5G关键技术之FBMC(滤波器组多载波)
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2020/2/29
滤波器组多载波技术在20世纪90年代由不同的研究者从不同的角度进 行分析和提出的，其中滤波多音调制、广义多载波等是基于多抽样率 数字信号处理，从调制滤波器组的思路对该技术进行的分析，即发射 机对串并变换后的多路信号，首先进行上插值，然后分别通过带通调 制滤波器调制到不同的频带上，时域合成以后就构成宽带多载波信号 ，而接收机的处理是对应的逆过程，通过一组不同中心频率的带通滤 波器得到对应子带的信号后再进行下抽样、解调输出。而非正交多载 波、时频局部化多载波的理论基础是二维时频面上的框架理论[42-47] ，它把发送和接收原型脉冲的时移和频移构成的网格看成是时频面上 一组基函数。发射机就是把各个子带上的每个符号投影到二维时频网 格，再进行信号综合得到宽带合成信号，接收端是对应的信号分析的 逆过程，利用网格在时域和频域上的正交或近似正交特性，来解调输 出[6]。因此无论实际的系统标准还是一些理论上讨论滤波器组性能分 析、估计和均衡、同步都还是采用的能量归一化的平方根升余弦滤波 器[6]。
多相滤波器组的方法是从时域的角度出发,保持FFT位数为M不变,通过在时 2域020上/2/2做9 些额外的处理来实现原型滤波器的实现[14]。
多项滤波器组
发送端滤波器组
2020/2/29
发送端PPN的实现：
2020/2/29
FBMC的研究点
FBMC-OQAM降低峰均比（PAPR）
2020/2/29
FBMC-OQAM
OQAM调制：干扰系数都是实虚交替分布的，利用这个性质，将原先 复数信号的实数部分和虚数部分分开处理，时间间隔为符号周期T/2 。在干扰项为实数的单位块发送虚数部分，在干扰项为虚数的单位块 发送实数部分，这样在接收端解调时，就可以通过实部和虚部的分别 处理来去除干扰项，从而得到原始的发送信号，调制框图如下[14]。
在滤波器组中，一般存在三种失真：
(1)混叠失真，这是由于分析滤波器组和综合滤波器组的频带不能完全分开及抽样 频率不能满足奈奎斯特抽样定理所致；
(2)幅度及相位失真，这两项失真来源于分析及综合滤波器组的频带在通带内不是 全通函数，而其相频特性不具有线性相位所致；
(3)对各子带信号作处理时(如编码)所产生的误差(如量化误差)。
2020/2/29
为了解决这些问题, 基于滤波器组的多载波 (FBMC，filter-bank based multicarrier) 实现方案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[2]。滤波器组技术 起源于20世纪70年代，由 Saltzberg，Chang，Weinstein 和 Bingha 等人提出，最初受制于实现上的复杂性并没有在业界受到重视[5]，主 要应用在多速率采样，减少计算复杂度以及减少传输数据率和存储单 元的要求，并在20世纪80年代开始受到关注，随着数字信号处理技术 及集成电路的发展，尤其是快速傅立叶算法、大规模集成电路的出现 ，从 90 年代开始，多载波技术逐渐得到了大范围的应用。在几十年 的发展过程中，滤波器组的研究经历了从基础理论分析到各种理论的 丰富完善，发展到现在已经产生了多种滤波器组理论、结构和设计方 法，其应用也从最初的语音处理扩展到通信信号处理、图像编码/压缩 、自适应滤波、雷达信号处理、快速计算、系统辨识、噪声消除等许 多领域 [3]。
FBMC调研
2020/2/29
---柳颖
大纲
FBMC发展历史 FBMC的研究现状 FBMC的热门研究点 参考文献
2020/2/29
OFDM的缺点
OFDM载波之间是相互正交的，这种正交性有效的抵抗了窄带干扰和频率选 择性衰落。
OFDM 技术也存在很多不足之处。比如， OFDM 系统的滤波方式为矩形窗 滤波，并且在信号中插入循环前缀（Cyclic Prefix，CP）以对抗多径衰落[2]， 这带来了无线资源的浪费以及数据传输速度受损等缺陷。
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.
