（通信与信息系统专业论文）ofdm信号par抑制的pts方法研究.pdf

摘要 近年来，o f d m 技术作为一种可以有效对抗符号问干扰的高速传输技术正在被 广泛关注，它已经成功地应用于非对称数字用户环路、无线本地坏路、数字音频 广播、高清晰度电视、无线局域网等系统中，并将成为4 g 移动通信系统中的关键 技术。但是，o f d m 技术在应用中存在峰均比较高的缺陷，这直接影响了整个系统 的性能。 论文主要研究了o f d m 系统的峰均比问题，重点讨论了用部分发送序列技术实 现峰均功率比的抑制。论文实现了一种低复杂度的部分发送序列技术，并对这种 方法进行了改进。论文通过仿真，对比了部分发送序列技术的原始方法，低复杂 度方法和改进方法的峰均比抑制性能和计算复杂度。仿真结果证明，原始方法具 有最优的性能，但其复杂度随子序列数增长呈指数增长。低复杂度方法的计算复 杂度为三种方法的最低，但是其性能最差。改进方法的性能比最优方法仅降低了 o 5 d b ，而其计算复杂度却远低于原始方法，因此证明了所提出的改进方法是一种 能够以较小的计算复杂度得到较好的峰均比抑制效果的方法。 关键词：o f d m峰均比抑制p t s 方法 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，o f d mh a ss e e nr i s i n g p o p u l a r i t ya sah i g h 。s p e e dt r a n s m i s s i o n t e c h n i q u ew h i c hc a np r o v i d eg r e a t e ri m m u n i t yt oi s i 。o f d mh a sb e e ns u c c e s s f u l l v u s e di ns y s t e m sl i k ea d s l ，w l l ，d a b ，h d t v ，w l a n a n ds oo n ，a n di tw i l lb e c o m e ak e yt e c h n i q u ei n4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s h o w e v e r 。o f d mh a sa d r a w b a c ko fh i g hp a ri ni t sa p p l i c a t i o n ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo f t h e w h o l es y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ep a r p r o b l e ma n dt h ep a rr e d u c t i o nt e c h n i q u e sa r er e s e a r c h e d al o wc o m p l e x i t yp t sm e t h o dw a sr e a l i z e di nt h et h e s i sa n ds o m ei m p r o v e m e n t st o t h em e t h o dw e r em a d e 。t h r o u g hs i m u l a t i o n ，s o m ec o m p a r i s o n s a m o n gt h ep a r r e d u c t i o np e r f o r m a n c e sa n d c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t i e so ft h ec o n v e n t i o n a lp t s m e t h o d ，t h el o wc o m p l e x i t yp t sm e t h o da n dt h ei m p r o v e dp t sm e t h o dw e r em a d e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a tt h ec o n v e n t i o n a lp t sm e t h o dh a dt h eo p t i m a l p e r l b r m a n c e ，b u ti t sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi n c r e a s e d e x p o n e n t i a l l yw i t h t h e n u m b e ro fs u b b l o c k s t h el o wc o m p l e x i t ym e t h o d h a dt h el o w e s t c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t yb u t i t s p e r f o r m a n c ew a st h ew o r s t t h ei m p r o v e dm e t h o dh a d a