（信号与信息处理专业论文）ofdm系统中降低峰值平均功率比技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 是一 种特殊的多载波传输技术。由于具有频谱效率高、对信道时延扩展的鲁棒性强、 简单的频域信道均衡以及采用快速傅立叶变换进行高速数字基带实现等优点， 0 f d m 成为各种高速无线通信的常用技术。 但是目前o f d m 系统还有很多关键问题没有解决，如对频率偏移敏感、具 有高峰值平均功率比( p a p r ) 等，这限制了o f d m 技术的广泛应用。论文主 要围绕降低o f d m 系统中峰值平均功率比的问题展开研究，并利用m a t l a b 软件完成了对所有研究内容的仿真。 论文首先详细分析了基于离散傅立叶变换的o f d m 系统的基本原理、关键 技术及其优缺点，对基本o f d m 系统进行了仿真。其次，给出峰值平均功率比 的定义和分布，总结目前国内外降低p a p r 的三大类技术。分别介绍各类技术 的基本原理，并对各类技术中的典型代表进行仿真，通过仿真结果分析各种技 术的优势与缺点。 在对信号扰码技术中的选择映射( s l m ) 法和部分选择序列( p t s ) 法进 行详细研究的基础上，论文提出了一种改进的选择映射法。该方法利用线性分 组码标准阵列的陪集首来代替传统s l m 方法中的加权向量，并利用一个可以通 过序列本身来判断序列特性的判决标准选择具有最小p a p r 的序列进行传输。 利用m a t l a b 软件对这种改进的s l m 法进行仿真，仿真结果证明：该方法能 够有效降低o f d m 系统的p a p r ，效果与传统的s l m 法基本相当：另一方面， 改进方法大大简化了系统复杂度。 综合来说，改进的s l m 法优于传统方法。 关键词：正交频分复用，峰值平均功率比，选择性映射，部分传输序列 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sas p e c i a lm u l 伽c a r d e r t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y o w i n gt ot h eh i g l ls p e c t r u me f f i c i e n c y , r o b u s m e s st o m u l t i - p a t h 伽i n 岛g r e a ts i m p l i f i c a t i o no fc h a n n e le q u a l i z a t i o na n d f a s td i g i t a l i m p l e m e n t a t i o nw i t hf a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) ，o f d mi s b e c o m i n g o n e c o m m o nt e c h n o l o g yi nt h eh i e j a - s p e e dc o m m u n i c a t i o n h o w e v e r , m a n yk e yp r o b l e m so f a no f d ms y s t e mh a v e n o tb e e ns o l v e dy e t , s u c h a ss e n s i t i v i t yo ff r e q u e n c yo f f s e ta n dh i g hp e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) ， w h i c hl i m i tt h ew i d ea p p l i c a t i o n so f o f d m t e c h n i q u e t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so n t h et e c h n i q u e so f p a p rr e d u c t i o n a n dm a t l a bi su s e dt oa c h i e v es i m u l a t i o n f i r s t l y , t h ep r i n c i p l e ，k e yt e c h n i q u e s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo f d m t e c h n o l o g ya r ea n a l y z e di nt h et h e s i s a n dab a s i co f d ms y s t e mi ss i m u l a t e db y u s i n gm a t l a b s e c o n d l y , t h ed e f i n i t i o na n dd i s t r i b u t i o no fp a p r 撒i n t r o d u c e d , a n dt h r e ek i n d so ft e c l m i q u e st or e d u c et h ep a p ra r es u m m a r i z e d t h ep r i n c i p l e so f v a r i o u st e c h n i q u e sa a n a l y z e ds e p a r a t e l y t h er e p r e s e n t a t i v et e c h n i q u e s a r e s i m u l a t e d , w h o s ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s am o d i f i e ds e l e c t i v em a p p i n g ( s l m ) m e t h o di sp r o p o s e di nt h i st h e w s ，b a s e do n t h ep a r t i c u l a rs t u d yo fs i g n a ls c r a m b l i n gt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gs