（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中降低papr技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术由于可以有效对抗信道的多径效应，被认 为是下一代移动通信中一种关键物理层技术，目前已经被许多无线系统所采 灞。然而，o f d m 系统中一个最主要的瓶颈在于o f d m 信号的峰均功率比 ( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 很大，因而容易导致o f d m 信号的交 调失真和系统性能下降。为此，如何寄效缝解决o f d m 系统中的峰均功率比 是亟待解决的问题。本文重点研究了如何有效降低o f d m 信号峰均功率比的 算法，并利用m a t l a b 软件完成了对所研究阁题的仿真。 从o f d m 技术的基本原理入手，详细分析了搭建o f d m 系统的各种关 键技术。深入的仿真分析、总结并归类了当前常用的三类降低o f d m 系统中 p a p r 的方法。其中，重点仿真研究了非畸变技术中的部分传输序列( p t s ) 算 法，虽然p t s 算法其有不会使信号发生畸变，应用不受载波数限制，频谱损 失不等优点，但它最大的缺点就是实现起来的计算量较大，限制了它在实际 中的应用。因此，有必要提出可以有效降低算法复杂度的改进方法。围绕如 何降低算法的计算复杂度问题展开讨论。从不同的角度，深入研究了多种当 前常见的，可以有效降低峰均比的低复杂度改进算法。从简化p t s o f d m 计 算p a p r 值的角度，提出的近似迭代替代平方运算的改进方法。应用m a t l a b 软件，对这些算法进行了系统的仿真研究和分析，并验证了这些算法的可行 性、技术特点和使用范围。 关键词：正交频分复用；多载波码分多址；峰均比；部分传输序列迭代移位 线性搜索法 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 sr e g a r d e da st h ek e y t e c h n o l o g yo fp h y s i c a ll a y e ri nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m sf o ri t sr 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 f e c t o f d mh a s b e e na p p l i e dt om a n yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o w e v e r , am a j o r d r a w b a c ko fo f d ms i g n a l si st h e i rh i g hp 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 ) ， w h i c hm a k e st h ei n t e r - m o d u l a t i o nd i s t o r t i o no c c u rd u et ot h en o n l i n e a r i t yo ft h e 酗曲p o w e ra m p l i f i e r t h ed i s t o r t i o ns e v e r e l yd e t e r i o r a t e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e o f d ms y s t e m s s o ，h o wt oe f f e c t i v e l yr e d u c et h ep a p ro ft h ei n p u to f d m s i g n a li sa l li m p o r t a n ti s s u e , w h i c hn e e d st o b ea d d r e s s e di no f d ms y s t e m s 。 a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o n f o c u s e so nt h e r e d u c i n gp a p ra l g o r i t h m sd e s i g nf o ro f d ms y s t e m s ，a n db e i n gt e s t i f i e dw i t h m a t l a bs o f t w a r e s t a r tw i 也t h eb a s i ct h e o r yo fo f d mt e c h n o l o g y , t h et h e s i sa n a l y s e sv a r i o u s k e yt e c h n i q u e so fo f d ms y s t e m s t h ep a p e rm a k e sd e e pa n a l y s i so ns i m u l a t i o n ， a n ds u m m a r i z e st h em o s tp o p u l a rt h r e ek i n d so fp a p rr e d u c i n gt e c h n i q u e s 。 