2020/2/29
FBMC的发展
在 5G系统中，由于支撑高数据速率的需要，将可能需要高达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，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[2]。
FBMC-OQAM可以保持和FFT滤波器组相同的码率
国内外研究现状
一类是通过信号无失真技术来降低 OFDM 信号的峰均功率比，这一类的代表性方法 有部分传输序列法 以及选择性映射法（Selective Mapping，SLM）。另一类是通 过信号有失真技术来降低 OFDM 信号的峰均功率比，其中比较著名的方法有剪切法 （Clipping），压扩法（Companding），多音预留法，剪波加滤波法（Clipping and Filtering）以及星座扩展法（Active Constellation Extension，ACE）。并且以 这些方法为基础延伸出来的分支和改进的方法也很多。 目前已有的文献中，关于降 低FBMC-OQAM信号PAPR的文章和方法都非常少。常见的有：Alexandre Skrzypczak 等人套用了 OFDM 系统中的 SLM 方法并提出了 OSLM（Overlapped SLM）方法来降低 FBMC-OQAM 信号的PAPR；Alexandre Skrzypczak 等人分析 了 FBMC-OQAM 信号的互补累积函数（Complementary Cumulative Distribution Function ，CCDF）并将理论分析结果与实际仿真结果进行了对比；M. Usman Rahim 等人对剪切法进行了分析，通过分析发现剪切法会明显影响到 FBMCOQAM 信号的旁瓣，虽然降低了 PAPR，但对FBMC-OQAM 信号的其它性能会有 很大的影响。Zs. Kolar 等人用迭代剪切的方法降低 FBMC 信号的 PAPR。这些研 究和分析中主要都是对 FBMC-OQAM 系统特点的分析，实质性的可以降低 FBMCOQAM 信号 PAPR 的方法却不多。
2020/2/29
在基于滤波器组的多载波技术中，存在分析滤波器组、综合滤波器组 以及上下采样器。发送端通过综合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。综合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。
为了克服多径信道和高速宽带无线通信带来的频率选择性衰落，一个 十分自然的想法就是在频域上划分成多个子带，使得每一个子信道上 的频谱特性都近似平坦，同时使用多个相互独立的子带并行传输数据， 这就有效的解决了延长符号周期和传输速率的矛盾。在接收机中利用 子带之间的正交性或近似正交性来分离各自的信息，并且还可以在子 带之间进行信号的频率分集，进一步增强通信的可靠性，这就是多载 波调制的基本思想[6]。
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[2]。 OFDM 旁瓣较高的危害很多，主要有以下几个方面：较高的旁瓣会严重影响系统的 频谱感知精度和效率，因为旁瓣能量过大，因此当按传统的能量感知方法进 行感知的时候，无法判断检测到的到底是有用信号还是旁瓣，这会造成误判 等后果；而且一般而言通信系统中发送的信号能量有限，较高的旁瓣会占去 主要信号的能量，导致能量的消耗和浪费；OFDM 信号旁瓣过大会导致相邻 子载波间的保护间隔变长，这会降低系统的频谱利用率和用户密度[1]。
2020/2/29
基于训练序列的 FBMC 系统符号定时同步 改进算法
由于 FBMC存在着时域上符号之间的重叠，其符号同步实现起来较复杂[4]。 为了提高传统滤波器组多载波( FBMC） 系统符号定时同步算法的精确度，提出了
2020/2/29
文献1 数据块联合优化（Multi-Block-Joint-Optimization，MBJO）的架 构，并基于该架构提出了一个改进的部分传输序列（Partial Transmission Sequence，PTS）方法来降低 FBMC-OQAM信号 的 PAPR。 优化算法：（1）基于动态规划（Dynamic Programming，DP） 的算法；（2）用载波预留（Tone Reservation，TR）的方法降 低 FBMC-OQAM信号的PAPR。
2020/2/29
