（电路与系统专业论文）广义多载波合成滤波器组的快速算法和fpga实现方法研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 j i f f i f i f i | f i i j j | 洲 y 17 5 4 210 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：缢蕉型) 日期：皇竺里! 弓f f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 互玄蕉盛 导师签名： 摘要 近年来，移动通信业务在全球范围内发展迅猛。除了通话短信等服务外，人们要求更多的多媒 体服务，能满足无所不在的各种个性化的需求。即将推出的3 g 系统也不能满足未来用户的实际需求， 国内外移动通信领域的专家已经在进行b 3 g 4 g 系统的研究和开发工作。根据国家8 6 3 无线通信 f u t u r e 计划确定的研究目标，东南大学移动通信国家重点实验室开展下一代移动通信无线传输链路 技术的研究，并开发可以验证基本方案和关键技术的实验验证系统。本课题研究广义多载波时分双 工混合多址蜂窝移动通信传输技术。 本人有幸参加该课题的研究工作，参与了广义多载波( g m c ) 并行传输技术的研究。g m c 技术可 作为o f d m 的广义形式，通过精心的构造，既能吸取o f d m 的易于f f r 实现的优点，又能调节各个子 载波的带宽、子载波之间的交叠程度、以及各子载波信号化方式，克服0 f d m 系统的定时和频偏敏感 性、难以与3 g 和增强型3 g 的后向兼容等缺点，且能同时采用f d m a 、t d m a 和c d 姒方式，构成混合 多址( x d 姒) 接入方式。g m c 技术具有技术上的开放性和未来发展的灵活性。 本文推导了广义多载波合成滤波器组的快速实现算法，并且结合x i l i n x 公司v i r t e x i i 系列芯 片的结构特点，设计出了广义多载波合成滤波器组的f p g a 实现结构，然后与课题组的老师和同学一 起完成了基带硬件系统的搭建，本文主要介绍了发送端t x _ d m s 板的p c b 设计，最后讨论了关于 t xd m s 板和整个基带系统的硬件测试方案。 关键字：广义多载波，合成滤波器组，f p g a ，t x d m s 板。 a b s t r a c t r e c e n t l y m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh a sb e e nd e v e l o p e dr 印i d l yi nt h e 、v o r l d b e s i d e sp h o n ea n ds h o r t m e s s a g e ，p e o p l en e e dm o r em u l t i m e d i as e r v i c e st h a tc a ns u p p o r ta l lk i n d so fi n d i v i d u a ln e e d se v e r y w h e r e t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a ti sa b o u tt ob u i l dc 锄ts a t i s 锣t h er e q u i r e m e n t so f f u t u r eu s e r s e x p e n sa r o u n dt h ew o r l di nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sf i e l dh a v eb e e nr e s e a r c h i n ga i l d d e v e l o p i n gb 3 9 o r4 gs y s t e m a c c o r d i n gt 0t h ea i mo f8 6 3f u t u r ep r 巧e c to nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ， n a t i o n a lc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o w ( n c r l ) o fs o u t h e 邪tu n i v e r s i t ) ，i si n v e s t i g a t i n gn e w g e n e r a t i o nw i r e l e s st r a n s m i s s i o nl i n kt e c h n 0 1 0 9 ya n dd e