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硕士学位论文 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术由于其优良的抗多径干扰能力和高效的频谱利用 率，已经被公认为是下一代移动通信系统的主流技术，目前o f d m 技术已经在数 字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、高清晰度电视( h d t v ) 、高速无线局域 网以及高比特率数字用户环路等系统中获得了广泛的应用。 但是o f d m 系统存在的一个主要缺点是信号在发射过程中峰均功率比( p a p r ) 较高，这个问题大大制约了o f d m 的实际应用。因此，论文对降低o f d m 系统 中的峰均功率比( p a p r ) 的问题进行了重点研究。本文主要阐述的内容和重要工作 如下： ( 1 ) 本文首先阐述了o f d m 系统的系统模型和工作原理，分析了0 f d m 系统 的优缺点，并介绍o f d m 系统的峰均比的定义和分布。 ( 2 ) 详细介绍和理论分析了目前国内外解决降低p a p r 问题的三类主要方法 ( 信号预畸变技术、编码类技术、概率类技术) ，并对相应的典型算法进行了性能 仿真，分析其各自存在的优缺点。其中，重点仿真研究了预畸变技术中的限幅法 ( c l i p p i n g ) ，并对其改进的算法进行研究和性能仿真分析。 ( 3 ) 本文提出了一种简单而有效的降低峰均比( p a p r ) 的联合方法：将低密 度奇偶校验码( l d p c ) 与传统的削波( c l i p p i n g ) 技术相结合。联合方法通过 c 1 i p p i n g 技术降低o f d m 信号的p a p r ，同时结合l d p c 码改善c l i p p i n g 技术带 来的系统误比特率( b e r ) 恶化与频域滤波降低带外功率辐射。m a t l a b 仿真结果 表明该方案能够简单而有效的降低p a p r ，并提高系统的b e r 性能，以及抑制带 外功率辐射，证明了该联合方法的有效性。 关键词：正交频分复用；峰均功率比；限幅法；低密度奇偶校验码 i i 0 f d m 系统中降低峰均功率比方法研究 a b s t r a c t o n 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 sr e g a r d e da s t h ek e y t e c h n o l o g yi nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o ri t sh i g hs p e c t r u m e m c i e n c ya n dr o b u s t n e s se f f e c t i v ea g a i n s tm u l t i p a t hc h a n n e le f 俺c t 0 f d mh a s a l r e a d yb e e na p p l i e dt om a n ya p p l i c a t i o n ss u c ha st h ed a b ，d v b ，h d t v ；h i g h - s p e e d w l a n ，h d s l ，e t c h o w e v e r ， o n eo ft h e m a j o rd r a w b a c k s o ft h i s t e c h n o l o g y i st h eh i g h 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 ) ， w h i c hs i g n i 6 c a n t l yr e s t r i c t st h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fo f d m s o ，t h i st h e s i sh a sd o n eal o to fr e s e a r c ht h a tm a i n l yf 0 c u s e so n t h et e c h n i q u e so fp a p rr e d u c t i o n t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sw o r kc o n s i s to f f o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h i st h e s i s6 r s t l yi n t r o d u c e st h es y s t e mm o d e la n db a s i ct h e o r yo fo f d m s i g n a l ，a n