多载波调制技术将串行数据流分配到多个子信道上并行传 输，正是在不降低数据传输速率的情况下增加了符号周期的长度，有效地抑制多 径干扰此外，多载波调制技术可以运用多种频谱设计方法，通过子信道的不同 分配来适应通信环境，从而保持信息的高质量传输 本章主要介绍两种典型的多载波调制技术o f d m 和f m t 给出两种系统的 基本模型，分析与系统相关的若干基本原理，以及有效实现方法，最后对f l v l t 和o f d m 技术作了对比，并讨论它们的内在联系 2 1o e d m 调制技术 在实际的陆地无线电波传播中，最大的问题是多径衰落，特别是在高层建筑 密集的城市，多径衰落的影响尤为突出另外，在无线移动通信中，还存在因高 速移动所引起的多普勒频移现象一般地说，电波的反射、散射和衍射，接收机 的移动，以及周围环境的变化，是引起衰落的主要原因 信号频带很窄时，衰落现象比较容易处理，但当信号频带较宽时，则存在着 频率选择性衰落，衰落的影响可产生码间干扰，使接收到的误码数目增加。如果 采用传统的串行单载波调制方式，需要采用自适应均衡措施来克服码问串扰，但 比较复杂：若将高速串行数据分解为多个并行的低速数据后采用多载波f d m 方 式传输，使每路数据符号持续长度增加，这样可以减少码问串扰的影响采用正 交函数序列作为载波进行f d m ，这就是o f d m ，它使得载波间隔达到最小，充 分提高了系统的频带利用率 多载波传输的优点是每个子信道的符号持续长度大于多径时延，如果将码元 之闻再增加一定的保护间隔，则由多径传播引起的码问串扰可基本消除同时， 可以利用离散傅立叶变换( d f t ) 对并行数据进行调制、解调，大大地降低了系 统实现的复杂度 山东大学硕士学位论文 2 i 1o f i ) m 系统的基本模型 一个o f d m 符号是经过调制的多个子载波构成的合成信号。其中每个子载 波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制如果 表示信道的个数，r 表示o f d m 符号的宽度，西u = 0 z ，j 1 ) 是分配给每个子 信道的数据符号，工是载波频率，从，气| l 开始的o f d m 符号可以表示为 s(t)=ref芝唧删一肇哪， + r 在很多文献中，经常采用2 2 式描述的复等效基带信号来描述o f d m 的输 出信号【1 7 】 。( r ) = 丸，2 唧【，幼睾( f 一棚 ；芝i,-n12：卜知+sin2=吾一(tj-n2一忙o ；芝： 卿石似一，1 ) 】1 ，撺”r 一 l j j ( 2 力式中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中 可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合 成的o f d m 符号图2 1 给出了o f d m 系统系统模型的框图，其d p f f f c + i i t , 假 二0 一刊母 le w 毒罅 卫6 一 等丽卜 p f s s p+ ： i e 4 巫仁= 钆a q 卜 图2 1o f d m 系统的基本模型框图 根据式( 2 1 ) ，每个o f d m 符号在其周期r 内包含多个非零的子载波，因此 其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的6 函数的卷积矩形脉冲的频谱幅值为曲孵函数，这种函数的零点出现在频率 为l i t 整数倍的位置上，可以参见图2 2 ( b ) t 其中给出相互覆盖的各个子信道内 山东大学硕士学位论文 一i i ii i 一 的符号经过时域矩形波形成形得到的曲啦函数频谱。在每个子载波频率的最大值 处，所有其他予信道的频谱值恰好为零由于在对o f d m 符号进行调制的过程 中，需要计算每个子载波上取最大值的位置所对应的信号值，因此可以从多个相 互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不会受到其它子信道的干 扰由图2 2 可以看出，o f d m 符号的频谱实际上可以满足无符号间干扰的奈 奎斯特准则传统的奈奎斯特准则是在时域上保证前后发送符号之间无干扰影响 ( i s i ) 1 5 ，1 9 ，但在此处指的是在频域中各子信道上不存在于扰，这种消除子 信道间干扰( i c i ) 的方法是通过在时域中使用矩形脉冲成形，在频域中每个子 载波的最大值处采样来实现的 图2 2 ( a ) 单载波频谱c o ) o f d m 子载波的频谱 强收躏弟k 蛞于载泼信号的解调过程为：将按收信号与第七路的解调载波 = x p ( - j 2 万墨二：坚，) 相乘，然后将得到的结果在o f d m 符号的持续时间，内进 行积分，即可得相应的发送信号复，即 五= 昙f 订戗p 阿幻主二笋( f f 1 ) 】磊1 。