本文關(guān)鍵詞：快速濾波器組理論及在多載波調(diào)制中的應(yīng)用研究

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【摘要】：在軟件無線電應(yīng)用領(lǐng)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, FFT)和快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)為核心設(shè)計(jì)實(shí)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(yīng)特性,設(shè)計(jì)者往往只能通過犧牲資源來獲得更好的性能�；贔FT的蝶形結(jié)構(gòu),Lim教授提出的快速濾波器組(Fast Filter Bank, FFB)實(shí)現(xiàn)了低復(fù)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(jié)構(gòu)方面的研究,無法給出FFB傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,阻礙了FFB理論的進(jìn)一步完善和應(yīng)用�；诖�,本文圍繞FFB傳遞函數(shù)統(tǒng)一表達(dá)式的建立、原型濾波器的設(shè)計(jì)、低復(fù)雜度的實(shí)現(xiàn)以及針對(duì)實(shí)際場景的應(yīng)用等一系列問題開展研究工作,實(shí)現(xiàn)理論和應(yīng)用的源頭創(chuàng)新。本文的研究工作主要包括如下幾個(gè)方面：1)利用通道的二進(jìn)制編碼和各級(jí)原型濾波器的脈沖響應(yīng)系數(shù)統(tǒng)一表達(dá)了分析快速濾波器組(Analysis FFB, AFF B)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(jié)構(gòu)推導(dǎo)了綜合快速濾波器組(Synthesis FFB, SFFB)的結(jié)構(gòu)形式,給出了SFFB中各子濾波器傳遞函數(shù)與對(duì)應(yīng)原型濾波器傳遞函數(shù)之間的關(guān)系、SFFB和AFFB中對(duì)應(yīng)原型濾波器脈沖響應(yīng)系數(shù)之間的關(guān)系以及SFFB中各通道所包含子濾波器的傳遞函數(shù)和通道傳遞函數(shù)的統(tǒng)一表達(dá)式。特別的,如果SFFB和AFFB中各級(jí)原型濾波器采用半帶濾波器方法進(jìn)行設(shè)計(jì),且具有對(duì)稱非因果特性時(shí),可以將各傳遞函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行進(jìn)一步簡化,并證明了在AFFB和SFFB中對(duì)應(yīng)原型濾波器組傳遞函數(shù)相同的條件下,AFFB和SFFB中各對(duì)應(yīng)子濾波器和通道具有相同的傳遞函數(shù)表達(dá)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(dá)形式,證明了AFFB和SFFB中各通道的頻率響應(yīng)特性與均勻?yàn)V波器組各通道的頻率響應(yīng)特性相同,即各通道的頻率響應(yīng)可以由同一低通原型濾波器頻率響應(yīng)通過搬移而得到,根據(jù)此性質(zhì),可以在一定允許誤差范圍內(nèi),對(duì)AFFB和SFFB進(jìn)行多相分解,從而建立了AFFB和SFFB與多相濾波器組之間的內(nèi)在聯(lián)系,并得到了對(duì)應(yīng)的多相濾波器組等效結(jié)構(gòu)形式；3)對(duì)FFB所需乘法器總數(shù)量與對(duì)應(yīng)低通原型濾波器的通帶、阻帶紋波峰值進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,以達(dá)到根據(jù)全局指標(biāo)設(shè)計(jì)各級(jí)原型濾波器的目的,并利用迭代方法計(jì)算得到各級(jí)原型濾波器的脈沖響應(yīng)系數(shù),彌補(bǔ)了目前文獻(xiàn)中無法根據(jù)全局指標(biāo)設(shè)計(jì)各級(jí)原型濾波器的不足,并在此基礎(chǔ)上,利用FFB相鄰子通道合并特性,設(shè)計(jì)了可配置變帶寬有限脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)濾波器,并通過修改FFB中第0級(jí)原型濾波器的結(jié)構(gòu)形式,使可配置變帶寬FIR濾波器具有在一定范圍內(nèi)中心頻率連續(xù)可調(diào)和帶寬連續(xù)可調(diào)的功能；4)將FFB應(yīng)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,因而與FFT頻譜分析系統(tǒng)相比具有頻譜分析更加準(zhǔn)確的特點(diǎn)。