（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中的par抑制——slm和pts的混合算法研究.pdf

o f d m 系统中的p a r 抑制 s l m 和p t s 的混合算法研究 研究生：王莉 通信与信息系统专业 指导教师：徐家品 近年来，移动通信技术快速发展，正从单纯的语音时代向语音、数据、网 络业务融合的多媒体时代过渡，并逐步成为人们生活中不可缺少的组成部分。 1 g 、2 g 属于窄带移动通信，而即将商用的3 g 在理论上也只是属于窄带多媒 体通信，业界人士正将目光投向第四代移动通信，而正交频分复用( o f d m ) 技术正是4 g 的核心技术。 o f d m 技术是一种具有很强抗多径衰落、码间干扰和窄带干扰能力，以及 很高频谱利用率的高效数据传输技术。但该技术也存在两大缺点：即对频率偏 移和相位噪声的敏感性，和固有的很高的蜂值平均功率比( p a r ) 。 本文在介绍o f d m 理论的基础上，专题讨论了抑制高峰值平均功率比的 三类主流技术：信号预畸变技术( 限幅滤波、窗函数和压扩技术) 、信号编码 技术( g o l a y 互补序列的r e e d m u l l e r 编译码算法) 和信号扰码技术( 选择性 映射技术、部分传输序列技术和选择性扰码) 。上述技术都存在一定的局限性， 国内外至今还没有一种技术，能够在对p a r 的抑制、计算量、复杂度、系统 性能等诸方面同时取得较好的效果。 笔者针对抑制p a r 这一难题展开研究，提出了一种基于选择性映射和部 分传输序列的混合算法。该算法采用选择性映射与部分传输序列相位加权系数 不同优化算法的结合，在实现对p a r 抑制能力有所提高的同时，对系统复杂 度和计算量进行了较好的折衷：同时引入门限控制算法以减小系统延时，在系 统边带信息量较大的时候使用了t c a 的混合系统可以比传统的p t s 和s l m 更能有效地抑制p a r 并减小系统的计算量。最后通过m a t l a b 仿真，其结果 验证了该混合算法的理论研究预期效果。 关键词：正交频分复用( o f d m ) ，峰值平均功率比( p a r ) ，选择性映射 ( s l m ) ，部分传输序列( p t s ) ，混合算法 p a rr e d u c t i o no fa no f d m s y s t e m ah y b r i da l g o r i t h m u s i n gs l m a n dp t s m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m g r a d u a t e ：w a n gl i s u p e r v i s o r ：x uj i a p i n t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sd e v e l o p e dm u c hf a s ta n di sb e i n gc a r r i e do u tt h e t r a n s i t i o nf r o ms i m p l ev o i c ee r at ot h em u l t i m e d i ae r f lt h a tt h ev o i c e ；d a t a , n e t w o r kb u s i n e s s i sb e i n gm e r g e d ，a n dh a sp l a y e dm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e si np e o p l e s d a i l yl i f e i g ， 2 ga r eb o t hn a r r o w b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 。a n d3 gw i l lb e o n l y an a r r o w b a n d m u l t i m e d i ae r ai nt h e o r y ，n o wt h ep u b l i ch a v et u r n e ds i g h tt ot h ef o u r t hg e n e r a t i o no f m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，w h i c hj u s tu s e so 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 ) a s t h ek e yt e c h n o l o g y o f d mi sa ne f f e c t i v ed a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yw h i c hc a nb ea g a i n s tm u l t i p a t h p r o p a g a t i o n ，i n t e r - c o d ei n t e r f e r e n c ea n dn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ，a n di ta l s oah i g hs p e c t r a l e f f i c i e n c y h o w e v e r , o f d mh a si