（交通信息工程及控制专业论文）WiMAX基带处理中降低峰均比的FPGA设计与实现.pdf

攘要 w i m a x ( 全球微波接入嚣操作性) 是基于正e e 8 0 2 1 6 标准宽带无线接入城域 网的一种通讯协议，是针对微波和溅米波频段提出的一种新的空中接阴标准。 w i m a x 的核心技术是o f d m ，o f d m 具有较高的频谱利用率，且在抵抗多往效应、 频率选择性衰落或窄带干扰上具肖明最的优势。但也存在着一些明显不足，比如 峰值平均功率比较大，信道估计算法复杂等问题，其中峰值平均功率比问题是 o f d m 应用中的一个致命不足。 本文良w i m a x 系统基带发掰掇疲舔爻骜景，主要骚究了一秘w i 疰a x 蒺带 楚理孛降祗连鹭篦豹薮方法蹶黎予载波法( 殛l er e s e 拜森鼹) ，该方溱鬃用 0 f d m 系统中颈蜜子载波改善蜂均院。阉时交中薄降低蜂均院豹f 憋a 设诗与实 现过程进行了详细的说明，北辨本文还搭建了基于m a t l a b 语言的降低蜂均魄 的o f d m 链路定点仿真平台，对影响蜂均比的一些关键参数进行了仿真比较，确 定在o f d m 系统中降低峰均比的最健参数。 关键词：w i l 垤a xo f d m峰均比预留子载波法 a b s 薹a c l w i m a x ( w o r l d 、v i d ei n t e r o p c r a b i l 时f o rm i c r o w a v ea c c e s s ) i so n ei m p o r t a n t c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft 】1 eb w a m a n ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sm c n - o p o l i t a i l a r e a n e t w o r k l ，w 1 1 i c h i s b a s e d o n t l l e i e e e8 0 2 1 6s t a l l d a r d i t i s a l s o a n e w k i n d o f 越r 1 1 1 t e 址es t a n d a r d sf 研m i c r 0 、v a v ea n dm i l l i i n e t e r w a v e 0 f d mi su d 访t l l ew i m a x b a s e b a n ds y s t e md u et oi t sa d v 鲥t a g e so fm el l i 曲s p e c t n l me 伍c i e n c y ，铲e a ta b i l 时o f e l i l 玎幽gm u t i - pa _ t l l 幻t e 彘r e n a n d 蠹e q u c n c ys e l e c 娃v ef 砒i n g ，e t c b u ti t 硝s oh a s s o l n e 讯s u 燕c 诗艟i e s ，弱c l l 笛p e 威洲e r a g ep o w e rq 畦ek 函也ee h a n n e l 叔娃黼童e 鑫l 鲥| 量蘧臻p l i 髓露a 畦s o 娩魏ep e a l ( 斟e f a g ep 。w 嚣i s 氇e0 f 静m s 鑫滋 妇u 鬣e i 键c y 。 b a s e do n 也eb a s e b a n d 甘a n s 戚髓。r “t l l ew 瓤a xs y s t e 骂am 幽o d b n e r e s e n ，a l i o n 州c hi sl l s e dt or e d u c ep 船ri nw i m a xb a s e b a n d 舻o c e s s i n gi s i n 仃o d u c e di n l i sp a p e r i nm i sm e t i l o d ，l er e s e r v e ds u k a 而盱o ft l l eo f d mi s a d o p t e dt oi i l l p r o v ep a p r 舢s ot 1 1 i sp a p c rh a sc 训e do nt l l ed e t a i le x p l a n “o no fm e d e s 硒、v i mf p g a 锄dt 1 1 er c a l i z a t i o ni nr e d u c i n gp a p ra d d i t i o i l a l l y ，m er e d l l c i n g p a p ro f d mi i n ks i i n u l a t i o np l a t f o 肭b a s e do nt h em a t l 气bl a i l g u a g ei sb u i l t i n o r d c r t oo b t a i n 恤b e s to 蛳o n i n o f d ms y s t 锄s f o r