p e r f o r m a n c eo n l y0 5d bp o o r e rt h a nt h a to ft h ec o n v e n t i o n a lm e t h o da n di t s c o m p l e x i t yw a sg r e a t l yl o w e rt h a nt h a to ft h e t h e i m p r o v e dm e t h o dc a na c h i e v e g o o d c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y c o n v e n t i o n a lm e t h o d ，w h i c hp r o v e dt h a t p a rr e d u c t i o n p e r f o r m a n c ea t l o w k e y w o r d s ：o f d mp a rr e d u c t i o n p t sm e t h o d 独创性( 或创新性) 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做 的任何贡献均已在论文中做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：二琴砖鼙 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舰定，即：研究 生在校攻读学位期问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；学校可以公布沦文的全 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，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：塑壁焦 翩虢2 塑竺 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀y 匕 随着通信技术的不断发展和成熟，人类社会讵在进入一个新的信息化时代， 而正交频分复用( o f d m ，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 ) 技术作为 一种可以有效对抗符号间干扰( i s i ，i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 的高速数据传输 技术，已经越来越受到青睐。 1 1o f d m 技术特点及存在的问题 近年来o f d m 技术受到了大家的广泛关注，被大量地应用于无线高速宽带数字 通信领域，如数字音频广播( d a b ，d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 、数字视频地面广 播( d v b t ，d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n gt e r r e s t r i a l ) 、无线局域网( w l a n ，w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ) ，非对称数字用户坏路( a d s l ，a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ) 等系统，展现出了强大的生命力。目前，o f d m 已被视为第四代移动通信最 具竞争力的传输技术。 o f d m 技术之所以受到广泛关注，其原因在于o f d m 系统存在以下的主要优点【l 】 1 把高速率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，从而有效地减少由于无线信道的时问弥散所带来的符号问干扰，降低了接收 机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅采用插入循环前缀的方 法消除符号f h j 干扰的不利影n 向。 2 传统的频分多路传输方式中，将频带分为若干个各不相干的子频带来传输并 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，缺点是频谱利用率低，子载波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i 白j 存在f 交性，允许各个 子载波的频谱相互重叠，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 度地利用频谱资源。 3 各个子信道中的f 交调制和解调可以采用逆离散傅立叶变换( i d f t ，i n v e r s e d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 和离散傅立叶变换( d f t ，d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 方法来实现，对于子载波数很大的系统中，可以通过采用逆快速傅立叶变换( i f f t ， i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 和快速傅立叶变换( f f t ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 束实现。