先进信号处理技术的研究及其在信道仿真器中的应用

发布时间：2017-08-22 04:34

  本文关键词：先进信号处理技术的研究及其在信道仿真器中的应用

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【摘要】：随着人们对通信需求的提升,无线通信设备的种类越来越丰富、更新速率也越来越快,而无线设备在上市之前需要经过大量的测试以确保其性能满足要求。为了有效地缩短无线产品的研发周期、降低测试成本,能够在实验室环境下模拟真实的无线信道传播环境的信道仿真器应运而生,并在整个产品研发过程中具有举足轻重的地位。 然而随着无线通信技术的发展,多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术得到了广泛的应用,使得信道仿真器的发展面临诸多挑战。首先为了能够承载更多的信息,信号带宽越来越宽,从而导致基于奈奎斯特定理的采样速率可能超出现有器件的性能；其次,为了获得较高的时延分辨率,要求信道模拟器在较低的时钟频率下仍能够模拟极小的多径时延间隔；最后,模拟复杂的MIMO信道模型需要较大的计算量,然而资源是有限的,因此要求信道仿真器能够在硬件资源有限的情况下,降低仿真复杂度,使性能尽可能达到最优化。 本文围绕新一代无线通信中的多天线宽带信道仿真技术进行讨论,系统地对宽带MIMO无线信道仿真器涉及的若干关键技术进行了深入的研究。论文的主要工作和创新点包括： (1)随着信号带宽的增加,以奈奎斯特定理为基础的信号处理框架要求的采样速率和处理速度也越来越高,甚至超出了已有器件的处理能力。基于压缩感知(Compressed Sensing,CS)理论的模拟信息转化器(Analog to Information Converter,AIC)能以较低的速率实现宽带模拟信号的采样,本文基于压缩感知理论,针对AIC进行分析和研究,使其更易于硬件实现。首先对AIC架构进行分析,对其采用的测量矩阵进行改进,用循环矩阵代替随机伯努力矩阵,并定义广义循环矩阵作为测量矩阵,在一定程度上降低了系统复杂度；其次,对AIC架构进行了改进,提出了一种并行多速率欠采样(Parallel Multirate Compressed Sampling, PMCS)架构,宽带信号经过预调制积分后送往并行的拥有不同采样速率的模拟数字转换器(Analog-to-Digital Convertor,ADC)进行采样,将采样后的子信号进行一系列预处理,并采用合适的恢复算法以较高的概率重构原始信号。本文对PMCS架构进行详细描述,分析了采样路径数、采样速率等因素对系统性能的影响,并同并行压缩采样(Parallel Compressed Sampling,PCS)架构及并行分段压缩采样(Parallel Segmented Compressed Sampling,PSCS)架构的性能进行比较。 (2)MIMO系统性能与无线信道的多径环境密切相关,为了更好地仿真无线信道中具有丰富散射体的情况,信道模型所表征的多径时延分辨率越来越高,因此要求信道模拟器能够实现高时延分辨率的仿真,即实现宽带信号的任意的分数阶时延。针对现有的时域插值法、分数时延滤波器法等分数阶时延方法进行分析、比较,总结了他们各自的优缺点,但是这些已有的算法无一例外的并没有考虑信号本身的固有特性,因此提出一种基于信号稀疏特性的算法来实现信号的分数阶时延。首先对宽带信号的稀疏特性进行分析,构造合适的稀疏基,然后经过理论推导将信号的时延映射为对应的连续信号的稀疏基的延时、采样,最后通过仿真实验验证了此算法的有效性,并跟已有的方法进行了比较。并通过分析指出针对基于CS的压缩采样系统,信号的分数阶时延并不再是一难题。 (3)为了能够在有着有限资源的硬件平台上模拟具有高天线纬度和高时延分辨率的MIMO信道,无线信道衰落过程的实现需要有效地设计和优化。本文对时域抽头延迟线模型进行研究,分析了影响系统复杂度的各项因素,然后将时域衰落过程转换为频域调制,分析了时域实现及频域实现时系统的复杂度。针对基于频域的信道仿真器的实现,提出一种优化的快速傅立叶变换的实现架构,称之为并行流水线架构,每一级运算模块仅有一个蝶形运算单元。优化蝶形运算,采用CORDIC算法将乘法运算转化为移位相加运算,对比分析了普通的时域实现、频域实现及基于CORDIC算法的频域实现的系统复杂度。 本文围绕新一代宽带无线MIMO信道仿真器的实现进行了深入的研究,针对其所面临的各种技术难题进行研究,并提出了相应的解决方案,为MIMO信道仿真器的研发提供了理论基础。