r e d u c i i l g p a p r t h e i m p a c t o f 龇 p c f f o m l a n c eo f 氆er e d u c 记gp a p rk a yp a 勰e t e f s a f ec o m p a f e d ， k e y w o r d s ：w i m a x o f d m 锺k t o - a v e 豫g ep o w e r r 曩拄o 1 o n er e s e r v a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲 的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：土；王】采日期：z 胡；，弓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：至i 鱼塞日期：2 盟! 三：! 三 导师签名：檄 日期： 趔：i ：! ! 苎二兰丝丝! 第一章绪论 本章首先简要介绍了w m a x 的应用、 用中存在的一个主要问题峰均比过大， 出了本文的主要工作以及内容安排。 现状及前景，由此引出在w i m a x 应 指出了降低峰均比的重要性。最后给 1 1w 心简介 w i m a x 全名是微波存取全球互通( w o r l di n t e m p e r a b i l i 哆f o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 并不是一种宽带无线接入技术，它是由全球一些主要的宽带无线接入厂 商及芯片制造商在2 0 0 2 年4 月成立的非赢利工业贸易联盟组织。主要是向市场推 广正e e 新的无线通讯标准正e e8 0 2 1 6 ，现在它已成为了正e e8 0 2 1 6 的代名词。 以i e e e 8 0 2 1 6 e 标准为基础的宽带无线技术已经成为w i m a x 的主流，接入无线 网络已经成为很多人生活的一部分。为了满足人们对传输速率日益增长和高速移 动性的要求，正e e 在相继推出了8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 后，i e e e 即将提出 下一代的先进空口技术标准8 0 2 1 6 m 。 w i m x 是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准，己被认为 是光纤电缆、数字用户线等有线接入技术的无线补充方式，并且很快成为宽带无 线接入技术领域的新锐。随着w i m a x 的日趋成熟，它将有望成为宽带接入技术 中很有竞争力的无线解决方案。 作为新兴的宽带无线接入系统，w i m a x 具有比以往无线接入系统更为强大 的能力，比如对q o s 的支持、基于i p 的架构、不受路况、地形、物业的影响以 及容易进入楼宇或小区等。 w i m 自x 系统正在逐步商用，该系统有许多特性，现有的2 g 3 g 蜂窝通信系 统规划方法不能直接适用于w i m a x 系统，需要对w i m a x 规划方法与原则进行 进一步地研究。 1 1 1m m a x 的应用 根据8 0 2 1 6 协议的规定，在固定状态下，w i m a x 其最大覆盖范围是5 0 公里， 最大数据速率可达7 5m b p s 。在移动状态下，w i m a x 小区半径最大为5 公里， 最大数据速率可达3 0m b p s 。无论是固定还是移动状态，w i m a x 所达到的覆盖 范围和最大数据速率都要比现有的各种无线接入技术大好几倍。因此，、i m a x ，w j m a x 基带处壤中降低峰均比的f p g a 设计岛蜜糯 其鸯繇攀广爨兹痰愆蘩爨f 2 】。 ( 1 ) 瓣定簇入方嚣敬废臻 邀是w i m a x 应用最基本的业务模型，有点类似于固定d s l 或电缆宽带的业 务。宅也跫居者的肖力竞争者。送祧方式并不支持便携式遵接戏切换。程光线p 竟繁连接建立之裁，盛矮逢行蒸毅或授权。嚣搂浚终褒一般淹枣盒子，蒡配毒室 外型的o d u 帮天线。_ i 琏：部分谯2 6 年已部分蜜瑗旒横裔糟。如中国蘸信、中国 网通这样的固网运营商，已具镊用w i m a x 给郊区、农村镣不适合铺设肖线接入 瓣魏羹煞嚣撬联宽繁瓣终，丑翦憋缀毒荚器魄簇、法重龟僚、德重龟缓健矮这穆 瑚知觚x 技零箍袋笼线接入藏务溺试帮蠢震。 ( 2 ) 游离戏接入方面的应用 运蹩第一穆掇入方式豹下一个盼段。这孵，终端可默献不弱的点接入，势可 与嚣定援a 方式嗣嚣重镬焉，毽这辩逐不支势不弱蒸蘩之霹静翡挟。 ( 3 ) 便携式接入方掰的成用 这是游离式接入殿用发展的下一个阶段，可以实现在步行速度下，舆豁有限 羲馥羧戆鸯。当终炼静壹不动髓，英痘焉搂黧与游离式鼗努赣羁。这静斑雳攘式 主要鬣岛的是家庭和蕊务入圭帮塌，终端霹为p e m e 酸卡，霹旅耋在霞携橇圣， 市场容量较大。根据w i m a x 的发展计划，其规模商用时间估计要到2 0 0 7 年以 嚣。 谨，全移蘧落天方麟瓣疲魇 这怒w i m a x 发展的最终成带，也是m m a x 应用的童装目标之一。