v e l o p i n ga d e m os y s t e mt h a tc a nv a l i d a t et h eb 弱i c s c h e m ea 1 1 dk e yt e c h n i c t h i st a s kr e s e a r c h e sg e n e r a l i z e dm u l t i c a r r i e rt i m ed i v i s i o nd u p l e xx - d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( g m c - t d d - x d m a ) c e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o i l ss y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w es t u d yt h eg m cp a r a l l e lt r a n s m i s s i o nt e c h n i c g m cm a yb ec o n s i d e r e d2 l s e x t e n d e df - o mo fo f d m b ym e t i c u l o u s l yd e s i g n ，g m ca b s o r b st h ea d v a n t a g eo fo f d mt h a tc a nb e e a s i l yr e a l i z e dt h r o u g hf f ta l g o r i t h m a l s oi t c a na d j u s tt h eb a j l d w i d t ho fs u b - c a r r i e r s ，s e t u pt h e o v e r l a p p i n gd e g r e eb e t w e e ns u b - c a r r i e r sa i l ds i g n a lf o r m a t s g m co v e r c o m e st h es e n s i t i v i t ) ，o ff r e q u e n c y o 行s e ta n dt i m i n g i ti sc o m p a t i b l ew i t h3 ga n db 3 1 3 la n db ec a nu s e di nf d m a ，t d m a ，c d m ad i r e c t l yt o c o n s t m c tm i x t u r ea c c e s s ( x d m a ) m o d e g m ci sc h a r a c t e r i s t i co fo p e n i n go nt e c h n o l o g ya n dn e x i b l ei n 如t u r ed e v e l o p m e n t w ed e d u c et h e 缸ti m p l e m e n t a t i o na l g o r i t o fg m cs y n t h e s i sn l t e r b a n k s ，t h e na c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r so fv i r t e x - i is e r i e so fx i l i n xi n c ，、v ed e s i g nt h ei m p l e m e n ts t m c t u r eo nf p g ao fs y n t h e s i s f i l t e rb a n k s c o o p e r a t i n gw i t ht e a c h e r sa n do t h e rs c h o o l m a t e s ，w ea c c o m p l i s h e dt h eh a r d w a r eb a s eb a n d s y s t e mp l a t f 0 册，a 1 1 dm a i n l yp r e s e n tm ep c bd e s i g no ft x p m sb o a r di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i n a l l y w e i n t r o d u c es o m et e s t i n gs c h e m e sa n dd a t af o rt xd m sb o a r da n dt h ew h o l eb a s eb a r l ds y s t e m k e yw o r d ：g m c ，s y n t h e s i sf i l t e r b a l l l ( s ，f p g a ，1 x m sb o a r d i i 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 第一章绪论1 1 1 论文研究背景。