p a r t i c u l a r l y , s t r o n ge m p h a s i si sc a s to np a r t i a lt r a n s m i ts e p u e n e e s ( p t s ) ，w h i c h b e l o n g st ot h en o n - d i s t o r t i n gt e c h n o l o g y t h o u g h ，t h ep t sm e t h o dp o s s e s s e st h e a d v a n t a g e so fa n t id i s t o r t i o n ，n o tb e i n gl i m i t e db y t h en u m b e ro fc a r r i e r s ，l e s sl o s s o ff i , e q u e n e ys p e c t r u m h o w e v e r , t h em o s ts e r i o u sf l a wo fp t si st h eh e a v y c o m p l e x i t yo fc o m p u t a t i o n , w h i c hs t r o n g l yr e s t r i c t s t h ea p p l i c a t i o no fp t s m e t h o d t h u s ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt op r o p o s ei m p r o v e dm e t h o d s ，w h i c hc o u l d n o to n l yr e d u c et h ep a p ro fo f d ms y s t e m se f f e c t i v e l y , b u ta l s op o s s e s sl o w c o m p l e x i t yo fc o m p u t a t i o n a r o u n dt h ei s s u eo fh o wt or e d u c et h ec a l c u l a t i o n c o m p l e x i t yi np a p rr e d u c i f i gm e t h o d s 。b a s e do i ld i f f e r e n ta n g l e s ，s e v e r a lw e l l a c c e p t e di m p r o v ds c h e m e sa r ed e e p l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e d ，w h i c hc o u l dn o t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o n l yr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , b u ta l s ok e e pg o o dp e r f o r m a n c eo f o f d ms y s t e m s 。i nt h ee n di no r d e rt or e d u c i n gt h ec a l c u l a t i o no f 刖心ri np t s ， t h em e t h o do fu s i n gs i m i l a ri t e r a t i v es c h e m et or e p l a c et h ec a l e u a f i o no fp a p ri s p r o p o s e d a ni m p r o v e dm e t h o di sp r o p o s e db yu s i n gs i m i l a ri t e r a t i v es c h e m et o r e p l a c ef r o mt h ep o i n to fs i m p l i f y i n gt h ec a l c u l a t i o no f 黝一ri np t s o f d m ， p r o p o s e st h em e t h o co fu s i n g i nt h i sp a p e r , t h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so f t h e s e a l g o r i t h m sb yu s i n gm a t l a ba r em a d e , t h ef e a s i b i l i t y , t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o ns c o p eo f t h e s ea l g o r i t h m sa r et e s t i f i e d k e y w o r d s ：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 ) ；p a r t i a l t r a n s m i t s e q u e n c e ( p t s ) ；i t e r a t i v es h i f t i n gl i n e a rs e a c h i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明口本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 昂期：蔷年月 阳 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着通信技术的日益发展，通信向着宽带化、综合化、移动化、个人化 和智能纯方向发展，如何高速和可靠地传输信息是一个非常重要的问题。疆 前，数据传输的理论和实践已经取得很大发展，但还不能满足更广泛的信道 戳获取更好的传输性能；丽另一方面，随着通信的发展，特别是无线通信业务 的增长，可利用的频带资源也越来越紧张，无线频谱资源匮乏和移动环境的 多径效应成为宽带无线高速通信系统发展的主要障碍，实现高速传输的关键 和急需解决的问题是消除信道间干扰( i n t e r c h a n n a li n t e r f e r e n c e , i c i ) 、多址千 扰( m u l 卸l ea c c e s s i n t e r f e r e n c e ，m a i 、码阂干扰( i n t e r s y m b l ei n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和多径衰落的影响。多径效应引起的i s i 和频率选择性衰落，阻碍了高速数 据的无差错传输，因此，除了开发新豹频谱资源辨，采孀新的抗干扰调制技 术来提高频谱利用率也成为人们关注的热点。 1 2 国内外研究现状 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 卸l e x i n g ，以后简称 o f d m ) 技术，是多载波调制技术的一种，因其具有很多优点( 主要是抗多径 效应) 丽得到广泛的研究与发展。 1 2 1o f d m 系统 早在6 0 年代的些文献中已经提出了o f d m 的基本原理“，但由于当时 半导体器件的制作工艺相对落后，所以未毙有效地实现。经过多年的发展， 尤其近年来数字信号处理( d s p ) 技术吣速发展，o f d m 作为一种可以有 效对抗多径带来的符号闯干扰( i s i ) 的高速传输技术，得到了很好豹发展。 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 0 年代以来，o f d m 技术己经成功地应用于非对称数字用户环路 ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 、无线本地环路( w i r e l e s sb c a l l o o p ，w l l ) 、数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、高清晰 度电视( h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) 、无线局域网( w i r e l e s sl 0 嘲a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 等系统中。 由于o f d m 具有很好的抗多径衰落能力，在地面广播系统中发挥了很好 的优势。1 9 8 7 年，在a m 和f m 等模拟广播基础上，欧洲数字音频广播( d a l j i ) 系统开始研制，提供c d 音质的广播业务以及其它的新型数据业务。1 9 9 5 年， 欧洲电信标准委员会制定了d a b 标准，郄第一个使焉o f d m 的广播标准。 1 9 9 7 年，基于o f d m 技术的地面数字视频广播系统的标准投入使用。 1 9 9 9 年，i e e e 8 0 2 1 l a 通过了5 g h z 的无线局域网标准，其中采鬻了o f d m 调制技术作为物理层标准。欧洲电信标准协会的宽带射频接入网( b r o a d r a d i o a c c e s sn e t w o r k ，b 蛾) 豹局域潮标准采瘸d 醚幸# 为调制技术。1 9 9 9 年，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，致力予策划一个o f d m 技术全球性统一的标准。 2 0 0 0 年，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 无线城域 霹委员会提交了建议书，提议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 。1 6 3 城域网的 物理层标准。 我国的信息产业部也参加了o f d m 论坛；o f d m 已经被国家8 6 3 计划 列入第四代移动通信系统的核心技术，并成为网家自然科学基金的重点资助 项嚣；中国网通建立了o f d m a 实验站，可见o f d m 在无线通信的应用已经 引起国内通信界的重视。 进入2 l 世纪以后，o f d m 引起了更加广泛的关注。