da n a l y z e si t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a n da l s oi ti n t r o d u c e st h e d 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 ri nt h eo f d m s y s t e m ( 2 ) t h ep a p e rm a k e sd e t a i l e di n t r o d u c t i o na n dd e e pa n a l y s i so nt h em o s tp o p u l a r t h r e ek i n d so fp a p r r e d u c i n gt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gp r e - d i s t o r t i n gt e c h n 0 1 0 9 y c o d i n g t e c h n o l o g y a n dn o n d i s t o r t i n gt e c h n o l o g y a l s o ， t h ep a p e rm a k e sc o r r e s p o n d i n g p e r f o r m a n c es i m u l a t i o no ft h et y p i c a la l g o “t h m ，a n da n a l y s i so ft h e i rr e s p e c t i v e a d v a n t a g e sa n ds h o n c o m i n g s p a r t i c u l a r ly ，s t r o n ge m p h a s i si sc a s to nc l i p p i n gw h i c h b e l o n g st ot h ep r e d i s t o r t i n gt e c h n o l o g y ；a n dm a k e sm u c hr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n a n a l y s i so fi n l p r o v e da l g o r i t h m ( 3 ) as i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o dt h a tc o m b i n e st r a d i t i o n a lc l i p p i n gt e c h n i q u e w i t hl d p cc o d ew a sp r o p o s e d n o to n l yt h et r a d i t i o n a lc l i p p i n gt e c h n i q u ec o u l d l o w e rp a p r ，b u ta l s oi tc a ni m p r o v et h eb e rp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n dr e d u c e t h ef r e q u e n c yd i s p e r s i o nb yl d p cc o d ec o m b i n i n gw i t hf r e q u e n c y - d o m a i nf i l t e r i n g m a t l a bn u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds 0 1 u t i o nc a nr e d u c et h ep a p r e f f i e c t i v e l y ，i m p r o v et h eb e rp e r f o m a n c eo ft h es y s t e ma n ds u p p r e s st h eo u t o f - b a n d r a d i a t i o n ，w h i c hp r o v et h ee f 佗c t i v e n e s so ft h i sm e t h o d k e yw o r d s ：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 i 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 e p o w e rr a t i o ( p a p r ) ；c l i p p i n g ；l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e ( l d p c ) i i i 