t st w om a i nd r a w b a c k s ：i ti sm o r es e n s i t i v et of r e q u e n c y o f f s e ta n d p h a s en o i s e ，a n di th a si n h e r e n tv e r yh 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 r ) t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h r e ek i n d so f m a j o rt e c h n o l o g i e st or e d u c eh i g hp a ro nt h eb a s i s o ft h ep r i n c i p l eo fo f d ms y s t e m ：p r e - d i s t o r t i o n t e c h n o l o g yt e c h n i q u e s ( c l i p p i n ga n d f i l t e r i n g ，p e a kw i n d o w i n ga n dc o m p a n d i n gt e c h n i q u e ) ，c o d et e c h n i q u e s ( r e e d - m u l l e rc o d i n g a l g o r i t h mo f g o l a yc o m p l e m e n t a r ys e q u e n c e ) ，a n ds c r a m b l i n gt e c h n i q u e s ( s e l e c t e dm a p p i n g ， p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c ea n ds e l e c t i v es c r a m b l i n 曲，t h e s et e c h n i q u e sh a v es o m ec e r t a i n l i m i t a t i o n s t h e r ei sn od o m e s t i ca n do v e r s e at e c h n i q u ec a ng e ta l lg o o dr e s u l ti nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ：r e d u c i n gp a r ，c a l c u l a t i n ga m o u n t ，c o m p l e x i t y ，s y s t e mp e r f o r m a n c e s oa i m i n ga ts o l v i n gt h ep r o b l e mo fp a rr e d u c t i o n ，t h ea u t h o rp r o p o s e dah y b r i d a l g o r i t h mt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo fp a r r e d u c t i o ns y s t e mb yu s i n gt h es l mm e t h o da n d t h ep t sm e t h o dw i t ht h ed i f i e r e n tp h a s es e a r c h i n ga l g o r i t h m s t h er e s u l t so b t a i n e di n d i c a t e t h a tt h ep a ra n dt h ec a l c u l a t i n ga m o u n to fs y s t e mc a r lb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e dw h i l et h e s y s t e mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nc a nb en e g l i g i b l e t h e np r o p o s e dat h r e s h o l dc o n t r o l a l g o r i t h m ( t c a ) f o rt h ef u r t h e rr e d u c i n gp r o c e s s i n gt i m ei nt h es c h e m e w es h o wt h a tt h e h y b r i ds y s t e mw i t ht h et c ah a sa na d d i t i o n a lc a p a b i l i t yf o rt h eu s eo fal a r g en u m b e ro f s i d ei n f o r m a t i o nb i t sr e s u l t i n gi nb e t t e rp a rr e d u c t i o ne v e nc o m p a r e dt ot h ep t sa n dt h e s i m k e y w o r d s ：o f d m ，p a r ，s l m ，p t s ，h y b r i da l g o r i t h m 2 四川大学碗_ j j 学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信的发展历程 现代移动通信自2 0 世纪2 0 年代诞生以来，经历了漫长的过程，7 0 年代后 才开始其快速发展时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话 系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状模拟移动通信网：同时，其他国家也相继建成 了自己的移动通信网，如英国的t a c s ，前西德的c 一4 5 0 ，日本的n 丌等，这 也就是最初移动通信系统的雏形，俗称第一代移动通信系统( 1 g ) 。此后一方 面随着微电子技术的迅速发展，使得通信设备能够实现小型化、微型化：另一 方面提出并形成了移动通信新体制，即贝尔实验室在7 0 年代提出的蜂窝网的 概念；第三方面是大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术的日趋成熟以 及计算机技术的迅速发展，这些使得大型的通信网的管理和控制有了技术支 撑，从而加速了移动通信的发展。 由于第一代移动通信存在着很多缺点和不足，比如终端设备携带不便、通 话质量不高、用户数量受限、系统维护费用昂贵等，促使在8 0 年代中期欧洲 率先推出了全球移动通信系统( g s m ) ，随后美国和日本又提出了c d m a 码 分多址无线接入技术，g s m 和n c d m a 这些目前主流的数字移动通信系统就 是第二代移动通信系统( 2 g ) 。第二代移动通信系统主要针对话音通信和低速 率数据业务，以时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 为主要的多址方式。 随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，提出了2 5 g 的概 念，即g p r s 、e d g e 和c d m a1 x 。2 5 g 是介于2 g 和3 g 之间的过渡技术， 在g s m 的基础上使得数据速率能够得到一定的提高，增加了移动终端与互联 网的互连。但是2 5 g 的商用也不能完全满足用户对于高速率和新增值业务的 需求，3 g 时代的来临势不可挡。于2 0 世纪8 0 年代中期开始研发的第三代移 动通信系统有l o 个陆地标准，其中以欧洲的w c d m a 、北美和日本的 c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 为三大主流标准，从技术层面来看，3 g 主 要是以c d m a 为核心技术的。3 g 能够实现与2 g 的平滑过渡，能支持多媒体 业务，在高速移动环境中支持1 4 4 k b p s ，步行慢速移动环境中支持3 8 4 k b p s 以 及室内支持2 m b p s ，并提供全球漫游。但是业界认为3 g 离真正的宽带网络还 有一定的距离，3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心 网结构，3 g 只是一个从窄带发展到未来宽带移动通信网络的一个过渡阶段。 四川大学硕士学位论文 3 g 尚未投入运营，业内人士已经将目光投向了4 g 后3 g ( b e y o n d3 g ) ， 这个未来的移动通信系统在理论上可以实现容纳庞大的用户数，改善现有通信 品质，实现数据的真正高速传输等需求，从技术层面来看，4 g 移动通信系统 则是以正交频分复用( 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 ) 为核心技术的。 目前已经提出了第五代移动通信系统( 5 g ) ，认为这将是移动通信发展到 较高程度之后实现的m t o m ( m a c h i n e - t o m a c h i n e ) 之间的通信，即通信的智 能化。当然，这种提法目前还处于萌芽阶段，真正的研究与开发方兴未艾。 1 24 g 的必要。l 生和必然性 一直以来，个人通信( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ) 是通信所追求的极限目 标，即能够实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时间( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o e v e r ) 进行任何信息( w h a t e v e r ) 的交换。移动通信系统通过 不断的升级换代来实现这个终极目标，技术发展和市场推动是这种升级换代的 双重动力，技术的发展作为其支撑的平台，而市场推动才是其源动力。 众所周知，即将来临的3 g 时代尽管比起现有的g s m c d m a1 x 网络有一 定的改进，会有一些前所未闻的业务诞生，会很大程度地丰富人们的生活，并 逐步改变人们现有的生活模式。但实际上，3 g 只是一个窄带多媒体时代，它 在带宽宽度、数据速率、增值服务方面都还没有达到真正意义上的宽带网络的 要求，它只是从现有网络向真正的多媒体时代过渡的产物。