[发明专利]双原型FBMC-OQAM系统中原型滤波器的设计方法

说明书

本发明公开一种双原型FBMC‑OQAM系统中原型滤波器的设计方法，首先，本发明所考虑的调制结构，其接收端和发送端采用了不同的原型滤波器，其设计自由度是传统FBMC‑OQAM调制结构的两倍。后续的仿真印证了这一结构具备更好的整体性能；其次，本发明将原型滤波器的设计问题归结为无约束优化问题，采用双迭代机制求解问题。并且在每一步迭代中采用矩阵求逆的等价条件以及Toeplitz矩阵求逆快速方法。相比于现有技术，本发明不仅具备更好的性能，而且求解复杂度低很多。

技术领域

本发明涉及原型滤波器设计技术领域，具体涉及一种双原型FBMC-OQAM系统中原型滤波器的设计方法。

背景技术

在FBMC技术中，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得到。FBMC系统设计含有如下几个关键技术：原型滤波器的设计、多相滤波器组原理和调制方式。其中，原型滤波器的设计是FBMC实现方案的核心所在，其性能将直接决定整个系统的性能，例如阻带衰减、符号间干扰和子载波间干扰。

FBMC系统主要有三种实现方式：余弦多音调制(Cosine Modulated Multitone,CMT)，滤波器多音调制(Filtered Multitone,FMT)和FBMC-OQAM(Filter BankMulticarrier with Offeset Orthogonal Amplitude Modulation)。其中，FMT频谱利用率低下，而CMT和FBMC-OQAM二者采用正交的子载波设计，提高频谱利用率。OQAM是QAM调制的正交优化形式，其在符号速率和抗噪声能力上具有更大的优势。

对于FBMC-OQAM中原型滤波器的设计而言，需要满足以下几点：第一，阻带能量越低越好，以尽量防止来源于原型滤波器的符号间的干扰和子载波间的干扰。第二，还需要满足近似完全重构条件，即在一定的信道干扰下，接收端滤波器能近似重构出发送端信号。目前，FBMC-OQAM系统原型滤波器的设计方法主要有：频率采样方法、窗函数方法和直接设计方法。频率采样方法先是在频域上对理想滤波器频率响应进行等间隔采样，然后对其进行傅里叶逆变换，得到原型滤波器的冲激响应函数。窗函数方法先是直接设计满足频域要求的传输函数，后进行傅里叶逆变换将其转换到时域，对其进行时域截断得到相应的FIR滤波器。不同于前二者，直接设计方法的特点是可以直接对原型滤波器的所有参数进行优化，因此这类方法往往能获得性能更佳的滤波器组。然而，直接设计方法的计算复杂度会随着原型滤波器的长度增大而急剧升高。除此之外，当设计问题需满足近似完全重构条件时，设计问题就归结为很难求解的高度非凸非线性问题。

为解决上述问题，《Prototype Filter Optimization to Minimize StopbandEnergy With NPR Constraint for Filter Bank Multicarrier Modulation Systems》提出了一种基于αBB(α-based Branch and Bound)算法来最小化FBMC-OQAM系统原型滤波器阻带能量的方法(下文简称αBB算法)，其设计思路是对优化问题进行有效地近似，大大地减少优化变量的个数，从而较大地降低直接设计方法的求解规模。在文献《FBMC系统中原型滤波器的迭代设计算法》中，作者将设计问题归结为无约束的优化问题，运用修正的牛顿迭代法进行优化求解。上述的所有算法设计都是围绕传统的FBMC-OQAM系统设计，即综合滤波器组和分析滤波器组均由同一原型低通滤波器调制而来。然而，上述设计FBMC-OQAM系统原型滤波器设计所采用的方法仍有不足之处：1、综合滤波器组和分析滤波器组均由同一原型滤波器调制而来，系统设计受限；2、设计所得FBMC-OQAM系统的均方误差和系统中原型滤波器的阻带衰减性能仍有提升空间。

发明内容

本发明所要解决的是现有FBMC-OQAM系统中原型滤波器设计自由度不高和整体性能不佳的问题，提供一种双原型FBMC-OQAM系统中原型滤波器的设计方法。