多载波滤波器组定点算法研究

摘要

近年来，移动通信业务在全球范围内迅猛发展。除了语音、短信等服务外，人们还需要更多的多媒体服务，不仅有新的应用，还需要无所不在的各种个性化的服务。在我国即将推出3G商用系统之际，国内外移动通信领域的专家正在进行B3G/4G系统的研究和开发工作。本课题根据国家“十五”863计划无线通信FuTURE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了“下一代移动通信无线传输链路技术”课题的研究。本课题主要研究广义多载波频分双工混合多址(GMC-FDD-xDMA)蜂窝移动通信传输技术。 GMC-FDD-xDMA方案以3G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Turbo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OFDM系统易于FFT。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：支持峰值速率为20 Mbps～100 Mbps的高速IP(Intemet Protocol)分组传输，在车载环境中峰值速率不低于20 Mbps；支持8 kbps～20 Mbps速率变化、不同QoS(Quality ofService)和非对称的多媒体业务；系统容量达到3G系统的3～5倍；提供与3G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；提供无线资源优化配置的灵活性；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。 本人参与了该课题研究工作，承担了广义多载波(GMC)滤波器组的定点算法研究工作。 掌握定点算法研究的理论基础，包括数字滤波器理论、FIR滤波器的有限字长效应、DFT的有限字长效应、概率统计知识等。应用多速率滤波器组理论，对广义多载波滤波器组的快速实现算法进行了浮点仿真研究，在此基础上，根据FPGA实现结构设计定点算法。使用Matlab编程实现快速算法，分别对合成滤波器组和分析滤波器组设计了四大模块：合成滤波器组的子载波调制和前移频模块、IDFT和后移频模块、循环扩展和点乘模块、累加移位输出模块，分析滤波器组的滑动模块、求和和点乘模块、DFT和前移频模块、子载波解调和后移频模块。对四大模块的每一级都进行了定点仿真研究；在相同的输入数据下，对matlab程序各模块的输出数据和浮点数据都进行了详细的对比，确保了Matlab快速实现定点算法程序的正确性，在此基础上使用C语言编程实现快速定点算法，同样对四大模块进行了定点仿真研究，将定点仿真的结果与浮点仿真的结果作比较，确保了定点仿真的性能符合广义多载波滤波器组的设计要求。 在设定系统输入为高斯分布条件下，对所有模块的输出都进行了大量的仿真统计研究，统计了它们的概率分布特性，统计结果表明，各模块的输出都为高斯分布，为各模块的定标提供了参考依据。 应用定点算法模块，为实验系统的链路联调提供了可靠的测试和参照数据。通过参与对广义多载波滤波器组的FPGA实现作ModelSim仿真，在硬件板上FPGA实现进行调试，将Matlab程序每个模块生成的结果都输入到硬件板上，然后将硬件板上的输出数据与相应的Matlab仿真结果作仔细的比较，加速了FPGA实现的故障定位和排除，并且优化了各模块FPGA实现的定标方式。 为了克服移动台与基站之间的时钟频率偏差和多普勒频移对多载波各子带间的正交性的影响，本课题的广义多载波滤波器组采用冗余技术，每个子载波之间的交迭点在-15dB，付出的代价是低通原型滤波器的阶数为217，运算量很大。而采用频障法来设计，在实现相同阶数低通原型滤波器时，运算量减少了近40％，最后得到的多载波滤波器组中子带交迭点为-15.5dB。在相同的运算量下，采用频障法可以进一步改善滤波器频谱的矩形特性、提高频谱利用率。但是本论文对用频障法研究广义多载波滤波器组的快速实现算法还不够深入，用频障法设计锐截止FIR滤波器组的方法值得进行进一步的研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2多载波技术及其应用——广义多载波传输系统

1.3论文的主要工作和结构

参考文献

第2章多速率数字信号处理理论

2.1多速率系统

2.2多速率滤波器组

2.2.1滤波器组的多相结构

2.2.2 DFT调制滤波器组

2.2.3广义DFT调制滤波器组

参考文献

第3章广义多载波传输系统

3.1引言

3.2广义多载波系统

3.3广义多载波系统参数选择以及快速实现算法

3.3.1合成滤波器组快速实现算法

3.3.2分析滤波器组快速实现算法

3.4广义多载波滤波器组在GMC-FDD-xDMA系统中的应用

参考文献

第4章滤波器定点算法研究

4.1量化与量化误差

4.1.1二进制数的表示

4.1.2定点制的量化误差

4.1.3 A/D变换的量化效应

4.2有限字长运算对数字滤波器的影响

4.3 FIR滤波器的有限字长效应

4.4系数量化对数字滤波器的影响

4.5 DFT运算中舍入误差的统计分析

4.6 MATLAB在概率统计中的应用

参考文献

第5章广义多载波滤波器组的FPGA实现

5.1合成滤波器组的FPGA实现结构

5.1.1子载波调制和前移频模块

5.1.2 IDFT和后移频模块

5.1.3循环扩展和点乘模块

5.1.4累加移位模块

5.1.5输出接口模块

5.2分析滤波器器组的FPGA设计

5.2.1滑动模块

5.2.2点乘求和模块

5.2.3广义DFT模块

5.2.4后移频模块

5.3 FPGA中四舍五入截位的设计

参考文献

第6章多载波滤波器组的定点算法研究

6.1广义多载波滤波器组的浮点仿真——基于Matlab

6.1.1广义多载波滤波器组的浮点仿真流程图

6.1.2合成滤波器各模块浮点仿真过程

6.1.3分析滤波器各模块浮点仿真过程

6.1.4广义多载波滤波器组浮点仿真性能分析

6.2多载波滤波器组的定点仿真——基于Matlab 7 Fixed-Point工具箱

6.2.1 Matlab Fixed-Point工具箱

6.2.2广义多载波滤波器组的定点仿真流程图

6.2.3合成滤波器各模块定点仿真过程

6.2.4分析滤波器各模块定点仿真过程

6.2.5广义多载波滤波器组定点仿真性能分析

6.3广义多载波滤波器组的定点仿真——基于C语言

6.3.1 C语言定点仿真

6.3.2动态分配内存技术

6.3.3 C程序与Matlab程序的接口技术

6.3.4 C语言实现定点仿真的结果

6.4广义多载波滤波器组定点仿真结果与硬件实现结果的比较

6.4.1合成、分析滤波器组Matlab定点仿真结果与ModelSim仿真结果的比较

6.4.2合成/分析滤波器组的联合Matlab定点仿真结果与ModelSim仿真结果的比较

6.4.3合成/分析滤波器组硬件实现结果与ModelSim仿真结果的比较

6.5广义多载波滤波器组中每个模块输入输出的定点仿真结果统计图

6.5.1发送滤波器组定点仿真结果直方图

6.5.2接收滤波器组定点仿真结果直方图

参考文献

第7章频障法设计宽带锐截止FIR滤波器

7.1频障法原理

7.2多载波通信中宽带锐截止FIR滤波器设计

参考文献

第8章总结

致谢