（通信与信息系统专业论文）一种降低ofdm系统峰均比融合方法的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 目前正交频分复用调制( o f d m ) 技术已经广泛的应用于各个通信领域，也是 第四代移动通信系统l t e 的核心技术之一。然而o f d m 调制存在时域多个子载波 叠加造成信号峰均功率比( p a p r ) 过高的问题，致使功率放大器效率降低，进而 易使信号进入功放的非线性区产生失真畸变，从而降低整个系统的性能，因此开 展对o f d m 的p a p r 问题的深入研究，具有较大的实际意义。 本文研究的是抑制o f d m 系统峰均比的技术，并对其进行改进和分析。本文 在简要描述o f d m 技术的发展，及其基本原理和o f d m 系统高峰均比产生的原因及 其对系统性能影响的基础上，对限幅类、概率类以及编码类三种不同的降低o f d m 系统p a p r 方法的性能进行了深入研究和比较分析。 然后，针对传统限幅类方法误码率高的问题，本文首先利用分类限幅率的思 想对其进行改进以达到降低误码率的目的，其次把改进的限幅类方法和传统的选 择映射方法( s e l e c t e dm a p p i n g ，s l m ) 进行结合形成降低p a p r 的初步融合方法， 以达到提升p a p r 性能和降低误码率性能的目的，在此基础上针对初步融合方法 的复杂度问题，本文利用m 序列对其中的s l m 模块进行改进，从而得到一种新型 的融合方法。通过仿真实验表明，此新型融合方法可以在大幅降低p a p r 的前提 下，可以有效克服传统限幅类方法误码率高和传统s l m 方法复杂度高的缺点。 最后，通过仿真实验的方法选择最优参数集，使该新型融合方法在降低信号 峰均功率比，误码率和复杂度三个方面达到最佳的平衡点，以为具体运用提供设 计参考。 关键词：正交频分复用，峰均功率比，m 序列，分类限幅，融合方法，仿真 实验 一种降低o f d m 系统峰均比融合方法的研究 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eo 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 ) t e c h n o l o g y h a sa 丽d ea p p l i c a t i o ni nv a d o u sc o m m u n i c a t i o nf i e l d s ，w h i c hi sa l s ot h ec o i l t e c h n o l o g yo ft h et h ef o u r t hg 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 m h o w e v e r , b e c a u s eo fm a n ys u b - c a r r i e r ss t a c k i n gi nt i m ed o m a i n ，t h eo f d ms y s t e me x i s t st h e p r o b l e mo fh 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 ) t h i sp r o b l e mm a k e sp o w e r a m p l i f i e rl o we f f i c i e n c y , s i g n a l sw h i c hi s i n t ot h en o n l i n e a ra r e ao ft h ep o w e r a m p l i f i e rc a u s ed i s t o r t i o na n dt h e nt h ew h o l ep e r f o r m a n c eo fs y s t e md e c l i n e d s o r e s e a r c h i n gt h ep a p rp r o b l e mf o ro f d mh a sag r e a t e rp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sa r t i c l e ，t h et e c h n o l o g yo fi n h i b i t i o no fp a p rf o ro f d m s y s t e mh a sb e e n a n a l y s e d a tt h eb a s i so fb r i e f l yi