程这种 应用模式下，可以漫游切换，始支持普通车遮移动下无中断的无线接入的威用， 是嚣内个太弱户熬、类蘩p 戳簿赡穆蘑终麟舞场。终为一耱毒3 g 互蛰黪技零， 其市场容麓巨大，据珊磁a x 预测，其规模裔阁可能需要猩2 s 年戳麓。 l 。l ，2 鞭礁a x 的骥牧及蓠景 翻前w i m a x 产娥链已经初其规模，包括芯片制造商、设锯制造商、遁营商、 相关论坛以及研究组缎等，从榕猴露4 定到核心网络搀建、接入网设备磷发以及终 豢芯冀濒遗乃至测试纹器搜表等，各瑟繁多厂亵会孬开发垮凌基拐步影壤。 w i m a x 标准远乎成熬之籍，僚为w i m a x 廒用基礁的芯片研发和爱产落加 快了步伐。目前主要的w i m a x 芯片制造商肖b t e l 、f 蛳t s u 微电子、w a v e s a t 、 轻日娃a 髂鬻器e e m 簿公司。k 姆l 鞫鞋鼬徽电子等公司掰鼯发夔爰予辫定逶缕 黎w i 氧耄磊芯片跫经舞殆粪蟹，嚣囊移凌瘸途豹w i m a x 蕊冀缀赠鸯霞予美国建 谷的b e c 。c m 公司开发成功，已向部分厂商供威样品。 星二兰丝笙3 w i m a x 网络的投资和建设需要足够的资源，需要电信运营商或政府部门作 为首要的网络建设者和运营者。因此，用于大范围城域覆盖的w i m a x 系统将需 要运营支撑系统与之配合使用。目前，加入w i m a x 论坛的电信运营商有1 0 0 多 个，包括a t & t 、s p r i n t 、英国电信、法国电信、德国电信、v 捌z o n 等。在中国， 暂时未有运营商加入w i m a x 论坛，但中国电信、中国移动、中国联通、中国网 通几大运营商一直对w i m a x 保持着关注，并在不同程度组织了w i m a x 8 0 2 1 6 d 设备的测试和试商用，为w i m a x 在中国的市场应用打下了基础。 w i m a x 实现了数据分组化、接入宽带化、终端移动化这三大发展方向的统 一，因此自成立之初就在其技术定位上受到了极大的重视。基于8 0 2 1 6 e 标准已 逐步修改完善并成为主导趋势，同时8 0 2 16 j 技术架构标准( m m r ，m o b i l e m u m - h o pr e l a y ) 的确立又大大增强了移动w i m a x 的网络布署优势。w 订儿x 逐 渐向完全移动发展。 1 2 降低峰均比的重要性 w i m x 主要利用了0 f d m 技术，o f d m 技术具有抗衰落、抗多径能力强， 频谱利用率高以及成本低等优点，被认为是特别适合移动通信系统的一种技术， 然而o f d m 又是一种多载波调制系统，某时候，若多个载波以同一方向进行叠加， 则会出现较大峰值，从而直接导致射频放大器能量利用率的大幅下降及引入信号 的非线性畸变。故要求功率放大器具有很大线性区域。若线性区域小于信号最大 峰值，在峰值进入功放非线性区域会产生信号畸变，从而产生子载波问的互调干 扰和带外辐射，破坏子载波间的正交性，降低系统性能。但若功放工作在大功率 补偿状态下，会导致非常低的放大效率，并使发射机成本非常昂贵。峰均比问题 已经成为0 f d m 技术广泛应用的一个瓶颈，因此，必须采用一定技术降低峰均比， 使发射机中功率放大器高效工作，同时提高系统的整体性能p j 。 1 3 论文的主要工作 本文所研究的降低峰均比是w i m a x 基带处理发射机的核心部分，它直接决 定着w 讣4 a x 系统内数据传输的可靠性和准确性。w i m a x 基带系统采用了一种 新颖的算法预留子载波法来降低系统的峰均比。 本文通过理论分析、计算机仿真和f p g a 验证，对降低峰均比的性能和基于 f p g a 降低峰均比的设计开发流程进行了分析，从而确定了具有较优性能的降低 p a p r 设计方案，采用了自项向下的正向设计流程对方案进行了实现。 论文的主要工作如下： 4w i m a x 基带处理中降低蜂均比的f 粥a 设计与宴蛾 1 洚蠛翔浮翼冀法分纂 掰一耱薪颥戆簿羝 盈豫懿嚣法- 鞭嚣予载莰洼，谈方法捷委一鏊毳臻 静予载波( 嚣隽其有豢糕熬s n r 藏誊傻爝颈黎瓣子覆装寒遴簿对蓿号蜂蘧静减 骤。戮瓷器予载波之阕是正交戆，鼹鞑在颈瀣载波上遗行任秘处理都不影拣菠窀 子载波上的数据。在裔效子载波上褪输礴效数攒，在颈鍪予载波上传输用予降低 蜂均比的数据。使得预留子载波上数据的时域峰值对准有效予载波上数据的时域 峰俄，j 薹l 行线性叠加，从而实现消蜂。 2 + 蒸予薹挚g a 豹舞甄e 缱致豹臻熬辫糕 根据颓留子载波法豹步骤，给出了降低峰均跳的功能实现框图及整个燃代消 峰j 窭凝的敬态跃迂图，劳对各个功熊子模块逃撑了详缨的说明。包摇产生原始消 蜂缪魏模埃，每次这簌袭每熹囊牵蘩势羧穗蘸s 个潼大蓬蒺凌，稷撂5 争豢大馥 嚣冀绽鬣求趣蒺竣，蒺臻移霞蕊s 夺融a x 鏊蝴磁攘羧等。褒霹谤薅臻套考露黪 诋融p 疑黪速度秘舞毒惩f p g a 嚣漂戆魄铡。 3 。璐繇弧p r 黪m t l a b 镰冀狳诞 措建m 觚l a b 戆定点筷真乎螽，趣掇蓿滋、调裁、0 国酝符号生成、骣f t 变换、降低p a p r 、f f t 变换、加性商斯囱噪芦倍道和解调簿簿。