e l e c t i v em a p p i n g a n dp a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s ( p t s ) t h ec o r eo fm o d i f i e dm e t h o di sc h o o s i n ga v e c t o rw i t hl o wp a p ri ne a c he o s e to fal i n e a rb l o c kc o d e sa si t sc o s e tl e a d e r , i n s t e a do f t h ew e i g h tv e c t o ri nc o n v e n t i o n a ls l mm e t h o d a n das e q u e n c ew i t ht h e l o w e s tp a p ri sc h o s et ot r a n s m i ta c c o r d i n gt oan e wd e c i s i o nc r i t e r i o n t h ek e yi d e a o f t h ed e c i s i o nc r i t e r i o ni st h a th o wt oc h o o s eas e q u e n c eb yt h es e q u e n c ei t s e l f t h e m o d i f i e ds l mm e t h o di ss i m u l a t e du s i n gm a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h em o d i f i e ds l mm e t h o dh a sg o o dp 幽r i 】均蛳i np a p rr e d u c t i o n , a n di th a s 武汉理工大学硕士学位论文 a l m o s te q u a lp e r f o r m a n c et ot h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d o nt h eo t h e rh a n d ，i tm d u c e s t h ec o m p l e x i t yo f t h es y s t e m i naw o r d , t h em o d i f i e ds l mm e t h o di sb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lo n e k e yw o r d s ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ， p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) ， s e l e c t i v em a p p i n g ( s l m ) ， p a r t i a lt r a n s m i ts c q u e n c e s ( p t s ) i l l 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声骧，所呈交的论文是我个人在导厢摆母下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的遮方外，论文中不色含英德入已经发表绞撰写遘的研究成果， 也不包含为获得武汉理工犬学或其它教育机构的学位或证书而使 粥过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中住了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盟l 鲎 关于论文使用授权的说晴 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权傈留送交论文的笈印件，允许论文被查阅和借阕； 学校研以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：j 煌导师签名：丝 日期 童! ：z 篓坚 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 是一 种特殊的多载波调制传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一 种复用技术。其基本思想1 1 1 是将高速传输的数据流通过串并转换，变成在若干 个正交的窄带子信道上并行传输的低速数据流。 在o f d m 技术中，对于每个予信道而言，信号的传送速率较低，各子信道 的符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 问题也较容易解决。o f d m 技 术将传送的数据信息分散到每个子载波上，使得符号周期长于多径时延，从而 能有效对抗多径衰落。o f d m 技术利用信号的时频正交性，允许子信道频谱有 部分重叠，使得频谱利用率提高近一倍。由于具有上述优点，o f d m 技术已经 受到前所未有的重视，对其关键技术的研究也是当前的一大热点。 1 1o f d m 技术的发展与应用 正交频分复用( o f d m ) 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代就已 经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有 关o f d m 的专利。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t m 提出了使用离散傅立叶变换 ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 实现多载波的基带调制和解调，这样便不 再对每个子载波都使用模拟前端，从而大大降低了多载波系统的复杂度。1 9 8 5 年，c i m i n i 首次把o f d m 的概念引入蜂窝移动通信系统3 1 ，为无线o f d m 系统 的发展奠定了基础。上世纪9 0 年代，数字信号处理技术和大规模集成电路的飞 速发展为o f d m 技术的发展扫清了障碍，从此o f d m 登上了现代通信的大舞 台。 