双原型FBMC-OQAM系统中原型滤波器的设计方法技术方案

本发明专利技术公开一种双原型FBMC‑OQAM系统中原型滤波器的设计方法，首先，本发明专利技术所考虑的调制结构，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，本发明专利技术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，本发明专利技术不仅具备更好的性能，而且求解复杂度低很多。

【技术实现步骤摘要】
双原型FBMC-OQAM系统中原型滤波器的设计方法
本专利技术涉及原型滤波器设计
，具体涉及一种双原型FBMC-OQAM系统中原型滤波器的设计方法。
技术介绍
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(CosineModulatedMultitone,CMT)，滤波器多音调制(FilteredMultitone,FMT)和FBMC-OQAM(FilterBankMulticarrierwithOffesetOrthogonalAmplitudeModulation)。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，《PrototypeFilterOptimizationtoMinimizeStopbandEnergyWithNPRConstraintforFilterBankMulticarrierModulationSystems》提出了一种基于αBB(α-basedBranchandBound)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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的是现有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。为解决上述问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：双原型FBMC-OQAM系统中原型滤波器的设计方法，包括步骤如下：步骤1、设定FBMC-OQAM系统发送端的综合滤波器组和接收端的分析滤波器组由2个不同的低通原型滤波器调制而来；步骤2、根据FBMC系统的性能指标，将双原型FBMC-OQAM系统中综合滤波器组的综合原型滤波器的系数向量h和分析滤波器组的分析原型滤波器的系数向量g的设计问题均归结为一个无约束的优化问题，目标函数是双原型FBMC-OQAM系统的符号间干扰、载波间干扰和原型滤波器阻带能量的加权和；步骤3、通过推导步骤2所得的目标函数的梯度向量为零，得到综合原型滤波器的系数向量h和分析原型滤波器的系数向量g的最优解的表达式，该表达式即为所需求解的优化问题；步骤4、给定一个长度为L的综合滤波器组的初始原型滤波器h0；步骤5、运用双迭代方法以及求逆的等效条件和Toeplitz矩阵求逆的快速方法，利用上次迭代所得的综合原型滤波器的系数向量hi-1去求解步骤3的优化问题，得到本次迭代的分析原型滤波器的系数向量gi，再利用本次迭代的分析原型滤波器的系数向量gi去求解步骤3的优化问题，得到本次迭代的综合原型滤波器的系数向量hi；步骤6、判断||hi-hi-1||2≤δ是否成立；若成立，则停止迭代过程，本次迭代的综合原型滤波器的系数向量hi和分析原型滤波器的系数向量gi分别作为最终的综合原型滤波器的系数向量h和分析原型滤波器的系数向量g；若不成立，则将(hi+hi-1)/2作为上次迭代所得的综合原型滤波器的系数向量hi-1，并将迭代次数i加1后返回步骤5；其中δ为设定值；步骤7、根据步骤6所求出的最终的综合原型滤波器的系数向量h和分析原型滤波器的系数向量g，通过调制公式求出各个子载波的综合原型滤波器的系数和分析原型滤波器的系数，从而确定整个双原型FBMC-OQAM系统发送端的综合滤波器组和接收端的分析滤波器组。上述步骤2中所构建的优化问题为：式中，εISI/ICI(h,g)表示FBMC-OQAM中ISI和ICI的最小干扰的近似表达式，εt(h,g)表示在设计中综合滤波器组的原型滤波器h和分析滤波器组的原型滤波器g需要满足的最小化条件，Es(h)表示综合滤波器组的原型滤波器h的阻带能量，Es(g)表示分析滤波器组的原型滤波器g的阻带能量，α是阻带能量权值。上述步骤3中，综合原型滤波器的系数向量h和分析原型滤波器的系数向量g的最优解的表达式为：式中，h为综合原型滤波器的系数向量；g为分析原型滤波器的系数向量；为第一平移矩阵，为第二平移矩阵，为第一对角矩阵，为第二对角矩阵，k′为第k′个接收端，n′为接收端接收的第n′个符号；α是阻带能量权值；c(ω,L)＝[1,e-jω,…,e-j(L-1)ω]T，ωs为阻带下限频率，ω为频率，L为滤波器的长度；b＝[b1,b2]T，b1＝[b0,1,b0]T，b0为第一零向量，b2是为第二零向量；上标T表示转置。上述步骤4中，求解本次迭代的综合原型滤波器的系数向量hi和分析原型滤波器的系数向量gi的表达式为：式中，hi为第i次迭代所得综合原型滤波器的系数向量；gi为第i次迭代所得分析原型滤波器的系数向量；hi为第i-1次迭代所得综合原型滤波器的系数向量；为第一平移矩阵，为第二平移矩阵，为第一对角矩阵，为第二对角矩阵，k′为第k′个接收端，n′为接收端接收的第n′个符号；α是阻带能量权值；I为单位矩阵；c(ω,L)＝[1,e-jω,…,e-j(L-1)ω]T，ωs为阻带下限频率，ω本文档来自技高网...