随着大规模集成电路技术与数字信号处理技术的发展，i f f t 和f f t 都是非 常容易实现的。 4 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链 o f d m 信0p a r 抑制的p t s 方法研究 路中的数据传输量，这就是要求物理层支持非对称高速数据传输，o f d m 系统可以 通过不同数量的子信道束实现上行和下行链路中不同的传输速率。 5 由于无线信道存在选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰弱情 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。 6 因为窄带干扰只能影响小部分的子载波，因此o f d m 系统可以在某种程度上 抵抗这种窄带干扰。 尽管o f d m 技术的众多优点使其获得了广泛的应用，但是o f d m 技术所存在的 两个缺点却成为了该技术在应用过程中亟待解决的问题。由于o f d m 系统内存在有 多个正交子载波，因此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，存在如下两个主要缺点 1 易受频率偏差的影响 由于子信道的频率相互覆盖，这就对他们之间的正交性提出了严格的要求。 由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的无线信号频谱偏移或发射机与接收 机之间存在的频率偏差，都会使o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子 信道问干扰( i c i ，i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，这种对频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点之一。 2 存在较高的峰均功率比 多载波系统的输出是多个子信道的叠加，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高于信号的平均功率，导致较大的峰值平 均功率比( p a r ，p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。这就对发射机内放大器的线性范 围提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导 致各个子信道的诈交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 由于频率偏移会使o f d m 系统子载波之f h j 的f 交性遭到破坏，子信道之i 日j 产生 相互干扰，于是同步性能的好坏对o f d m 系统的性能影响很大，同步技术成为了 o f d m 技术的研究热点之一。 由于大峰均比会对发射机内功率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f 交性遭到破坏，产生相互干扰，使系 统性能恶化，因此峰均比抑制技术成为了o f d m 技术的一个研究热点。 第一章绪论 1 2 峰均比抑制方法研究现状 为了抑制峰均比，限幅类方法是早期研究较多的方法。早在1 9 9 5 年削波方法 就被提出【2 】，这是最简单的峰均比抑制方法，通过将输入信号的峰值包络削减为预 设值来实现峰均比抑制。这种方法会带来带内失真和带外辐射。带内失真会导致 误码率性能下降，带外辐射会导致谱效率降低。 因为在削波后加上滤波可以降低带外辐射，然而这可能引起峰值的重新增大， 所以削波并滤波后的信号会在某些点超过削波时的预设峰值。于是为了抑制峰值 的重新增大，一种反复削波加滤波的方法被提出f 3 1 。为了达到指定的幅度值，这种 方法要求一定的迭代次数，适合与其他方法结合使用。 此外，为了补偿削波带来的性能下降，在1 9 9 9 年，d k i m 提出了一种在削波 前迭代地重构信号( i t e r a t i v e l yr e c o n s t r u c tt h es i g n a lb e f o r ec l i p p i n g ) 的方法1 4 】。在2 0 0 2 年，h s a e e d i 提出了一种用过采样信号的重构( o v e r s a m p l e ds i g n a lr e c o n s t r u c t i o n ) 来补偿由于削波带来的信噪比下降的方法1 5 1 。在2 0 0 3 年，h c h e n 提出了一种对削 波噪声进行迭代估计与抵消( i t e r a t i v ee s t i m a t i o na n dc a n c e l l a t i o no f c l i p p i n gn o i s e ) 的方法 剐。 上述方法均为非线性的方法，这类方法给信号带来了失真，因此此类方法尽 管简单，但是并不是令人满意的方法。 