結(jié)合數(shù)字熒光(Digital Phosphor, DPX)技術(shù),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng),該系統(tǒng)以模塊化儀器作為硬件平臺(tái),利用場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以FFB為核心的基帶信號(hào)處理模塊,完成了時(shí)域信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜分析和數(shù)字熒光統(tǒng)計(jì)功能,并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)傳輸接口上傳至主控機(jī),以彩色位圖的形式對(duì)實(shí)時(shí)頻譜予以顯示：5)將FFB應(yīng)用于數(shù)字信道化中,在硬件結(jié)構(gòu)不變的條件下,通過合理設(shè)計(jì)FFB的通道數(shù)和各級(jí)原型濾波器,實(shí)現(xiàn)均勻和非均勻數(shù)字信道化,與其他設(shè)計(jì)方法相比較,具有更小的過渡帶帶寬和較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,且不需要額外的資源存儲(chǔ)濾波器組的脈沖響應(yīng)系數(shù)。將FFB所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)形式用于信號(hào)重構(gòu)中,該結(jié)構(gòu)不需要對(duì)應(yīng)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(yīng)用于以交錯(cuò)正交幅度調(diào)制(Offset Quadrature Amplitude Modulation, OQAM)為調(diào)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(diào)制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)近似重構(gòu)的要求,擴(kuò)展了原型濾波器所滿足的互補(bǔ)關(guān)系,在此條件下,重新推導(dǎo)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(dá)式。利用以子信道間的干擾(Interchannel Interference, ICI)和符號(hào)間干擾(Intersymbol Interference, ISI)最小化作為目標(biāo)函數(shù),阻帶衰減為約束條件的優(yōu)化函數(shù),設(shè)計(jì)各級(jí)原型濾波器。在多載波調(diào)制系統(tǒng)應(yīng)用場景下,證明了FFB仍然屬于均勻?yàn)V波器組,從而在一定允許誤差范圍內(nèi)可以得到對(duì)應(yīng)的多相濾波器組等效結(jié)構(gòu)形式。利用車載無線通信協(xié)議802.11p對(duì)基于FFB的多載波調(diào)制系統(tǒng)FFBMC/OQAM 與 OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了性能對(duì)比分析,仿真實(shí)驗(yàn)表明,在存在頻偏、多普勒、多徑和白噪聲的通信信道中,FFBMC/OQAM系統(tǒng)比OFDM系統(tǒng)的誤碼率更低,具有更加優(yōu)異的綜合性能。
【關(guān)鍵詞】：快速濾波器組 優(yōu)化設(shè)計(jì) 實(shí)時(shí)頻譜分析 數(shù)字信道化 多載波調(diào)制
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN713;TN761
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 本論文專用術(shù)語的注釋表12-14
• 第一章 緒論14-24
• 1.1 研究背景14-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-20
• 1.2.1 軟件無線電應(yīng)用領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.2 快速濾波器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3 論文開展的主要工作20-22
• 1.4 論文的組織結(jié)構(gòu)22-24
• 第二章 分析與綜合快速濾波器組24-44
• 2.1 引言24-25
• 2.2 快速傅里葉變換濾波器組25-26
• 2.3 分析快速濾波器組26-36
• 2.3.1 分析快速濾波器組傳遞函數(shù)統(tǒng)一表達(dá)式29-32
• 2.3.2 分析快速濾波器組傳遞函數(shù)一般表達(dá)式32-33
• 2.3.3 分析快速濾波器組傳遞函數(shù)求解實(shí)例33-36
• 2.4 綜合快速濾波器組36-43
• 2.4.1 綜合快速濾波器組道傳遞函數(shù)一般表達(dá)式39-41
