基于滤波器组的多载波(FBMC)调制系统的研究及实现

摘要

现代通信系统的核心单元是调制与解调系统，在数字通信系统中即数字基带调制解调技术。目前第四代移动通信系统调制技术基于OFDM技术。OFDM调制系统拥有传输速率高，频带利用率高，抗摔落能力强，抗码间干扰能力强等特点。但其矩形窗带外衰落缓慢，在频偏影响下子载波干扰明显，循环前缀对频谱效率的降低等问题已逐渐成为其短板。随着新一代移动通信系统研发的迫近，急需新的调制系统以解决这些问题。
　　而滤波器组多载波（Filter Bank Multi-Carrier，FBMC）技术作为第五代移动通信系统备选的调制方式，越来越受到人们重视。其优势在于对抗子载波干扰能力方面十分稳定，能够很好解决OFDM系统对子载波正交性要求及其苛刻的问题；其不需要使用CP来对抗ISI，也使得其频谱利用率显著提高；其与交错正交幅度调制（Offset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM）的结合使得其进一步解决了相邻子载波干扰的问题。而本文就主要针对FBMC系统调制实现算法进行分析实现。论文首先介绍了多载波系统的基本原理，并引申出OFDM调制和FBMC调制的具体原理并介绍了其各自的特性。在此基础上，详细介绍了FBMC调制的基本原理，以及原型滤波器特性的特性和设计要求以及其实现难点所在。
　　FBMC系统的第一个实现难点在于其硬件实现性问题，由于其调制方案较为复杂，计算量相对OFDM系统大幅增加，本后针对该问题对系统具体实现结构进行了详细研究，并提出了较为接近于当前OFDM调制系统的计算量的硬件实现结构，即多相滤波结构。FBMC系统实现的另一个实现难点在于其无法完全消除的相邻子载波干扰的问题，而针对该问题，学界目前多以OQAM调制以避开相邻子载波的干扰，本文在此基础上针对FBMC系统的子载波干扰进行了分析并详细介绍了OQAM调制的相关原理和该技术与FBMC的结合优势。OQAM调制虽然解决了FBMC系统的子载波干扰的问题，但却给导频算法和均衡器设计带来极大的挑战，本文对导频算法提出了两种设计方案—辅助导频法与相邻载波置零法，其中前者需要额外的计算量和存储资源以完成辅助导频的计算，而后者则会消耗一定的频谱资源，文中对两种方案分别进行了仿真实现与详细分析。而均衡器设计由于与调制方案本身相关性并不直接，本文并未详细讨论。
　　该文仿真实现并严格分析了FBMC系统性能，在抗噪声、频偏、定时偏移的能力方面与OFDM进行了详细比较，得到FBMC系统在对抗以上信道干扰时均全面优于OFDM系统的结论，随后还分析了FBMC系统的频谱效率与计算复杂度等问题并与OFDM系统进行了定量对比。
　　最后对针对分析得到的FBMC仿真系统结构在Xilinx公司的K7系列芯片XC7K325T进行了硬件实现，给出了资源消耗情况与实现误码率分析。

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缩略词表

第一章 绪论

1.1论文的研究背景

1.2 FBMC发展背景与现状

1.3论文结构安排

第二章 滤波器组多载波技术研究

2.1多载波通信系统简介

2.2 OFDM基本原理

2.3 FBMC基本原理及原型滤波器设计

2.4 FBMC的实现结构

2.5 OQAM调制

2.6 FBMC的导频设计算法

2.7本章小结

第三章 滤波器组多载波调制算法分析

3.1仿真系统搭建

3.2系统算法与性能分析

3.3本章小结

第四章 滤波器组多载波系统的FPGA实现

4.1 FBMC调制系统的整体实现方案

4.2 FBMC调制关键模块结构设计及实现

4.3模块正确性验证

4.4本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

个人简历及攻硕期间取得的研究成果