硕士学位论文 插图索引 图2 1o f d m 的系统框图7 图2 2o f d m 符号内包括4 个子载波的情况9 图2 3o f d m 系统中子信道符号的频谱1 0 图2 4 多径情况下空闲保护间隔在子载波间造成的干扰1 1 图2 5 加入循环前缀的o f d m 符号1 2 图2 6 不同子载波情况下系统p a p r 特性1 5 图3 1 限幅原理图17 图3 2 限幅门限不同时的p a p r 效果比较18 图3 3c f 算法实现框图1 9 图3 4 未滤波的限幅信号的功率谱密度2 0 图3 5 限幅滤波信号的功率谱密度2 0 图3 6 重复限幅滤波算法框图2 1 图3 7 重复限幅滤波算法的p a p r 效果特性2 1 图3 8p t s c l i p p i n g 信号幅度特性2 2 图3 9p t s c l i p p i n g 联合算法的p a p r 特性2 3 图3 1 0p t s c l i p p i n g 联合算法的b e r 性能2 3 图3 1 1 不同压扩系数条件下的压扩性能2 4 图3 1 2 压扩与未压扩信号幅度比较图2 5 图3 1 3u 律压扩算法p a p r 性能2 6 图3 1 4u 律压扩算法频谱特性2 6 图3 15 各码字的幅度峰值2 7 图3 1 6p t s 技术原理图3 0 图3 1 7p t s 中子向量的三种分割方法3 1 图3 1 8p t s 不同分割方式的p a p r 性能3 1 图3 1 9 传统p t s 技术的降p a p r 系能3 2 图3 2 0 两种p t s 算法的性能比较3 3 图3 2 1s l m 原理框图3 3 图3 2 2s l m 在不同数量相位矢量时的p a p r 分布3 4 图4 1 改进方法的框图3 6 图4 2 频域滤波的框图3 8 图4 3l d p c 码的校验矩阵和t a n n e r 图3 9 图4 4 限幅前后信号幅度比较4 1 0 f 洲系统中降低峰均功率比方法研究 图4 5 改进方法限幅后未滤波p a p r 的c c d f 性能比较4 l 图4 6 三次限幅滤波后的p a p r 特性4 2 图4 7 四次限幅滤波后p a p r 特性4 2 图4 8 传统限幅法功率谱特性4 3 图4 9 改进方法的功率谱特性4 4 图4 10 系统b e r 比较4 4 v i i 硕士学位论文 附表索引 表3 1 不同限幅门限下的系统性能19 表3 2 各码字的p a p r 值2 8 表4 1 联合方法性能特性：4 0 表4 2 改进方法在不同条件下降p a p r 效果比较4 3 表4 3 与同类方法的性能比较4 5 v i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 随着无线通信技术的飞速发展，无线用户数量已经以相当的迅速在增长着， 人们对通信各方面性能要求也越来越高，无线通信领域面临了与日俱增的压力， 尤其体现在话务质量、传输速率和日益紧张的频段资源等方面。正交频分复用 ( 0 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 ，0 f d m ) 技术由于其在抗多径衰落 强和频谱利用率高等方面的明显优势，正逐渐受到广大学者的重视，已经被视为 第四代无线通信系统的主流技术。本章首先阐述了选题背景及意义，然后对0 f d m 系统的发展以及国内外针对降低o f d m 系统中p a p r 的方法进行了回顾和总结，最 后介绍本文主要工作。 1 1本课题的研究背景及意义 目前，随着第三代移动通信系统标准和规范的完善与成熟尽管包括我国在内 的许多国家和地区，都已经开始了3 g 运营。但是，欧洲、北美和中国都制定了自 己的3 g 标准，国际电报联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e g r a p hu n i o n ，i t u ) 想在规范、标 准、频率、频段上制定统一的第三代移动通信系统标准的初衷，已经不可能实现。 由于全球并没有一个统一的标准，在设备复杂性、成本和使用方便性等方面都给 设备商和运营商带来相当多的问题。这些问题只有寄予在下一代移动通信系统中 得到解决，同时由于3 g 自身在技术的局限性，如：3 g 所能提供服务速率的动态范 围不大，不能满足各种业务类型要求；3 g 的频率资源已经基本趋于饱和；流媒体 ( 视频) 的应用不尽如人意，数据传输率也只接近于普通拨号接入的水平，这导致 3 g 对于高速业务的支持能力仍然有限，决定了其仍然无法满足个人通信对速度和 质量愈来愈高的要求。而第四代移动通信系统以其在技术和应用上质的飞跃【l 2 】， 已经成为研究热点，同时作为第四代移动通信系统主流技术的o f d m 技术更是受 人瞩目。 正交频分复用( o f d m ) 为多载波调制 3 】，将信道分成若干正交子信道，把高速 数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，其在频 谱利用率、高速移动通信、对抗多径时延扩展等方面，相对于其它通信技术有无 法比拟的优越性，正好可以满足下一代移动通信的需求。 