l 1 2 多载波技术的发展与应用j 3 1 2 1 离散多音调制( d m t ) 和离散小波多音调制( d w m t ) 3 1 2 2 正交频分复用( o f d m ) 4 1 2 3 广义多载波( g m c ) 5 1 3 论文的主要工作和结构：5 第二章广义多载波理论。6 2 1 多速率系统简介6 2 1 1 抽取6 2 1 2 插值8 2 2 广义多载波滤波器组1 0 2 2 2 子载波之间的保护带宽1l 2 2 3 低通原型滤波器的设计1 2 2 2 4 滤波器组的实现结构1 3 2 3 合成滤波器组的快速算法1 4 第三章合成滤波器组的f p g a 实现1 6 3 1 合成滤波器组的设计环境1 6 3 1 1 f p g a 简介16 3 1 2 f p g a 的设计流程1 6 3 1 3i s e 集成环境18 3 1 4 心x - l i 系列芯片的基本结构l8 3 2 合成滤波器组的实现结构2 2 3 2 1 合成滤波器组的总体结构2 2 3 2 2 前移频模块2 4 3 2 3 i f f t 模块2 5 3 2 4 后移频模块2 8 3 2 5 扩展模块2 8 3 2 6 点乘模块2 9 3 2 7 加法移位模块3 0 3 2 9 对外接口模块3 1 3 2 1 0 合成滤波器组占用的资源。3 2 3 3 合成滤波器组的性能仿真3 2 3 3 1 合成滤波器组的定点设置3 3 3 3 2 合成滤波器组定点仿真结果与浮点运算结果相比较3 6 3 3 3 合成滤波器组与分析滤波器组的联合仿真3 7 第四章1 xd m s 板的p c b 设计3 8 4 1 g m c t d d 如m a 系统的基带硬件实现框架3 8 4 2 t xd m s 板的p c b 设计3 9 i i i - i _ _ - - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ - - _ - _ _ - - _ - - _ _ _ - - _ _ _ _ - _ - - _ _ 。- 。1 。一 4 2 1 t x - i d m s 板的电源设计3 9 4 2 2 f p g a 的配置方式3 9 4 2 3 t x _ d m s 板的层次划分4 0 4 2 4 t x ) m s 板数字电路部分的设计4 1 4 2 5 t xd m s 的时钟方案和复位方式4 1 4 2 6 t xd m s 板的测试方案4 2 第五章t xd m s 板的测试及改进4 3 5 1 合成、分析滤波器组在t xd m s 板上的测试4 3 5 2 d a 与a d 的性能测试：4 4 5 3 合成、分析滤波器组同步情况下的测试4 5 5 4 合成、分析滤波器组以及同步定时的联合测试4 6 5 5 直通信道下的系统联合测试4 8 5 6 多径信道下的系统联合测试4 9 5 7 合成滤波器组的改进4 9 第六章总结及展望5 1 墅定谢5 2 参考文献5 3 i v 东南大学硕士论文 第一章绪论 1 1 论文研究背景 近年来，移动通信业务在全球范围内发展迅猛。据统计，到2 0 0 3 年底，我国移动电话用户已达 2 6 9 亿户，移动电话普及率为2 0 9 ，全球移动用户已超过1 3 亿户，据预测2 0 l o 年将达到1 7 亿户。 这种高速的增长，主要是由于用户对移动服务的需求所促成的。除了当前第二代移动通信所能提供 的通话短信等服务外，人们还要求更多的多媒体服务，不仅有新的应用，还要能满足无所不在的各 种个性化的服务。3 g 系统实际所能提供的最高速率也只有2 m b p s ，不能满足未来用户的实际需求， 因此在3 g 系统还没有大规模投入商用的情况下，国内外移动通信领域的专家已经在进行b 3 g 4 g 系 统的研究和开发工作。 9 0 年代早期欧洲就开始b 3 g 4 g 移动通信系统的研究，其目标速率是2 0 1 0 0 m b p s ，预期在2 0 1 0 左右投入商用。国际电信联盟i t u r 在1 9 9 9 年成立了w p 8 f 工作组，主要任务是负责3 g 未来发展和 b 3 g 的研究。在2 0 0 1 年1 0 月举行的第六次会议上讨论提出了“i m t 一2 0 0 0 未来发展及超i m t 一2 0 0 0 的远景框架及总目标( i m t v i s ) ”。目前关于b 3 g 4 g 的一些热点技术有以下几个方面： 1 )自适应调制与编码( a m c ) 。