快速滤波器组理论及在多载波调制中的应用研究

发布时间：2017-09-06 14:05

  本文关键词：快速滤波器组理论及在多载波调制中的应用研究

  更多相关文章： 快速滤波器组 优化设计 实时频谱分析 数字信道化 多载波调制

【摘要】：在软件无线电应用领域中,无论是频谱分析、数字信道化,还是多载波通信,大都是以快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)和快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)为核心设计实现的,但是由于FFT/IFFT第一旁瓣衰减大约为-13dB,具有较差的频率响应特性,设计者往往只能通过牺牲资源来获得更好的性能。基于FFT的蝶形结构,Lim教授提出的快速滤波器组(Fast Filter Bank, FFB)实现了低复杂度和良好频响特性二者的统一,并且该滤波器组具有多相滤波器组所不具备的相邻子通道合并特性。然而,由于缺乏FFB的统一结构方面的研究,无法给出FFB传递函数的数学表达式,阻碍了FFB理论的进一步完善和应用。基于此,本文围绕FFB传递函数统一表达式的建立、原型滤波器的设计、低复杂度的实现以及针对实际场景的应用等一系列问题开展研究工作,实现理论和应用的源头创新。本文的研究工作主要包括如下几个方面：1)利用通道的二进制编码和各级原型滤波器的脉冲响应系数统一表达了分析快速滤波器组(Analysis FFB, AFF B)中各通道组成子滤波器传递函数和通道传递函数。通过IFFT结构推导了综合快速滤波器组(Synthesis FFB, SFFB)的结构形式,给出了SFFB中各子滤波器传递函数与对应原型滤波器传递函数之间的关系、SFFB和AFFB中对应原型滤波器脉冲响应系数之间的关系以及SFFB中各通道所包含子滤波器的传递函数和通道传递函数的统一表达式。特别的,如果SFFB和AFFB中各级原型滤波器采用半带滤波器方法进行设计,且具有对称非因果特性时,可以将各传递函数表达式进行进一步简化,并证明了在AFFB和SFFB中对应原型滤波器组传递函数相同的条件下,AFFB和SFFB中各对应子滤波器和通道具有相同的传递函数表达式；2)根据AFFB和SFFB中各通道所包含子滤波器传递函数以及通道传递函数的统一表达形式,证明了AFFB和SFFB中各通道的频率响应特性与均匀滤波器组各通道的频率响应特性相同,即各通道的频率响应可以由同一低通原型滤波器频率响应通过搬移而得到,根据此性质,可以在一定允许误差范围内,对AFFB和SFFB进行多相分解,从而建立了AFFB和SFFB与多相滤波器组之间的内在联系,并得到了对应的多相滤波器组等效结构形式；3)对FFB所需乘法器总数量与对应低通原型滤波器的通带、阻带纹波峰值进行联合优化,以达到根据全局指标设计各级原型滤波器的目的,并利用迭代方法计算得到各级原型滤波器的脉冲响应系数,弥补了目前文献中无法根据全局指标设计各级原型滤波器的不足,并在此基础上,利用FFB相邻子通道合并特性,设计了可配置变带宽有限脉冲响应(Finite Impulse Response, FIR)滤波器,并通过修改FFB中第0级原型滤波器的结构形式,使可配置变带宽FIR滤波器具有在一定范围内中心频率连续可调和带宽连续可调的功能；4)将FFB应用于频谱分析中,由于FFB具有良好的频率选择性,频谱泄露现象不明显,因而与FFT频谱分析系统相比具有频谱分析更加准确的特点。结合数字荧光(Digital Phosphor, DPX)技术,设计实现了实时频谱分析系统,该系统以模块化仪器作为硬件平台,利用场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)设计实现了以FFB为核心的基带信号处理模块,完成了时域信号的实时频谱分析和数字荧光统计功能,并将统计数据通过高速数据传输接口上传至主控机,以彩色位图的形式对实时频谱予以显示：5)将FFB应用于数字信道化中,在硬件结构不变的条件下,通过合理设计FFB的通道数和各级原型滤波器,实现均匀和非均匀数字信道化,与其他设计方法相比较,具有更小的过渡带带宽和较低的实现复杂度,且不需要额外的资源存储滤波器组的脉冲响应系数。将FFB所设计实现的数字信道化结构形式用于信号重构中,该结构不需要对应的综合滤波器组,因而可以大大降低系统资源消耗；6)研究了FFB应用于以交错正交幅度调制(Offset Quadrature Amplitude Modulation, OQAM)为调制方式的多载波通信系统的可能性与可行性,本文称作FFBMC/OQAM多载波调制系统。根据系统近似重构的要求,扩展了原型滤波器所满足的互补关系,在此条件下,重新推导了AFFB和SFFB中各通道所组成子滤波器传递函数和通道传递函数的统一表达式。利用以子信道间的干扰(Interchannel Interference, ICI)和符号间干扰(Intersymbol Interference, ISI)最小化作为目标函数,阻带衰减为约束条件的优化函数,设计各级原型滤波器。在多载波调制系统应用场景下,证明了FFB仍然属于均匀滤波器组,从而在一定允许误差范围内可以得到对应的多相滤波器组等效结构形式。利用车载无线通信协议802.11p对基于FFB的多载波调制系统FFBMC/OQAM 与 OFDM系统进行了性能对比分析,仿真实验表明,在存在频偏、多普勒、多径和白噪声的通信信道中,FFBMC/OQAM系统比OFDM系统的误码率更低,具有更加优异的综合性能。