与限幅类方法相比，编码类方法是相对较好的方法。早在1 9 9 4 年，a e j o n e s 就提出了一种通过选择码字( s e l e c tc o d e w o r d s ) 来实现峰均比抑制的方法【7 】。然而 此方法需要进行穷尽搜索来找到最佳码字，并且需要为了编码和解码存储一个巨 大的查询表( 1 0 0 k u pt a b l e s ) ，因此此方法不适用于子载波数目较多的情况。 a e j o n e s 在1 9 9 6 年提出一种使用由线性码的偏移( o f f s e t sf r o mal i n e a r c o d e ) 得到码字的方法1 8 1 。此方法能够选择码字来实现纠错，选择偏移来实现峰均比抑制， 因此具有峰均比抑制和纠错的双重功能，且易于实现，但是它要求大量的加法计 算4 能寻找到好的码字和偏移。为了解决这个问题，v t a r o k h 在2 0 0 0 年提出一种 高效得到偏移的方法f 9 】，但是这种方法并不能保证峰均比降低的量。 另一方面，m g o l a y 提出格雷互补序列( g o l a yc o m p l e m e n t a r ys e q u e n c e ) 作为 码字能够将峰均比控制在2 以下【l o 】。j a d a v i s 在1 9 9 7 年提出，2 进制长度2 脚的格雷 互补对能够从经典一阶r e e d m u l l e r 码中获得。于是将分组编码( b l o c kc o d i n g ) 方法和格雷互补序列的使用联系起来就成为了可能。j a d a v i s 在1 9 9 9 年【1 2 】，k p a t t e r s o n 在2 0 0 0 年i n 】，k g p a t e r s o n 在2 0 0 0 年| 1 4 1 分别对此方法提出了进一步改进和 扩展。但是这些方法都只能应用于m p s k 调制的情况，并且由于计算复杂度较高， 不适于子载波数较大的情况。 4 o f d m 信号p a r 抑制的p t s 方法研究 编码类方法在子载波数目较大时计算复杂度会很高，因此只适用于子载波数 较少的系统。而且为了寻找较好的码字而进行的穷尽搜索难度也是较大的，所以 编码类方法的峰均比抑制效果也不是很令人满意。 目前峰均比抑制技术中研究最多的是概率类方法，此类方法能够获得较好的 峰均比抑制性能并且不给信号带来畸变，因此是较好的一种峰均比抑制技术，其 中包括了载波插入方法( t i ，t o n ei n j e c t i o n ) 【”】，载波预留方法( t r ，t o n e r e s e r v a t i o n ) 【1 5 1 ，动态星座扩展方法( a c e ，a c t i v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n ) d 6 1 ， 部分发送序列方法( p t s ，p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ) 1 7 - 2 3 1 ，选择映射方法( s l m ， s e l e c t i v em a p p i n g ) 2 4 - 2 6 1 等方法。 j t e l l a d o 在2 0 0 0 年提出t r 与t l 方法及两种方法的改进算法【”1 。由于t l 方法中 插入信号与携带信息的信号占据相同频带，因此t 1 方法i ：i s t r 方法更加复杂，而且 由于要插入信号，t 1 方法也会导致发端的功率增加。而t r 方法要求必须保留套 子载波，这会导致带宽的浪费。 a c e 方法是一种与t i 方法较为相似的方法【1 6 】，此方法适于多种调制方法，能够 在降低峰值的同时降低误比特率，并且不需要边带信息。但是此方法要求增大发 端的发射信号功率，并且当星座图尺寸较大时应用也受到极大限制。 s l m 方法的思想最早于1 9 9 6 年提出1 11 1 8 1 ，此方法通过产生一系列表示与原始 数据块相同信息的不同数据块，从中选择峰均比较小的用于传播。此方法适于各 种调制方式和任意的子载波数目。h b r e i l i n g 在2 0 0 1 年提出一种不需要明确边带信 息的改进s l m 方法【旧l 。 原始的p t s 方法由s h m u l l e r 在1 9 9 7 年提出1 2 0 1 1 2 1 1 ，此方法的目标就是寻找能够 降低峰均比的加权因子。此方法峰均比抑制性能很好，但是计算复杂度很高。为 了降低计算复杂度，a d s j a y a l a t h 在2 0 0 0 年【2 孔，l j c i m i n i 在2 0 0 0 年【2 3 1 ，c t e l l a m b u r a 在2 0 0 1 年1 2 4 1 ，w o n gs a ih o 于2 0 0 3 年【2 6 i ，s h h a n 于2 0 0 4 年1 2 5 】分别提出了 降i k 氏p t s 方法计算复杂度的方法。 1 3 论文内容及结构安排 论文实现了种低复杂度的峰均比抑制方法，通过仿真，论文将此方法与原 始p t s 方法进行了性能比较，证明了此方法的性能还不能令人满意。随后，论文提 出了对这种方法的改进方法，并对比了原始p t s 方法，低复杂度方法和改进方法的 峰均比抑制性能。