实现和磷件平 静上的比特级一致。对不同参数下的性能潍杼仿冀，确定最饿参数。 1 4 论文髂缡鞫安排 熬拳缱谂，穷绍w i 殛a x 鹅应爝、瑗状爱爨豢，交魏弓l 窭在w 粼 黢耀书存在藜一令烹要簿莲一蜂筠绻遗夫，鬻窭薄繇蜂戆建戆重要蕊。薅嚣 介缨论支熬主要蠹窖。 第二章簿述 。f d m 静墓零曝理、鼹个美镶霰术、搜寒往努，f f 彳翡蒸本 溅瑷，蜂均毙懿定义鞋及在o 鼢m 添髓中的分蠢，衡量蜂均毙静经麓撂标。 辩蹦前几种主要的降低峰均比技术避行陇鞍，弓i 出一种薪颡瀚方法颈留予 载波法。 籀三章详细阐述预蜜子载波法的然举暇璎，详细说明降低峰均比的最傀 瓣阀越、颈罄子载滚位置竣及鞭窝子戟澈滋海模数、复基黎信号豹扩充。 第四章基于f p g a ，说明预留子载波潞低峰均比豹实现过程，功能实现 楗黼，裁每令模块援软详绥豹鬣甥，臻硬传浯富实臻其功载。 蘩嚣拳整建鹾鑫嚣建3 夔逡蠡薅囊警念，对争参鼗下簿建麓交织涟露 傍粪。覆q 勰恼 l 下透嚣缘含，溺试资源占粼谤糯。霞实嚣主教运试霹震s i 龄砖 酗l l 逻辑分褥饺验涯是否达举g 设计豹鞭翘黉零。 簿六章总绪论文_ 工作，对今嚣工话翡鼹鏊。 翌三兰竺! 里竺量些望些塑堕 第二章o f d m 与峰均比概述 w i m a x 的无线接口技术主要采用o f d m ( 正交频分复用) 和m i m o ( 多输 入多输出) 技术，它们均是w i m a x 的关键性技术。这两种技术也在w i m x 的 驱动下不断拓宽应用领域而进入了新一轮的发展。在w i m a x 系统中，o f d m 技 术为物理层技术，主要应用的方式有两种：o f d m 物理层和0 f d m a 物理层。 0 f d m 是一种多载波数字调制技术，具有较高的频谱利用率，且在抵抗多径效应、 频率选择性衰落或窄带干扰上具有明显的优势。o f d m a 则利用0 f d m 的概念实 现上行多址接入，每个用户占用不同的子载波，通过子载波将用户分开。然而， o f d m 技术在应用中却存在着峰均比较大、对定时和频率偏移敏感等不足，解决 这些问题成为近年来研究的一个热点。 2 1 10 f d m 的基本原理 2 10 f d m 的技术 0 f d m 是一种高速多载波调制方式，通过将串行高速数据信号转换成并行的 低速子数据流，再用相互正交的一组子载波构成的子信道进行传输。即o f d m 系 统是数据并行传输系统。其系统原理如图2 1 所示。由于每个子信道中的符号周 期会相对增加，因此可以减轻无线信道的多径延迟扩展的影响。并且还可以在 o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样 就可以最大限度地消除由于多径带来的符号间干扰( i s i ) 。而且一般都采用循环 前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰( i c i ) 【4 】【”。 o f d m 符号是由多个经星座调制后的子载波信号组成的，星座调制的方式可 以为相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。对于子载波数目为n 的o f d m 系统，若串行输入的高速二进制比特流为 口) ，则经过串并转换和星座映射后，可 以得到n 路子信号 吨，4 ，吐，d 。) ，其中4 是第i 路经过星座调制后 的离散复信号。如果采用b p s k 映射，则有矿( 1 ) ；采用q p s k 映射，则 d + l ， 。然后将这n 路调制信号相加，就得到了一个0 f d m 符号。 o f d m ，系统子载波之间的正交性可以用式( 2 1 ) 来表示： 影嘞i 伽印田= 传篇 翌! 竺兰兰羔竺堡! 贬堡些燕照塑! 堕垒望茎量茎熙 式串，t 为一令g f 器鹾符号懿溺翅，爨2 ，l 绘爨了o 固醚系统茨基零模凌程 图，蕤中2 + 嘲，连f 为槎邻予裁渡之蜒黪菝牵润鞴，一簸致琴2 ；素，l 为篾数符号序劐 磊，碡，遁，氏一，；躺时闼间隔。 多数文献中通常采用复等效基带信苟s ( 1 ) 柬描述o f d m 的输出信号，w 寝示 r = 1 r l ； 为；s 秽) * 露fe x p ( 歹2 霍，i f ) = 露fe x p ( 歹2 ，r 毒) ， 若f o r 】 f = o 7。 f = 0 。 o 熬中，s ( f ) 的实部和虚部分别对应于o f d i m 符号的同相( - p h a ) 和 ( a 枉一p h a s c ) 分量，在实鼯的系统中霹以分剐与相皮载波的c o s 分爨和 妞分纛褪莱，鞠盛最终熬子蓥莲露。譬霸含拔虢疆d 艇籍号。 塑王 o 鞭臻l 系统蕊零摸登棰嚣 藏麓o f 蛰骥瓣一令最主要暴嚣蹩宅瑶戳骞效戆霹装多羟嚣幸延扩震。蘧逡搀褡 入的数撵滚串舞交换劐n 个芳行熬子信遵巾，锭褥每令用于去调制子载渡鹣数撰 祷聱髑麓霹戳扩大秀琢始数据符号髑蠲熬n 继，因此黠延扩溅与簿号周期艇跑穰 瞧嗣样蹲低n 倍。为了最丈限度德消除符霹瀚千撬，还可以农每个0 f d m 符号 之间捅入保护间隔( g u a r di n t e r v a i ) ，而殿该像护间隔长度取一般要大于光线信 邋的最大时延扩展，这样一个符号的多径分壁就不会对下一个符号造成干扰。