但是o f d m 技术存在一个主要的缺点：发送端信号存在较高的峰均功率比【4 】 即峰均比( p a p r ) 。由于o f d m 技术为多载波调制，o f d m 符号是由多个独立的子 载波信号相加而成的，这样就很有可能多个信号的峰值叠加到一起，产生一个很 高的瞬时功率，这个瞬时功率与平均功率的比值就称为峰均功率比。高的峰均功 o f d m 系统中降低峰均功率l e 的研究 率比对o f d m 系统是相当有害的，这就要求发射机中的放大器( h i 曲p o w e r a m p l i f i er ，h p a ) 具有很高的线性度，当信号的峰值变化超过放大器的线性范围时， 就会产生非线性失真 5 】，这不仅影响放大器的工作效率，而且会使0 f d m 信号出 现频偏，对整个系统性能造成影响。同时现阶段并没有一种普遍应用实际的降 p a p r 技术，这导致在l t e 上行传输技术的选择时，大部分欧美设备商对o f d m 的 峰均比p a p r 有所顾虑，坚持采用单载波技术s c f d m a ( 具有较低的p a p r ) 。 因此高峰均比的问题使得0 f d m 系统的性能大大下降甚至直接影响实际应 用，对抑制高峰均比的研究具有相当高的应用价值，也是急需解决地难题。所以 本文选择o f d m 系统中的高峰均比问题为研究课题，并做了相关的研究。 1 2国内外研究动态 1 2 1o f d m 系统的研究 早在1 9 6 6 年，c h a n g 就提出了o f d m 的基本原理【6 】，但由于其当时复杂度较高， 且受制于当时的工艺水平，只能使用模拟滤波器分离子载波，所以未能一出现就 得到广泛地响应。但是经过多年的发展，尤其是离散傅立叶变换作为多载波技术 的调制和解调，大大地简化0 f d m 系统的复杂度，为其以后的飞速发展奠定了基 础。 8 0 年代初，由于循环前缀作为保护间隔引入到o f d m 技术中，使得o f d m 技 术能够有效对抗多径衰落同时，还能保持子载波问的正交性。正是由于o f d m 具 有这种很好的抗多径衰落能力，所以o f d m 技术开始成功地应用于地面广播系统。 19 9 5 年，欧洲电信标准委员会制定了第一个使用o f d m 的数字音频广播( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 。1 9 9 7 年，地面数字视频广播系统也开始采用0 f d m 技术标准。 1 9 9 9 年，i e e e 8 0 2 1 l a 通过了采用o f d m 调制技术作为物理层标准的5 g h z 的无 线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 标准。同样，欧洲电信标准协 会宽带射频接入网( b r o a d r a d i oa c c e s sn e t w o r k ，b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的调制标准技术。1 9 9 9 年，国际o f d m 论坛正式成立，包括e r i c s s o n 、n o k i a 和w i l a n 在内的7 家公司都致力于策划一个全球性统一的o f d m 技术标准。 o f d m 由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注，我国信 息产业部也参加了o f d m 论坛；我国将第四代移动通信系统的研究正式纳入国家 8 6 3 计划，而作为第四代移动通信系统核心技术的o f d m 技术也成为国家自然科学 基金的重点资助项目。 进入2 l 世纪以后，随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求， o f d m 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。随着o f d m 技术的发 2 硕十学位论文 展步伐加快，其出现了许多新的研究动向，比如： ( 1 ) o f d m 技术和其它多址技术的结合：正交频分多址接入( o f d m a ) 【7 】可以 根据实际信道情况分配给每个用户一定数量的子载波，能够提高频谱利用率和通 信质量。o f d m c d m a 就是一种典型的正交频分多址接入技术，能够提供平常更 大容量和更高速率的数据通信，现已成为4 g 的研究热点。 ( 2 ) o f d m 技术与多天线技术相结合：m i m o o f d m 技术 8 9 是o f d m 与m i m o 技术结合的新技术，其大大增加了无线系统对噪声、干扰、多径的容限，可以预 见，它将是下一代网络采用的核心技术。 1 2 2o f d m 系统降低峰均比技术的研究 峰均功率比问题随着o f d m 系统地提出而存在的固有问题之一，也一直是研 究o f d m 技术的热点问题之一。