早在2 0 世纪6 0 年代，o f d m 技术就已经被应用到多种高频军事系统中， 其中包括k i n e p l e x ，a n d e f t 以及k n t h r y n 等。但是直到2 0 世纪8 0 年 代中期，随着欧洲在数字音频广播( d i # t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 方案中 采用o f d m ，该方法才开始受到关注并且得到广泛的应用。目前，o f d m 已经 在数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) 、 武汉理工大学硕士学位论文 基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称数字用户线( a s y m m e t r i cd i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 技术中得到了应用 4 1 。其中大都利用了o f d m 可以有 效消除信号多径传播所造成的符号间干扰( i s i ) 这一特征。 1 9 9 5 年，由欧洲电信标准协会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i n s t i t u t e ，e t s i ) 制定了d a b 标准，这是第一个使用o f d m 的标准。接着在 1 9 9 7 年，基于o f d m 的d v b 标准也开始投入使用。1 9 9 8 年7 月，经过多次的 修改之后，i e e e 8 0 2 1 l 标准组决定选择0 f d m 作为w l a n ( 工作于5 g i - i z 波 段) 的物理层接入方案，这是o f d m 第一次被用于分组业务通信当中。而且此 后，e t s i 的宽带射频接入网( b r o a d r a d i o a c c e s s n e t w o r k ，b r a n ) 、移动多媒 体接入通信( m o b i l em u l t i m e d i aa c c e s sc o m m u n i c a t i o n ，m m a c ) 系统等都将 o f d m 技术作为物理层标准，使得o f d m 技术在无线通信领域得到更广泛的应 用。 o f d m 不仅具有频谱利用率高、实现简单、抗干扰能力强等优点，还易于 结合空时编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术，最大程度的提高物理层 信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、 动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步得到优化明，o f d m 技术的应 用前景必将更为广阔。 1 2 课题研究的背景和意义 虽然正交频分复用系统具有许多优点，但与单载波系统相比，也存在一些 困难问题需要解决。其中一个主要缺点就是峰值功率与平均功率比，简称峰均 比( p e a k - t o a v e r a g e p o w e r r a t i o ，p a p r ) 过高的问题。p a p r 越大，o f d m 发 射机输出信号的瞬时值的波动就越大由于一般的功率放大器都不是线性的， 而且其动态范围也是有限的，所以这些部件的非线性就会对动态范围较大的信 号产生非线性失真，引起子载波间的交调干扰和带外辐射，从而导致整个系统 性能的下降【6 1 。因此p a p r 较大是o f d m 所面临的一个重要问题。 i e e e s 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 标准采用o f d m 作为其物理层技术。目前，符合 这两种标准的无线接入设备的耗电量巨大，几乎达到原来的2 。5 倍，使其吸引 力大打折扣。究其原因，就是因为信号的峰均比过大。为了在产生峰值时能保 2 武汉理工大学硕士学位论文 持输入信号与输如值号之间的线性关系，传统的解决方i 去是采用大动态范围的 线稳蔽大器，或番砖裴线莛敦犬器夔工终纛遴行辜 镁，势镬英工缍在簸丈赣窭 范围条件下，且这一范围会随峰均比的增大而扩大。但这种方法的缺点是功率 放大器的效率会火太降低，绝大部分能量都将转化为热能被浪费掉，返在移动 设备孛是绝对不熊允诲懿m 。i e e e 8 0 2 ，t l a 帮8 0 2 1 l g 标准下工终黪放火嚣戆功 率效率一般只有1 0 - 2 0 。另方面，在光线通信领域，近年来由子镶记本电 脑与便携式信息终端( p d a ) 越来越多的接入网络，无限局域网的地饿显示出 了前所未有的重要饺。据报道，预计全球无线局域网接入点和无线网卡的销售 量鬣笨戆派蕹褥逡5 0 。 由此可见，寻找新的方法解决峰均比过商的问题对o f d m 技术在实际中的 应用，尤其是在移动与无线通信中的应用具有重要意义。如果能有效降低o f d m 馕号鲍蜂筠毙，o f d m 技本梅穰毒分广爨豹应霉蔻景。 1 3 论文内容安排 本论文主要潮绕o f d m 系统孛豹漳蓬擎筠功率笼淹联进行研究，备牵内容 安排如下： 第2 章，概述o f d m 系统的基本概念和原理，其中包括o f d m 系统的基 本摸鏊跌及挠速倦立跨交换在o f d m 系统孛戆应惩等淘繇。然螽奔绥了o f d m 的瑙种关键技术：降低蜂值平均功率比技术、同步技术、倍道估计技术以及信 道编码技术。最厝对基本的0 f d m 系统进行了s i m u l i u k 仿真。 舞3 章，介缨o f d m 系绕巾的蜂值平均功率魄问题及勰决方法。罄先给出 瞧蕊平均功率院静定义，并奔缁o f d m 系统审峰鹭圪豹分布。然薏讨谂了莓翦 降低p a p r 的三火类方法：信母预畸变方法、编码方法和信号扰码方法，并对 各类方法进行了仿舆及性能分析 第4 章，在传绞豹选择浃射法( s e l e c t i v em a p p i n g ，s l m ) 熬基磴纛，捷窭 了一种降低系统篑杂度的新方法。详细介绍了该算法豹原瑷，并通过m a t l a b 进行仿真，验证该算法的可行饿。最后介绍了其他一些降低o f d m 系统p a p r 的改遴方法。 第5 章，对本论文工彳# 避移总结，并震麓下一步要徽翡工作。