那么理想的多媒体 时代会有哪些特征呢i l j ： ( 1 ) 用户速率在准静止( 低速移动和固定) 情况下达到2 0 m b p s ，在高速 移动情况下达到2 m b p s ： ( 2 ) 容量要达到第三代系统的5 1 0 倍，传输质量优于第三代系统： ( 3 ) 条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统； ( 4 ) 具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量； ( 5 ) 网络每比特成本要比第三代低。 移动通信技术的发展对运营商和用户所有的奢求提供了一种可能实现的 保障，因此上述性能都有望在第四代移动通信系统中得以实现，4 g 是多媒体 业务赖以生存的土壤，4 g 的演进是众望所归且势不可挡的。正如前面所占， 4 g 是以o f d m 为核，d 技术的。 2 阳川大学硕十学位论文 1 3o f d m 的现状及技术特点 f 交频分复用( o f d m ) 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期；6 0 年代形成了 并行数据传输和频分复用的概念，被应用于军用的无线高频通信系统，包括 k i n e p l e x 、a n d e f t 、k n t h r y n 等，但由于o f d m 系统的结构复杂性， 从时限制了其进一步推广；1 9 7 0 年初首次公开发表了有关o f d m 的专利，7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 采用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现多个载波的调制和解 调，简化了系统结构，不再要求使用予载波振荡器组以及相干解调器，可以完 全依靠执行快速傅立叶变换( f f t ) 的硬件来实施，使得o f d m 技术更趋于 实用化；8 0 年代，人们研究如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m ；进入9 0 年代以来，o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。 目前o f d m 技术由于其传输速率可达1 0 m b i t s 2 0 m b i t s 且能克服频率选 择性衰落和窄带干扰，已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信 系统，主要的应用包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的数字 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 ) 、基于 i e e e 8 0 2 ，1 1 标准的无线局域网( w l a n ) 等，这些应用都利用了o f d m 可以 有效地消除信号多径传播所造成符号问干扰( i s i ) 这特征。1 9 9 9 年1 2 月， 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 家公司发起了国际o f d m 论坛，致 力于策划一个基于o f d m 技术全球性单一标准。现在o f d m 论坛的成员已增 加到4 6 个会员，其中1 5 个为主要会员。我国的信息产业部也已参加了o f d m 论坛，可见o f d m 在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。2 0 0 0 年11 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组提议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 的物理层( p h y ) 标准。随着i e e e 8 0 2 ，1 1 a 和b r a n h y p e r l a n 2 两个标准在局 域网的普及应用，o f d m 技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域 作出重大贡献。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。 o f d m 在国外已经比较成熟了，国外关于o f d m 的芯片已经量产了。然 而国内还没有真正意义上的实用系统，所以还值得继续研究。清华大学等一些 单位参与的中国的d m 卜b 标准的难产，充分说明了我们对o f d m 的研究还 有待深入。 正交频分复用( o f d m ) 是多载波传输的特例，一个高速的数据流用多个 四川大学硕士学位论文 低速的子载波进行传输。由于超大规模集成电路( v l s l ) 的进步，使得高速 大规模的快速傅立叶变换( f f t ) 芯片成为可能，o f d m 技术也成为了商用高 速宽带无线通信技术的主要候选。此外，o f d m 技术还拥有许多独特的性质 使得它颇具吸引力：由于低速并行子载波上符号速率的增加，o f d m 技术可 以对抗多径衰落和码间干扰；o f d m 技术通过运用自适应调制和子载波上的 功率分配技术有效地利用了射频频带资源，而这些都可以用可编程数字信号处 理器实现；由于窄带干扰只能作用于子载波的一小部分，o f d m 技术因而具 有了抗窄带干扰能力；与其他宽带接入技术不同，o f d m 技术无需连续的带 宽资源等等，这些都是以o f d m 为核心技术的4 g 移动通信系统具有，其他 系统无法比拟的特点。