n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n to fo f d mt e c h n o l o g y , t h er e a s o nw h yt h eo f d m s y s t e me x i s t sp a p rp r o b l e m ，a n di n f l u e n c eo ft h i sp r o b l e m ， w ed e e p l ys t u d yt h r e ek i n d so ft r a d i t i o n a lm e t h o d st or e d u c et h ep a p rf o ro f d m s y s t e m t h e n ，a c c o r d i n gt ot h eh i g hc o m p l e x i t yo ft h es e l e c t e dm a p p i n gm e t h o da n db i t e r r o rr a t eo ft h ec l i p p i n gm e t h o d ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wt y p eo ff u s i o nm e t h o d f i r s t l y , w ei m p r o v et h et r a d i t i o n a l s e l e c t e dm a p p i n gm e t h o dm a k i n gu s eo ft h e m - s e q u e n c e s e c o n d l yw ei m p r o v et h et r a d i t i o n a ll i m i t i n gm e t h o dm a k i n gu s eo ft h e c l a s s i f i n gt h o u g h t s a tt h eb a s i so ff u s i n gt h i st w oi m p r o v e dm e t h o d s ，t h i sn e w m e t h o dc a nd e c r e a s et h ep a p ra n db i te r r o rr a t i of u r t h e r f r o mt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n ts h o w , t h i sn e wm e t h o dc a nd e c r e a s et h ep a p rg r e a t l y , o v e r c o m eh i l g h c o m p l e x i t yo ft h et r a d i t i o n a ls e l e c t e dm a p p i n g m e t h o da n dh i g hb i te r r o rr a t i oo ft h e t r a d i t i o n a ll i m i t i n gm e t h o d l a s t l y , w i t ht h em e t h o do fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，w es e l e c tt h eb e s tp a r a m e t e r s e t t h i ss e tc a nm a k et h en e wf u s i n gm e t h o dh a v eab e t t e rp e r f o r m a n c ei nt h r e e a s p e c t s ：i n h i b i t i o nt op a p r ，b i te r r o rr a t i oa n ds y s t e mc o m p l e x i t y c h o o s i n gt h e p a r a m e t e rs e ta l s oc a np r o v i d ec o n v e n i e n c ei np r a c t i c a ls i t u a t i o n k e y w 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 o d u l a t i o n ；p e a l 【- t o - a v e r a g ep o w e r r a t i o ；m s e q u e n c e ；c l a s s i f i e dc l i p p i n gm e t h o d ；f i l s i i 培m e t h o d ；s i m u l a t i o n ； n 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 伴随g s m 和c d m a 通信系统在过去二十年中的广泛普及。