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章o f d m 系统概述 现代社会对通信的依赖和要求越来越高，于是设计和开发效率更高的通信 系统就成了通信工程界不断追求的目标。通信系统的效率，说到底就是频谱利 用率和功率利用率。特别是在无线通信的情况下，对这两个指标的要求往往更 高，尤其是频谱利用率。o f d m 是频谱利用率非常高的一种通信系统，它将数 字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它在系统的 频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力，是支持 未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一唧。 2 1o f d m 系统的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 的基本原理 9 1 就是把高速的数据流通过串并变换， 分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符 号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥 散性对系统造成的影响。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的消除由于多径而带 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闻隔，从而可以 避免由多径带来的信道间干扰( i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。 2 1 1o f d m 系统的基本模型 一个o f d m 符号内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载 波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。如果 表示子信道的个数，r 表示o f d m 符号的宽度，4 ( i ；0 , 1 ，一1 ) 是分配 给每个子信道的数据符号，z 是第0 个子载波的载波频率，r e 甜( f ) = 1 ，i ，i t 2 ， 则从f = f 。开始的o f d m 符号可以表示为： 荆出隆删( 一争m 正毋训 ) 沼d 其中，t 乞+ r 。当t 丁+ 时，s ( t ) = 0 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 然而我们通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，见式( 2 - 2 ) 。 。( r ) ；窆t 俐f f _ 一引唧k 吾( h 。) ( 2 2 ) j ol 1 j 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别 与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 o f d m 符号。与( 2 一1 ) 式相同，r 乞+ r 。当f r + 时，j ( ，) = 0 。 图2 l 给出了o f d m 系统基本模型的框图，其中q = 2 ，r f ，z = 正+ i t 图2 - 1o f d m 系统基本模型框图 子载波之间的正交性是保证各信道的信号不受到相互的干扰、从而在接收 端可以恢复原信号的条件。而要保证各子载波之间的正交性则要满足：每个子 载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间 相差1 个周期。 子载波之间的正交性可用式( 2 3 ) 表示。 ；r e x p ( 卿) e x p ( - j t o m r ) d r = 髋i ： ( 2 3 ) 5 武汉理工大学硕士学位论文 假如对式( 2 2 ) 中的第_ ，个子载波进行解调，然后在时间长度r 内进行积分， 即： t ；扩e 坤( 一j 2 7 r 弘) 埃西唧( 胁抄) 弘 = 7 1 刍n - i zf 订唧旧竿( 心) d r = t ( 2 - 4 ) 根据上式可以看到，对第，个子载波进行调解可以恢复出期望符号d ，。而 对于其他载波来说，由于在积分间隔内，频率差别( f j ) t 可以产生整数倍个 周期，所以其积分结果为零。 这种正交性还可以从频域角度来理解。根据式( 2 1 ) ，每个o f d m 符号在 其周期r 内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉 冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的函数的占卷积。矩形脉冲的频谱幅值 为s i n c e 7 ) 函数，这种函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上i ”】。 这种现象可以参见图2 - 2 ，其中给出相互覆盖的各个子信道内经过矩形脉冲 成型得到的符号的s i n c 函数频谱。在每一子载波频率的最大值处，所有其他予 信道的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这 些点上所对应的每一子载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道 符号频谱中提取出每个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。 图2 2o f d m 系统中，子信道符号的频谱( 经过矩形脉冲成型) 6 武汉理工大学硕士学位论文 从图2 2 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多 个子信道频谱之间不存在相互干扰，但这是出现在频域中的。因此这种一个子 信道频谱的最大值对应于其他子信道频谱的零点的情况，可以避免子信道问干 扰( i c i ) 的出现。 2 。1 2 傅立叶变换在0 f d m 系统中的应用 2 1 2 1d f t 实现方法 对于比较大的系统来说，式( 2 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采 用离散傅立叶逆变换( i d f t ) 方法来实现。