结合对三种方法计算复杂度的分析，论文证明了改进方法的有 效性。论文具体结构安排如下。 在第一章，论文分析了o f d m 技术的优点和应用中存在的问题，并回顾了峰均 比抑制技术的发展历程。 第一章绪论 在第二章，论文阐述了o f d m 信号的产生过程，讨论了o f d m 技术的关键技术， 并重点阐述了峰均比问题的产生和影响。 在第三章，论文对现有的峰均比抑制技术进行了讨论，并对概率类技术及其 中的部分发送序列技术进行了详细阐述。 在第四章，论文实现了一种低复杂度的部分发送序列方法，并对其提出了改 进，并对改进方法进行了性能仿真分析。 在第五章，论文对所做的工作进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望。 第二章o f d m 技术基础 7 第二章0 f d m 技术的峰均比问题 f 交频分复用是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术， 也可以被当作一种复用技术。它的基本思想是将高速传输的数据流通过串并变换 变成在若干个f 交的窄带子信道上并行传输的低速数据流。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大于多径时延从而有效地对抗多径衰 落。o f d m 技术利用信号子载波的正交性允许子信道频谱有部分重叠，使得频谱利 用率提高了近一倍。 但是o f d m 信号峰均比过大的问题严重限制了o f d m 技术的应用，论文在本章 通过对o f d m 信号产生和实现过程的分析，讨论了峰均比问题的产生。 2 1o f d m 信号的产生与实现 1 o f d m 信号的产生 o f d m 技术的基本思想是将高速的串行的数据码流转变为n ( n 通常取偶数) 路并行的低速数据码流，然后再线性地调制到等频率| 日j 隔的一组总数为n 的子载波 上。 应用o f d m 的一个最主要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入 的数据流串并变换到n 个并行的子信道中，使得每个用于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n 倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降 低n 倍。 为了最大限度地消除符号f 日j 干扰，还可以在每个o f d m 符号之| 、日j 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z 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。在这段保护i 日j 隔内，可 以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。 然而由于多径传播的影响，会产生信道f d j 干扰，即子载波之间的f 交性遭到 破坏，不同的子载波之问产生干扰。 为了消除由于多径所造成的i c i ，o f d m 符号需要在其保护问隔内填入循环前 缀信号。这样就可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号的延时副本内所包含的波形周 期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔疋的时延信号就不会在解调过程中产 生i c i 。为方便起见，本文的o f d m 系统没有考虑循环前缀。 论文将在下面给出o f d m 系统的原理框图图2 1 ，分析o f d m 信号的产生过程。 o f d m 信号p a r 抑制的p t s 方法研究 啦 。吣 步怔 b 一7 2 4 印 井 出 啦+母尹咂丑 出 j ： 转转 换换 铲1 2 x f v i t j 一j 2 吖ii 梦坷 图2 1o f d m 系统原理框图 设基带调制信号码元调制速率为r ，码元周期为t 。则原始数据经过串并转换 变为n 个子信号，转换后的码元速率将为j r ，码元周期t = a r t ，假设在第n 个码 元时刻的一组信息码元序列为 x ( n ，o ) ，x ( n ，1 ) ，x ( n ，尼) ，x ( n ，n 一1 ) ) ，n ( 删，佃) ( 2 - 1 ) 则根据图2 1 可知，在发送端，码元序列经过调制后，第n 个码元时段内的o f d m 信号的表达式为【2 6 】 一l _ ( f ) = x ( n ，k ) e j 2 z r f k t , t n t ，( 胛+ 1 ) 丁】 ( 2 2 ) k = 0 其中，各子载波的频率为 丘= 五+ 导 ( 2 3 ) 在常规的频率复用系统中，为了避免相邻信道间频谱的混叠，通常在子载波 之间留有一定的频率间隔，这种方式的频谱利用率较低。而o f d m 技术则将整个频 带分成多个正交的子信道，每个子信道的频谱均为s i n x x 形式，各个子信道相互 交叠，但在每个子信道载频的位置处来自其他子信道的干扰为零，如图2 2 所示。 在接收端只要充分利用子信道之f b j 的这种正交性，就可以做到无信道1 1 j j 干扰( i c i ) 。 