目前全球的移 动语音用户超过了1 8 亿。个人通信迅猛发展的同时也极大地促使了个人通信终 端的微型化和多样化，再结合多媒体消息、视频点播以及音乐下载等数据业务的 能力，大大满足了个人通信和娱乐的需求。可以看出目前的通信系统正在向着宽 带化、综合化、移动化、个人化和智能化的方向发展【1 】，用户也正在从以往的语 音业务向数据业务进行转换。目前的第三代通信系统下行的最高速率能够达到 7 2 m b p s ，能够满足一定用户数据业务的需要，但是随着3 g 业务的普及和2 g 业 务的淘汰，用户的大规模增长会造成带宽危机和速率的下降。同时面临全球微波 互联接入( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 技术的竞争，第 三代合作伙伴( t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 急于开发与w l m a x 相抗衡的通信技术，在这个大环境下第四代通信系统( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 应运而生。 l t e 是近几年来3 g p p 启动的最大的研发项目，正交频分复用( o r t h o g o n a l f 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 ) 和多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l 邱l e o u t p u t ，m i m o ) 是其无线网络演进的唯一标准。l t e 项目的主要性能目标包括 【3 l ：在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率；改 善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟；支持1 0 0 k i n 半径的小 区覆盖；能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供大于1 0 0 k b p s 的接入服务。从该目 标可以看出高速的上下行速度会对有限的频谱资源造成负担，而且频谱作为一种 不可再生资源变得越来越紧张。现代的移动通信的各项研究工作均把频谱的利用 率放在首位。而l t e 通信标准能够在2 0 m h z 的频谱带宽下能够产生下行 1 0 0 m b p s 和上行5 0 m b p s 的峰值速率的关键是采用有别于传统通信系统的调制技 术。 虽然正交频分复用调制技术具有许多调制技术所无法比拟的优势，但是同时 也存在许多天然的缺点，其中最为典型的就是过高峰值平均功率比( 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 ) 对o f d m 系统造成的影响。相比o f d m 系 统而言，以前的系统多是单载波系统，信号的峰均比大小处于可以忍受的范围以 一种降低0 f d m 系统峰均比融合方法的研究 内。但是对于o f d m 系统，其在时域上表现为多个子载波信号的叠加，当各个 子载波信号存在相同相位时就会出现很高的峰均比，高峰均比会使系统的正交性 受到破坏从而导致系统的性能恶化。在另一方面，如果高峰均比的信号经过 o f d m 调制在通信设备中传输，为了减小失真，那么o f d m 系统所用的功率放 大器就必须需要高度线性和很大的回退，这会大大降低放大器的功率效率，而且 不利于通信终端的微型化，这就限制了o f d m 技术在便携和移动设备上的应用 【4 】。 目前采用0 f d m 技术带来的高峰均比的问题已经成为限制其技术发展的主 要瓶颈之一，因此如何降低峰均比已经成为国内外研究的学者研究的热点。 1 2 研究现状和发展趋势 o f d m 作为一种多载波调制系统具有频谱利用率高、抗多径干扰与抗频率 选择性衰落能力强、支持非对称业务等优点。其实早在上个世纪六十年代，o f d m 调制的思想就已经提出，但是由于当时采用的是模拟滤波器会限制系统实现的可 行性，所以o f d m 调制技术一直当作理论方案进行研究而没有应用在任何的无 线标准中，但是随着s b w e i n s t e i n 提出用离散傅里叶变换实现多载波调制【5 1 ， 替换原来使用模拟滤波器的设计方案，这就大大增加了系统实现的可能性，后来 lj c i m i n i 博士将o f d m 理念运用于蜂窝移动通信系统中来，并且随着芯片处 理速度的快速增长，为当代o f d m 无线通信系统的发展奠定了坚实基础【6 l 。 