令式( 2 - 2 ) 中的，= 0 ，并且忽略 矩形函数，对信号j ( f ) 以r 的速率进行抽样，即令t = k t n ( k = o ，1 ，n 一1 ) ， 可以得到： ：s ( k t n ) ：艺喀e x p f _ ，譬1 ，( o s k 茎n 1 ) ( 2 _ 5 ) l - o 可以看到乱等效为对4 进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数 据符号z ，可以对进行逆变换，即d f t 得到； z ：笺s , e x p ( 一j 警1 ，( o 姚n - 0 ( 2 - 6 ) 、 根据上述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代 替。通过点i d f t 运算，把频域数据符号z 变换为时域数据符号& ，经过射 频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每一个d f t 输出的数据符号都 是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的 叠加信号进行抽样得到的。 而在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换 ( f 唧f t ) 。点i d f t 运算需要实施2 次的复数乘法，而i f f t 可以显著降 低运算的复杂度。对于常用的基2i f f t 算法来说，其复数乘法的次数仅为 ( n 2 ) l o g ：( n ) 。以1 6 点的变换为例，i d f t 和f t 中所需要的乘法数量分别 是2 5 6 次和3 2 次，而且随着子载波个数的增加，这种算法复杂度之间的差 距也越明显，i d f t 的计算复杂度会随增加而呈现二次方增长，i f f t 的计算 复杂度的增长速度只是稍稍快于线性交化。 对于子载波数量非常大的o f d m 系统来说，可以进一步采用基4i f f t 算 7 武汉理工大学硕士学位论文 法。程基4 算法中，i f f t 变换可以被分为多个4 点的i f f t 变换，点的簇4 i f f t 算法孛只霉要撬行( 3 ，磅鼙魂。一2 ) 次复数黍法 图2 3 是对三种离散傅立时变换的复数乘法计算量进行仿真的结祭。从图 中可以看到，基2 和基4 的i f f t 都可以使得计算量大大降低，而基4 算法又稍 饯予蒸2 算法。 图2 - 3 三种离散傅立时变换计算量的比较 2 。l 。2 2 博立时变换的过采样 利用离散簿巍婶交换来实现连续符号韵o f d m 系统，采样值的多少十分重 要。采样值越多，结果也就越凇确。在实际廉用中，对一个o f d m 符号进行 次采样，或者点i f f t 运算掰得到的个输出样值往徒不能真正的反映连续 o f d m 餐号嚣交繇特毪，当这黧群蓬熹蔹邀捌搂数转换嚣( a d ) 鼙雩，魏有虿 能导致生成伪信警。其表现就鼹：当以低予信号中最高频率两倍的频槔进行采 样时，当采样值被还原之后，信号中将不蒜禽有原有信号中的高频成分，呈现 爨纛缓煞低频信号。 针对这种伪信号现象，对o f d m 符号进行过采样是簿常有必要的。过采样 即在原有的采样点之间再添加一些采样点，构成p n ( p 为整数) 个采样值。 具体到i f f t f f t 算法中来说，朗在实施i f f t 运算时，嚣簧在原始的个输入 篷瓣孛润添蕊( p i ) n 令零，巍实施雕运舞露，嚣要蠢藏始懿个输入篷熬 后筒添加( p 一1 ) 个零。 s 武汉理工大学硕士学位论文 实施过采样，可以更加精确的反映o f d m 连续符号的变化情况，但值得注 意的是，口点的i f f t 计算结果的模值为点i f f t 计算结果模值的1 p 。 此外，以丁为采样间隔得到的时域采样信号的傅立叶变换是由时域连续信 号的傅立叶变换周期重复构成的，其重复周期为1 t 。如果对时域信号实施p 倍 过采样，即采样间隔变为t p ，则其相应的傅立叶变换的重复周期就会变为 p t ，而时域连续信号的频谱宽度又保持不变，因此从频域来看，也相当于在 连续信号带宽之外补零，而在i f f t 运算中，相当于在频域数据中间插入零。 过采样点数越多，越能反映符号变化的细节，这对于避免伪信号的产生非 常重要。但随着过采样率的增大，i f f t f f t 的计算复杂度也相应增大。因此， 是否需要实施过采样，采用几倍过采样，需要结合实际情况综合考虑。 2 1 3 保护间隔和循环前缀 符号间干扰( i s i ) 和信道间干扰( i c i ) 是o f d m 系统中存在的两大主要 干扰。保护间隔和循环前缀则是用来对抗这两种干扰的重要技术。 应用o f d m 的一个最主要原因是它可以有效的对抗多径时延。通过把输入 的数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据 符号周期可以扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的比 值也同样降低倍。为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个0 f d m 符 号之间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度死一般要大于无线 信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 在保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段【l l 】。 然而在这种情况下，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰( i c i ) ， 即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。前面已经介绍 过，o f d m 实现的一个重要条件就是保证各子载波之间的正交性，即每个子载 波在一个0 f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各子载波之间相差整数倍 个周期。由于每个o f d m 符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会 出现该o f d m 符号的时延信号，因此加入保护间隔后，在f f t 运算时间长度内， 各子载波之问的周期个数之差不再是整数。