a m c 的原理是根据信道条件瞬时的变化改变调制与编码格式( 传 输格式) 。a m c 允许按照信道条件分配给不同的用户不同的数据率。由于信道条件在时间上 的变化，接收机将收集一系列信道的统计数值，用来提供给发射机和接收机去优化系统参 数，如调制及编码、信号带宽、信号功率、训练周期、信道估值滤波器，以及自动增益控 制。 2 )自适应复合( a r q ) 。一个成功的广带无线系统必须有一有效的媒体接入控制( m a c ) 层，在有 损无线信道上具有可靠的链路性能。设计相应的m a c 使t c p i p 层看来为一高质量的链路。 它由自动重传及分片机制( a r q ) 获得，后者为接收机把从上层收到的信包分成更小的子信 包，并被依次地发出。如果子信包没有被正确地接收，则发射机被要求重传。a r q 可看成 是将时间分集机制引入到系统中，这是因为它的从噪声、干扰和衰落中恢复的能力。自适 应a r q 比单独的链路自适应有更大的增益。 3 )m i m o 技术。利用m i m o 信道的空间复用增益，可以提高无线信道容量，在不增加带宽和天 线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。同时m i m o 信道的空间分集增益，可以 提高信道的可靠性，降低误码率。 4 )0 f d m 技术。0 f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平 坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信 道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的， 即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传 输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。0 f d m 技术的 最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰，主要的技术难点是系统中的频率和时间同 步，基于导频符号辅助的信道估计，峰平比问题和多普勒频偏的影响。 第一章绪论 5 )全i p 技术。核心i p 网络不是专门用作移动通信，而是作为一种统 线的接入，它就像具有移动管理功能的固定网络，其接入点可以是有线或无线。无线接入点 可以是蜂窝系统的基站，1 j l a n ( 无线局域网) 或者a dh o c 自组网等。对于公用电话网和2 g 以及未实现全i p 的3 g 网络等则通过特定的网关连接。 6 ) 软件无线电技术。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台， 利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通 过下载不同的软件程序，在硬件平台上可以实现不同的功能，用以实现在不同的系统中利 用单一的终端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件无线电的 核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带a d 和d a 变换器，并尽可能多地用软件来 定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现，其软件系统包括各类无线信令 规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软 件等。 j 本课题根据国家“十五”8 6 3 计划无线通信f u l l j r e 计划确定的研究目标，开展下一代移动通信 无线传输链路技术研究，并开发可以验证基本方案和关键技术的实验验证系统。本课题研究广义多 载波时分双工( g m c t d d ，g e n e r a l i z e dm u l t ic a r r i e r t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 混合多址( x d m a ， x d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信传输技术 1 。 g m c t d d x d m a 方案以3 g 技术演进为出发点，充分考虑新一代蜂窝通信系统的后向兼容性；以 基于多天线环境的网络结构为构架；以基于分块传输的联合空时信号处理和新型t u r b o 接收机技术 为提高系统性能的主要手段；以高效的多相分解滤波器组( f i l t e rb a n k ) 实现方式为降低系统实 现复杂性的主要方法：并充分借鉴了0 f d m 系统易于f f t 实现的优点。