降低峰均比技术的研究是随着移动通信业务的兴起，o f d m 实现技术逐渐 成为研究热点而开始被关注的。国外对抑制峰均比技术的研究早在2 0 世纪9 0 年代初期就开始了，国际上一些知名大学和研究机构的研究人员开始把降低 0 f d m 系统的p a p r 作为研究的主要方向之一。国内在9 0 年代末期才开始这方 面的研究与探索。目前降低o f d m 系统p a f r 的方法大致可分为三类【7 】：限幅类 方法、概率类技术和编码类技术。 ( 1 ) 限幅类技术 限幅类技术是最简单最直接降低o f d m 信号峰值功率比的方法。在发射端， 信号进入功率放大器之前先对信号进行非线性处理，对高的峰值直接进行限幅， 使其峰值减小到放大器等器件的线性范围之内，避免器件的非线性给信号造成损 2 江苏大学硕士学位论文 害。虽然限幅类方法是最为简单的降低o f d m 系统的方法，但是由于采用的是 非线性方法会使o f d m 信号产生较高的误码率，产生过大的带外频率弥散以及 带内干扰噪声。目前针对限幅类方法的缺点，国内外学者也进行了许多改进。 1 9 9 7 年国外学者g a t h e r e ra 和p o l l e ym 提出用载波抑制峰值的方法对传统 限幅方法进行改进，其主要思想是当o f d m 信号的峰值功率出现时，添加一些 多余的子载波，这些子载波不用来传送数据，而是传送一些已设计好的能抑制和 抵消峰值的信号，这样经过逆傅里叶运算之后，载有原始信息的子载波和添加的 子载波进行叠加，这样就能够抵消掉信号的高峰值，达到抑制系统p a p r 的作用 8 1 。2 0 0 8 年东南大学的柴丽娟、王向阳等，针对传统限幅误码率高的问题，采用 重复滤波的方法来降低系统的峰均比。系统的误码率是由限幅噪声所引起的，并 且限幅噪声平均的分布在整个频带内，通过均匀在在信号中插入大量的o ，从而 在经过限幅处理之前有更多的信号点数来进行o f d m 调制，这样就可以让限幅 噪声平均地分布在这些点数上，此时落在真实信号上的限幅噪声要小于传统的限 幅方法，接着通过对这个过程进行循环处理，从而达到降低p a p r 和误码率的目 的。 2 0 1 0 年哈尔滨工业大学的苏雁泳、吴明华等采用软限幅模块对o f d m 信号 进行限幅，软限幅模块的基本思想就是，把经过限幅之前的时域离散信号分成以 块为单位的数据，分别计算每一块的平均功率，然后在根据每一块的平均功率和 当前的限幅率得出该块数据的限幅门限，这样把数据分成以块为单位分别进行限 幅就会根据信号的具体情况采用不同的限幅门限，大功率信号采用较大的限幅门 限，小功率信号采用较小的限幅门限，从而达到降低系统误码率的目的f 1 0 1 。诸 如此类的国内外研究方法还有很多，虽然这些方法在一定程度上确实能够改善系 统的误码率性能，但是都是以损害系统来降低p a p r 性能为代价的。这些改进的 方法是在误码率和降低系统p a p r 性能之间找一个平衡点，在这两个性能之间做 了一个折中。 ( 2 ) 概率类技术 概率类技术降低o f d m 信号的p a p r 与限幅类技术有本质上的区别，这类 技术并不是着眼于降低信号峰值的最大值，而是降低峰值出现的概率。o f d m 信 号出现较大峰值的原因在于多个子载波信号的叠加，如果可以用多个序列来表示 3 一种降低0 f d m 系统峰均比融合方法的研究 同一组要传输的信息，那么可以针对给定的门限，选择出峰均比最小的一组序列 进行传输，从而有效的降低o f d m 信号峰值出现的概率。目前最为典型的概率 类技术有选择映射方法和部分传输序列方法( p a r t i mt r a n s m i ts e q u e n c e ，i r i s ) 两 大类【1 1 l 。选择映射方法的基本思想是，把经过映射的的复数序列重复复制成多组， 接着使这多组重复的序列同时乘以随机的相位，然后再对这多组信号分别进行之 后的逆傅里叶运算使其变为时域离散信号，最后从这些经过逆傅里叶运算之后的 多组时域信号中选择出系统p a p r 值最小的那一组进行传输，从而达到降低系统 峰均比的目的。部分传输序列方法与选择映射方法相比稍微的复杂，它的基本基 本思想是，把经过映射的复数序列，分成等长的数据块( 不足的时候用0 来填补) ， 然后分别对这些数据块进行逆傅里叶运算，是这些复数序列块全部变为时域离散 信号，根据每个逆傅里叶模块输出的信号的幅值再继续进行相位优化，避免大峰 值信号的相位和大峰值信号的相位相同，尽量使大峰值信号相位和小峰值信号的 相位相同，之后再把每块信号进行叠加，使大峰值信号和小峰值信号相互抵消， 从而抑制了大峰值信号的出现降低了系统的峰均比。 