滤波器组技术开始受到人们的关注时期是在1980年，Johnston提出了 两通道正交镜像滤波器组(Quadrature Mirror Filter，QMF)。它可以完 全消除混迭失真和相位失真，只存在微小的幅度失真。1986年， Smith和Bowell提出了共扼正交滤波器组。(Conjugate Quadrature Mirror Filter，CQF)，首次实现了完全重构。接着，Vaidyanathan在 1987年引入了多相位((Polyphase)分解的方法对滤波器组进行分析和 设计，极大的简化了滤波器组设计的思想，为滤波器组的实现提供了 一种可靠的结构，同时也为格型滤波器组理论的发展打下了基础。 1992年，KoilpillaiR.D提出了余弦调制(eosine-modulated filter bank， C璐B)的M带滤波器组，给出了完全重构条件，并用格型结构实现。 这些工作不但极大的推动了滤波器组理论的研究，同时还为后续的深 入研究提供了理论基础[3]。
一般存在混叠失真的滤波器组是线性周期时变系统，而完全消除混叠 失真的系统是线性时不变系统。如果滤波器组的输百度文库是输入的纯延时， 则称为完全重构系统(PerfeetReeonstruetion，PR)[3]。
2020/2/29
研究发展史
该技术其本质上就是把一路宽带高速数据流通过串并变换转换为并行 的多路相对低速的数据流，然后再对应调制到相互正交的多个子载波 上，从而有效延长符号周期，降低多径带来的频率选择性衰落影响。 OFDM 作为多载波技术中的特例，相当于采用矩形脉冲做成型滤波， 所以其对抗符号间干扰（ISI）有着先天的优势。但是在频域，其频谱 可以看作是 Sinc 函数在各个子载波频点上的保持相互正交的叠加， 由于 Sinc 函数旁瓣较大、衰减缓慢。
当 OFDM 系统处于复杂移动条件下的快时变衰落信道中时，子载波 间正交性被破坏不能得到保证，所以受载波间的干扰（ICI）影响十分 严重，为了达到多载波技术对 ISI 和ICI 干扰的折衷考虑，实现在时频 双色散信道下的可靠通信，一些相关文献提出了采用非矩形脉冲子带 成型的多载波，如 Kozek，Haas，Bölcskei，Matz，F.M.Han等提出 的非正交多载波和脉冲成型多载波，Cherubini，Assalini 等提出的滤 波多音调制，高西奇、尤肖虎等提出的广义多载波等[5]。
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FBMC系统基本框架
和普通FFT滤波器组相比，发送端IFFT之前增加了OQAM预处理模块，对 复数信号进行了实部和虚部分离；在IFFT之后增加了多相结构PPN模块， 实现了频域的扩展，接收端也有对应的操作。IFFT和PPN(Poly Phase Network-多项滤波器组)称为综合滤波器组(Synthesis Filter Bank，SFB)， 对应的接收端FFT和PPN称为分析滤波器组(Analysis Filter Bank， AFB) 。此框架可以实现基本的基于FBMC的多载波调制解调功能[14]。
滤波器组多载波技术在20世纪90年代由不同的研究者从不同的角度进 行分析和提出的，其中滤波多音调制、广义多载波等是基于多抽样率 数字信号处理，从调制滤波器组的思路对该技术进行的分析，即发射 机对串并变换后的多路信号，首先进行上插值，然后分别通过带通调 制滤波器调制到不同的频带上，时域合成以后就构成宽带多载波信号 ，而接收机的处理是对应的逆过程，通过一组不同中心频率的带通滤 波器得到对应子带的信号后再进行下抽样、解调输出。而非正交多载 波、时频局部化多载波的理论基础是二维时频面上的框架理论[42-47] ，它把发送和接收原型脉冲的时移和频移构成的网格看成是时频面上 一组基函数。发射机就是把各个子带上的每个符号投影到二维时频网 格，再进行信号综合得到宽带合成信号，接收端是对应的信号分析的 逆过程，利用网格在时域和频域上的正交或近似正交特性，来解调输 出[6]。因此无论实际的系统标准还是一些理论上讨论滤波器组性能分 析、估计和均衡、同步都还是采用的能量归一化的平方根升余弦滤波 器[6]。
多相滤波器组的方法是从时域的角度出发,保持FFT位数为M不变,通过在时 2域020上/2/2做9 些额外的处理来实现原型滤波器的实现[14]。
多项滤波器组
发送端滤波器组
2020/2/29
发送端PPN的实现：
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FBMC的研究点
FBMC-OQAM降低峰均比（PAPR）
2020/2/29
FBMC-OQAM
OQAM调制：干扰系数都是实虚交替分布的，利用这个性质，将原先 复数信号的实数部分和虚数部分分开处理，时间间隔为符号周期T/2 。在干扰项为实数的单位块发送虚数部分，在干扰项为虚数的单位块 发送实数部分，这样在接收端解调时，就可以通过实部和虚部的分别 处理来去除干扰项，从而得到原始的发送信号，调制框图如下[14]。
在滤波器组中，一般存在三种失真：