第二章o f d m 技术基础 9 1 0 8 0 ，6 罢0 4 主0 2 0 - 0 2 - 0 4 f r e q u e n c y 图2 2o f d m 频谱示意图 在接收端，如图2 1 所示，接收到的信号被分成n 个支路，分别与各个子载波 混频，然后通过积分恢复出子载波上调制的信号，再经过并串变换就可以恢复出 原始数据。 由于子载波之间的f 交性，混频和积分可以有效地分离出各个子载波上调制 的信息，具体的计算见式( 2 4 ) ，其中：x ( n ，m ) 表示接收端得到的o f d m 信号， x ( n ，m ) 表示发送端发送的o f d m 信号。 讯咖7 芝胁朋e i l ：t e - j l ；, t d t = 纂w ) f ：+ 1 ) t e j ( j i - j , ) t 折 = 篆删) 7 p 芈出 = x ( n ，竹) ( 2 - 4 ) 2 o f d m 信号的l f f t 实现 采用离散傅立叶f 反变换算法是o f d m 系统得以简化的关键原因【2 7 1 。在进行 i d f t d f t 变换时，一般都选用变换点数为2 的整数次幂( 例如6 4 ，2 5 6 或1 0 2 4 ) ， 以便采用快速傅立叶变换算法末完成离散傅立叶变换，从而提高了o f d m 信号的处 理和传输速度。 o f d m 系统中，在发射端利用i d f t ，可以将映射到各子载波上的频域调制符 号变换到时域，从而能够在信道中进行o f d m 时域的传输。在接收端，则需要利用 d f t 获得发送的频域符号序列，并针对每一个子信道进行数据的解调和判决。 n 点证向d f t 变换定义为 l oo f d m 信n jp a r 抑制的p t s 方法研究 式中， v l z ( 七) = z ( n ) w 础 ：芝z ( 甩) p ( - j - 2 万一- ) n k= z ( ，z ) p = z ，( 尼) + ，z f ( k )( k = o ，1 ，n 一1 ) ( 2 - 5 ) z ( n ) = h ( n ) + j g ( 聆) ( 2 6 ) 是n 点离散 i b j 序列。h ( n ) ，g ( n ) 为z ( ，z ) 的实部和虚部序列，它们均为实数序 列。 2 x 矽：p 一百( 2 7 ) 称为离散傅立叶变换的转移因子。频域序列z ( k ) 为时域序列z ( ，z ) 的离散傅立 叶变换结果。 快速傅立叶变换算法可以利用三角函数的周期性和对称性来减少运算，当n 很 大时或o f d m 系统的子载波个数很多时，节省的运算量是十分可观的。 n 点i d f t 变换定义为 咖) 3 专荟础矿腑 q - 8 可以改写为如下形式 z ( 门) 2 万。刍i v - i z + ( k ) 叮 2 - 9 式中，“妒表示复数的共轭算法。 可以用f f t 来计算o f d m 系统中的d f t i d f t 运算。用i f f t f f t 实现的o f d m 系统等效模型如图2 3 所示 图2 3o f d m 系统等效模刑 第一二章o f d m 技术暴础 值得注意的是，频域信号z ( k ) 及其对应的时域信号z ( n ) 一般都是复数，因此， 传输必须提供两路实信号的传输通道。当时域信号序列z ( n ) = h ( n ) + j g ( n ) 在信道上 传送时，称h ( n ) 为i 路信号( i n p h a s e ) ，g ( n ) 为o 路信号( q u a d r a t u r e p h a s e ) 。 3 论文的o f d m 信号产生 本文在产生所用的o f d m 信号时主要考虑了以下三个参数：带宽、比特速率以 及时延扩展。 ( 1 ) 带宽、比特速率以及时延扩展的确定 时延扩展直接决定保护间隔的长短，按照惯例保护问隔一般为时延扩展方根 值的2 4 倍。确定了保护l 白j 隔，则可以确定符号周期。为了最大限度的减小由于插 入保护比特所带来的信噪比损失，希望o f d m 符号周期长度要远远大于保护l 白j 隔长 度，但是符号周期长度又不可以任意大，否则就意味着o f d m 系统需要包括更多的 予载波，从而导致子载波间隔会相应减小，系统的实现复杂度就会增加，而且还 加大了系统的峰值平均功率比，并且使系统对频率偏差会更加敏感，因此在实际 应用中，一般选择符号周期长度是保护间隔长度的5 倍，这样用于插入保护比特所 造成的信噪比损失只有1 d b 左右。 在确定了符号周期和保护间隔后，子载波数量可以利用所要求的比特速率除 以每个子信道的比特速率来确定子载波的数量。每个子信道中传输的比特速率可 以用调制类型( 例女1 8 0 2 1 l a 中使用b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m ) 编码速率以 及符号速率来确定。 论文仿真选择的o f d m 系统参数如下： 比特速率：2 0 m b i t s 时延扩展：2 0 0 n s 带宽：1 5 m h z c p 与o f d m 符号长度比：1 5 2 0 0 n s 的时延扩展就意味着保护1 8 j 隔的有效值应该为8 0 0 n s 。选择o f d m 符号 周期长度为保护间隔的5 倍，即5 8 0 0 n s = 4 p s ，其中保护l 口j 隔所造成的信噪比损 失小于l d b 。子载波i 、日j 隔取4 0 8 = 3 2 p s 的倒数，即为31 2 5 k h z 。