这种新一代移动通信系统传 输技术将是开放式的，能够灵活地吸收其它技术优点，具有高频谱利用率、低发射功率和支持大动 态范围分组数据传输的能力，其总体目标是： 1 )支持峰值速率为2 0m b p s 一1 0 0m b p s 的高速i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 分组传输，在车载环 境，峰值速率不低于2 0m b p s 。 2 )支持8k b p s 一2 0m b p s 速率变化、不同q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 和非对称的多媒体业务。 3 )系统容量达到3 g 系统的3 5 倍。 4 )提供与3 g 系统反向兼容性和与其它无线通信系统交互工作的可能性。 5 )提供无线资源优化配置的灵活性。 6 )具备不同业务需求的用户其移动手持终端所需成本的合理性。 系统方案的总体框架为： 1 )系统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模式下，可把总带宽( 连续或非连续) 为2 0 眦z 的信道分解成1 6 个3d b 带宽为1 2 8 姗z 的基本子载波，通过1 6 个子带的滤波器组 ( f i l t e rb a n k ) 进行多载波合路和分路，多载波滤波器组可通过本课题组的发明专利技术 多相分解和f f t 快速实现：在扩展模式下，可把相邻的基本子载波合成为带宽为3 8 4 舳z 扩展子载波，可根据未来不同国家的频谱分配情况，灵活地分配不同的扩展子载波， 并可实现与3 g 系统的共存与后向兼容。 2 )采用t d d 双工方式，以方便地支持非对称数据业务。 2 东南大学硕士论文 3 )支持x d m a 混合多址方式：每个基本子载波或扩展子载波可采用t d 姒方式、多码道c d m a 方 式、自适应调制编码、空时联合发送与联合检测、自适应时隙结构等技术以及它们之间的 相互组合，已达到支持高效分组传输之目的。 4 )采用极为灵活的x d m a 混合多址方式共享无线资源，每个移动用户可动态地占用一个或多个 基本子载波或扩展子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、码道等，从而达到从1 k b p s 至1 0 0m b p s 的大动态范围传输的要求：并可通过不同小区间的基本子载波或扩展子 载波的灵活指配，避免t d d 系统所可能遇到的时隙碰撞问题。 5 )可扩展至多天线环境，通过设置多于发射天线数的接收天线，使系统频谱利用率线性提高， 或使发射功率线性降低，从而满足系统容量提高3 5 倍，发射功率降低1 0d b 以上之要求。 1 2 多载波技术的发展与应用 近年来，人们对信息的需求不断增长，各种高速率的通信系统随之飞速发展。然而不论是有线 电缆，无线电射频或者是光纤，这些传输信道的频率响应都不是完全理想的，数据传输速率越高， 所占用的信道带宽越宽，信号的失真就越明显，需要越来越复杂的均衡算法来克服它。多载波调制 ( m c m ) 的出发点是把一个带宽较宽的非线性信道，划分成若干个子信道。从每个子信道来看，它的 频率响应是近似平坦的【2 】。这样，就可以把高速的数据流分解成若干个低速的子数据流，分别在各 个子信道上并行传输。 多载波调制的思想源予五、六十年代，当时人们提出了在相互间隔一个码元速率的多个载波上 进行并行的交错q a m 调制来传输信号，但由于受条件限制，产生独立、稳定的并行多路载波，并在 接收端很好地恢复它比较困难，使得该技术一度难以实用。随着通信技术和数字信号处理技术的发展， 采用f f t 使实现多载波调制成为可处理技术，多载波调制才又重新被人们所重视，并得到广泛的应 用。目前多载波调制的方式主要有离散多音调制( d m t ) ，正交频分复用( o f d m ) ，多载波c d m a 等。 1 2 1 离散多音调制( d m t ) 和离散小波多音调制( d w m t ) 离散多音调制是按照各个子信道的不同特征，通过某种能量分配算法，把一个高速的数据流， 非均匀的分成若干个子数据流分别在各个子信道上传输。d m t 各子信道上的数据均采用矩形窗来截 取，在频谱上呈现s i n c 函数的形式，子信道之间功率在一3 d b 处重叠，而且相互正交。 d m t 目前已经成功运用于a d s l 系统中 5 ，它将铜线信道1 1 删z 以下的可用带宽划分为2 5 6 个子信 道，每个子信道的带宽为4 k h z 。系统根据每个子信道的传输能力，将发送数据分配给它们。不能传 送数据的信道都被关掉。工作信道采用正交幅移键控( q a s k ) 方式，根据其传输特性确定每码元载 送的比特数( 1 1 1 b i t ) 。