在 这蔽绦轳阚簸内，霹泼不捶入妊霹镶譬，帮惹一菠窆瓣戆簧稔羹雩段。然嚣搽遮秘 情况中，由于多径传播的影响，则会产生傣邀闻千扰( i c i ) ，即子载波之间的正 交性遭到破坏，不同的孑载波之间产生干扰州。 冀了溃豫由于多绞巍逵残兹l e ，0 f d m 符号藩要在箕舔势蠡隔蠹壤入锤繇 蘩缀穆弩，冕圈2 ，2 。这器莪可鼗爨诞在f f r 鲻期凌，0 国醚簿号夔延霹裁零内 掰毽客麓波影的属麓令数遣是整数。运徉，辩惩小予保护同隔叉静眩延信弩藏不 会程瓣调过程中产生l e l 。 墨三兰q 里兰皇堕望些塑堕z 循环前缀 幅度 0 t g o t 时间 o f d m 符号长度 保护间隔 图2 2o f i ) m 符号的循环扩展 2 1 2o f d m 中f f t 的基本原理 f f t ( f a s tf o u r i e ft r a n s f o 衄) 作为一种重要数字信号处理算法，己在音频、 视频、雷达、通信、测试与测量等领域广泛应用。o f d m 系统的一个重要优点就 是可以利用f f t 来实现调制和解调，从而大大降低了系统的实现复杂度。f f t 的 基本原理如下川。 长度为n 的有限长序列x ( n ) 的d f t 变换对为： j ( 七) = 胛 ，( 疗) = ，( 玎) 嘭 式( 2 - 2 ) 工( ”) = 册 x ( 七) = 专j ( t ) “ 式( 2 - 3 ) t e 0 其中，= e x p ( 一2 + p f j ) = c o s ( 2 + p f | v ) 一，s i n ( 2 + ，f ) 。 考虑一般的复数序列，对于一个样点的值，直接按式( 2 2 ) 进行计算，要n 次复数乘法和( n 1 ) 次复数加法，因此对于n 个样点的值，共需要2 次复数乘 法及n ( n 一1 ) 次复数加法运算。当n 1 时，| v ( 一1 ) z | 2 。由上可见，n 点 d f t 的乘法和加法运算次数均与2 成正比。当n 较大时，运算量是相当可观的。 8 跫! ! 缝薹堇鲎墼黧妻熙堡坚望啮麓盥垒堡然曼耋堡 懿n 一毒6 ，2 w 1 6 7 7 7 2 6 ，遴对予实露蔫警簸疆亲说，必将黠诗雾逮鹰撬毽难 良实现静嚣求，对予二维图像赴理，所需计算量夏是太褥壕入。 程式( 2 2 ) 中，旋转因子黟管商藿明显的周期缝和对称憾。其周期性袭现为 野辨= 秣 残2 - 4 ) 其对称性表现为： 嚣= 秽”或誊 啄。”y = 殍 式( 2 5 ) 萨= 一嘴 式( 2 6 ) f f 善楚t 瓣快运算法，嫠缀瑾是摄攒英起盔静对称经秘周期毪，将长穿 剜豹瓣蕈努簿蠹麓序列兹鼍之帮，垂予n 嚣减少，簌聪使褥运算薰蘧2 惫囊 减小，完成快速远霹。 强翻瞪熬摹勰上实褒l 爨聋鹱嚣褥较鸯籁攀了： 小，= 脚硼) ) 邶渤妒一时玎 棚， 一睫邢矿r 辩融盯 幽式( 2 7 ) 研以羲出，在f f t 运算的溅础上，只需将输入序列进掰墩技轭 嚣爵遴行 疆强运冀，辕窭结莱瓣取一次共辍势蘩瑟瑰铡辫予( | 趣) ，馁实瑷了 对输入序列的i f f t 运箨。为了便信号在i f f t ( f f t ) 前后功率不交，d f t 和i d f t 雅州母去势雌卜等妻) ；黼毋。去篓碑娜( 歹等嚣 妻一1 ) 式( 2 g ) o 群菇l 式( 雪) 阉理i f f t 也蹙i d f t 的快遵运算，在寓现0 f d m 调制解调的时候，一方面 为了保诞信号在i f f t ( f f t ) 前后功率不变，另一方面同时在定点电路逡冀过程 孛尽爨增大有效数糖鬣数，裁采掰了蔑2 - s ) 秘式( 2 母) 豹定义。由于巍式( 2 寒) 和式( 2 9 ) 里面蠢相同豹系数，这稃在利麓f f t 来实现裕f t 躺时候，藏受需要 在f f t 的前后各对数据取一次荚轭就可以了，不需要再乘以比例因子。 蔓三兰箜里塑皇堕望些塑堕2 一般在一个系统当中，i f f t 和f f t 经常是成对出现的，利用f f t 来实现i f f t ， 使用同一个内核，这样可以做到在较高层次上的设计模块复用，对于减小设计工 作量和调试难度是十分有利的，同时缩短了研发周期。本文是在时域降低峰均比 的，需要用i f f t 将信号从频域转换到时域，在时域消峰。同时，产生的原始消 峰序列是频域的，也需要通过i f f t 转换成时域原始消峰序列。 2 1 - 30 f d m 的几个关键技术 ( 1 ) 同步技术。o f d m 系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中与 f d m a 、) m a 和c d m a 等多址方式结合时，时间和频率同步显得尤为重要。o f d m 系统中的同步包括符号同步、载波同步和样值同步三部分1 8 】。o f d m 系统中的同 步一般分为捕获和跟踪两个阶段，捕获阶段进行粗同步，跟踪阶段进行细同步， 以进一步减小误差。对于突发式的数据传输，一般是通过发送辅助信息来实现同 步。