为了判断所需 要的子载波个数，需要观察所要求的比特速率与o f d m 符号速率比值，即每个 o f d m 符号需要传送型坐业：8 0 b i f ，为了完成这一点，可做如下两种选择：一 l 4 u s 是利用1 6 q a m 和码率为1 2 的编码方法这样每个子载波可以携带2 b i t 的有用信息， 因此需要4 0 个子载波来满足每个符号8 0 b i t 的传输速率；另一种选择是利用q p s k o f d m 信号p a r 抑制的p t s 方法研究 和码速率为1 2 的编码方法，这样每个子载波可以携带1 b i t 的有用信息，因此需要 用8 0 个子载波来传输，然而8 0 个子载波就意味着带宽为8 0 3 1 2 5 k h z = 2 5 m h z 大 于给定的带宽要求。因此为了满足上述要求，子载波数量不能大于 1 5 m h z 3 1 2 5 k h z = 4 8 ，所以第一种采用1 6 q a m 和4 0 个子载波的方法可以满足 带宽要求，而且可以利用6 4 点f f t i f f t 来实现，剩余的2 4 个子载波补零，用于 f f t i f f t 的过采样。 ( 2 ) 子载波调制方式的选取 实际中，通常采用基于白适应o f d m 的子载波组调制方式，即把全部的子载波 分成若干组，每一组包含相邻子载波，在同一子载波组内使用相同的调制方式。 本文使用一种随机的调制与子载波组合来产生o f d m 信号，信号产生流程如图2 4 所示，子载波使用不同的调制方式，其参数配置如表2 1 所示： 表2 1 调制方式参数表 调制方式b p s kq p s k1 6 q a m6 4 q a m 七h 子载波数鼙 z l 调制与子载波选取组合算法需满足如下两式： f + 2 + 4 庀+ 6 h = 传输速率o f d m 符号速率 f + + 尼+ h 带宽载波间隔 图2 4o f d m 信号产生流群图 ( 3 ) o f d m 信号仿真结果 在给定的仿真参数：传输速率2 0 m b i t s ，信道时延2 0 0 n s ，带宽1 5 m h z ，c p 与 整个o f d m 符号长度比1 5 时，可得至i j b p s k 调制子载波数8 、q p s k 调制子载波数1 2 、 1 6 q a m 调制予载波数1 2 、6 4 q a m 调制子载波数0 的子载波调制与数量组合，具体 仿真如图2 5 2 7 所示。 图2 5 一个o f d m 符号 幽2 6 门一化后的o f d m 符号 图2 7 十个连续o f d m 符号仿真幽 从图2 5 中可以明显的看到o f d m 符号结构，c p 是由符号的后端搬移到0 f d m 符号的前端 图，可以看 ，从而组成一个完整的o f d m 符号，图2 6 是频率归一化的o f d m 仿真 出o f d m 是关于频率中心对称的，图2 7 是1 0 个连续o f d m 符号仿真图。 1 4o f d m 信蛩p a r 抑制的p t s 方法研究 2 2o f d m 系统的峰均比问题 1 峰均比问题的由来 o f d m 多载波系统采用了正交频分复用技术，能够在不使用复杂的均衡技术的 情况下支持高速无线数据传输，并具有很强的抗多径衰落和抗符号间干扰的能力。 但是o f d m 系统主要的缺点之一是具有较大的峰值平均功率比，这会直接影响整个 系统的成本和效率。峰均比高是多载波调制技术( m c m ，m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 普遍存在的问题。 在某一时刻o f d m 信号会出现非常大的峰值，由于大峰值出现的时问是不可预 料的，因此就要求后面的数模转换器和功率放大器具有很大的线性动念范围。由 于在大多数时l 白j 内，信号的幅度都远远小于这个峰值，因此按这个峰值设计的功 率放大器的利用效率会非常低。 在某个时刻，若多个载波以相同相位进行累加，就会产生很大的峰值，这样 就要求功率放大器具有很大的线性区域，否则当信号峰值进入放大器的非线性区 域，就会使信号产生畸变，从而导致子载波间的互调干扰和带外辐射，破坏了子 载波问的f 交性，降低系统性能。显然，为了避免这种情况，功率放大器应工作 在大功率补偿状态下。然而，这又将导致非常低的放大效率并使发射机的成本变 得非常昂贵。另一方面，若在移动通信系统中使用o f d m 技术，由于移动台的能量 有限，必须采用高效的功率放大技术。为此需要采用一定的技术来降低o f d m 信号 的峰均比，使发射机中的功率放大器高效工作，以提高系统的整体性能。 2 峰均比的定义 由于o f d m 符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合 成信号就有可能产生较大的峰值功率，山此会带来较大的峰值平均功率比，简称 峰均比。峰均比可以定义为 脚c = l o l o g , o 酱紫( 2 - 1 0 ) 其中，吒表示经过反傅立叶变换后的一个o f d m 符号， 吒。赤荟鼍咿( 2 - 1 1 ) 对于包含n 个子信道的o f d m 系统来说，当n 个子信道都以相同的相位求和时， 所得到的信号的峰值功率就是平均功率的n 倍，因而基带信号的峰均比可以为 p a r = 1 0 l o g i on 例如，当n 为2 5 6 时，o f d m 系统的p a r = 2 4 d b 。 