滤波器组多载波技术

滤波器组多载波技术

滤波器组多载波技术又被称作FBMC技术，是Filter Bank based Multicarrier 的缩写。其技术本身可以对于频谱效率问题、多径衰落问题进行有效的解决。FBMC技术具有较强的抗干扰能力，对于一些高速率通信需求可以有效的满足，并且保障信号的接收效果。作为新一代的核心技术，FBMC技术应用于无线通信系统中，可以更好的适应新一代带宽的网络环境。但是，在FBMC技术应用的过程中，虽然为了提高整体通信性能，采取了时域非矩形脉冲形式，但是其技术应用过程中的均衡技术、信道估计、同步技术以及快速算法等技术的实现的难度也得到了增加。在FBMC技术应用的过程中，要对于5G通信技术的滤波器组的实现算法进行进一步的研究。

多载波通信是采用多个载波信号，首先把高速数据流分割成若干并行的子数据流，从而使每个子数据流具有较低的传输速率，并用这些子数据流分别调制相应的子载波信号。在传输过程中，由于数据速率相对较低，码元周期变长，因此，只要时延扩展与码元周期的比值小于某特定值，就可以解决码间干扰问题。因为多载波调制对信道多径时延所造成的时间弥散性敏感度不强，所以，多载波传输方案能够在复杂的无线环境下给数字数据信号提供有效的保护。

OFDM作为最常用的滤波器组多载波技术在理论上和应用上都己十分成熟，但在时变信道下子带间脆弱的正交性导致性能下降很严重，这使得研究非矩形脉冲成型的多载波技术成为必要，以致滤波器组多载波理论再次得到学术界关注。

FBMC属于频分复用技术，通过一组滤波器对信道频谱进行分割以实现信道的频率复用。对现在的滤波器组多载波系统进行分类，大致分为余弦调制多频技术、离散小波多音频调制技术、滤波多音频调制技术、基于偏移正交幅度调制(offset quadratureamplitude modulation，OQAM)的OFDM技术和复指数调制滤波器组技术(exponential modulate filter bank，EMFB)。FBMC系统由发送端综合滤波器和接收端分析滤波器组成如图2所示。分析滤波器组把输入信号分解成多个子带信号，综合滤波器组对各个子带信号进行综合后进行重建输出。由此可知，分析滤波器组和综合滤波器组互为逆向结构。无论是分析滤波器组还是综合滤波器组它们的核心结构都是原型滤波器，滤波器组中其他的滤波器都是基于原型滤波器通过频移而得到。分析滤波器组和综合滤波器组的原型函数互为共扼和时间翻转。分析滤波器组和综合滤波器组的数学表达式如下。

根据滤波器组知识，滤波器组的时域矩阵描述可以把滤波器组和信号变换分析联系起来，而OFDM系统通常是基于DFT /IDFT变换实现调制和解调，实际上图1也可以用滤波器组来表示，如图3所示。

图3 OFDM系统的滤波器组结构框图

其中，IDFT:

图3完整示意了基于滤波器组的OFDM调制解调系统，待发送的信号先经过串并转换后，通过一个IDFT模块和综合滤波器组，调制到各个子载波上，再经并串转换，最后，经数/模转换发送出去。接收端为发送端逆过程。

FBMC在5G系统中的应用

由于在频谱效率、对抗多径衰落、低实现复杂度等方面的优势，OFDM (orthogonal frequency di-vision multiplexing)技术被广泛应用于各类无线通信系统，如WiMaX, LTE和LTE-A系统的下行链路，但OFDM技术也存在很多不足之处。比如，需要插入循环前缀以对抗多径衰落，从而导致无线资源的浪费;对载波频偏的敏感性高，具有较高的峰均比;另外，各子载波必须具有相同的带宽，各子载波之间必须保持同步，各子载波之间必须保持正交等，限制了频谱使用的灵活性。此外，由于OFDM技术采用了方波作为基带波形，载波旁瓣较大，从而在各载波同步不能严格保证的情况下使得相邻载波之间的干扰比较严重。在5G系统中，由于支撑高数据速率的需要，将可能需要高达1 GHz的带宽。但在某些较低的频段，难以获得连续的宽带频谱资源，而在这些频段，某些无线传输系统，如电视系统中，存在一些未被使用的频谱资源(空白频谱)。但是，这些空白频谱的位置可能是不连续的，并且可用的带宽也不一定相同，采用OFDM技术难以实现对这些可用频谱的使用。灵活有效地利用这些空白的频谱是5G系统设计的一个重要问题。

为了解决这些问题，寻求其他多载波实现方案引起了研究人员的关注。其中，基于滤波器组的多载波(FBMC, filter-bank based multicarrier)实现方案是被认为是解决以上问题的有效手段，被我国学者最早应用于国家863计划后3G试验系统中。滤波器组技术起源于20世纪70年代，并在20世纪80年代开始受到关注，现已广泛应用于图像处理、雷达信号处理、通信信号处理等诸多领域。在基于滤波器组的多载波技术中，发送端通过合成滤波器组来实现多载波调制，接收端通过分析滤波器组来实现多载波解调。合成滤波器组和分析滤波器组由一组并行的成员滤波器构成，其中各个成员滤波器都是由原型滤波器经载波调制而得到的调制滤波器。与OFDM技术不同，FBMC中，由于原型滤波器的冲击响应和频率响应可以根据需要进行设计，各载波之间不再必须是正交的，不需要插入循环前缀;能实现各子载波带宽设置、各子载波之间的交叠程度的灵活控制，从而可灵活控制相邻子载波之间的干扰，并且便于使用一些零散的频谱资源;各子载波之间不需要同步，同步、信道估计、检测等可在各资载波上单独进行处理，因此尤

其适合于难以实现各用户之间严格同步的上行链路。但另一方面，由于各载波之间相互不正交，子载波之间存在干扰;采用非矩形波形，导致符号之间存在时域干扰，需要通过采用一些技术来进行干扰的消除。

FBMC技术作为5G系统多载波方案的重要选择，吸引了越来越多人的研究兴趣。由于在FBMC技术中应特性的要求多载波性能取决于原型滤波器的设计和调制滤波器的设计，而为了满足特定的频率响要求原型滤波器的长度远远大于子信道的数量，实现复杂度高发展符合5G要求的滤波器组的快速实现算法是FBMC技术重要的研究内容不利于硬件实现。因此发展符合5G要求的滤波器组的快速实现算法是FBMC技术重要的研究内容。

在5G 系统中, 支撑高数据速率的需要, 可能需要高达1GHz的带宽。但在某些较低的频段, 难以获得连续的宽带频谱资源, 某些无线传输系统,存在一些未被使用的频谱资源(空白频谱)。但是, 这些空白频谱的位置可能是不连续的, 并且可用的带宽也不一定相同, 采用OFDM 技术难以实现对这些可用频谱的使用。FBMC方案被认为是解决问题的有效手段。

FBMC中,由于原型滤波器的冲击响应和频率响应可以根据需要进行设计, 各载波之间不再必须是正交的, 不需要插入CP; 能实现各子载波带宽设置、各子载波之间的交叠程度的灵活控制, 从而可灵活控制相邻子载波之间的干扰, 并且便于使用一些零散的频谱资源; 各子载波之间不需要同步, 同步、信道估计、检测等可在各子资载波上单独进行处理,适合于难以实现各用户之间严格同步的上行链路。但由于各载波之间相互不正交, 子载波之间存在干扰; 采用非矩形波形, 导致符号之间存在时域干扰, 需要通过采用一些技术来进行干扰的消除。