随着近代通信技术 的迅速发展，以及曰益走向高速、综合、大容量业务的要求，o f d m 技术的 发展步伐加快，出现了许多新的研究领域和新的发展动向。其主要发展方向 为： l 、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 ) 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宣叠葺! i i i i i i i i i r l l | i i i i i i i i ii 置葺掣i 给每个用户分配一定数量的予载波，相邻用户不需要保护频带以抑制信道间 干扰。o f d m c d m a 是将o f d m 调制技术和c d m a 结合在一起的多载波 c d m a ，能够提供大容量、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 技术是在系统中组 合使用o f d m 调制技术和多输入多输出( m i m o ) 天线技术疆，是下一代互联隧 和多媒体业务的关键技术。 1 2 2o f d m 系统峰均比抑制技术 o f d m 作为多载波技术，不可避免的存在高峰均比问题。根据中心极限 定理，o f d m 符号波形将是个高斯随机过程，它的包络极不稳定。当i d f t 输入端的数据同相时，其输嵩就会产生很大的峰值。这种特性导致对a d ， d a 变换器及功率放大器( i - i p a ) 等要求很高，它要求h p a 的线性动态范围很 大；丽反过来，这些部件的菲线性也会对动态范围较大的信号产生菲线性失 真，所产生的谐波会造成子信道间的相互干扰，从而影响o f d m 系统的性能。 因此p a p r 较大是o f d m 系统的一个重要问题，必须考虑如何减小大峰值功 率信号出现的概率，从而避免非线性失真的出现。克服这一问题的传统办法 就是震大动态范围麓线性功率放大器，或对非线性放大器昀工作点进行补偿， 但这样做的缺点是功率放大器的功率会大大降低，绝大部分能量都转化为热 能浪费捧，另终扩大功率放大器的线性范围将零| 起成本的提升，在移动设备 中都是绝对不能允许的。因此，只能对o f d m 信号本身进行处理来降低 脚爻。 围绕如何降低o f d m 系统的p a f r 问题，国内外学者已作了大量研究工 作，其主要算法可以归纳为三类：编码技术、信号预畸变技术和信号拢码技 术。 l 、基于编码技术的p a p r 抑制技术 在o f d m 信号中只有很小的一部分存在很高的p a p r 。这就暗示着基于 编码的解决o f d m 系统中的p a f r 的方法。编码方法的基本原理是尽量避免 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。显 然，这种方法所获褥的p a p r 性能增益是在保持传输速率不变的情况下获褥 的，通过增加系统带宽以及在保持发射功率不变的条件下降低每发送比特的 能量为代价。这类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，从而导致矛盾更加突掰。鉴予以 上的优缺点，编码法适合于予载波数量较少、频带较宽、需要有稳定性能的 系统。 文献 3 】利用非线性分组码减小p a p r ，该法只发送p a p r 小的序列而避 免使用p a p r 大的序列。显然，当子载波数目很大时，要找到p a p r 小的序 列时，这种方法的编码和译码的计算量很大，不适合实际工程实现，而且这 种方法没有考虑绷错问题。 文献c 4 1 5 1 用同时兼顾纠错和减小p a p r 的分组码。文献【6 】在固定分组码 纠错能力时利用梯度下降法优化各令髂道初相，减小p a p r 。文献【7 】利用匿 论提出g o l a y 互补序列集方法实现编码效率和p a p r 的折衷。文献 8 利用冗 余度进行纠错，利用( ；o l a y 曼毒 序列和r e e d m u l l e r 玛之闻关系进行编译码， 该法是一种较实用的方法，其缺点是有效数据速率不高。 2 、基予信号颈畸变技术的p 舯& 抑制技术 信号预畸变技术是最简单、最直接的降低o f d m 系统p a p r 的方法。其 基本思想是：在信号被送到放大器之前，首先经过非线性处理，瓣有较大峰 值的信号进行预畸变，使其不会超出放大器的动态范围，从而避免出现大的 p a p r ，也就是通过更改输入信号韵特性来补偿非线性失真。最常用的预畸变 技术就是限幅滤波、峰值加窗、峰值抵消和压缩扩张方法。 限幅是一种非常直接和有效的降低p a p r 的技术。然而，限幅是一个非 线性过程，将导致严重的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h ，。为了消除带外干扰，必须对限幅蘑的信号进行滤波， 这又将导致峰值荐生，但比限幅前要小的多。因此可以遥过多次限幅滤波的 过程来进一步降低信号峰值。滤波不能消除带内噪声，所以对系统的误码率 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( b e r ) 会造成较大的影响，同时降低频谱利用率。文献【1 0 】采用软限幅技 术得到了比传统硬限幅好的性能。文献1 1 1 将部分传输序列与限幅技术相结 合，提高系统性能。 峰值加窗就是把较大的信号峰值乘以适当的非矩形窗函数，比如高斯窗 醋数“”。实际上，只要能得到较好的频谱特性，任何窗函数都可以。