但是，正因为o f d m 系统内有若干正交子载波，该系 统极容易对频率偏差敏感，在传输过程中出现无线信号的频率偏移或发射机与 接收机本地振荡器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，产生子载波间干扰( i c i ) ；同时系统固有的较高的峰值平均功率 比( p a r ) ，会降低射频放大器的功率利用率，因为多载波系统的输出是多个 子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致，那么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。这就对发射机内放大器的线性提出了 很高的要求，否则会带来信号畸变，使信号频谱发生变化，从而导致各个予信 道阳j 的难交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。这两个缺点尤其是后 者对于o f d m 系统的应用存在着致命的打击，因此抑制高的峰值平均功率比 就成为了自研究o f d m 系统以来的热点讨论话题。 1 4 国内外对o f d m 系统抑制峰均比研究的现状 国外对于抑制峰均比的研究早在2 0 世纪9 0 年代初期就开始了，而国内则 在9 0 年代末期才开始这方面的探索。 目前抑制峰均比有三类主流的方法，即信号预畸变、信号编码和信号扰码。 信号预畸变是通过限制幅度来减小o f d m 信号的p a r ，包括限幅滤波、峰值 窗和压缩扩展；信号编码是在其发送端只发送低p a r 的o f d m 信号，通过编 码来摒弃高p a r 的信号，包括g o l a y 互补序列的编译码、块编码、m 序列等； 信号扰码即是对要传输的数据进行处理变换使发送端输出信号出现大幅值的 概率降低，主要有选择性映射( s l m ) 、部分传输序列( p t s ) 和选择性扰码 ( s e l e c t i v es c r a m b l i n g ) 三种技术。因为o f d m 信号是经过i f f t 变换后得到 4 叫川大学硕l 学位论文 的，所以抑制峰均比的技术也可根据在i f f t 变换前后实施来粗略地归为两类： 信号编码和信号扰码都属于在i f f t 变换前采用的技术，而信号预畸变技术则 属于在i f f t 变换后采用的技术，这在第三章中详细介绍这些技术时会得到具 体的体现。 除了上述三类主流的方法之外，还有一些额外的技术被提出以抑制高的峰 值平均功率比，如比特或符号间插、载波干涉等。但是至今还没有一种技术得 到业界的一致认同，各种技术都能在特定的条件下取得较好的抑制峰均比的结 果，但是都有一定的局限性。信号预畸变技术是最简单的一类技术，具有较好 的实用性，但是它会对o f d m 信号的非线性畸变会影响整个系统的性能，使 其误码率增大；信号编码方法能够获得较为稳定、简单的系统，降低峰均比的 性能也较为稳定，但是随着子信道数的增加，系统吞吐量会严重下降，频带利 用率降低，使得o f d m 的优点不能显现，因此编码方式只适合于子信道数量 较少，需要有稳定性能的系统；信号扰码技术是三类技术中对系统性能影响最 小的，同时能够获得较好的对峰均比的减小效果，但是边带信息的传输和处理 不可避免地增大了系统的复杂性，也就降低了系统实现的可能性。目前抑制峰 均比的一个趋势是对现有技术的改进和综合运用，如改进的s l m 算法、改进 的p t s 算法、综合限幅滤波和压扩技术的压扩变换等，但是在取得较好的系 统性能的同时，系统复杂度是一个不可忽视的问题，复杂算法不能满足通信实 时性的要求。所以低复杂度算法的研究应该是一个方向。 目前这些方法都不能很好地抑制o f d m 系统固有的高峰均比，所以对抑制 峰均比的研究还任重而道远。 1 5 混合算法研究及本论文的结构安排 笔者基于对系统p a r 的抑制能力和系统复杂度的双重考虑，提出一种基于 选择性映射和部分传输序列的混合算法来抑制峰均比，提出s l m 和p t s 不同 相位加权系数优化算法的结合来实现预期的结果，在理论阐述之后通过仿真结 果来指出该混合算法的确能在不影响甚至提高峰均比抑制能力的条件下，在系 统复杂度和计算量之间取得一个较好的折衷效果。 本文首先通过绪论部分介绍了该课题的背景；接着详细介绍了o f d m 技术 的基本原理和结构、优缺点及其应用，并提出了峰值平均功率k g ( p a r ) 的基本 概念、计算方法以及o f d m 系统内峰值平均功率比的分布。第三章是对抑制 四川大学硕士学位论文 峰均比的三类方法的详细阐述，具体介绍了信号预畸变技术，包括限幅滤波、 峰值窗和压缩扩展：编码技术，具体讨论了g o l a y 互补序列的编译码算法；信 号扰码技术，将具体介绍选择性映射( s l m ) 、部分传输序列( p t s ) 和选择 性扰码技术。阐述将包括上述方法的原理和结构框图，横向和纵向的对峰均比 的抑制效果比较；在此基础上第四章详细介绍笔者提出的基于选择性映射与部 分传输序列部分的混合算法，在该混合算法的最后引入门限控制算法以减小系 统延时，在系统边带信息量较大的时候使用了t c a 的混合系统可以比传统的 p t s 和s l m 更能有效地抑制鼢氓并减小系统的计算量。文中都将基于m a t l a b 进行仿真，以比较各种方法对于抑制峰均比的效果。最后一章对本论文作出总 结，并指出本论文可待进一步研究和有待完善的方向。 6 四川大学硕士学位论文 第二章0 f d m 技术 2 1o f d m 技术的基本原理 正如码分多址c d m a 技术是第三代移动通信系统的核心技术一样，正交 频分复用o f d m 技术是第四代移动通信系统的核心技术，它可以有效地提高 传输速率同时又可以避免由于高速引起的各种干扰。 