高精度宽带模拟多抽头滤波器及凸优化理论研究

Analog multi-tap filter is a kind of traditional signal processing technology, but because the digital filter is simpler and more flexible, it has not been extensively studied over the years. Recently, with the emergence of some new technologies, especially the 5th generation (5G) mobile communication technologies provide a new development opportunity for analog multi-tap filter. In the 5G technologies of full duplex, relay, and large-scale MIMO, analog multi-tap filter has become a necessary or key technical means. The new opportunity also put forward new requirements for the analog filter: high precision, wideband, and fast adaptive algorithm without calibration become the new features. Considering that the difference on the adaptive optimization theory between the analog filter and the digital filter, and there are still many theoretical and practical difficulties in meeting the requirements, we plan to study from the following points to obtain a breakthrough: system model of non-equispaced multi-tap analog filter, parameters optimization problem, convex optimization identification and control problem, multi-dimension adaptive optimization algorithm without calibration, and a series of key technologies of system design and combination with other new technologies. In this project, the developed analog multi-tap filter will reach the international leading level, which not only promote new 5G technologies, but also influence the national defense advanced equipment development.

模拟多抽头滤波器是一种传统的信号处理技术，但因为数字滤波器更加灵活简单，其多年来并未获得深入的研究。最近，随着一些新技术的出现，尤其是第五代（5G）移动通信代表技术的涌现，使得其又面临一次新的发展。在全双工、中继和大规模MIMO等5G技术中，模拟多抽头滤波器已成为必要或是关键的技术手段。新契机也为该技术提出了新要求：高精度、大宽带、无需校准且快速自适应成为其新特点。考虑到模拟滤波器的自适应优化理论具有与广泛研究的数字滤波器不同的特点，且对上述新要求的实现仍存在诸多困难，本课题计划从如下研究点入手实现突破：非等间距多抽头模拟滤波器的系统建模、多参数优化问题、凸优化问题的鉴别和参数控制、非校准的多维度自适应优化算法研究，以及一系列系统设计和与新技术结合的关键技术。本课题将实现具有国际领先指标的模拟多抽头滤波器，弥补相关理论空白，这不仅将推动5G新技术走向成熟，还将影响国防高精尖装备的发展。

课题针对模拟多抽头干扰消除器最优化设计问题，通过系统建模将其分解为硬件参数优化设计和自适应权重调整算法优化设计两个关键问题。前者通过折衷考虑扩大有效延迟范围和最大化最小消除能力进行解决，提出了硬件参数设计的原则和建议。后者通过将其视为一个多维度优化问题，证明了在独立调整衰减器和移相器的情况下是一个非凸问题。为获得全局最优解，我们首先利用坐标变换将非凸问题转化为凸问题，然后设计了基于梯度下降法的迭代算法以获得全局最优解。最后，我们搭建了硬件演示系统，实验结果验证了所提出的原理和算法的有效性和优势。对20MHz带宽的干扰信号进行消除测试，测试结果达到38dB的消除性能，领先于已发表的现有其它研究成果。将模拟干扰消除技术应用于全双工通信系统，我们实现了室外环境下500米距离的全双工通信。.此外，在全双工系统抗干扰技术的研究中，我们还从物理层信号设计、资源分配等多角度提出了多种抗干扰的新方法，包括：基于BPSK调制的干扰信号盲消除方法，NB-IoT系统与其它宽带通信系统共享频谱的全双工通信方法，灵活双工系统基站接入选择算法，全双工系统中继自适应转发方案，基于多普勒效应的双工技术等。.本课题还对多种抗干扰技术进行了研究。针对信息论领域的高斯干扰信道容量这个尚未完全解决的理论难题，设计了基于退火算法的功率分配迭代算法，获得了无误传输速率的显著提升。针对双用户下行空分多址系统，提出了一种线性预编码技术，可以在接收机处通过滤波器将干扰信号消除。此外，针对非线性干扰提出了一种基于神经网络的非线性干扰消除方法。.课题在模拟干扰消除技术以及信号处理和无线通信技术领域取得了丰富的成果，获得了一套模拟干扰消除系统的硬件参数优化设计方法和高性能的自适应迭代算法。共申请发明专利4项，发表论文8篇。研究成果提高了模拟干扰消除技术的水平，也在相关领域储备了一批关键技术，培养了青年人才。