随着移动通信迅猛发展和o f d m 技术的兴起， p a p r 的研究越来越受关注。在国外，很多知名大学和研究机构，都已经开始广泛 研究p a p r 问题，并先后提出很多不同的解决方案和算法。而我们国家在这个方面 的研究起步比较晚，资助的项目和资金还是比较少，但是随着我国近年来在无线 移动通信领域的高速发展，国内对降低p a p r 问题的研究已日益增加，相关研究成 果也不断更新，从可以检索到的公开发表的论文也能够说明这一点，从2 0 0 8 年后 我国学者发表的相关论文在显著增加，相信以后这方面的研究更加会受到重视。 目前，国内外对降低0 f d m 信号的峰均功率比己经进行了许多的研究，其降 低峰均功率比的技术主要分为三类：信号预畸变类技术、概率类技术、编码类技 术。 ( 1 ) 信号预畸变类技术 基本原理：在信号被送放大器之前，预先对超过期望p a p r 的信号进行非线性 的预畸变操作，以降低信号的p a p a 值，主要包括两种典型算法：传统限幅和压缩 扩张法。 传统限幅( c l i p p i n g ) 算法【1 0 】，这是实现最为简单和应用最多的算法，但是这种 算法由于进行了非线性操作会导致带内噪声和带外干扰，从而降低整个系统的误 比特率性能和频谱效率【1 1 以2 1 。为了解决传统c l i p p i n g 算法带来的带外辐射问题， 1 9 9 8 年，x i a o d o n gl i 和ljc i m i n i 提出了限幅加滤波算法 1 3 】，在降低p a p r 的同时 抑制了除带外辐射问题，但是存在传统滤波的问题和引起峰值再生问题。针对这 两个问题，j a r m s t r o n g 分别在2 0 0 1 年提出c 1 i p p i n g 加频域滤波【h 】和2 0 0 2 年提出重 复c l i p p i n g 和频率滤波算法【1 5 06 1 ，虽然很好地降低了带外噪声以及峰值再生问题， 但是由于重复运算给系统增加了复杂度的负担。随后为了减小系统复杂度以及带 内噪声问题，2 0 0 3 年h a n 西u nc h e n 等人提出了在接收端预测由限幅噪声带来的失 真并进行了补偿【r 7 】2 0 0 5 年l u q i n gw a n g 和c h i n t h at e l l a m b u r a 提出一种简单限幅 o f d m 系统中降低峰均功率比的研究 滤波算法【1 8 】，通过在发射端对第一次限幅后的信号进行补偿修正，只需要3 次重 复操作就能达j a r m s t r o n g 算法同样的效果；同年，l i nct 提出在接收端可以不需 要知道限幅率的f j 提下对限幅率进行预测，从而对接收的数据进行修正减小失真 【19 1 。文献【2 0 】提出了在频域滤波中再增加h a m m i n g 窗进行滤波，达到抑制峰值再生 的效果，但是会降低抑制带外辐射的性能。文献 2 l 】提出了联合数据交错和重复限 幅滤波来提高了降p a p r 性能。文献 2 2 2 3 】提出将部分传输序列( p t s ) 技术和限幅 技术结合，通过p t s 技术先降低信号的p a p r ，使得后续的限幅中非线性削波的信 号概率大大降低，从而达到降低p a p r 的同时改善限幅的带内噪声。2 0 0 9 年f i l b e r t h j u w o n o 提出哈弗曼编码( h u f f m a n ) 与限幅技术联合算法【2 4 1 ，h u m n a n 的引入目的 和文献 2 2 】中引入p t s 的目的类似，但是也都增加了系统的复杂度。 压缩扩张法( c o m p a n d i n g t r a n s f o r m ) ，主要思想对信号幅度比较大的信号进 行压缩或者扩张，从而达到降低p a p r 的目的。然而对信号的压缩扩张很容易增加 了系统的平均发射功率，而发射功率的增加不仅会增加系统成本，而且会使信号 更容易造成失真。如文献【2 5 提出的压缩扩张法只将小信号扩大而大信号保持不 变，虽然能够大幅降低p a p r 且计算复杂度低，但是会增加发射信号的平均功率。 所以文献 2 6 提出一种改进的压缩扩张变换方法，在这种方法中为了基本保持发 射信号的平均功率不变，不仅将大功率发射信号压缩，而且也将小功率信号放大， 从而能够在降低系统p a p r 的同时也抑制了平均功率的增大，其不足之处是对这样 的压缩扩展函数寻找比较困难。针对压扩函数的问题，文献【2 7 和文献 2 8 】借鉴了 语音信号信源编码中基于律和a 律的压缩扩张表达式，分别提出的相应压缩扩 张函数，此类压缩扩张函数相对于前面提到压扩函数性能上有了比较大的提高， 但是受限于压扩函数本身的局限性，还是会增加发射信号的功率。为此，文献 2 9 提出了基于指数的压缩扩张；文献 3 0 】提出了将误差函数作为压缩扩张函数的方 法；文献 3 1 提出了自适应的压缩扩张函数，文献 3 2 】提出将联合限幅和压缩扩张 方法，通过限幅改善压缩扩张的程度，这些文献力图寻找一种更为合适的压扩函 数使得压扩算法在性能上达到一种很好的平衡。 ( 2 ) 概率类技术 这类技术核心就是降低峰值出现的概率，选择一路p a p r 最小的信号进行传 输，一般都会带来一定的信息冗余，主要包括两种典型方法：部分传输序列( p a r t i a l t r a n s m i ts e q u e n c e ，p t s ) 和选择性映射( s e l e c t e dm a p p i n g ，s l m ) 。： 部分传输序列法【33 】是信号在进行傅里叶变换之前，将输入的数据符号分为v 个分组，在对这些分组进行加权后再合并它们计算p a p r 值，选择各分组组合中最 小的p a p r 的信号进行传输，并将这组的加权值作为边带信息进行发送。 选择性映射法【3 4 】原理与p t s 法相似，发射机产生一系列不同相位序列，然后 将这些不同的相位序列映射到o f d m 信号上，从中选择最好( p a p r 最小) 的集合来 4 硕l ：学位论文 发射。s l m 同样需要传送边带信息才能在接收端解调出原始数据。 p t s 和s l m 的优势在于没有对信号造成失真的情况下降低峰均功率比，完全 不受调制种类和子载波数量的限制，但是它们同样存在一些缺点，比如需要传送 边带信息、计算复杂度高和硬件上实现比较困难，所以目前的研究主要集中在怎 么减小算法的复杂度、消去边带信息【3 5 36 1 ，和子序列的分割方法【3 7 1 等方面。文献 3 8 对p t s 和s l m 技术的优缺点进行了详细地比较。j a y a l a t h 等提出了一种自适应 的p t s 方法”9 1 ，通过设定门限值使得在选择最优化相位时迭代次数大大减小，从 减轻给系统带来的开销。同时b r e i l i n g 等人为了提高s l m 技术的频谱利用率，提出 了不需要附带传送边带信息的s l m 技术【4 0 4 2 1 。文献 4 3 】提出了p t s 和s l m 混合算 法来降低计算的整体复杂度。为了降低系统复杂度h s i n y i n gl i a n g 提出了一种自适 应基因算法的p t s 技术【4 4 1 。 ( 3 ) 编码类技术 编码方法的基本原理是限制那些会生成大峰值功率信号的码字，只有那些幅 度峰值低于期望值的码字才能选择用于传输，从而完全避开了信号峰值。显然， 所获得的p a p r 性能增益，是通过增加系统带宽以及降低信息传输速率为代价。这 类方法的缺陷在于可供使用的码字数量非常少，寻找适合与传输的码字比较困难， 编码效率会非常低，尤其是子载波比较大的情况下这种缺陷会更加突出。因而， 对于编码类降p a p r 方法的研究相对来说比较少，而且主要针对一些子载波比较小 的。系统。 文献 4 5 】提出利用非线性分组码降低o f d m 系统的p a p r 方法，在该方法中 o f d m 频域数据被编码后通过搜索p a p r 小的码字集合进行发送，而避开使用 p a p r 大的码字。此类方法的不足之处是随着子载波数目增大，算法计算量会非常 大，而且并没有纠错能力。 因此，文献 4 6 4 7 】提出一种既能减小p a p r 又具有纠错能力和的分组码。文 献 4 8 】提出了利用梯度下降法优化各信道的初相来寻找p a p r 小的码字，从而降低 p a p r 。文献 4 9 为了实现编码效率和p a p r 的折衷提出了g 0 1 a y 互补序列集降p a p r 方法。文献 5 0 利用g o l a y 码序列和r e e d m u l l e r 玛之间特殊的序列相关性进行编译 码，同时利用冗余度进行纠错，该算法是一种较实用的方法，其缺点是有效数据 速率仍然不高。 目前对峰均功率比抑制算法的研究还主要集中在理论方面，并且以往的解决 方案存在着综合性能不高的问题，片面追求峰均比( 甚至只是离散信号的峰均比) 的降低效果，而不顾所提方案对码率、误码率、带外辐射以及实现复杂度等系统 性能的影响。一些方法虽然可以达到比较理想的峰均功率比抑制效果，但是计算 过程相当复杂，限制了它实现的可能。另一些方法虽然易于实现，但是性能较差， 或者使用范围有限，也不适合用于实际的系统中，而兼顾了性能和实现复杂度的 o f d m 系统中降低峰均功率比的研究 实现算法的研究，目前还很有限。所以，研究同时具有性能良好和较低的复杂度 的峰均功率比抑制算法，在o f d m 系统的研究和实现中具有非常重要的现实意义。 1 3本论文的主要研究内容和组织结构 1 3 1 主要研究内容 在本论文中，主要针对o f d m 系统发送端信号的高峰均功率比问题加以讨 论、分析，重点研究仿真了目前存在三大类降低p a p r 方法，并对预畸变技术的 限幅法和压缩扩张法进行深入的研究，对传统方法和新的思路分析的基础上，提 出了一种简单而有效的降低p a p r 的联合方法( 联合l d p c 码与限幅法降p a p r 方法) ，并且在降低p a p r 效果、抑制带外功率效果和系统b e r 性能三个方面进 行了理论分析和仿真分析，证明了此方法的有效性。 