采用这些类似的概率类技术降低系统峰均比的好处是不会使信号产生额外 的失真，从而不用担心误码率的问题，可以直接使用，但是概率类技术同样有其 自身的缺点，比如降低系统p a p r 性能不明显、计算复杂度高的问题。针对这些 缺点，国内外学者同样也做了大量的研究。比如2 0 0 0 年国外学者j a y m m h a ds t e u a m b u r ac 提出用交织法对传统概率方法进行改进，这种方法的利用一组交织 器来替换旋转相位序列集，每个交织器对一组符号的块进行操作( 重组火改变序 列) ，从所得到的不同序列的数据块，选择出p a p r 最小的一组进行传输【1 2 1 。2 0 0 8 年我国重庆邮电大学的鲁景锋、文武提出用遗传方法对传统的i t s 方法进行改 进，p t s 方法的关键在于权重因子的选择，把改进后的遗传方法应用在i t s 方 法的权重因子的选择上面，不仅简化了计算的复杂度，同时也优化了权重因子增 强了抑制p a p r 的性斛1 3 1 。这些改进的方法大多只是针对概率类方法的复杂度高 的问题。虽然这些改进的方法能够降低方法的复杂度，但是不能有效的解决概率 类方法降低p a p r 性能不明显的缺点，甚至会进一步降低系统的抑制p a p r 的性 能。这些关于概率类方法的改进重点只是着眼于克服系统的高计算复杂度，并不 能解决抑制p a p r 的性能不明显的缺点。 4 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 编码类技术 编码类方法的基本原理是利用编码产生p a p r 较小的o f d m 符号，避免使 用那些会生成大峰值功率信号的编码图样。这类方法的优点是降低峰均比的性能 较为稳定，这类方法的缺陷在于，可供使用的那些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。鉴于以上的优缺点，编码法适合于子 载波数量较少，频带较宽，需要有稳定性能的系统1 1 4 1 。 虽然有各种降低o f d m 系统峰均比的方法被提出，但我们必须清楚，目前 没有任何一种方法能够在降低峰均比的同时，既能够有较低的计算复杂度，也具 有较低误码率的优点。目前单一的改进的某种技术势必会受限于其本身的技术特 点，不能满足特定的实际工程的需要。因此目前研究的热点就是如何将上述的几 种技术进行融合，使其在降低系统p a p r 性能、计算复杂度以及误码率三个方面 达到一个较为理想的平衡点，从而可使其运用在不同的实际环境中。 1 3 论文的研究内容 本论文主要针对o f d m 系统中峰均比较大的问题，进行深入的理论研究和 相关的仿真工作。具体内容如下： ( 1 ) 针对本文重点研究的o f d m 系统中的峰均比问题，首先分析了o f d m 系统的基本原理，包括了o f d m 系统的相关背景、基本模型以及一些相关的技 术。在此基础上引出峰均比的相关概念以及o f d m 系统存在较高峰均比的原因 以及对系统产生的影响。最后详细分析了p a p r 的统计特性，从而得出衡量抑制 系统峰均比好坏的互补累积分布函数( c o m p i e m e n t a r yc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o n f u a c t i o n , c c d f ) 曲线图，为后面的仿真工作给出理论依据。 ( 2 ) 较为详细地分析了传统的降低o f d m 系统峰均比的三种方法，并且通 过m a t l a b 仿真软件分别对传统限幅和选择映射这两种抑制p a p r 的方法进行仿 真。在限幅方法中分析限幅门限对误码率产生的影响，在选择映射方法中分析不 同的支路数对p a p r 产生的影响。 ( 3 ) 针对传统限幅类方法误码率高的缺点，本文提出一种改进的限幅类方 法来抑制o f d m 系统的峰均比，并且通过对其性能的仿真，验证了这种改进的 限幅方法在损害抑制p a p r 性能不大的情况下，能够在一定程度上改善系统的误 5 一种降低0 f d m 系统峰均比融合方法的研究 码率的问题。之后继续分析了这种改进限幅方法的技术瓶颈，为下面的改进工作 提供了理论依据。 ( 4 ) 由于改进的限幅类方法不能同时改善p a p r 性能和误码率性能，针对 这个问题，本文首先提出一种初步的融合方法，这种融合方法综合了限幅类技术 和概率类技术的特点，力求同时改善系统误码率和p a p r 的性能，并且通过仿真 验证了此方法的有效性。