d m t 采用i f f t 和f f t 来实现调制与解调，非常适合于用数字信号来实现，相 对于正交调幅( q a m ) 和无载波调幅调相( c a p ) ，d m t 具有较强的抗脉冲干扰能力，能够灵活动态地 调整其功率谱，以适应不同用户线路特性，而且有利于重新配制上、下行信号速率。然而，d m t 的灵 活性和高性能是靠设备复杂性换取的，就成本而言，d m t 技术目前还是比较昂贵的。 由于d m t 中采用的是离散傅立叶变换来实现信号的多路调制与解调，其生成的调制信号的频谱 旁瓣功率较大，达到一1 3 d b ，这使得整个系统的传输性能受到影响。为了进一步提高系统的性能，9 0 年 代初有人在d m t 的基础上又提出一种新的多载波调制技术离散小波多音调制( d 删t ) 6 。它是用 离散小波变换来代替d m t 中的离散傅立叶变换，通过仔细地设计调制信号的频谱特性来提高系统的 传输性能。相对于d m t 技术，d w m t 最大的优势在于子信道信号主瓣能量集中，阻带衰减快，邻近子信 3 第一章绪论 道之间的干扰小。 1 2 2 正交频分复用( o f d m ) 0 f d m 是一种适用于无线环境下的多载波方式。由于地面情况的复杂性，发射出的无线电信号往 往是经过多条路径到达接收端，即存在多径传播效应，从而造成接收信号相互重叠，产生信号波形 间的相互干扰( i s i ) ，造成接收端的错误判断，影响信号传输质量。这种特性称为无线信道的时间 弥散特性。当传输高速的数据时，信号会产生频率选择性衰落，i s i 将变得非常严重，使得系统性 能下降。如果无线终端存在着快速的移动，则传输信道特性也会快速变化，而且在接收端会产生多 普勒效应，信号会产生时间选择性衰落，这些同样影响着系统性能。此外，无线信道中还存在着各 种脉冲噪声，窄带干扰等，使得无线信道变得非常复杂。 0 f d m 技术能同时分开多个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行，这种特殊的信号 “穿透能力”使o f d m 适合于在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地区使用，o f d m 能够持续不 断地监控传输介质上通信特性的突然变化。通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，o f d m 能动 态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信。它可以自动地检测传 输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率 下的载波进行成功通信。 o f d m 的原理与d m t 比较相似，采用i f f t 与f f t 实现基带信号的调制与解调，子信道之间相互 正交，频谱相互交叠，与之不同的是0 f d m 各个子信道传输的数据速率是固定的。它的优点主要有以 下几个方面： 1 )通过各子信道的联合编码，0 f d m 具有很强的抗衰落和抗窄带干扰能力。0 f d m 技术本身已经 利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就不需要加时域均衡器。通过将各个信 道联合编码，则可以使系统性能得到提高。 2 )0 f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单 载波系统上的信号时间长很多倍，增加了o f d m 对脉冲噪声和i s i 的抵抗力。此外0 f d m 对 每个子信道的数据都增加了循环保护c p ，可以进一步提高抗i s i 和i c i 的能力。 3 )o f d m 允许重叠的正交子载波作为子信道，有较高的频率利用效率。 4 )0 f d m 适合于采用自适应调制机制，使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使 用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候， 采用抗干扰能力强的调制方式。因此，o f d m 技术非常适合高速数据传输。 当然，o f d m 存在着一些缺点，它对频率偏移和相位噪声很敏感，峰值与均值功率比相对较大， 这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。根据不同的应用领域，o f d m 也发展出了如c o f d m ， f l a s h o f d m ，o f d m c d m a 等多种方式。 