滤波多音调制技术（FMT）中信道估计和同步技术研究

论文摘要

未来宽带无线通信系统是满足高速率、大容量的系统,现有技术很难完全满足未来宽带无线通信系统要求。在这样的背景下,论文以作为多载波调制技术之一的FMT（Filtered Multitone）为研究对象,主要研究了FMT信道估计技术和同步技术。首先,论文探讨了FMT实现结构,并详细分析了FMT信号。首次采用数形结合方式推导了FMT系统基于IDFT/DFT快速算法和多相滤波的有效实现结构,更生动形象地解释了FMT从原理模型结如何转化为有效实现结构;论文还从时域和频域两个角度深入分析和研究了FMT信号,解释了原型滤波器和多径信道与FMT信号中有用信号、ISI和ICI之间的关系。其次,研究了FMT时域信道估计方法。现有FMT时域信道估计算法均是有偏的,在高信噪比下会出现地板效应。为此,论文提出了基于PN码序列的改进无偏估计算法和基于一种新序列的信道估计算法。相比于现有算法,两种算法均是无偏估计,估计性能与信道特性无关,估计精度更高。新序列与PN码序列的互相关是单值函数,基于该新序列的估计算法具有更低的运算量,实现更加简单。由于PN码序列数量有限,选择余地小,论文提出基于OCI（Optimum Channel Independent）序列的短周期平均信道估计算法。该算法利用序列的正交周期特性以及周期长度灵活可调的特点,获得了比前面的估计算法更高的估计性能。借助于IFFT/FFT,算法的复数乘法器数量只相当于序列周期大小。为避免在低信噪比下小路径增益对估计性能起负面作用,论文提出了噪声功率估计方法,并基于噪声抑制改善的信道估计性能,通过将淹没在噪声中的小路径增益置零来降低噪声对估计的影响,提高了低信噪比下的估计性能。再者,研究了FMT频域信道估计方法和频域补偿方法。为克服使用时域信道估计时频繁插入时域导频的缺点,避免采用空时联合信道估计的高复杂度,论文提出了FMT频域导频辅助信道估计算法。该算法在频域若干子载波上插入导频数据,对应子载波信号表现为信道加权频域响应,而加权值是由原型滤波器唯一确定,由此可获得信道时域响应估计,算法具有较高估计精度并获得较好系统性能;使用信道时域补偿时需要进行矩阵求逆或伪逆运算,在子载波数较大时,运算量会很大,为此论文提出了FMT单抽头频域均衡算法。在非频率选择性衰落信道下,该算法体现出优于时域补偿的性能,并且具有更低的复杂度和运算量;论文还研究了CP-FMT（Cyclic Prefix FMT）,讨论了CP-FMT下的信道估计和补偿方法以及实现结构,在频率选择性衰落信道,CP-FMT表现出远高于FMT的性能。最后,研究了FMT同步技术。在FMT系统中,原型滤波器阶数过大,使FMT信号产生长记忆效应,从而导致时域训练数据周期变长、小数倍载波频率偏差捕获范围缩小、同步开销大。为解决以上问题,论文提出了短周期循环同步算法。与其他FMT同步算法不同,该算法只在若干等间隔子载波上保持训练数据非零,缩短了时域训练数据周期,扩展了小数倍载波频率偏差范围估计范围,提高了定时位置估计精度;为进一步提高定时同步性能,降低同步开销,论文提出了可变窗长同步算法,算法利用接收信号与本地训练数据的相关性获取符号定时偏差和小数倍载波频率偏差。与之前的算法相比,该算法只需一个符号的同步开销,定时同步位置估计达到100%,小数倍载波频率偏差可扩展到最大范围,而且捕获精度要高得多;以上同步算法只能估计小数倍载波频率偏差,为纠正整数倍频率偏差,论文提出了能量检测判决算法、均衡后和均衡前PN码相关检测算法。能量检测判决算法利用短周期循环同步算法中训练符号在子载波上能量等间隔分布的规律来观察子载波能量峰值,能量峰值的偏移即为子载波偏移。该算法只能获取小于训练符号非零数据间隔的整数倍载波频率偏差,估计精度很高,即使在0dB信噪比下正确捕获概率也可达到99%以上;均衡后PN码相关检测算法首先在均衡判决后的数据流中通过同步码寻找PN码在时间方向上的位置,再根据PN码相关峰值在子载波频率方向上的偏移来确定整数倍载波频率偏差。算法在低信噪比下仍表现出高于94%的正确捕获概率,但该算法受均衡器性能的限制;均衡前PN码检测算法在两个发送符号中插入相同PN码,在FFT之后搜索这两个符号与本地PN码之间的相关峰值,在时间和频率方向该峰值均表现出唯一性,其正确捕获概率达到100%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 FMT 技术的国内外发展和研究现状