所以当接收机试图对某一子载波进 行解调时，其他子载波会对此造成干扰。 为了消除由于多径所造成的i c i ，o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循 环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，即将o f d m 符号内的后一段长于信道时延扩展的 9 武汉理工大学硕士学位论文 部分复制到o f d m 符号的前面，以保证在f f t 周期内，0 f d h 符号的延时副本内 仍然包含整数个周期1 1 2 】。这样，时延小于保护间隔昆的时延信号就不会在解调 过程中产生l c i 。循环前缀既可以完成对前一个0 f d m 符号的隔离，同时又保持 了o f d m 符号内各子载波之间的正交性，消除i c i 。 一个实际的o f d m 符号周期为r + 毛，其中r 为f f t 变换的周期，磊为保 护间隔的长度。图2 4 是加入循环前缀的o f d m 符号结构。 死r 一毛 r ， 图2 - 4 加入循环前缀的o f d m 符号结构 假设o f d m 符号的循环扩展为 ，g 个码元数据，由式( 2 - 5 ) 可得，加入循 环前缀的o f d m 符号为： ：篓d , e x p ( j 警k 一g ，_ 1 ，n n 一1 ( 2 - 7 ) 在o f d m 系统中加入保护间隔之后，必然会带来功率和信息速率的损失， 但是插入保护间隔可以消除i s i 和多径所造成的i ( 2 1 的影响，因此这个代价是值 得的，但必须适当选择保护间隔长度。通常取瑶小于t 4 。 加入循环前缀之后基于i f f t 的o f d m 系统基本框图可以表示为图2 - 5 。 图2 - 5o f d m 系统基本框图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 20 f d m 系统的主要优缺点 在了解了o f d m 系统的基本原理之后，现在来讨论其主要优缺点。 近年来，o f d m 系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于o f d m 系统存在如下的主要优点： ( 1 ) 把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相 对增加，从而可以有效的减小无线信道的时间弥散所带来的i s i ，这样就减小了 接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前 缀的方法消除i s i 的不利影响。 ( 2 ) 传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输 并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的优点是 简单、直接，缺点是频谱的利用率低，子信道之间要留有足够的保护频带，而 且多个滤波器的实现也有不少困难。而o f d m 系统由于各个子载波之间存在正 交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源，见图2 - 6 。 频率 图2 - 6 常规频分复用与o f d m 的信道分配 ( 3 ) 各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用i d f t 和d f t 方法来实 现。对于很大的系统，我们可以通过采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现。 随着大规模集成电路技术与d s p 技术的发展，i f f t 和f f t 都是非常容易实现的。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远 大于上行链路中的数据传输量，如h 慨m e t 业务中的网页浏览、f t p 下载等。另 一方面，移动终端功率一般小于1 w ，在大蜂窝环境下传输速率低予 1 0 k b i t s - l o o k b i t s ；而基站发送功率可以较大，有可能提供i m b i t s 以上的传输 速率。因此无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求 考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而o f d m 系统就可以很容易的 通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率【1 3 1 。 ( 5 ) 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深 的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分 利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。而且对于多用户系统来说， 对一个用户不适用的子信道对其他用户来说，可能是性能比较好的子信道，因 此除非一个子信道对所有用户来说都不适用，该子信道才会被关闭，但发生这 种情况的概率非常小【。 ( 6 ) o f d m 系统可以容易的与其他多种接入方法相结合使用，构成o f d m a 系统，其中包括多载波码分多址m c - c d m a ( m u l t i c a r r i e r - c o d e d i v i s i o n m u l 邰l e a c c e s s ) 、跳频o f d m 以及o f d m t d m a ( t u n ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等 等，使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传递。 ( 7 ) 因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此0 f d m 系统可以在某 种程度上抵抗这种窄带干扰。 虽然具有上述诸多优点，但是o f d m 系统内由于存在有多个正交子载波， 而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下 主要缺点： ( 1 ) 易受频率偏差的影响。 