本文具体的内容如下： ( 1 ) 研究了o f d m 技术基本原理，重点包括o f d m 的实现原理和过程、调制 与解调的实现、循环前缀的意义和0 f d m 技术优缺点； ( 2 ) 研究分析了0 f d m 系统中的高p a p r 出现的原因，以及p a p r 的概率分 布情况； ( 3 ) 对典型的降p a p r 技术进行了理论分析，并通过m a t l a b 仿真验证其优势 和不足； ( 4 ) 提出了联合l d p c 码与限幅法降低p a p r 方法，利用传统限幅法简单而 有效的优势，同时抑制其在带内噪声和带外辐射这两方面的不足，通过仿真分析 比较验证了该方法的有效性。 1 3 2 论文的组织结构 本论文分为4 章，其中： 第l 章：叙述了o f d m 系统中降p a p r 方法的重要性和研究价值，并阐述了 o f d m 系统和o f d m 系统降低峰均功率比的研究现状。 第2 章：介绍了o f d m 技术的基本原理包括：系统模型、调制与解调、循环 前缀和o f d m 技术的优缺点，并分析了p a p r 出现的原因以及p a p r 的概率分布。 第3 章：对三大类p a p r 抑制的算法进行了比较详细地研究，并通过m a t l a b 仿真研究各类典型算法及其相关改进算法，分析其优缺点。 第4 章：在第3 章对限幅法研究基础上，提出联合l d p c 码与限幅滤波法降 p a p r 的方法，并通过理论分析、仿真实验和与同类方法的数据比较，验证了该方 法的合理有效性。 最后对全文的研究做出总结并对未来的研究提出个人展望。 6 硕l ：学位论文 第2 章o f d m 的基本原理与峰均比问题 o f d m 系统中信号的p a p r 问题与o f d m 的原理有着密不可分的关系，因此本 章首先介绍0 f d m 信号的系统模型、离散傅立叶变换在o f d m 调制解调中的作用 和符号成形过程中的其他技术，然后对p a p r 的问题定义、出现的原因和其概率分 布情况作一个比较完整的理论分析。 2 1o f d m 技术的基本原理 o f d m 的核心原理1 5 1 】就是通过串并变换把高速的串行数据流转变为低速的并 行数据流，然后被分配到相互正交的子信道中进行传输。由于每个子信道的数据 符号持续长度相对增加，从而可以有效减轻由无线信道多径时延所造成的时间弥 散对系统的影响，并且还可以在每个0 f d m 符号起始位置通过增加保护间隔( 保 护间隔大于无线信道的最大时延扩展) ，最大限度的抑制由于多径而带来的符号间 干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。而每个子信道的正交性，可以避免载波间 干扰( i n t e rc a r r i e r i n t e r f c r e n c e ，i c i ) 的出现。 2 1 1o f d m 技术的系统模型 喜倒是，；雠 信道 琴恻蠢三碰 图2 1o f d m 的系统框图 o f d m 的系统框图如图2 1 所示，输入数据信息经过信道编码和串并( s p ) 变换 后，根据子载波采用的数字调制方式( 相移键控或者正交幅度调制) ，实现相应的 7 o f d m 系统中降低峰均功牢比的研究 星座映射，形成o f d m 复信息序列x ( n ) ，对x ( n ) 进行插入导频和过采样然后进行 逆傅里叶变换( i f f t ) ，从而得到o f d m 已调信号的时域抽样序列，然后在每个调 制序列前加上循环前缀( c p ) 作为保护间隔完成o f d m 符号，最后经过并串转换 ( p s ) 实现数据传输方式转变，再作数模( d a ) 变换得到o f d m 符号的时域波形 x ( t ) 。 在接收端只需做相应的逆变换，先对接收模拟信号经过模数( a d ) 转化成数字 信号，去除0 f d m 符号的循环前缀( c p ) 并将高速数据通过串并转换到相对低速数 据，得到o f d m 符号的时域抽样序列，对该时域序列作傅罩叶变换( f f t ) 转化成频 域的信息序列x ( n ) ；最后作相应地解星座映射和并串变换后，就可以恢复出发送 的输入数据信息。 一个o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和【3 1 ，令n 表示o f d m 系统的 子载波数目，t 表示o f d m 符号的周期，d 砸= o ，1 口，n 一1 ) 是分配给每个子信道 的数据符号，是第f 个子载波频率，矩形函数甜= 1 ， = 耽，则从f = 如开始的 o f d m 符号可以表示为： m ) ： r e 酗川t 引2 ) 2 州卜】，锤压”丁( 2 1 ) io ，f 丁+ f ， 采用某一种数字调制模式将要传输比特的幅度和相位对应分配到各个子载 波上时，通常采用另一种方式来描述o f d m 的输出信号，见式( 2 2 ) 。 s ( f ) = j 篓d ，“( f 一气一丁，2 ) 串g ，2 _ ) r 亭。_ f ，气f 名+ 丁。