• 1.2.1 原型滤波器设计
• 1.2.2 信道均衡技术
• 1.2.3 MIMO-FMT
• 1.2.4 异步多用户环境下FMT 研究
• 1.3 FMT 信道估计和同步技术研究
• 1.3.1 FMT 信道估计研究
• 1.3.2 FMT 同步技术研究
• 1.4 论文研究成果
• 1.5 论文结构安排
• 第二章 FMT 系统模型与性能分析
• 2.1 无线多径信道及其模型
• 2.1.1 无线多径信道
• 2.1.2 抽头延迟线模型
• 2.2 FMT 基本原理和系统模型
• 2.2.1 FMT 基本原理
• 2.2.2 调制器有效实现模型
• 2.2.3 解调器有效实现模型
• 2.2.4 其他有效实现模型
• 2.2.5 与FDM 和OFDM 的比较
• 2.3 FMT 信号分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 FMT 时域信道估计研究
• 3.1 基于PN 码序列FMT 时域信道估计
• 3.1.1 PN 码序列的性质
• 3.1.2 基于PN 码序列信道估计原理
• 3.1.3 基于PN 码序列信道估计的改进算法
• 3.1.4 基于PN 码序列改进无偏估计算法
• 3.1.5 基于一种新序列的信道估计算法
• 3.1.6 信道估计算法实验仿真和比较
• 3.1.7 基于噪声抑制辅助信道估计
• 3.2 基于OCI 序列FMT 时域信道估计
• 3.2.1 OCI 序列
• 3.2.2 基于OCI 序列短周期平均信道估计算法
• 3.2.3 算法实验仿真和比较
• 3.2.4 基于OCI 序列噪声功率估计
• 3.2.5 基于噪声抑制辅助信道估计
• 3.3 本章小结
• 第四章 FMT 频域信道估计研究
• 4.1 基于频域导频的FMT 信道估计
• 4.1.1 FMT 频域导频辅助信道估计算法
• 4.1.2 FMT 导频图案设计
• 4.1.3 FMT 频域导频辅助估计算法性能分析
• 4.1.4 存在相噪和频率偏差时的估计算法
• 4.1.5 FMT 频域导频辅助信道估计算法实验仿真
• 4.2 FMT 单抽头频域均衡
• 4.2.1 FMT 信号谱分析
• 4.2.2 FMT 系统单抽头频域均衡补偿
• 4.2.3 FMT 结合信道估计的单抽头均衡结构
• 4.3 插入循环前缀的FMT 信道估计
• 4.3.1 插入循环前缀后的接收信号
• 4.3.2 插入循环前缀后的信道估计
• 4.3.3 插入循环前缀后的信道补偿
• 4.4 本章小结
• 第五章 FMT 同步技术研究
• 5.1 定时偏差和频率偏差对FMT 信号的影响
• 5.1.1 符号定时偏差对FMT 信号的影响
• 5.1.2 载波频率偏差对FMT 信号的影响
• 5.2 FMT 同步算法
• 5.2.1 FMT 短周期循环同步算法
• 5.2.2 FMT 可变窗长同步算法
• 5.3 整数倍载波频率偏差估计
• 5.3.1 能量检测判决算法
• 5.3.2 均衡后PN 码相关检测算法
• 5.3.3 均衡前PN 码相关检测算法
• 5.4 本章小结
• 第六章 论文总结及展望
• 6.1 论文成果总结
• 6.2 技术展望
• 致谢
• 参考文献表
• 作者在学期间取得的学术成果
• 博士期间参与完成的项目
• 附录1 FMT 解调端信干噪比
• 附录2 增益因子的傅立叶分析
• 附录3 估计方差和噪声项的功率计算
• 附录4 OCI 序列的推导
• 附录5 自相关矩阵的推导
• 附录6 最大公倍数的计算