在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子 信道( 载波) ，载波之间有定的保护问隔，接收端通过滤波器把各个子信道 分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频 率利用率为代价，而，日当子信道数量很大的时候，大量分离各予信道信号的滤 波器的设置就成了j l 乎不可能的事情。 由此人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频 率作子载波，也就是我们所说的o f d m 。o f d m 是一种特殊的多载波通信方 案，单个用户的信息流被串并变换为多个低速率码流，每个码流都用个子 载波发送，出于每个子信道，扣的符号周期会相对增加，因此可以减轻无线信道 的多径时延扩展所产生的时间弥散对系统造成的影响。 个o f d m 信号，如果n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 信号的宽度， d i ( i = 0 , 1 ，n 一1 ) 是分配给每个子信道的数据信号，疋是第0 个子载波的载 波频率，r e c t ( t ) = 1 ，i “t 2 ，则从t = t s 开始的信号可以表示为： 砸，地i 轳n - i 咧一te x p 胁c 工+ 扣刊 ) ，+ 丁 5 ( f ) = o， t + t ； ( 2 1 ) 但是通常采样复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： s ( ，) = d , r e c t ( t t ，一) e x p ( ，2 万o f ，) ) f ，t 6 4 时，上式比较能够反应真实的情况。 或者，可以从另一角度来衡量o f d m 系统的p a r 分布，即计算峰均比超 过某- - i 3 限值z 的概率，得到互补累积分布函数c c d f ： p p a r z ) = 1 一p p a r z ) = l 一( 1 一已。) “ ( z 1 ，) 在后面的讨论中，一般都采用c c d f 来表征o f d m 系统内的p a r 分布。 如图2 3 给出了不同子载波个数条件下，互补累计分布函数的理论曲线图，图 中的六条曲线从左到右子载波数目依次为4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 ，从图中曲 线可以看出，随着子载波数目的增加，超过同一p a rf - j 限值的符号出现的概 率也会相应地增加。如图2 4 是当子载波个数为1 2 8 时c c d f 的理论值和实际 值的对比曲线。 量 失 薯 皇 1 0 l 廿 r ( 衄) 图2 3 不同子载波数量条件下的c o d f 曲线图 川川大学硕士学位论文 i 2 三 1 0 1 9 p a r ( d b ) 图2 4 子载波数目为1 2 8 时，c c d f 的理论值与实际值的对比 2 4 3 高的峰值平均功率比对o f d m 系统的影响 根据上述对o f d m 系统的介绍，现仿真得到一个子载波数为2 5 6 的o f d m 信号的瞬时幅度a ( t ) ，如图2 5 所示。从图中可以看出o f d m 信号不是一个 恒包络信号，而且当载波数很大时，其信号波形很像一个噪声波形。图2 6 是 该信号瞬时幅度的概率密度函数，从图中的表征和中心极限定理可知，当n 很大时，瞬时幅度a f t ) 近似服从高斯正态分布，其数学期望为0 ，方差为盯2 。 。一一j l j 一一 ：vu ： 1 r ii tt i i 、一一一一 a 1 ，n 1 图250 f d m 信号的瞬时幅度a ( t ) 百=：=川十；中阜 一 一 p 一1。 一 ，0 一 一 一 一 一 一1 + 一 一 一 、_ 1 一 一 一 一， r tl，i_二t 一 一 一 - 一 一 一 、 一 一 一 - o i 一 一1一jiij：j1 一l 1 r _ j 一l二 一 一 - 一 - _ 一 _ 一 一 一 一 l _ j i：l-ir _ 一 1 一 一 一 l 十 _ 一 1 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 _ l 一 1一jjf， 一 一 l ， 一 ，r ? 一 一 一 一 - 一 一 一 j_，一、 | _ 一i- 一 一 一 一 一， r h ，j rp，lit r d ， n ， 川大学硕士学位论文 t h eb a rg r a p ho f a s s o c i a t e dp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no f o f d m t h ee m e 啪觥凿g p ha b i 、 7 一r r i 一一 z j i 。 二彳： 弋 图2 6a ( t ) 的概率密度函数及其包络 从上两图可以看出o f d m 的峰值信号会引起较大的峰值功率，往往是平 均功率的n 倍，随着子信道数目n 的增加，p a r 的最大值也会线性增大，这 就对发送端前端放大器的线性范围提出了很高的要求。较高的峰值平均功率比 是o f d m 系统的一个主要缺点，这个缺点对于系统性能存在很大的威胁性。 