【关键词】：快速滤波器组 优化设计 实时频谱分析 数字信道化 多载波调制
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN713;TN761
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 本论文专用术语的注释表12-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 研究背景14-16
• 1.2 国内外研究现状16-20
• 1.2.1 软件无线电应用领域国内外研究现状16-19
• 1.2.2 快速滤波器国内外研究现状19-20
• 1.3 论文开展的主要工作20-22
• 1.4 论文的组织结构22-24
• 第二章 分析与综合快速滤波器组24-44
• 2.1 引言24-25
• 2.2 快速傅里叶变换滤波器组25-26
• 2.3 分析快速滤波器组26-36
• 2.3.1 分析快速滤波器组传递函数统一表达式29-32
• 2.3.2 分析快速滤波器组传递函数一般表达式32-33
• 2.3.3 分析快速滤波器组传递函数求解实例33-36
• 2.4 综合快速滤波器组36-43
• 2.4.1 综合快速滤波器组道传递函数一般表达式39-41
• 2.4.2 综合快速滤波器组传递函数实例41-43
• 2.5 本章小结43-44
• 第三章 快速滤波器组等效结构44-58
• 3.1 引言44
• 3.2 快速滤波器组子通道频响特性44-50
• 3.2.1 分析快速滤波器组子通道频响特性44-47
• 3.2.2 综合快速滤波器组子通道频响特性47-50
• 3.3 快速滤波器组多相结构形式50-55
• 3.3.1 分析快速滤波器组的多相结构形式50-53
• 3.3.2 综合快速滤波器组的多相结构形式53-55
• 3.4 快速滤波器组多相分解实例55-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第四章 原型滤波器的优化设计58-78
• 4.1 引言58-59
• 4.2 原型滤波器的优化设计59
• 4.3 原型滤波器系数优化问题求解59-62
• 4.4 原型滤波器优化设计实例62-64
• 4.5 可配置变带宽FIR滤波器64-76
• 4.5.1 可变带宽FIR滤波器64-71
• 4.5.2 中心频率和带宽连续可调FIR滤波器71-76
• 4.6 本章小结76-78
• 第五章 基于快速滤波器组高准确度实时频谱分析系统技术研究78-92
• 5.1 引言78-79
• 5.2 快速滤波器组频谱分析性能79-81
• 5.3 实时频谱分析系统设计81-89
• 5.3.1 硬件平台81-83
• 5.3.2 基带数据处理单元FPGA设计83-89
• 5.3.3 上位机软件设计89
• 5.4 实时频谱仪性能验证89-91
• 5.5 本章小结91-92
• 第六章 基于快速滤波器组低复杂度数字信道化技术研究92-104
• 6.1 引言92-94
• 6.2 快速滤波器组数字信道化94-98
• 6.2.1 快速滤波器组均匀数字信道化94-96
• 6.2.2 快速滤波器组非均匀数字信道化96-98
• 6.3 快速滤波器组信号重构系统98-102
• 6.4 本章小结102-104
• 第七章 快速滤波器组在多载波调制中的应用研究104-138
• 7.1 引言104-106
• 7.2 FBMC/OQAM106-110
• 7.3 多载波调制系统实现框图110-111
• 7.4 原型滤波器对应的互补关系111-114
• 7.5 快速滤波器组传递函数统一表达形式114-118
• 7.5.1 快速滤波器组传递函数统一表达形式115-117
• 7.5.2 快速滤波器组传递函数一般表达形式117-118
• 7.6 快速滤波器组子通道的频响特性118-120
• 7.7 原型滤波器优化设计120-128
• 7.7.1 原型滤波器优化设计120-125
• 7.7.2 原型滤波器优化设计实例125-128
• 7.8 基于快速滤波器组多载波调制系统性能分析128-136
• 7.8.1 车载无线通信协议128-129
• 7.8.2 多载波传输系统结构框图129
• 7.8.3 多载波系统估计算法129-132
• 7.8.4 FFBMC/OQAM系统原型滤波器设计132-134
• 7.8.5 FFBMC/OQAM系统性能分析134-136
• 7.9 本章小结136-138
• 第八章 总结与展望138-140
• 致谢140-142
• 参考文献142-152
• 作者简介152-153

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 周育人,李元香,闵华清;基于提升方法的滤波器组因子分解[J];电子学报;2003年10期