为了减 小带外干扰，理想的窗应具有尽可能小的带宽，且在时域里不应太宽以免更 多的信号样点受到干扰。较好的窗函数有c o s i n e 。k a i s e r 和h a m m i n g 窑。文 献 1 3 】将限幅技术与峰值加窗技术进行了比较。文献 1 4 】将l d p c 和t u r b o 码 与限幅或峰值加窗技术结合，能够克服系统性能降低的闯题。 峰值抵消技术的基本思想是从信号中减去个时延的一定幅度的参考函 数，使褥每个被减的参考函数至少降低信号的一个峰值样点。恰当的选择参 考函数，使其与传输的o f d m 信号具有大致相同的带宽，这样，不会带来任 蔼带矫于扰。例如选取将s i n e 丞数乘以升余弦窑所得的参考函数。文献 1 5 】 将峰值抵消技术与部分传输序列法结合得到了较好的系统性能。 传统的压缩扩张方法的主要思想是提暑信号中豹低幅度值焉保持其峰值 幅度，以此来提升信号的平均功率，从而达到降低p a p r 的目的。然而由此 增加了系统的平均发射功率，使符号的功率值整烟接近功率放大器的毒# 线性 变换区域，容易造成信号失真。文献 1 6 1 提出的压缩扩张法将小信号扩大而 大信号不变虽然计算复杂度低，但是放大器输入信号的平均功率增加，从褥 对非线性失真更敏感。因此文献【1 7 】绘出一种改进的压缩扩张变换方法。这 种方法，把大功率发射信号压缩，把小功率信号放大，从丽可以使发射信号 的平均功率相对保持不变。这样不但可以减小系统的f a p r ，而且还可以使 得小功率信号抗于扰的能力有所增强。文献 1 8 1 和文献 1 9 1 提出的压缩扩张法 表达式均分别借鉴了语音信号信源编码中非均匀量化方法的律和a 律的压 缩扩张表达式，该法在发端能将大信号压缩而将小信号扩大，使p a p r 降低， 而在收端能作到几乎不损伤信号的恢复，实现的计算复杂度也较低。 3 、基于信号扰码技术的p a p r 抑制技术 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这类方法就是利用不同的加扰序列对o f d m 符号进行加权处理，优化子 信道的载波相位，从而选择p a p r 较小的o f d m 符号及相位组合来传输。这 类方法实际上是从概率的角度来减小p a p r ，即减小大峰值功率信号出现的 概率。这类方法主要有选择性映射( s e l e c t e dm a p p i n g ，s l m ) 和部分传输序 列( p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ，p t s ) 。 选择性映射法( s e l e c t e dm a p p i n g ，s l m ) 通过引入小的冗余来提高p a p r 的统计特性洲。在s l m 法中，发射机产生一系列不同候选信号的集合，这些 信号表示相同信息，从中选择最好( p a p r 最小) 的集合来发射”。但是无论选 择哪个随机向量都必须发送边带信息，这样收方根据收到的边带信息才能进 行相应的反变换还原原始数据。因此它同时牺牲了部分发送带宽，增加了系 统的计算复杂度以及系统硬件。但是这种方法的优点是可以用于任意子载波 数和调制方式，而且是非畸变地降低o f d m 符号的p a p r 。 部分传输序列法( p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ，p t s ) 是信号在发送端的傅立 叶变换前被分割成矿个独立的子块，每个子块单独进行傅立叶变换，然后各 子块分别乘上一个相位旋转因子进行相位旋转，经过优化相位旋转因子后， 发送各子块组合中的p a p r 最低的o f d m 信号，并选择使得各子块组合中的 p a p r 最低的o f d m 信号的最优的相位旋转因子向量f6 j 作为边带信息进行 发送i 砑，。同s l m 方法一样，p t s 也是可以用于任意子载波数和调制方式，也 是非畸变的降低o f d m 符号的p a p r ，也是以增加发送带宽和系统的计算复 杂度以及系统硬件为代价。为了降低p t s 的计算复杂度，可以采用交织方法 对个子载波进行分割，构成v 个部分发送序列，该方法可用c o o k e y t u k e y f f t 算法来降低系统的计算复杂度，。文献 2 4 】详细比较了s l m 与p t s 的优 缺点。针对s l m 和p t s 的缺点，文献 2 5 1 提出了p t s 和s l m 混合算法来降 低计算的复杂度。 相比而言，我国在这方面的研究还是比较滞后，还没有很系统的研究。 从检索到的公开发表的论文来看，也是比较少的，而且大部分都是跟踪国外 的研究成果。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 降低p a p r 算法虽然多，但至今为止，并没有一种最佳的方法能够很好 地解决o f d m 固有的高p a p r 的弊病。一种好的方法必须具备以下4 个条件： 一是保证o f d m 的高频带利用率；二是不显著降低系统性能；三是计算复杂 度低；四是具备纠错能力。 1 3 研究的目的和意义 由于o f d m 系统具有峰值平均功率比较高的问题，对非线性效应非常敏 感，因此在发射传输序列时，要求发射机的一些部件，例如高功率放大器( h i g h p o w e r a m p l i f i e r , h p a ) 、模数( a d ) 转换器等具有很大的线性动态范围，这将 意味着实现成本的增加。