o f d i 良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲高清晰度数字电视( h d t v ) 传输系 统已经采用c o f d m 技术，它具有很高的频谱利用率和抗干扰能力，满足了电视系统的传输要求。在 无线局域网领域中，1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 1 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。e t s i 的宽带射频接入网( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的调制 标准技术。在未来的宽带接入系统中，o f d m 将是一项基本的技术。 4 东南大学硕士论文 1 2 3 广义多载波( g m c ) 传统的o f d m 技术能够方便地与t d 姒和c d m a 技术相结合，构成灵活的、易于调配的空中接口， 且能够方便地利用f f t 进行实现。但其在应用于蜂窝移动通信系统时存在一系列固有的缺点：首先， 难以实现与3 g 和增强型3 g 的后向兼容：其次，为便于f f t 实现。需增加循环保护时间间隔c p ，将 使频谱利用率下降2 0 以上：第三，对反向信道引入的定时误差和频率偏差、多普勒频偏极为敏感， 若每个子载波的带宽为1 0 0k h z ，则频偏应控制在1k h z 以内，实际应用中难以满足；第四，较难 解决传输信号的峰均比问题及对非线性效应的敏感性。因此，东南大学高西奇教授提出了广义多载 波( g m c ) 调制技术 3 。 g m c 技术可作为0 f d m 的广义形式，通过精心的构造，既能吸取o f d m 的易于f f t 实现的优点， 又能调节各个子载波的带宽、子载波之间的交叠程度、以及各子载波信号化方式，克服o f d m 系统的 定时和频偏敏感性、难以与3 g 和增强型3 g 的后向兼容、以及因c p 引入所造成的频谱利用率下降等 缺点，且能与f d m a 、t d m a 和c d m a 直接结合，构成混合多址( x d 姒) 接入方式，具有不同业务需求 的用户，可以动态地占用一个或多个子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、码道等，从而 克服o f d m 系统的高峰均比问题、对非线性效应的敏感性问题、以及较难实现不同用户移动终端所需 成本的合理性问题等。g m c 技术具有技术上的开放性和未来发展的灵活性。 1 3 论文的主要工作和结构 论文的主要任务是参与g m c t d d x d m a 实验验证系统的研发，主要的工作包括多载波合成滤波器 组的算法研究，快速实现方法和f p g a 实现，并且完成了发送端的基带处理板t x d m s 的p c b 版图设 计，g m c 滤波器组的硬件测试和整个链路系统的联合测试。 论文的第二章介绍了广义多载波滤波器组的原理和一些关键因素的考虑，然后导出了合成滤波 器组的快速实现算法；第三章根据快速算法，结合所采用的f p g a 芯片结构特点，设计出了合成滤波 器组的f p g a 实现结构，并且进行了仿真验证；第四章讨论了t x - d m s 板的p c b 设计；第五章给出了 关于t x _ d m s 板的测试方案和整个链路系统的联合测试方案及其测试结果，并对合成滤波器组进行了 适当的改进。 5 这时，我们对x 。o ) 以周期正重新采样，得到数字信号x ( 甩) = x 。( 胛疋) ，z z 。 x ( 玎) = 軎x ( 小) s i nc 軎( 刀疋一朋互) 】 ( 2 4 ) 工l = l 这是一个采样速率变换的通用表达式。这里没有对互和疋进行限制，当然，如果e 正，为 了避免频谱混叠，式( 2 2 ) 中当国诺 一万疋，万正】时h ( 缈) 必须为零。上式中包含了无数个s i n c 函数的和，这在实际过程中是没有用的。一般来说，对于合理的采样率变换，通常不会丢失我们感 兴趣的信息，我们在离散时间域就可以得到期望的结果。下面我们将讨论最常见的两种情况，抽取 ( d e c i m a t i o n ) 和插值( i n t e r p o l a t i o n ) 8 。 2 1 1 抽取 对一个数字信号j c ) 进行m 倍的抽取，即把它的采样率降低m 倍，每m 个样本信号我们只 保留一个。图2 1 是抽取操作的框图符号。 x 盟也丑尘 图2 1m 倍抽取的框图符号 图2 2 是m = 2 时的数据抽取示意图，二者的关系非常明显， 6 东南大学硕士论文 一一_ 一 x d ( 甩) = x ( ，2 彳) x ( 聊 勤( ) 1 1 1 i11 i ) 1 图2 2 朋倍抽取不恿图 在频域，如果x ( m ) 的频谱是x 扣) ，那么抽取以后信号勤( ，z ) 的频谱将是： 1m l；m 一2 瘕 引卜玄荟酢气) 这个结论的推导如下，首先我们定义x ( 朋) 为 故聊，= 蒹黧记 或者可以写成 x ( 川) = x ( 聊) 艿( m 一，2 m ) 信号x d ( 胛) 的傅立叶变换如下 杨( p 归) = 砀( ，2 ) p 脚 我们从式( 2 7 ) 可以得到 = x ( ，z m ) p 脚 口 = x ( 口) e 归西 口= “ ，兰 = x ( p 。