• 2.4.2 綜合快速濾波器組傳遞函數(shù)實(shí)例41-43
• 2.5 本章小結(jié)43-44
• 第三章 快速濾波器組等效結(jié)構(gòu)44-58
• 3.1 引言44
• 3.2 快速濾波器組子通道頻響特性44-50
• 3.2.1 分析快速濾波器組子通道頻響特性44-47
• 3.2.2 綜合快速濾波器組子通道頻響特性47-50
• 3.3 快速濾波器組多相結(jié)構(gòu)形式50-55
• 3.3.1 分析快速濾波器組的多相結(jié)構(gòu)形式50-53
• 3.3.2 綜合快速濾波器組的多相結(jié)構(gòu)形式53-55
• 3.4 快速濾波器組多相分解實(shí)例55-57
• 3.5 本章小結(jié)57-58
• 第四章 原型濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)58-78
• 4.1 引言58-59
• 4.2 原型濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)59
• 4.3 原型濾波器系數(shù)優(yōu)化問題求解59-62
• 4.4 原型濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例62-64
• 4.5 可配置變帶寬FIR濾波器64-76
• 4.5.1 可變帶寬FIR濾波器64-71
• 4.5.2 中心頻率和帶寬連續(xù)可調(diào)FIR濾波器71-76
• 4.6 本章小結(jié)76-78
• 第五章 基于快速濾波器組高準(zhǔn)確度實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)技術(shù)研究78-92
• 5.1 引言78-79
• 5.2 快速濾波器組頻譜分析性能79-81
• 5.3 實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)81-89
• 5.3.1 硬件平臺(tái)81-83
• 5.3.2 基帶數(shù)據(jù)處理單元FPGA設(shè)計(jì)83-89
• 5.3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)89
• 5.4 實(shí)時(shí)頻譜儀性能驗(yàn)證89-91
• 5.5 本章小結(jié)91-92
• 第六章 基于快速濾波器組低復(fù)雜度數(shù)字信道化技術(shù)研究92-104
• 6.1 引言92-94
• 6.2 快速濾波器組數(shù)字信道化94-98
• 6.2.1 快速濾波器組均勻數(shù)字信道化94-96
• 6.2.2 快速濾波器組非均勻數(shù)字信道化96-98
• 6.3 快速濾波器組信號(hào)重構(gòu)系統(tǒng)98-102
• 6.4 本章小結(jié)102-104
• 第七章 快速濾波器組在多載波調(diào)制中的應(yīng)用研究104-138
• 7.1 引言104-106
• 7.2 FBMC/OQAM106-110
• 7.3 多載波調(diào)制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖110-111
• 7.4 原型濾波器對(duì)應(yīng)的互補(bǔ)關(guān)系111-114
• 7.5 快速濾波器組傳遞函數(shù)統(tǒng)一表達(dá)形式114-118
• 7.5.1 快速濾波器組傳遞函數(shù)統(tǒng)一表達(dá)形式115-117
• 7.5.2 快速濾波器組傳遞函數(shù)一般表達(dá)形式117-118
• 7.6 快速濾波器組子通道的頻響特性118-120
• 7.7 原型濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)120-128
• 7.7.1 原型濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)120-125
• 7.7.2 原型濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例125-128
• 7.8 基于快速濾波器組多載波調(diào)制系統(tǒng)性能分析128-136
• 7.8.1 車載無線通信協(xié)議128-129
• 7.8.2 多載波傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖129
• 7.8.3 多載波系統(tǒng)估計(jì)算法129-132
• 7.8.4 FFBMC/OQAM系統(tǒng)原型濾波器設(shè)計(jì)132-134
• 7.8.5 FFBMC/OQAM系統(tǒng)性能分析134-136
• 7.9 本章小結(jié)136-138
• 第八章 總結(jié)與展望138-140
• 致謝140-142
• 參考文獻(xiàn)142-152
• 作者簡介152-153

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