【技术保护点】
双原型FBMC‑OQAM系统中原型滤波器的设计方法，其特征是，包括步骤如下：步骤1、设定FBMC‑OQAM系统发送端的综合滤波器组和接收端的分析滤波器组由2个不同的低通原型滤波器调制而来；步骤2、根据FBMC系统的性能指标，将双原型FBMC‑OQAM系统中综合滤波器组的综合原型滤波器的系数向量h和分析滤波器组的分析原型滤波器的系数向量g的设计问题均归结为一个无约束的优化问题，目标函数是双原型FBMC‑OQAM系统的符号间干扰、载波间干扰和原型滤波器阻带能量的加权和；步骤3、通过推导步骤2所得的目标函数的梯度向量为零，得到综合原型滤波器的系数向量h和分析原型滤波器的系数向量g的最优解的表达式，该表达式即为所需求解的优化问题；步骤4、给定一个长度为L的综合滤波器组的初始原型滤波器h0；步骤5、运用双迭代方法以及求逆的等效条件和Toeplitz矩阵求逆的快速方法，利用上次迭代所得的综合原型滤波器的系数向量hi‑1去求解步骤3的优化问题，得到本次迭代的分析原型滤波器的系数向量gi，再利用本次迭代的分析原型滤波器的系数向量gi去求解步骤3的优化问题，得到本次迭代的综合原型滤波器的系数向量hi；步骤6、判断||hi‑hi‑1||2≤δ是否成立；若成立，则停止迭代过程，本次迭代的综合原型滤波器的系数向量hi和分析原型滤波器的系数向量gi分别作为最终的综合原型滤波器的系数向量h和分析原型滤波器的系数向量g；若不成立，则将(hi+hi‑1)/2作为上次迭代所得的综合原型滤波器的系数向量hi‑1，并将迭代次数i加1后返回步骤5；其中δ为设定值；步骤7、根据步骤6所求出的最终的综合原型滤波器的系数向量h和分析原型滤波器的系数向量g，通过调制公式求出各个子载波的综合原型滤波器的系数和分析原型滤波器的系数，从而确定整个双原型FBMC‑OQAM系统发送端的综合滤波器组和接收端的分析滤波器组。...

【技术特征摘要】
1.双原型FBMC-OQAM系统中原型滤波器的设计方法，其特征是，包括步骤如下：步骤1、设定FBMC-OQAM系统发送端的综合滤波器组和接收端的分析滤波器组由2个不同的低通原型滤波器调制而来；步骤2、根据FBMC系统的性能指标，将双原型FBMC-OQAM系统中综合滤波器组的综合原型滤波器的系数向量h和分析滤波器组的分析原型滤波器的系数向量g的设计问题均归结为一个无约束的优化问题，目标函数是双原型FBMC-OQAM系统的符号间干扰、载波间干扰和原型滤波器阻带能量的加权和；步骤3、通过推导步骤2所得的目标函数的梯度向量为零，得到综合原型滤波器的系数向量h和分析原型滤波器的系数向量g的最优解的表达式，该表达式即为所需求解的优化问题；步骤4、给定一个长度为L的综合滤波器组的初始原型滤波器h0；步骤5、运用双迭代方法以及求逆的等效条件和Toeplitz矩阵求逆的快速方法，利用上次迭代所得的综合原型滤波器的系数向量hi-1去求解步骤3的优化问题，得到本次迭代的分析原型滤波器的系数向量gi，再利用本次迭代的分析原型滤波器的系数向量gi去求解步骤3的优化问题，得到本次迭代的综合原型滤波器的系数向量hi；步骤6、判断||hi-hi-1||2≤δ是否成立；若成立，则停止迭代过程，本次迭代的综合原型滤波器的系数向量hi和分析原型滤波器的系数向量gi分别作为最终的综合原型滤波器的系数向量h和分析原型滤波器的系数向量g；若不成立，则将(hi+hi-1)/2作为上次迭代所得的综合原型滤波器的系数向量hi-1，并将迭代次数i加1后返回步骤5；其中δ为设定值；步骤7、根据步骤6所求出的最终的综合原型滤波器的系数向量h和分析原型滤波器的系数向量g，通过调制公式求出各个子载波的综合原型滤波器的系数和分析原型滤波器的系数，从而确定整个双原型FBMC-OQAM系统发送端的综合滤波器组和接收端的分析滤波器组。2.根据权利要求1所述的双原型FBMC-OQAM系统中原型滤波器的设计方法，其特征是，步骤2中所构建的优化问题为：式中，εISI/ICI(h,g)表示FBMC-OQAM中ISI和ICI的最小干扰的近似表达式，εt(h,g)表示在设计中综合滤波器组的原型滤波器h和分析滤波器组的原型滤波器g需要满足的最小化条件，Es(h)表示综合滤波器组的原型滤波器h的阻带能量，Es(g)表示分析滤波器组的原型滤波器g的阻带能量，α是...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋俊正，杨玉琳，周芳，欧阳缮，谢跃雷，孙希延，刘庆华，赵海兵，杨杰，杨圣，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45