接着本文又针对上述初步融合方法的复杂度问题，提出 一种新型融合方法，该方法利用伪随机m 序列对上述融合方法的s l m 模块进行 改进从而降低了系统的复杂度。最后通过仿真，验证了新型融合方法能够同时在 p a p r 性能，误码率性能还有复杂度三个方面表现出优势。 ( 5 ) 新型融合方法的的提出并不意味着这种方法就能够应用在实际工程 中，因为新方法有两个参数是需要选择的，一个是s l m 模块的支路数的选择问 题，还有一个就是改进限幅方法幅值区域的选择问题，因此本文继续通过实验的 方法分析比较不同参数对性能造成的影响，最后选择出效果较好的参数区域，以 便于实际工程作为设计依据。 1 4 论文的组织结构 本论文主要围绕o f d m 系统中降低峰均功率比技术展开研究的。论文的章 节安排如下： 第一章主要介绍了本课题的研究背景和意义，分析了国内外的研究现状和发 展趋势，进而引出本论文的主要研究内容和结构安排。 第二章概述了o f d m 技术的基本概念和原理。首先阐述了o f d m 系统峰均 比的问题，分析了o f d m 产生较高峰均比的原因以及危害，其次分析了o f d m 系统峰均比的定义和分布，并且给出了衡量系统峰均比的标准。 第三章详细研究分析了三种传统的降低系统峰均比的方法：限幅类方法、概 率类方法和编码类方法。分析了这三种方法的技术特点以及各自的优缺点，并对 上述的限幅类和概率类的传统方法分别进行了m f l a b 仿真和性能的分析。 第四章提出抑制p a p r 的新方法。首先针对传统的限幅类方法误码率的缺 点，利用分类限幅的思想对限幅类技术进行改进，又针对限幅类技术误码率和 p a p r 性能之间的矛盾，提出一种新型的融合方法，并且通过仿真方法来验证该 6 江苏大学硕士学位论文 方法的有效性，最后针对这种融合方法的复杂度问题，再利用m 序列对这种融 合方法的s l m 模块进行改进，从而提出新型融合方法的最终方案，并且通过仿 真说明这种新型的方法能够在p a p r 、误码率还有复杂度三个方面达到理想的性 能表现。 第五章利用仿真的方法调节新方法的两个参数，目的是得出新方法性能的最 优参数集合，便于在实际问题中方便使用。 第六章对本文在课题中所做的工作进行全面总结，并根据自己的研究成果和 现实条件，指出了今后需要做的进一步工作。 7 一种降低o f d m 系统峰均比融合方法的研究 第二章o f d m 的基本原理与p a p r 问题的分析 o b - i ) m 是第四代移动通信系统l t e 下行所采用的传输方案，在无线频谱资 源日益匮乏的今天，采用o f d m 调制技术能够保证在高速率数据通信的同时实 现较高的频谱利用率。但是o f d m 系统出现较高的峰均比会破坏系统的正交性 而导致系统崩溃。本论文研究的是抑制高峰均比的方法，因此接下来首先介绍 o f d m 的基本原理，了解采用o f d m 技术时会出现较高p a p r 的原因，然后紧 接着介绍峰均比的概念以及高的峰均比对系统造成的影响，最后分析峰均比的统 计特性，从而得出衡量峰均比的标准。 2 1o f d m 调制的基本原理 2 1 1f d m 与o f d m 比较 传统的频分复用系鲥1 5 1 ( f 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 ，f d m ) 将频带分 成若干个互不重叠的子频带来并行传输数据。为了避免子频带间的相互干扰，通 常加入保护间隔，如图2 - 1 所示。接收端采用带通滤波器组将数据信息进行分离 和提取。这种多址方式的最大缺点就是频谱利用率低，且多个滤波器的实现也较 为复杂。 保护间隔 图2 - 1 传统频分复用调制技术 o f d m 与f d m 技术十分相似。与f d m 基本原理相同，o f d m 把高速的数 据流通过串并转换，分配到速率相对较低的若干子信道中进行传输，不同的是， o f d m 系统的每个子载波间相互正交，而且每次子载波的频点和相邻载波的零 点是相互重叠的，即频谱之间有1 2 的重叠。在接收端可以通过相关的解调技术 分离出来，避免使用带通滤波器组【1 6 1 ，同时使频带效率提高了近一倍。图2 2 显 r 江苏大学硕士学位论文 示了正交频分复用技术利用子载波间的正交性来节省频谱资源的示意图。 图2 - 2 正交频分复用调制技术 2 1 2o f d m 的基本原理和系统框图 通过上述比较f d m 和o f d m 特点，我们知道最简单的频分复用方式是将并 行传输的数据分别调制到有频率保护间隔的载波上，这些载波的间隔应该保证没 有频率混叠的出现。在无线频谱资源日益匮乏的情况下，这种实现方式无疑是很 不经济的。因此为了提高频率资源的利用率，可将各个子信道的频谱部分重合， 在接收端同时用相关滤波器在码元期间接收相应的子信道信号，只要其他子信道 信号与这个本地相关信号在码元期间正交即可排除其他子信道的影响。 