【关键词】：信道仿真器 MIMO技术 压缩感知 模拟信息转换器 分数阶时延
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.7
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 研究背景及研究意义14-19
• 1.1.1 无线通信系统的发展历程及现状14-16
• 1.1.2 信道仿真器的研究意义16-19
• 1.2 信道仿真器的发展现状19-21
• 1.3 论文的研究内容及创新点21-23
• 参考文献23-28
• 第二章 无线传播环境及信道模型28-50
• 2.1 引言28-29
• 2.2 无线信道传播特性29-34
• 2.2.1 路径损耗和阴影衰落30-31
• 2.2.2 多径衰落31-32
• 2.2.3 衰落信道建模方法32-34
• 2.3 SISO和SIMO信道模型34-37
• 2.3.1 ITU信道模型34
• 2.3.2 3GPP信道模型34-35
• 2.3.3 扩展ITU信道模型35-37
• 2.4 MIMO信道模型37-44
• 2.4.1 SCM信道模型38-40
• 2.4.2 扩展SCM信道模型40-41
• 2.4.3 WINNER信道模型41
• 2.4.4 LTE评估模型41-42
• 2.4.5 SCM、SCME、WINNER、LTE评估模型比较42-43
• 2.4.6 基于空间相关性的扩展ITU信道模型43-44
• 2.5 针对IMT-Advanced的信道模型44-45
• 2.6 MIMO信道仿真模拟45-46
• 2.6.1 性能测试和一致性测试46
• 2.6.2 信道仿真器对信道模型的需求46
• 2.7 小结46-47
• 参考文献47-50
• 第三章 基于压缩感知的宽带信号采样50-78
• 3.1 引言50-52
• 3.2 压缩感知理论52-57
• 3.2.1 信号的稀疏表示53-54
• 3.2.2 观测矩阵54-56
• 3.2.3 信号重构56-57
• 3.3 模拟信息转换器57-72
• 3.3.1 模拟信号的稀疏表示57-59
• 3.3.2 RMPI架构59-60
• 3.3.3 PSCS系统60-64
• 3.3.4 PMCS系统64-72
• 3.4 本章小结72-73
• 参考文献73-78
• 第四章 宽带信号分数阶时延78-94
• 4.1 引言78-79
• 4.2 信号分数阶时延的原理79-81
• 4.3 常用分数阶时延滤波器的设计方法81-86
• 4.3.1 加窗sinc函数法82-83
• 4.3.2 最大平坦FIR逼近法83-84
• 4.3.3 Farrow架构84-86
• 4.4 基于信号稀疏性的分数阶时延的实现86-91
• 4.4.1 分数阶时延算法实现86-88
• 4.4.2 压缩采样系统中信号的分数阶时延88
• 4.4.3 性能仿真分析88-91
• 4.5 本章小结91-92
• 参考文献92-94
• 第五章 数字信号卷积处理设计94-110
• 5.1 引言94
• 5.2 信道冲激响应的实现94-96
• 5.3 基于时域的信号卷积处理96-99
• 5.4 基于频域的信号卷积处理99-108
• 5.4.1 频域信号卷积处理理论分析99-101
• 5.4.2 基于CORDIC算法的频域实现101-103
• 5.4.3 频域实现系统设计103-108
• 5.5 本章小结108
• 参考文献108-110
• 第六章 总结和展望110-114
• 6.1 论文总结110-111
• 6.2 进一步工作111-112
• 参考文献112-114
• 附录 缩略语表114-118
• 致谢118-120
• 攻读学位期间发表的学术论文目录120

【参考文献】

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本文编号：717085