与单载波系统相比，o f d m 系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在o f d m 系统中引起i s i 和i c i o 在下行链路中，基站向各个移动终端广播发送同步信号，所以下行链路同步 相对简单，较易实现。在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基 站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进 行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回给移动终端，以便让移动台实现同 步。 ( 2 ) 信道估计。o f d m 系统可等效为n 个独立的并行子信道。如果不考虑 信道噪声，n 个子信道上的接收信号等于各自子信道上的发送信号与信道的频谱 特性的频率乘积。在自适应o f d m 传输系统中，自适应的比特分配、子载波分配 实现的前提就是精确的信道估计，所以这里信道估计尤为重要。进行信道估计的 目的有两个：其一，根据估计得到的子信道质量参数采用合适的自适应比特和子 载波分配方法；其二，根据信道衰落情况对接收到的信号进行纠错。导频序列可 以用来完成信道估计。在无线通信系统中，一般采用插入导频的方法进行信道估 计，如何设计导频图案和性能好、复杂度低的信道估计算法是o f d m 系统中的一 项重要研究内容。 ( 3 ) 均衡。均衡的实质是补偿多径信道特性。而0 f d m 系统本身已经利用 了多径信道的分集特性，一般情况下系统不必再加均衡器。在高度散射的信道中， 信道记忆长度很长，保护间隔的长度要求很长才能保证i s i 不出现。但是，c p 长 度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统。这时，可以 考虑加均衡器以使c p 长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利 用率的提高。 ! q! ! ! 怂茎茎至竺堡! 瞪堡坚望些塑! 盥垒堡生量塞堡 ( 霹) 售遒缓解鹚窝交织。为了绳毫鼗字逶壤系统佳能，繁莲编码霹交织是 普遍采糟的方法。对予衰落信道中的随机错误，可以采用信邋编码，对予袭落信 道中的突发错误，可以采用交织技术【9 j 。实际应用中，可以从时域和频域两个角 度使用前向纠错( f e c ) 来对抗频率选择性衰落和时间选择饿衰落。为了达到这 个强酌，暹常露露采翔信道编码移交织，迸一步泼善整个系统豹性麓。 常用的有前向纠锚码，有以r s 和c r c 为代表的分组码、卷积码、交织码、 t u r b o 码、t c m 、空时编码以及级联编码等。现农的发展方向怒在o f d m 系统中 结合多天线蓑零使用警霹编码，攀疆谣匏醚 醚囤f 蹦技零，这硬鼓术霹蓬著 提高o f d m 系统的容赣及性能，已成为下一代冤线通信系统研究的热点技术。 2 。1 40 f d m 的技术优势 o f d m 技术的技术优势可以概括为以下几剧1 o 】： ( 1 ) 抗码间干扰熊力较强。在o f d m 系统中，高速数据流经过串，并转换分 数受多令爱交懿子载波主簧辏，获嚣傻缮子载波主豹簿号速霉大大降羝，籀号持 续周期相对增加，因此有效的减轻了由无线信道的多径时延扩腥所产生的时问弥 散性，避免了符号间的千扰( i s i ) 。有时甚至可以不采用均衡器，仅通过播入循 巧兹缀 静方法便可鞋消除l s l 的不剥影嘣。 ( 2 ) 较高的抗衰落和抗窄带干抗能力。当僚道中出现颓率选择性衰落域者 干扰时，对于o f d m 信号来讲，只有落在频率凹陷处的子载波以及其携带的信息 受影响，两其他的子载波未受损害。因此，还可以通过动态比特分配以及动态子 痿遘分懿豹方法，充分零l 焉信噪魄较高懿子信遂，获两筵系绕髓麓雩霉到撵麓。 ( 3 ) 较高的频谱利用率。o f d m 系统采用相互正交的予载波作为子信满， 允许子倍道的频谱相甄驻叠，可以最大限度的利用频谱资源。一般来说，当予载 波夔个数憝予无限露簇繁嚣用率以这到2 汹麟 z 。 ( 4 ) o f d m 系统中可以利用离散傅立时反交换离散傅立外变换( i d f f ，d f t ) 来代替多载波调制和解调，实现各个予信道的正交调制和解调。对于子载波数目 较大的系统，还可以采用快速傅立时变换( f f t ) 来实现。髓羲大规模集成漱路 技术和数字信号憝毽( d s p ) 蓑术豹发展， h 鼍籁f f t 都是嚣鬻容易实现静，这 也是o f d m 之所以越来越备受关、拄的一个重要原因。 ( 5 ) 适用于无线数据业务中的a 对称性传输。在无线数据业务中，下行链 路中弱数攥转埝量要遴远大手上厅缝爨懿数据露羧藿，因魏，茏论藏耍户数撬盈 务的使用需求还是从移动通信系统的自身要求考虑，都希望物理层支持非对称的 高速数据传输。o f d m 技术可以通过使用不同数墩的子信道来很容易的实现下行 和上行镫路的不同传输速率。 至三兰竺! 里竺兰竺望些塑堕： 21 ( 6 ) o f d m 系统较容易与其他多种接入方法结合使用，构成0 f d m a 系统， 其中包括多载波码分多址m c c d m a 、调频o f d m 以及0 f d m t d m a 等，使得 多个用户可以同时利用0 f d m 技术进行信息传输。 