典型的正交信号如： 1 ，c o s d t ，c o s 2 d t c o s m d t s i n d t ，s i n 2 d t s i n n d t ，它 们在【0 ，叼，t = 2 万q 内组成正交函数集。o f d m 所发送的信号就是由这样一组 正交信号作为子载波，码元周期为t 的不归零方波作为基带码型调制而成的。 接收机也可以由这样一组正交信号在f 0 ，1 r 1 内分别与发送信号进行相关运算从而 实现解诫1 7 1 。 信道 图2 - 3o f d m 系统的调制原理图 如图2 3 所示，在调制端，要发送的串行二进制数据经过数据编码器( 如 1 6 q a m ) 形成了m 个复数序列：d ) = a ( 朋) 一j b ( m ) 。此复数序列经过串并转 换器变换后得到码元周期为t 的m 路并行码( 一帧) ，码型仍然选用不归零方波。 9 一种降低o f d m 系统峰均比融合方法的研究 用这m 路并行码调制m 个子载波来实现频分复用。所得到的可由式( 2 - 1 ) 来 * 一 表不： m - l d o ) = 1 4 ( 肌) c o s 2 矾f + 曰( m ) s i i l2 矾f 】 ( 2 - 1 ) 式子中：厶= f o + m 可；a f = i t ，为各频率子载波间的频率间隔；兀为 1 厂r 的整数倍。设倍数为c ，则厶= ( c + m ) r ，各载波相互正交；在解调端d ( f ) 用 频率为，埘的正弦或者余弦信- 尉e o ，司内进行积分运算即可得至l j a ( m ) ，b 仰) ，然 后经过并串转换和数据解码后复原与发送端相同的数据序列【1 8 1 ，如图2 - 4 所示。 信道 _ _ l 积分p 陌矿阻 c o s 蛳) 一一陌习 数 d ( d。 据 叫弘一f ) p s解 调 一一陌习尘她 叫_ l 积分p 图2 - 4o f d m 系统的解调原理图 通常采用复等效基带信号s o ) 来描述o f d m 的输出信号，见式( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 。 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，m 为子载波的个数， t 表示o f d m 符号的宽度，d ( m ) ，( m = 0 工，m 一1 ) 是分配给每个子信道的数据 符号，r e c t = l , t z = 1 一f ( z ) = l - ( 1 - e 1 ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 反映的是o f d m 符号中n 个子载波信号的功率大于门限值的概 率和，即可从这个函数中可看出信号功率的分布情况。如图2 8 所示为不同子载 波数在相同门限下的c c d f 曲线图( m a t l a b ) 。可以看出子载波数目越大，那么 o f d m 系统的峰均比就越高，这是因为子载波数目变大，那么不同的子载波存 在相同相位的可能性就会增大，从而相同相位的子载波进行叠加就会产生较高的 1 6 江苏大学硕士学位论文 峰均比( 2 7 1 。 _ f i l ef d i tv i e wi n s e r ti o o l sd e b u gd e s k t o pw i n d o wh e l l ：, 煮。皤+、一? 9l 口：f ：要口墨习 冀。 1 _ i _ 式g u r e l 萤 赛 垂 琶 蹇 图2 8 不同子载波对应的系统峰均比 2 2 3 高峰均比对系统产生的影响 o f d m 系统中产生高峰均比的主要原因是因为o f d m 信号在时域上表现为 n 个正交子载波的叠加，当这n 个子载波恰好处于相同相位，则峰值点相加将 产生最大的峰值，从而形成高的峰均比。高峰均比带来最严重的影响是在发射端 和接收端的功率放大器上。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，所以当o f d m 系统内这种变化范围较大的信号通过放大器的非 线性区域时，信号就会产生非线性失真，产生谐波，造成明显的频谱扩展干扰以 及带内信号畸变，导致整个系统性能的下降，并且同时还会增加a d 和酬a 转 换的复杂度和降低其准确性。克服这一问题的传统方法是采用大动态范围的线性 放大器，或者对非线性放大器的工作点进行补偿，但是这样所带来的缺点就是功 率放大器的效率会大大降低，绝大部分能量都将转化为热能被浪费掉，这一点在 移动设备中是绝对不允许的【2 8 j 。且采用大动态范围的功放也大大增加了系统成 本，同时也不利于移动终端微型化的发展趋势。