5G关键技术之FBMC(滤波器组多载波)解析

2018/10/13


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。 在滤波器组中，一般存在三种失真：
2018/10/13

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]。
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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]。
2018/10/13

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]。 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]。
FBMC调研
---柳颖
2018/10/13
ห้องสมุดไป่ตู้
大纲
FBMC发展历史 FBMC的研究现状 FBMC的热门研究点 参考文献

2018/10/13
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。 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]。 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. 2018/10/13