(1)混叠失真，这是由于分析滤波器组和综合滤波器组的频带不能完全分开及抽样 频率不能满足奈奎斯特抽样定理所致；
(2)幅度及相位失真，这两项失真来源于分析及综合滤波器组的频带在通带内不是 全通函数，而其相频特性不具有线性相位所致；
(3)对各子带信号作处理时(如编码)所产生的误差(如量化误差)。
2020/2/29
为了解决这些问题, 基于滤波器组的多载波 (FBMC，filter-bank based multicarrier) 实现方案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[2]。滤波器组技术 起源于20世纪70年代，由 Saltzberg，Chang，Weinstein 和 Bingha 等人提出，最初受制于实现上的复杂性并没有在业界受到重视[5]，主 要应用在多速率采样，减少计算复杂度以及减少传输数据率和存储单 元的要求，并在20世纪80年代开始受到关注，随着数字信号处理技术 及集成电路的发展，尤其是快速傅立叶算法、大规模集成电路的出现 ，从 90 年代开始，多载波技术逐渐得到了大范围的应用。在几十年 的发展过程中，滤波器组的研究经历了从基础理论分析到各种理论的 丰富完善，发展到现在已经产生了多种滤波器组理论、结构和设计方 法，其应用也从最初的语音处理扩展到通信信号处理、图像编码/压缩 、自适应滤波、雷达信号处理、快速计算、系统辨识、噪声消除等许 多领域 [3]。
FBMC调研
2020/2/29
---柳颖
大纲
FBMC发展历史 FBMC的研究现状 FBMC的热门研究点 参考文献
2020/2/29
OFDM的缺点
OFDM载波之间是相互正交的，这种正交性有效的抵抗了窄带干扰和频率选 择性衰落。
OFDM 技术也存在很多不足之处。比如， OFDM 系统的滤波方式为矩形窗 滤波，并且在信号中插入循环前缀（Cyclic Prefix，CP）以对抗多径衰落[2]， 这带来了无线资源的浪费以及数据传输速度受损等缺陷。
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.
2020/2/29
FBMC的发展
在 5G系统中，由于支撑高数据速率的需要，将可能需要高达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，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[2]。
FBMC-OQAM可以保持和FFT滤波器组相同的码率
国内外研究现状
一类是通过信号无失真技术来降低 OFDM 信号的峰均功率比，这一类的代表性方法 有部分传输序列法 以及选择性映射法（Selective Mapping，SLM）。另一类是通 过信号有失真技术来降低 OFDM 信号的峰均功率比，其中比较著名的方法有剪切法 （Clipping），压扩法（Companding），多音预留法，剪波加滤波法（Clipping and Filtering）以及星座扩展法（Active Constellation Extension，ACE）。并且以 这些方法为基础延伸出来的分支和改进的方法也很多。 目前已有的文献中，关于降 低FBMC-OQAM信号PAPR的文章和方法都非常少。常见的有：Alexandre Skrzypczak 等人套用了 OFDM 系统中的 SLM 方法并提出了 OSLM（Overlapped SLM）方法来降低 FBMC-OQAM 信号的PAPR；Alexandre Skrzypczak 等人分析 了 FBMC-OQAM 信号的互补累积函数（Complementary Cumulative Distribution Function ，CCDF）并将理论分析结果与实际仿真结果进行了对比；M. Usman Rahim 等人对剪切法进行了分析，通过分析发现剪切法会明显影响到 FBMCOQAM 信号的旁瓣，虽然降低了 PAPR，但对FBMC-OQAM 信号的其它性能会有 很大的影响。Zs. Kolar 等人用迭代剪切的方法降低 FBMC 信号的 PAPR。这些研 究和分析中主要都是对 FBMC-OQAM 系统特点的分析，实质性的可以降低 FBMCOQAM 信号 PAPR 的方法却不多。
2020/2/29
在基于滤波器组的多载波技术中，存在分析滤波器组、综合滤波器组 以及上下采样器。发送端通过综合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。综合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。