2 2 ， lo ，f 丁+ f ， 其中，s 俐的实部同相分量和虚部正交分量分别与相应的子载波的c o s 分量和 j 砌分量相乘，就可以构成实际系统中的各子信道合成o f d m 符号。 假定我们对每个子信道赋予一个载波信号如式( 2 3 ) ： 再o ) = s i l l 2 硝f ，f = 0 ，l ，一l ( 2 3 ) 其中，只要使得第f 个子载波中心频率z 为载波频蛳与毗和，就能保证相 邻子载波之间正好相差一个周期，而且满足一个o f d m 符号周期内包含整数个相 互正交子载波。 图2 2 对一个简单的o f d m 符号进行了仿真，其中这个o f d m 符号内包括4 个子 载波。仿真中是在假设每个子载波都具有相同的幅值和相位的情况下进行的，但 这与实际情况中幅值和相位可能都是不一样的。从图2 2 中可以看到，这个o f d m 符号周期内每个子载波都是整数倍个周期分别为4 个、3 个、2 个和1 个周期，而且 每一个相邻子载波之间正好相差一个周期，这可以解释在时域内各子载波之问的 硕l j 学位论文 正交性。 蜊 罂 图2 2o f d m 符号内包括4 个子载波的情况 这一特性正好可以用来解释子载波之间的正交性，即： ；j c r e x p ( 以f ) e x p ( 以触= 焉篡 ( 2 4 ) 这种正交性还可以在频域角度得到充分体现。由式( 2 1 ) 可以看到在时域内， 每个o f d m 符号是由在其周期t 的矩形脉冲和相位频域信息的乘积，根据傅里叶变 换的性质，因此o f d m 的频谱就等价于矩形脉冲频谱s f ，z c 佃函数与一组位于各个 子载波频率上万函数的卷积，相当于按照各子载波的频率将s 觑c 函数进行了搬移， 而j f 咒c 函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上，所以各子载波在频域内相互 正交。 图2 3 对一个具有6 个子载波的0 f d m 符号进行了简单频谱仿真，从图中可以 看到，在每一个子载波频谱的最大值处，其它子载波的频谱的幅度值都恰好为零， 并不对这个子载波造成干扰。因此在o f d m 符号的解调中只需要提取最大值就能 从相互重叠的子信道符号频谱中就解调出对应的子载波，而不会受到其它子信道 的干扰。相对于传统的单载波技术通过满足奈奎斯特( n y q u i s t ) 准则使得频率并不 混叠相比，o f d m 技术在频率利用率有着相当大的优势，o f d m 频谱相互正交性， 可以有效避免子信道间干扰( i c i ) 的出现。 9 o f d m 系统中降低峰均功牢比的研究 恻 罂 图2 3o f d m 系统中子信遁符号的频谱 2 1 20 f d m 调制解调的i d f t d f t 实现一 对于子载波n 比较大的系统来说【3 1 ，式( 2 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采 用离散傅里叶逆变换( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o 肌，i d f t ) 来实现，为了 叙述的简洁，令式( 2 2 ) 中的括= d ，并且忽略矩形函数，对信号s 以丁的速率进 行抽样，即令f = 尼嘶= d ，j ，- ，可以得到： & ：嗽丁忉：艺4 e x p ( 等) ，( o 尼_ 1 ) ( 2 5 ) & = j ( 七丁忉= 4 e x p ( 等) ，( o 尼一1 ) ( 2 5 ) f = 0 t 根据傅里叶变换的定义，& 调制过程等效为对z 进行i d f t 运算。同样，在接收端， 可以对s 。进行离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o m ，d f t ) ，解调出原始 的数据符号4 ，如式( 2 6 ) 妒篁驴x p ( - 等) ，( 叫 ( 2 6 ) 七= o v 以上的理论分析可以说明，l d f t 和d f t 可以分别实现0 f d m 系统中调制器和 解调器。调制的等效过程：就是将n 点的频域数据符号d j 通过如式( 2 5 ) 的i d f t 运算，转化成了时域数据符号j 。，然后经过射频子模块部分中的载波调制之后发 送到无线信道中。 随着信号处理的发展，d f t 计算应用中的一种快速和高效性f f t 出现，使得 l o 硕l 学位论文 在o f d m 系统的实际调制解调运用中，可以采用运算速度更快和更简单的 i f f t f f t 来实现【5 2 】，这样可以使得o f d m 系统实现复杂度显著地降低，因而使得 o f d m 技术得到了飞速地发展。 2 1 3 循环前缀和保护间隔 由于o f d m 可以效地对抗多径时延扩展5 3 5 4 1 ，而并不破坏子载波间的正交 性，这是0 f d m 技术得到广泛应用的一个最主要原因之一。o f d m 抗多径时延的 主要原理：串并变换能够使得n 个子载波的传输方式中每个数据符号周期相对于 单载波传输的n 倍