因此较大的p a p r 是o f d m 系 统所面临的一个严重问题，必须要考虑如何减小大峰值功率信号的出现，从而避 免非线性失真的出现，第三章将会针对这个问题介绍传统的降低系统p a p r 的三 种方法。 1 7 一种降低0 f d m 系统峰均比融合方法的研究 2 3 本章小节 本章作为研究抑制p a p r 技术的预备知识进行分析，了解这些知识以后可以 更加有针对性的研究抑制p a p r 的技术。本章一共分为两大部分，第一部分主要 阐述了o f d m 的相关知识，包括正交平分复用与传统频分复用的区别、正交平 分复用的基本原理和系统框图以及一些相关信号处理技术。第二部分主要介绍了 峰均比的相关知识，首先介绍了峰均比的概念，接着说明峰均比的统计特性，从 而引出衡量峰均比的标准c c d f 曲线图，最后说明了在o f d m 系统高峰均比存 在的原因以及对系统产生的危害，从而了解到研究抑制p a p r 技术的必要性。 江苏大学硕士学位论文 第三章传统抑制p a p r 方法的仿真与分析 能否降低o f d m 信号峰均比是o f d m 系统大规模应用的前提之一，必须采 用适当的技术降低o f d m 符号的峰均比。目前解决峰均比问题的方向有两个【2 9 1 ， 一个是提高功率放大器性能，另一个是降低信号自身的峰均比。可以很清楚的得 知，单纯提高功率放大器性能，增加功放的线性区，提高回退量是不现实的，因 为这样会大幅度提高功放成本，而且一味提高功放性能也不利于通信终端的微型 化。另一种方法就是从o f d m 信号p a p r 过高的问题本质出发，寻找降低o f d m 峰均比的方法，也就是降低信号的峰均比，这个思路也是目前比较现实并且具有 很好效果的一个方法，本章将分析这三种方法。 3 。1 限幅类方法的分析 o f d m 系统中高峰均比问题是因为o f d m 信号中存在高峰值功率而引起 的，所以抑制这些高峰值功率的出现是解决峰均比问题的最直接有效的办法，限 幅类技术就是这种方法的代表。限幅类方法是解决o f d m 系统峰均比问题的最 简单有效的方法，其原理是，在发射端信号进入功率放大器之前，用一个平均的 门限值截取掉系统中较高的峰值。由此可以看出，限幅类方法抑制o f d m 系统 p a p r 的过程是一个非线性过程，尽管限幅类方法简单有效易实现，但是使用该 方法会引起高峰值信号点的幅值畸变，带来严重的限幅噪声，影响系统发射机的 性能，最终给系统带来严重的误码率。因此限幅类方法是以误码率为代价来降低 系统p a p r 性能的。下面详细分析一下限幅类方法的基本原理以及使用该方法带 来的误码率问题。 3 1 1 限幅类方法的基本原理 传统的限幅类f 删方法的具体操作就是把经过琢f t 变换后合并信号的包络峰 值限制在一个设定好的门限之类，从而减少因为高功率放大器处于饱和状态时引 起的非线性失真。假设信号的限幅门限为k ，输入信号为( 时域离散信号 点集) ，则经过限幅后的信号表示为： 1 9 一种降低0 f d m 系统峰均比融合方法的研究 毫= 舛， k i k h k 3 m 其中，= a r g x 。】，表示信号的一个相位函数，限幅过程就是把o f d m 符 号中的每一个信号都和限幅门限a 一作比较，如果信号值小于限幅门限则维持不 变，若大于限幅门限，信号的幅值为限幅门限和一个相位因子进行相乘，相位因 子的作用是保持信号的相位不发生变化【3 1 1 。图3 - 1 给出了限幅类方法的原理示意 图。 信号幅值 限幅之前限幅之后x n 信号 图3 1 传统限幅不恿图 该限幅的处理过程是发生在o f d m 符号进行快速逆傅里叶变换i f f t 叠加之 后( i f f f 运算的原理：首先复数序列墨一z t 分别乘以随机相位的子载波，相当 于对复数序列进行模拟调制，接着这些随机相位的子载波进行叠加形成不规则的 时域波形，最后对该时域波形进行采样，形成时域离散信号点为鼍一毛，如果当 过采样倍数为2 的时候，此时万= 2 x k ) ，具体的限幅框图如图3 2 所示，似) 表 示经过1 6 q a m 映射的复数序列数组，它包含数据为，x ：，x t 这k 个复数 序列，接着进行串并转换，把这k 个数据分别对应到k 个支路上，经过兀 运 算之后变为n 路的时域离散信号，通过并串转换的处理从而得到时域离散信号点 集 毛) ，它包含“，x 2 ，) 这n 个数据点，接着对该时域离散信号点集 进 行限幅处理，根据信号的平均功率和限幅率计算出限幅门限k ，再把每一个信 号数据点的幅值与门限值进行比较，取较小的值，从而完成了一个限幅的过程， 2 0 江苏大学硕士学位论文 限幅之后的信号点集为 毫 ，限幅完成后的信号在信道中进行传输。 x l 。而 鼍 以) 串并 ) ( 2 。k 并串 - - 限幅 i f f t r 转换 ： 转换处理