为了克服多径信道和高速宽带无线通信带来的频率选择性衰落，一个 十分自然的想法就是在频域上划分成多个子带，使得每一个子信道上 的频谱特性都近似平坦，同时使用多个相互独立的子带并行传输数据， 这就有效的解决了延长符号周期和传输速率的矛盾。在接收机中利用 子带之间的正交性或近似正交性来分离各自的信息，并且还可以在子 带之间进行信号的频率分集，进一步增强通信的可靠性，这就是多载 波调制的基本思想[6]。
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[2]。 OFDM 旁瓣较高的危害很多，主要有以下几个方面：较高的旁瓣会严重影响系统的 频谱感知精度和效率，因为旁瓣能量过大，因此当按传统的能量感知方法进 行感知的时候，无法判断检测到的到底是有用信号还是旁瓣，这会造成误判 等后果；而且一般而言通信系统中发送的信号能量有限，较高的旁瓣会占去 主要信号的能量，导致能量的消耗和浪费；OFDM 信号旁瓣过大会导致相邻 子载波间的保护间隔变长，这会降低系统的频谱利用率和用户密度[1]。
2020/2/29
基于训练序列的 FBMC 系统符号定时同步 改进算法
由于 FBMC存在着时域上符号之间的重叠，其符号同步实现起来较复杂[4]。 为了提高传统滤波器组多载波( FBMC） 系统符号定时同步算法的精确度，提出了
2020/2/29
文献1 数据块联合优化（Multi-Block-Joint-Optimization，MBJO）的架 构，并基于该架构提出了一个改进的部分传输序列（Partial Transmission Sequence，PTS）方法来降低 FBMC-OQAM信号 的 PAPR。 优化算法：（1）基于动态规划（Dynamic Programming，DP） 的算法；（2）用载波预留（Tone Reservation，TR）的方法降 低 FBMC-OQAM信号的PAPR。
2020/2/29
滤波器组技术开始受到人们的关注时期是在1980年，Johnston提出了 两通道正交镜像滤波器组(Quadrature Mirror Filter，QMF)。它可以完 全消除混迭失真和相位失真，只存在微小的幅度失真。1986年， Smith和Bowell提出了共扼正交滤波器组。(Conjugate Quadrature Mirror Filter，CQF)，首次实现了完全重构。接着，Vaidyanathan在 1987年引入了多相位((Polyphase)分解的方法对滤波器组进行分析和 设计，极大的简化了滤波器组设计的思想，为滤波器组的实现提供了 一种可靠的结构，同时也为格型滤波器组理论的发展打下了基础。 1992年，KoilpillaiR.D提出了余弦调制(eosine-modulated filter bank， C璐B)的M带滤波器组，给出了完全重构条件，并用格型结构实现。 这些工作不但极大的推动了滤波器组理论的研究，同时还为后续的深 入研究提供了理论基础[3]。
一般存在混叠失真的滤波器组是线性周期时变系统，而完全消除混叠 失真的系统是线性时不变系统。如果滤波器组的输百度文库是输入的纯延时， 则称为完全重构系统(PerfeetReeonstruetion，PR)[3]。
2020/2/29
研究发展史
该技术其本质上就是把一路宽带高速数据流通过串并变换转换为并行 的多路相对低速的数据流，然后再对应调制到相互正交的多个子载波 上，从而有效延长符号周期，降低多径带来的频率选择性衰落影响。 OFDM 作为多载波技术中的特例，相当于采用矩形脉冲做成型滤波， 所以其对抗符号间干扰（ISI）有着先天的优势。但是在频域，其频谱 可以看作是 Sinc 函数在各个子载波频点上的保持相互正交的叠加， 由于 Sinc 函数旁瓣较大、衰减缓慢。
当 OFDM 系统处于复杂移动条件下的快时变衰落信道中时，子载波 间正交性被破坏不能得到保证，所以受载波间的干扰（ICI）影响十分 严重，为了达到多载波技术对 ISI 和ICI 干扰的折衷考虑，实现在时频 双色散信道下的可靠通信，一些相关文献提出了采用非矩形脉冲子带 成型的多载波，如 Kozek，Haas，Bölcskei，Matz，F.M.Han等提出 的非正交多载波和脉冲成型多载波，Cherubini，Assalini 等提出的滤 波多音调制，高西奇、尤肖虎等提出的广义多载波等[5]。
2020/2/29
FBMC系统基本框架
和普通FFT滤波器组相比，发送端IFFT之前增加了OQAM预处理模块，对 复数信号进行了实部和虚部分离；在IFFT之后增加了多相结构PPN模块， 实现了频域的扩展，接收端也有对应的操作。IFFT和PPN(Poly Phase Network-多项滤波器组)称为综合滤波器组(Synthesis Filter Bank，SFB)， 对应的接收端FFT和PPN称为分析滤波器组(Analysis Filter Bank， AFB) 。此框架可以实现基本的基于FBMC的多载波调制解调功能[14]。