m ) 7 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 第二章广义多载波理论 跗，= 去叩吖耋跏刎) ) = 去肌v 鲁篓一等， 他9 ， = 击善矾酗等， 综合式( 2 8 ) 和( 2 9 ) ，我们就可以得到( 2 5 ) 的表达式。该式说明了抽取后的信号劫( ，2 ) 的 频谱是由原信号x ( 朋) 的频谱先扩展m 倍，然后以2 万为周期重复所得到的。图2 3 是m = 2 时的 二者频谱的对比。 x ( p 归) jl 八八八八。 一4 7 r一2 万 一p2死4耳 r x d 【p ”) 一 入。入。，八| | 一4 7 r 一2 7 一2 缈。2 国。2 7 r 4 万 7 图2 3 ( a ) 为原信号的频谱，( b ) 为2 倍抽取后的频谱 为了避免抽取以后信号频谱的混叠，原信号x ( 朋) 的带宽必须被限制在卜刀m ，州m 】以内。所 以，通常在抽取之前信号先要通过一个低通滤波器( 聊) ，理想情况下它的频率响为： 删咖盅：主竺州圳 眩 如果我们把低通滤波和抽取合并起来，用个方程来表示，那么时域的表达式就是 确( ，2 ) = x ( 聊) ( ，z m 一所) ( 2 1 1 ) j h = 2 1 2 插值 与抽取相反，对信号x ( 肌) 进行倍插值是在任意的相邻样本之间插入一1 个零。插值得符号 框图如图2 4 ，插值以后的信号为 渺d 尝z 汜 插值得示意图如下，其中三= 2 。 塑q 口尘 图2 4 三倍插值的框图符号 8 东南大学硕士论文 x ( 朋 曼，( x f ( ) 1i111 口) 一1一一i一1一i一1 哩) f 图2 5 工倍插值示意图 依然从频域来看，假设x ( 朋) 得频谱是x ( p 归) ，那么我们可以直接得到插值后的频谱 置 问) = x ( p 肌) ( 2 1 3 ) 把原信号的频谱压缩倍，然后以2 万三为周期扩展，就可以得到插值以后的信号频谱，图2 6 是三= 2 时插值前后的频谱对比。 x ( e p ) 一 八八门门| 4 石2 万 一缈功。 2 万 4 万 7 八八八八z 刀刃刀刀 ， 一4 石一2 万 。， 2冗47r 图2 6 ( a ) 是原信号的频谱，( b ) 是插值后的频谱 原信号的频谱周期是2 万，而插值以后变成了2 万三，为了在插值以后获得一个比较平坦光滑 的信号，同时又具有和原信号同样的频谱形状，可以让插值之后的信号毫0 ) 通过一个低通滤波器 啊( 门) ，把在【一州厶州】以外的那些重复的频谱分量都过虑掉。低通滤波器红( ，z ) 的理想频率响应 为： 刚咖钕：是芝州朋 汜 滤波后的信号( 甩) 等于曼，( 玎) 和滤波器冲击响应忽0 ) 的卷积，我们可以得到它的时域表达式 为： 9 图2 7m 带广义多载波合成分析滤波器组 在发送端，各路子载波信号，后= 0 ，l ，m 一1 ，先经过倍插值，然后通过各子信道的脉冲 成形滤波器以( ，z ) ，最后由气( 咒) 进行对各子载波的基带调制并进行相加。多载波合成以后的信号 s ( 玎) 经过信道，到达接收端。接收端收到的信号r ( 门) 依次经过解调色( 咒) 、低通滤波吃( 九) 和抽取 之后，得到恢复的各路子载波信号袁( 朋) 。这里，曼。( 刀) 并不一定是发送信息序列x 。( 刀) 最终的重 建信号，通常各重建序列存在着符号问干扰( i s i ) 、信道间干扰( i c i ) 以及加性白噪声，因此，在 多载波解调之后，需进行进一步的处理，以获得发送序列的估计。 发送信号s ( ，z ) 可以表示为： ，一l曲 s ( ，z ) = ( 加) 五( ，z 一) ( 玎) ( 2 1 6 a ) 七= 0m = 接收端或( 聊) 可以表示为： ( 肌) = ，( 胛) 瓦( 胛) 吃( 聊一玎) ( 2 1 6 b ) 为了保证各路载波的关于中心频点的对称，便于接收端的同步定时，我们定义 气( 甩) ：吒m 钞 瓦( 九) ：呓一净 ( 2 1 7 a ) ( 2 1 7 b ) 其中= e 一7 2 州m ，我们假设各子载波之阋的间隔相同。各自信道的脉冲波形以( ，z ) 和( 门) 可 以采用相同的实系数序列p 0 ) ，p ) 满足对称条件p 一1 一刀) = p ( 聆) ，工为的整数倍加l ，则 各予带滤波器的脉冲相应序列为共轭对称序列或共轭反对称序列，因此各子带滤波器是线性相位滤 波器。这样式( 2 1 6 ) 可以改写为： ：