2 2 1 峰均比的定义 2 2 峰值平均功率比 0 f d m 信号的峰值平均功率比( p e a l ( 一t o a v e r a g ep o w e rr 撕o ) ，简称峰均 比( p a p r ) 【1 1 1 ，是指信号的最大峰值功率与平均功率的比值，通常定义为： 删朋( 扭卜奄。1 0 1 0 s ” p 式( 2 1 0 ) 其中，表示在o f d m 系统中经过i f f t 变换以后得到的输出信号，即有 = 寺五时；叫矗】表示数学期望。对于包含n 个在载波的o f d m 系统来 j vi = 0 讲，当n 个子载波都以相同的相位求和时，所得到的信号的峰值功率是平均功率 的n 倍，基带信号的峰均比可达到：p a p r ( d b ) = l o l o 岛o o 兀) m 峰均功率比较大的原因主要在于：要传输的信息序列的一致性较大。 例如二进制的信息序列中，假定为全1 序列，而此时子载波调制的相位又一致， 导致调制信号的峰值相加，则产生很大的峰值功率，从而导致峰均功率比较大。 即假设一个0 f d m 信号是由多个独立调制的子载波组成( 设载波个数为n ) ，则 当n 个信号以相同的相位相加时，就会产生一个峰值功率，这个峰值功率是平均 功率的n 倍，即最大的峰均功率比为n 。降低0 f d m 信号峰均功率比的关键在 于打破信息序列间较大的一致性，使峰值功率大大降低，从而降低峰均功率比。 同时理论分析表明，当o f d m 信号的各个子载波间统计独立，其合成信号的时域 波形近似于高斯分布，因此随着子载波数的增加，峰均功率比线性增加。因此当 载波数很大时，峰均功率比就会很高，而高的峰均功率比要求功率放大器工作的 线性范围必然也很大，否则，当信号峰值进入功率放大器的非线性区域时就会造 成信号失真，而信号失真必然会引起子载波之间的互调和带外辐射，高倍份的功 率放大器不仅效率低而且也使系统的成本增高，显然，降低o f d m 信号的峰均功 率比势在必行【1 2 】。 i 2她! 怂兰茎重丝堡生匿堡坚望堕堕! ! 璺垒堡盐童塞黧 2 。2 2o f p 疆系统漆蜂均毙鹣分鑫及性麓指标 对予包含n 个予裁波的o f d m 系统来说，其中经过i 粉t 计算得到的归一 毒艺的簸基露符号是： tw x ( f ) 2 去荟砖娜( 弦攀) 其孛五装示第l 【个子载渡土的潲涮簿号。对予e 零s 来说，墨 l ，一l ，矗露。 根据巾心极限定理w 良细道，只蒙予载波个数n 足够大，就w 蕊裁断x 0 ) 实部和 虚部郝将遵循高斯分布，其均傻为零，方差为o s ( 实部和嫩部备占整个倍号功率 兹一举) 。露兹蜀驻褥籍，辑d 溅狩号熬禳镶f 蔽获臻嚣分鸯，其褒率密度嚣数 为：只( f ) = 2 旭；而其功率分稚则隳服从两个自由度的中心z 2 分布，其中均值 轰零，穷蒺羹l ，瓣显客秀霉鲰，鑫交疫为：熬辛，蠡舅2 分嚣翳壤辜密发函数为 名。( y ) * f ，因此可计算得到其累积分布函数( c d f ) 为； ： 黼鸯= 乏。( 嚣j * 细罗争* l a 币啦) o 计算锶个o f d m 符号峰值功举的累积分布函数。假设0 f d m 符号周期内每个 采样德之阕郝是不榻关钓，则o f d m 楚号周期内豹n 令采榉馕当中每个榉馕豹 魏堙廷( 毒手平翦蕊率霸一鼗，餍墩蠢蘸是其耱率篷 裁，l 、予门溪蘧z 熬穰搴分毒 为： 尹 醒赏z ；= j ；一f 2 广= l 一矿2 r 鬣( 2 - 1 3 ) 对o f d m 符弩两期内送行过采样有劲予燮瓢准确遗爱姨符号的交能情况，特 别是针对p a p r 而客。最后送到放大器中的臌该悬经过d a 变换的连续信号，过 采棒辍热毒溪于牧熊戮较大熬蜂毽麓率，可以更熬准确豹徽羹o f d m 系绞凑数 p 艘歉特整。露o 硒m 符号实熬过采群是j 零豢要熬，毽怒这襻骰蒙会搜褥采群 符号之间的相关健遭到破坏。如榘熬于符号之间的相关性“来考虑峰值功率的准确 表达戏是沈较困难的，因此可以假设利用对戊n 个子载波进行非过采榉来近似描 述对n 令蓑渡懿过来襻，萁孛a l ， 愆r 静凝率劳毒哥默袭幂秀： p f 蒯凇： = f l 一口。广 式( 2 1 4 ) 笙三兰旦里兰兰竖望堕塑堕址 从另一个角度来衡量0 f d m 系统的p a p r 分布，即计算峰均比超过某一门限 z 的概率，得到互补累积分布函数c c d f ： p 剐艘 z = 1 一， 朋朋z ) = 卜( 1 一p 一：) ” 指标【j l 】。 般都用c c d f 来衡量o f d m 系统的峰均比分布，成为衡量峰均比的性能 2 2 3 降低峰均比的方法比较 目前国内外解决峰均比问题的技术有很多，各种方法都有各自的优缺点【1 3 】， 可见下表2 1 。 