由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之问的正交性提出了严格的要求。 然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例 如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在频率偏 差，都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的 信号相互干扰( i c i ) ，这种对频率偏差敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。 与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加， 因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p a p r ) 。这样就对发射机 内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变 化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道 信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。 2 3o f d m 系统中的关键技术 针对易受频率偏差影响、存在较高峰均比等主要缺点，o f d m 系统中应用 了如下几大关键技术：降低峰值平均功率比技术、同步技术、信道估计技术以 及信道编码和交织技术。 2 3 1 降低峰值平均功率比的技术 o f d m 系统的一个主要缺点就是峰值功率与平均功率比，简称峰均比 ( p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 过高的问题，即相对单载波系统而言， o f d m 发射机的输出信号的瞬时值会有较大的波动。因为o f d m 信号在时域上 表现为个相互正交子载波信号的叠加。当这个信号恰好均以峰值点相加 时，o f d m 信号会产生最大的峰值，p a p r 也相应很大，而且随着子载波数的 增加，p a p r 的最大值也会线性增大。尽管出现最大p a p r 的概率很低，但为了 不失真的传输这些高峰均功率比的o f d m 信号，对系统内的一些部件，例如功 率放大器、a d 、d a 等的线性动态范围就提出了很高的要求。而反过来，这 些部件的非线性也会对动态范围较大的信号产生非线性失真，所产生的谐波会 造成予信道间的相互干扰【1 5 1 ，从而影响o f d m 系统的性能，为o f d m 技术的 实用化设置了障碍。 为了说明放大器的非线性对o f d m 系统的影响，以模型为d = x ，( 1 + 产) v “ 的放大器为例进行仿真。图2 7 中给出了不同n 值条件下放大器输入一输出的仿 真示意图。 在现有的实用放大器中，一的取值范围一般介于2 到3 之间。对于较大的一 值来说，可以近似的被看作限幅器，即只要小于最大输出值，该放大器就是线 性的，而一旦超过了最大输出门限值，则对该峰值信号进行限幅，例如图2 7 中r l = 1 0 的曲线。因此，我们必须要考虑如何减小大峰值功率信号的出现概率， 从而避免非线性失真的出现。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 7 非线性功率放大器的输入输出示意图 目前所存在的减小p a p r 的方法大概可以被分为三类：第一类是信号预畸 变技术，即在信号经过放大之前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线 性畸变，包括限幅、峰值加窗或者峰值消除等操作。这类技术的好处在于直观、 简单，但信号畸变对系统性能造成的损害是不可避免的。第二类是编码方法， 即避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样，例如采用循环编码方法。 这种方法的缺陷在于，可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量 较大时，编码效率会非常低。第三类就是利用不同的加扰序列对o f d m 符号 进行加权处理，从而选择p a p r 较小的o f d m 符号来传输f 1 日。 2 3 2 同步技术 对于移动无线通信来说，无线信道的时变性会或多或少的影响载波频率， 使其发生偏移。在单载波系统中，载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的 衰减和相位旋转，这可以通过均衡等方法来加以克服。而对于多载波系统来说， 载波频率的偏移会导致子信道之间产生干扰，而且对于要求子载波保持严格同 步的正交频分复用系统来说，载波的频率偏移破坏了系统内子载波的正交性， 所带来的影响会更加严重。因此减少这种信道间干扰( i c i ) 对系统性能的影响， 是o f d m 系统能得到广泛应用的前提条件之一。 在o f d m 系统中存在如下几个方面的同步要求： ( 1 ) 载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相。发射机与接收机 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 之间的频率偏差导致接收信号在频域内发生偏移。如果频率偏差是子载波间隔 的n ( 一为整数) 倍，虽然子载波之间仍然能够保持正交，但是频率采样值已经 偏移了一个子载波的位置，造成映射在o f d m 频谱内的数据符号的误码率非常 高。如果载波偏差不是子载波间隔的整数倍，则会导致子载波之间的正交性遭 到破坏，从而在子载波之间引入干扰，使得系统的误码率性能恶化。因此，在 o f d m 系统中必须保持载波同步。 ( 2 ) 样值同步：接收端和发射端的抽样频率一致。如果在样值定时中存在偏 差，会有两方面的影响：第一，产生时变的定时偏差，导致接收机必须要跟踪 时变的相位变化；第二，样值频率的偏差就意味着f f t 周期的偏差，因此经过 抽样的子载波之间不再保持正交性，从而产生i c i 。因此，保持o f d m 系统中 的样值同步也是非常重要的。 ( 3 ) 符号同步：i f f t 和f f t 起止时刻一致。由于在o f d m 符号之间插入了 循环前缀和保护间