2 - 1 ：瓯仃e x p 【，2 石；( f f l 凇 = ；黑r 唧协与掣。一t , ) i m = 噍( 2 3 ) 实际上，( 2 - 2 ) 式中定义的o f d m 复等效基带信号可以采用i d f t 实现令 ( 2 2 ) 式中的岛= 0 ，闩坷y r ，l ，肛1 ) ，可以得到 娴= s ( k t 协篓吐刚学蝴i s ( 妁= s ，叼= 吐e 啾，兰等马啦；i i 墨限i ( 2 4 ) 扣o o 式( 2 4 ) 中，硒即为西的m f t 运算在接收端，为了恢复出原始的数据符 山东大学硕士学位论文 m 一i i ii i l _ _ 号西，可以对i ( 七) 进行d f t 变换，得到 或；篁州甑卧，警o - i g n l ( 2 5 ) o 根据上述分析容易看出，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来 代替通过点i d f t 运算，把频域数据符号d i 变换为时域数据符号k k ) ，经过 载波调制之后，发送到信道中在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基 带信号进行点d f t 运算，即可获得发送的数据符号办 在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶交换 ( i f f t f f t ) 来实现调制和解调点d 盯运算需要实施妒次的复数乘法，而 i f l p l r 可以显著地降低运算复杂度对于常用的基2f f t 算法来说，其复数乘法 的次数仅为( 2 ) l 0 9 2 ，而采用基4f f t 算法来实施傅立叶变换，其复数乘法 的次数仅为( 1 0 9 2n 一2 ) 3 n $ 而且随着子载波数的增加，直接的d f t 运算和 其快速算法i f f t 运算的复杂度差别越大 7 , 1 7 】 2 1 2 保护间隔和循环前缀 采用o f d m 技术的最主要原因之一是它可以有效的对抗多径时延扩展，通 过把输入的数据流并行分配到个并行的子信道上，使得每个o f d m 的符号周 期可以扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同 样降低倍在o f d m 系统中，为了最大限度的消除符号干扰，在每个o f d m 符号之间要插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，该保护间隔的长度瓦一般要大于无 线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干 扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，使用一段空闲的传输时段【5 】。 加入保护间隔后o f d m 的符号周期变为 r = r + 毛 ( 2 6 ) ， 其中r 表示不包含保护间隔的o f d m 符号的有效长度由于多径传播的影 响，会产生子信道之问的干扰。即子载波之间的正交性遭到破坏。不同的子载波 之间产生干扰为了消除由于多径扩展所造成的i c i ，o f d m 符号需要在其保护 间隔内填入循环前缀信号，即将符号的尾部与保护问隔等长的部分插入到保护问 隔中，见图2 3 所示这样就可以使得时延小于保护间隔疋的时延信号不会在解 山东大学硕七学位论文 调过程中产生i c i 一般要求保护间隔的长度大于多径对信号在时间上的展宽 。，一一一、 r 图2 3o f d m 符号中的循环前缀 加入保护间隔后o f d m 的符号中有一部分是重复的， 率的损失，其中功率损失可以定义为 圳l o g ，。每+ 1 ) 2 1 3o f d m 的系统结构 会带来功率和信息速 ( 2 7 ) o f d m 的基本思想是把调制在单载波上的高速串行数据流，分成多露低速 数据流，调制到多个载波上并行传输，各个载波上的调制方式可以相同，也可以 不同在介绍了o f d m 的基本原理和一些相关概念