2 ;美空军寻求以超导技术为基础制造的滤波器组[J];航天电子对抗;1993年01期

3 刘宏兵,杨万海,彭进业,王大凯;利用完全重构滤波器组进行图像的多尺度边缘提取[J];信号处理;2000年S1期

4 郭福成,皇甫堪;基于滤波器组的改进型Wigner-Ville分布[J];信号处理;2001年01期

5 王嘉梅;调制型数字滤波器组的设计及实现方法[J];云南民族学院学报(自然科学版);2001年02期

6 石光明,刘芳,谢雪梅,焦李成;低复杂度结构化完全重构的两通道滤波器组[J];自然科学进展;2002年05期

7 石光明,焦李成;基于多项式分解理论的低时延完全重构两通道滤波器组的设计[J];电子与信息学报;2002年07期

8 潘兴德,郭军;余弦调制滤波器组的时频分析的等价性及其应用[J];电子与信息学报;2003年05期

9 章国安,包志华,张小东,毕光国;复数滤波器组的优化及其在通信系统中的应用[J];南通工学院学报(自然科学版);2003年04期

10 毛家发,张文龙;关于双正交滤波器组构造的修正[J];福建电脑;2004年05期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 曹雪虹;毕厚杰;;一种临界采样余弦调制滤波器组的设计[A];第九届全国信号处理学术年会（CCSP-99）论文集[C];1999年

2 王玲;周朝华;;开关-滤波器组件[A];2001年全国微波毫米波会议论文集[C];2001年

3 刘郁林;彭启琮;;几种滤波器组联合均衡方法的性能比较[A];开创新世纪的通信技术——第七届全国青年通信学术会议论文集[C];2001年

4 苏飞;王兆华;;严格子带互补的正交镜像滤波器组设计[A];现代通信理论与信号处理进展——2003年通信理论与信号处理年会论文集[C];2003年

5 范薇;金明录;赵冠男;;一种用于连续相位调制系统的简易滤波器组[A];中国电子学会第十五届信息论学术年会暨第一届全国网络编码学术年会论文集（下册）[C];2008年

6 陈年泼;庄彦瑛;俞加伟;华惊宇;;广义多载波调制解调滤波器组干扰频域分析[A];浙江省电子学会2012学术年会论文集[C];2012年

7 孙天亮;陈伟元;王豪才;;综合子带滤波器组的设计与实现[A];第十届全国信号处理学术年会（CCSP-2001）论文集[C];2001年

8 李建雷;王永超;;基于升余弦滤波器组的高精度延迟方法[A];第四届中国卫星导航学术年会论文集-S6 北斗/GNSS测试评估技术[C];2013年

9 张保轩;关卫华;;语音滤波器组硬件的参数优化[A];第二届全国人机语音通讯学术会议论文集[C];1992年

10 周鹏;王欣;赵福令;;FIR双通道正交镜像滤波器组的实现[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集（1）[C];2008年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 郝金光;快速滤波器组理论及在多载波调制中的应用研究[D];东南大学;2015年

2 石光明;子带滤波器组的设计方法和应用[D];西安电子科技大学;2001年

3 盛玉霞;综合滤波器组优化设计及其在图像处理中的应用[D];武汉科技大学;2014年

4 王建卫;滤波器组设计与细分算法中的若干问题研究[D];浙江大学;2004年

5 梁莉莉;任意方向选择性滤波器组及其对图像表示的研究[D];西安电子科技大学;2012年

6 吴华;滤波器组多载波系统快速实现及同步技术研究[D];重庆大学;2009年

7 王玮;模拟/数字混合滤波器组设计算法研究[D];西安电子科技大学;2014年

8 彭安金;PRQMF滤波器组理论及其在数字化技术中的应用研究[D];电子科技大学;2003年

9 王小龙;DFT和交替DFT调制滤波器组设计算法研究[D];西安电子科技大学;2008年

10 蒋俊正;DFT调制滤波器组的设计算法研究[D];西安电子科技大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李丽;非均匀滤波器组的研究[D];西安电子科技大学;2009年

2 黄绍广;高效数字FIR滤波器及滤波器组的设计[D];山东大学;2015年

3 李旭光;基于多分辨算法的小波框架构造[D];北京化工大学;2015年

4 邓山勤;基于多相滤波器组的光正交频分复用系统研究[D];电子科技大学;2014年

5 谭富春;基于混合滤波器组的双通道并行数据采集研究[D];电子科技大学;2015年

6 杨松涛;完全重构滤波器组优化及其在宽带信道化中的应用[D];西安电子科技大学;2014年

7 靳应祥;一种组合型开关滤波器组的设计与实现[D];电子科技大学;2014年

8 辛守庭;余弦调制滤波器组的设计及应用研究[D];西北师范大学;2009年

9 曲本香;格型结构滤波器组的设计与仿真[D];武汉科技大学;2011年

10 廖明亮;均匀及非均匀滤波器组的设计[D];西安电子科技大学;2007年

，

本文编号：803550