第_ 二章o f d m 技术皋础 3 峰均比的概率分布f 2 9 】 对于包含n 个子载波的o f d m 系统来说，其中经过i f f t 计算得到的功率归一化 的复基带符号是 叫d2 专善置e x p ( j k a o q ) ( 2 - 1 2 ) 其中x k 表示第k 个子载波上的调制符号。对于q p s k 来说，x k 1 ，- 1 ，- j ) 。 根据中心极限定理可以得知，只要子载波个数n 足够大，就可以判断x ( f ) 的实部和 虚部都将遵循高斯分布，其均值为0 ，方差为0 5 ( 实部和虚部各占整个信号功率的 半) 。因此可以知道，o f d m 符号的幅值r j j r 从瑞利分布，其概率密度函数为【i 】， p a ( t ) = 2 r e ( 2 - 1 3 ) 而其功率分布则要服从两个自由度的中心z 2 分布，其中均值为0 ，方差为1 ， 而且容易得知，自由度为2 的中心z 2 分布的概率密度函数为 p 。( 少) = e 叫 ( 2 - 1 4 ) 因此可以计算得到其累计分柿函数( c d f ) 为 0 尸 尸d w p r z ) = ，k 。( z ) = i e x p ( 一y ) d y = 1 一e x p ( 一z ) ( 2 1 5 ) 假设o f d m 符号周期内每个采样值之问是不相关的( 在没有采用过采样时，这 一点是比较容易实现的) ，则o f d m 符号周期内的n 个采样值当中每个样值的p a r ( 由于平均功率归一化，所以也就是其功率值) 都小于门限值z 的概率分布应该为 尸( 以月z ) = 氏。( z ) = ( 1 一e 。) ( 2 1 6 ) 图2 8 给出了不同子载波个数条件下，累积分御函数的理论曲线图，其中横轴 表示p a r 的门限值，纵轴表示一个o f d m 符号中所有采样值的功率都小于门限值的 概率。其中：( 1 ) n = 1 6 ；( 2 ) n = 3 2 ；( 3 ) n = 6 4 ；( 4 ) n = 1 2 8 ；( 5 ) n = 2 5 6 。从图 2 8 中可以看出，在给定p a r 门限值的条件下，随着子载波个数n 的增加，c d f 也会 相应降低，也就是超过p a r 门限值的符号出现的概率会有所增加。 1 6o f d m 信l = p a r 抑制的p t s 方法研究 幽2 8 不同子载波数鼙条件。f ，c d f 对峰均比的曲线图 或者，可以从另一个角度来衡量o f d m 系统的峰均比的分布，即计算峰均功率 比超过某个门限值z 的概率，得到互补累计分布函数( c c d f ，c o m p l e m e n t a r y c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) 为 c c d f = p ( 尸么r z ) = 1 一p p ，4 j r z ) = 1 一( 1 一e - = ) ( 2 - 1 7 ) 在实际应用中，一般都采用互补累计函数( c c d f ) 来衡量o f d m 系统内的p a r 的分布。 2 3 本章小结 本章首先阐述了o f d m 信号的产生过程，i f f t 与f f t 在o f d m 技术中的应用。 然后本章讨论了o f d m 所涉及的关键技术，并重点讨论了o f d m 系统峰均比问题的 产生原因和定义。在下一章中，论文将对现有的峰均比抑制技术进行讨论。 第二三章现有的峰均比抑制方法 第三章现有f l 3 山i 均比抑制方法 由于峰均比对o f d m 技术应用带来了诸多不利影响，目前对于o f d m 系统峰均 比抑制的研究已经成为了o f d m 技术的一个研究热点。 目前，抑制0 f d m 系统峰均比的方法主要可以分为三类：限幅类方法，编码类 方法和概率类方法。在本章中论文将对这三类方法进行讨论，并对概率类方法进行 详细阐述。 3 1 限幅类方法 限幅类方法的中心思想是在信号送到放大器之前，首先对有较大峰值功率的 信号进行非线性处理，使其不会超出放大器的动态变化范围，从而避免较大峰均 比的出现。陔类技术主要包括：削波( c l i p p i n g ) 、峰值加窗( p e a kw i n d o w i n g ) 、校 f 函数法( c o r r e c t i n gf u n c t i o n ) 、压缩扩展法( c o m p a n d i n g ) 、预畸变和畸变补偿法 等。本节将对最基本的削波方法和目自仃研究较多的压缩扩展法进行详细阐述。 1 削波方法( c l i p p i n g ) 削波方法是一种最简单的降低峰均比的方法【3 0 】，其原理图如图3 i 所示。 - 信 1 6 一q a m 串并并串数模削低通滤 转换 - 波 波； - i f f t 源调制变换 变换 - 幽3 1 采川削波方法的o f d m 发送端原理框图 信号经过非线性部件放大之前进行削波操作，就可以使得峰值信号低于所允 许的最大电平值。削波后的信号可用式( 3 1 ) 表示， =_；a略。x。，：耄：妻三0kyka e x p 0 k n 一一- ( 3 - 1 ) 。1 a r g ( 以) ) i 吒i 彳 s s _ 1 其中以为削波自仃的信号，y 。为削波