表2 】解决峰均比问题技术优缺点 序号方法名称优点缺点 l 峰值加窗原理简单，容易实现带来带内干扰和 带外辐射 在无带外噪声的情况带内失真；星座 2限幅滤波下将p p r 值限制在图减小：引入器 门限值以内件噪声 不引入失真：与载波需要传送边带信 3 选择映射 数目无关息 4 压缩扩展延时小系统b e r 较高 计算时间长；设 5 部分传输序列p 1 sp a p r 值较低备复杂度高；需 要传送边带信息 无法应用于子载 波数目较大情 6b c m 编码原始信号无失真 况；降低了传输 速率 7 矩阵变换原始信号无失真，系可以应用于子载 统复杂度较低波数目较多的情 况但表现不好 8 交织方法原始信号无失真系统复杂度过高 9 基于采样率波( 专利)在无带外噪声的情况带内失真；e 下将p a p r 值限制在过高 门限值以内 l od s l 原始信号无失真，系降低p a p r 效果 统复杂度较低不很理想 无需边带信息；低复 儿t o n er e s e r v a t i o n 杂度；接收机无需额 在i f 丌后需多 次迭代运算 外操作 ! 幽! 坠兰茎萱墼黧主鬯堡竺望堕塑燮垒丝量塑塞堡 撩挺起来圭簧蠢：售号鞭穗变技术，毪援疆幅( c l i 羚殛) 、疆扩变换 ( c e m 蹿l d i 曩g 酝n 毓) 帮鼷露予载渡法( 韵n o 嚣e s e w 8 蛙 等；鬻蘧编羁技 术，甑括选择性映射( s l m ) 和部分传送序列( p t s ) ；分缀编码技术，穗括g o l a y 互补序列和r e e d m u l l 豁编码等。箕中，属予信号预畸变技术的限幅( c l i p p i n g ) 方法邂凝荔实嚣载一静方法。其薅零嚣理是将0 程麓嵯霹域袋襻痿号与畿澎窭曩鼗 相乘，如果o f d m 封域信号鹊蟠德小于门陵傻，捌该矩形窗函数的幅德为l ；同 属于信号预畸变技术的预留子载波t 0 n er c s e r v a t i o n ( t r ) 法是一种无失真有效 癸 燕蹦貂懈系统秘谨r 瓣方法，除了蕊省了遮簿殛镑，遣不嚣要鬻燕售惑静转送， 霹嘉羧较齑 1 4 强s 嚣溺。 肖损降低峰均比的方法很多。如赢接修剪法，加窗修辫法，非线性映射法等， 这类方法瓣优点楚比鞍篱革，蜜现容易，但是会带来带内予扰鞠繁岁 谚辫淡滤等 翅嚣。 编码菸方法虽然能实现极低的峰均比，晨还舆有纠锫裰梭错的能力，缎是其 只适用于载波数较少( n - 3 2 ) 怒的情况，而撕m a x 采用的协议8 0 2 1 6 协议中 戆0 国淞系统蠢1 0 2 4 令载波溪魏该系统弗不逶惩采霜镛鼹类豹方法米酶甄蜂 均皖。 媳撵性映射法和部分序列传送滋都属于焉攒降低峰均比的方法，这类方法虽 然瞧簸突臻较低鹣峰均沈，毽怒需受难翔边镶爨，嚣且边偿爨必须以陡较强健的 方式抟输舞缓瘦蕊，露游该类方法熬计算量巍魄较大，热逮撵经浃瓣法爨要遴孬 多次f f t 计算，而部分序列传输法需要优化传输的相位因子。 8 0 2 1 6 协议本盛对降低蜂均比预鳐了一部分载波，且明确提出多个用户应该 共用熊阕黥蘩瑾载波来鬻甄蜂均澈，对这令袋慕主述晁乎蹰鸯穷法罄不瓣实臻。 丽预鬻载波法帮麓满震其要求，这正是预餐载波法的优点掰在。可是预留载波法 的一个缺点就是计算复杂度比较大，但可以使用数值的次优算法加以克服。 2 。2 。4 海低蜂均院菸薪方法颈蜜子载波法 农期m a x 基借处理中本文用了i e e e 8 激1 6 所推荐的种新颖的澈善峰均 晓翡方法，瑟颈餐予载滚法，这耪方渡羟惩了0 羚磁系凌中蠖邃邃，产黧了较枣 的额外邻带干扰。本方法的棱心愿怒是秘用o f p m 系统中鞭留子载波改棼蜂垮 比。程预留子载波上传输降低功率峰值的数撼，在有效予裁波上传输有效数据， 嚣舅蠢效予载波主嚣煮懿秘率缀舞羧素5 令蕺大姥率建及蔟镶爨，菸骥缝予载菠 上韵晦德建霍露齐蠢效予载波蟪篷爱萋逶行戥搂缀台，扶褥实瑗游蜂。薅了耱壹 本方法利用预留予载波而引入的频谱相邻符譬的干扰，需黉对预留子载波数据进 行加权1 1 7 】。 墨三兰旦! 里兰量竖塑些塑堕 预留子载波法通过预留的子载波产生时域数据，并叠加到原时域信号上来降 低峰值。因为这些预留的子载波是正交的，所以并没有导致传输数据的失真。不 需要边带信息，接收端无需额外处理。 2 _ 3 本章小结 本章首先阐述了o f d m 的基本原理、技术优势，并详细说明了o f d m 中f f r 的基本原理。然后给出了峰均比的定义以及o f d m 系统内峰均比的分布、衡量峰 均比的性能指标，在此基础上，就目前主要的降低峰均比方法进行了比较，然后 研究了本文所采用的独特方法预留子载波法。具体说明了该方法的主要思想。 兰三兰堕! 垦竺望些二二望堕三鍪茎堡 ! z 第三章降低峰均比一预留子载波法 从理论上来说，只要稍微降低数据传输的速率，就可以明显地降低传输信号 的峰均比。但这并不意味着一定存在实用的降低峰均比的方法，因为可能存在的 方法由于复杂度过高( 如指数增长) 或者延迟过大，从而变得不实用。而预留子 载波法是一种可行性的技术。 3 1 预留子载波法 3 1 1 预留子载波法基本原理 预留子载波法较其他方法有一定的优势【1 8 1 ，不用发送边带信息，也不会带来 频带干扰，并且接收机设计简单，不需要特殊的处理。成为近年来的研究热点。 预留子载波法，其信号结构如下所示【1 8 l ： 矿叭m 叫卅c 叫牛嘉量群+ 珊口酬“ 式( 3 - 1 ) 1 其中频域矢量c ”= c 7 c 是】，或对应的时域矢量c ”= c ”