F-OFDM系统中子带滤波器的设计及PAPR抑制方法的研究

摘要

近年来，随着人们对高速率和高带宽的无线通信网络的需求不断增长，因此对第5代移动通信系统(The5th Generation Mobile Communication System，5G)提出了更高的要求。在4G长期演进(Long Term Evolution，LTE)中被广泛应用的OFDM技术由于具有系统带外辐射较大、峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)较高等缺点，使得它不适用于数据传输速率更高的5G通信。为了解决上述问题，人们提出了基于子带滤波的正交频分复用(Filtered-OFDM，F-OFDM)技术。F-OFDM技术除了具备传统OFDM技术的优点外，在系统频谱泄漏的抑制方面有很好的表现，因此F-OFDM成为5G的候选的空口波形技术之一。论文针对F-OFDM系统中存在较大的带外辐射和较高的峰均功率比问题，提出了使用Nuttall's Blackman-Harris窗设计的子带滤波器以及基于限幅法和改进的选择性映射(Selected mapping，SLM)算法结合的方法来分别改善上述两个方面的性能。
　　首先，论文介绍了5G移动通信系统的主要应用场景、业务需求和动态空口技术的框架，并简要分析了当前比较热门的几种空口波形的研究现状以及F-OFDM系统中子带滤波器设计和降低峰均功率比方法的研究现状。接着，论文讨论了OFDM技术的基本原理和数学模型，并研究了F-OFDM技术的基本原理，归纳了F-OFDM技术的优缺点。论文又简单介绍了数字滤波器的原理，其中重点介绍了FIR滤波器的特点、设计方法和设计步骤。
　　其次，针对F-OFDM系统中存在较大的带外辐射的问题，提出将Nuttall's Blackman-Harris窗用于构造F-OFDM系统中的FIR滤波器，以达到更好的抑制系统频谱泄漏的目的，论文给出了具体的实现方法和步骤。通过MATLAB仿真在相同信号条件下经过OFDM系统和F-OFDM系统的功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)来分析对比系统性能。仿真实验结果验证了添加滤波器能够有效地抑制子带频谱的带外辐射，从而使不同子带之间只需要设置极低的保护间隔就能很好的抑制相邻子带间的干扰。
　　最后，针对F-OFDM系统中存在较高的峰均功率比的问题，提出一种将限幅法和改进的SLM算法结合的方法以达到更好的降低PAPR的效果。首先介绍了OFDM系统中抑制系统峰均功率比的方法、定义和分布情况，并通过仿真验证了F-OFDM系统中仍然存在较高的PAPR。随后论文重点研究了减小F-OFDM系统中PAPR的两种方法:限幅法和SLM算法。传统的SLM算法需要发送额外的边带信息，会占用多余的频带资源，而我们对SLM算法进行改进的方法不用发送边带信息，节省了频带资源。并分别仿真对比了它们在F-OFDM系统中抑制PAPR的效果。而本文提出的将限幅法和改进的SLM算法结合的具体做法是在改进的SLM算法处理后，紧接着对其进行限幅操作，通过MATLAB仿真对比可以得到F-OFDM系统中该结合方法能够达到更好的降低PAPR的效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景及意义

1．3 研究现状

1．3．1 FBMC研究现状

1．3．2 GFDM研究现状

1．3．3 UFMC研究现状

1．3．4 F-OFDM研究现状

1．4 论文的主要内容和结构安排

第二章 F-OFDM系统模型

2．1．1 OFDM的基本原理

2．1．2 OFDM系统的数学模型

2．2 F-OFDM系统基本原理和优缺点

2．2．1 F-OFDM的基本原理

2．2．2 F-OFDM系统的优缺点

2．3 数字滤波器技术

2．3．1 FIR滤波器的特点

2．3．2 FIR滤波器的设计

2．4 本章小结

第三章 基于Nuttall’s Blackman-Harris窗的F-OFDM系统子带滤波器的设计

3．1．1 F-OFDM收发机总体结构

3．1．2 子载波映射

3．1．3 子带滤波

3．2 F-OFDM系统中基于Nuttall’s Blackman-Harris窗的子带滤波器的设计

3．2．2 Nuttall’s Blackman-Harris窗与其他窗函数的幅频特性对比

3．3 F-OFDM系统中基于Nuttall’s Blackman-Harris窗的性能仿真与分析

3．3．1 F-OFDM系统仿真的参数配置

3．3．2 F-OFDM系统中不同窗函数对系统的频谱泄露的影响

3．3．3 F-OFDM系统中Nuttall’s Blackman-Harris窗设计的子带滤波器的BER性能分析

3．4 本章小结

第四章 基于限幅法和改进的SLM算法的F-OFDM系统PAPR抑制方法的研究

4．1．2 F-OFDM系统的峰均功率比的分布

4．1．3 F-OFDM系统中高峰均功率比的存在情况

4．1．4 F-OFDM系统中减小峰均功率比的方法和评价标准

4．2 F-OFDM系统中限幅法和SLM算法减小峰均功率比的仿真分析

4．2．1 限幅技术

4．2．2 SLM算法

4．3 基于改进的SLM算法的减小F-OFDM系统峰均功率比的仿真分析

4．3．1 基于SLM算法的改进方法

4．3．2 基于改进的SLM算法减小F-OFDM系统中PAPR的仿真分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文