对于多载波系统而言，o f d m 发射机的输出信号的瞬时值会有较大的波动， 这势必要求系统内的一些部件，如功率放大器、a d 、d a 转换器等具有很大 的线性动态范围；另一方面，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子信道问的相互干扰，从而影响o f d m 系统的性能。 文献【6 从仿真和数学分析两方面分析了o f d m 信号的功率谱密度和 o f d m 信号通过线性放大器后的功率谱密度，分析了非线性放大器对系统误 码性能的影响，指出非线性放大器会使o f d m 信号的频谱展宽，降低信号幅 度，增大系统的误码率，因此在o f d m 信号进入线性放大器之前降低峰值平 均功率比是及其必要的。这也是本论文研究的出发点。 在此后的分析比较中，我们探讨的信道模型均为加性高斯白噪声( a w c n ) 信道，并着重考察系统以下几个方面的性能指标：互补累计分布函数( c c d f ) 、 峰均比( p a r ) 、计算量和复杂度。 1 7 四川大学硕士学位论文 2 5o f d m 技术的应用 o f d m 技术的优越性使之成为高速数据传输的一种潜在的解决方案，其中 欧洲的数字音频广播( d i g i t a la u t ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 标准是第一个正式使 用o f d m 的标准j ，随后陆地数字视频广播( 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 - t ) 1 1 高清晰数字电视( h d t v ) 3 - 5 、美国的m m d s ( 多点多信道分 布式服务) ，w l a n 应用标准i e e e8 0 2 1 l a 和e t s i ( 欧洲通信标准委员会) 的h i p e r l a n 2 标准，以及宽带无线接入协议8 0 2 1 6 a 都采用了o f d m 作为调 制方式【4 9 。在有线数据通信方面，a d s l 、h d s l 和v h d s l 中的离散音频 系统和有线调制器应用都采用了多载波调制技术 1 l 】，从而克服了符号间的干 扰，并具有很高的信道容量，为用户提供高速的数据速率。本节主要介绍o f d m 技术在a d s l 和8 0 2 1 l a 中的应用。 2 5 1o f d m 技术在a d s l 中的应用 a d s l 是由b e l l c o r e 的j o el e c h l e i d e r 于2 0 世纪8 0 年代末首先提出的利用 电话网用户环路中的铜双绞线传送双向不对称比特率数据的方法，目前已成为 宽带接入的主流方式之一。图2 7 即为a d s l 的基本系统框图，它是由安装在 电话线两端的一对高性能调制解调器组成，由此提供三条信息通道：高速下行 信道、中速双工信道和普通电话业务( p o t s ) 信道。a d s l 采用频分复用技 术，利用滤波器分离不同信道的信息，每条信道还可以通过多路复用分割成多 条低速信道。a d s l 模型可提供符合北美或欧洲标准的数字系列速率，而且还 可为a t m 提供可变速率，由此可在现有a d s l 线路上增加多种宽带业务。 匿蔓 现有铜双绞线 下行1 5 61 m b i f f s 匮l 上行1 6 - - 6 4 0 k b i t s 距离2 55 k m 图2 7a d s l 基本系统 a d s l 技术采用数字信号处理的方法和有创造性的算法将信息压缩，并通 过双绞线进行传输；在调制方面，a d s l 先后采用了正交幅度调制( q a m ) ， 1 8 四川大学硕士学位论文 无载波幅度相位调制( c a p ) 和离散多音( d m t ) 调制三种调制技术，其中 由于d m t 比q a m 能提供更高的下行速率和更远的传输距离，因而被美国国 家标准协会( a n s i ) 选定为a d s l 的传输实用标准。 a d s l 的上行和下行信道分别占用2 5 8 7 5 1 0 3 5 k h z 和1 9 8 3 7 5 1 1 0 4 m h z ，保留了两个过渡带，从而可用滤波器来分离不同频带内的消息， 不需要采用计算复杂度很高的回波抵消技术，因此可使系统的实现复杂度大大 降低。对于下行系统和中速上行系统均采用d m t 来进行调制。 基于d m t 调制技术的收发系统如图2 8 所示。取下行系统的抽样速率为 2 2 0 8 m h z ，上行系统的抽样速率为2 7 6 k h z ，令每个子信道的带宽a f = 4 3 1 2 5 k h z ，下行系统的子信道范围为4 6 2 5 6 ，上行系统的子信道范围为6 2 4 。对于下行系统，取时域均衡器的抽头数n f = 6 4 ，目标响应的抽头数n b = 3 2 ；对于上行系统取时域均衡器的抽头数为1 6 ，目标响应的抽头数为4 。在图 2 8 中，c p 表示循环前缀，d a 和a d 分别表示数模和模数转换。文献 1 3 1 中提到一种新的基于阵列的低复杂度多载波调制技术，能够替代d m t 而应用 在d s l 中，而且这种技术能够获得仅为3 d b 的p a r 值。 图2 8 基于d m t 调制的收发信机系统 2 5 2o f d m 技术在8 0 2 1 l a 中的应用 4 9 - 5 1 】 i e e e8 0 2 1 l a 是工作在5 g h z 频率，数据传输速率为5 4 m b i t s ，采用正交 频分复用作为物理层编码技术( c o f d m ) 的无线局域网协议，是i e e e8 0 2 1l b ( 传输速率为1 1 m b p s ) w l a n 的后续标准。其主要优点在于其速率可高达