相反，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，所以产生的谐波会造成自信道间的相互干扰，从而影响 o f d m 系统的性能。 为此，人们提出了许多方法，用来降低o f d m 信号的p a p r 。在本论文 中，对现有的技术方案作了一个系统的分类划分，主要可以归为三类：预畸变 类、编码类和非畸变( 相位控制) 类。其中预畸变类技术是一类简单的降低 p a p r 的方法，它能够有效的降低o f d m 信号的峰均功率比，其最大的优点 就是系统实现简单，但是这种方法会引起额外的噪声，造成性能严重下降； 编码类的基本原理是利用不同的编码产生峰均功率比较小的o f d m 符号，但 是可供使用的编图样非常少，特别是当子载波数量较大时，编码效率会非 常低，从而导致该矛盾更加突出；非畸变技术通过对信号进行线性变换，来 降低高p a p r 出现的概率，可以得到较好的性能，但通常它需要很高的计算 复杂度和硬件实现。 论文中，进一步讨论了非畸变技术中的部分传输序列( p a r t i a lt r a n s m i t s e q u e n c e s ，p t s ) 方法来解决高峰均比的问题。由前面对非畸变技术的分析可 知，p t s 方法的主要缺点也是较高的系统复杂度，因此，本论文重点从多个 角度介绍并仿真研究了几种不同的基于常规p t s 算法的改进算法，并对这些 算法的性能、技术特点和使用范围作了深入分析。这些算法不仅可以有效的 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 降低p t s 的复杂度，还可以使系统的性能没有较大损失。这部分将在第四章 中重点介绍。 1 4 论文结构及研究内容 在本论文中，主要针对o f d m 系统传送序列的峰均功率比问题加以讨 论、分析，重点仿真研究了具备低复杂度且可以有效降低p a p r 的解决方案， 并得出结论。 本人所做的工作主要有： l 、研究了o f d m 技术基本原理，重点包括o f d m 的f f t 实现原理、循 环前缀的意义、o f d m 中的主要相关技术； 2 、研究了o f d m 系统及o f d m 中的p a p r , p a p r 对系统性能的影响 及出现高p a p r 的原因； 3 、仿真研究，并总结归类了降低p a p r 的多种常规方法，包括各种方法 的特性和对各种方法得到的系统性能进行比较，得出在不同情况下降低 p a p r 的方法； 4 、重点研究并仿真分析了多种具备较低复杂度，同时可以有效降低系统 p a p r 的改进方法和算法，通过比较，得出这些方案的优缺点和使用特性。 本论文共分为四章：第一章是绪论，介绍o f d m 技术产生的技术背景， 及本文的研究动机和目的；第二章是o f d m 技术的基本原理，主要包括串并 变换，i f f t 实现，射频调制，循环前缀，其它相关技术和o f d m 技术的优 缺点，重点是o f d m 的f f t 实现原理，以及循环前缀的加入能抵抗i s i 和 s c i 的机理；第三章研究了o f d m 系统的p a p r ，分析出现高p a p r 的原因 及高p a p r 给系统带来的影响，仿真研究，并总结归类了降低p a p r 的各种 方法和算法；第四章是本文的重点，从三个不同角度介绍了五种可以有效降低 计算复杂度的改进算法，并对这些算法的特性进行了仿真研究和分析，从而 得出结论。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章o f d m 技术基本原理 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案。在本章，首先概述了o f d m 技 术的基本思想和历史发展情况。然后从o f d m 技术的基本原理入手，详细介 绍了搭建o f d m 系统的各种关键技术，包括快速傅立叶变换、射频调制、保 护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g 1 ) 和循环前缀( c y d i ep r e f i x ，c p ) ，以及其他相关技术， 包括时域和频域同步、信道编码、交织和均衡等。最后总结了o f d m 技术的 优缺点。 2 1o f d m 概述 当信号通过无线信道时，会受到大气层的直射、反射、折射、散射，再 加之移动台本身的移动，使得无线信道复杂多变。通常信号通过无线信道时 会受到三个衰落的影响，它们分别是大尺度衰落、阴影衰落和多径衰落，另 外，由于移动台的移动导致了多普勒扩展。 多径衰落是无线信道的主要问题。由于多径，会造成信道的时间弥散性， 定义f 。，为最大时延扩展。在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一 个符号的波形会扩展到其它符号中，造成了符号间干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，为了避免i s i ，应该使符号宽度远远大于信道的最大时延扩 展，或者符号速率远远小于的倒数。 在单载波系统中，数据传输速率较低，多径效应对符号之间造成的干扰 ( i s i ) 不是特别严重，可以利用合理的均衡技术使系统正常工作。但对宽带业 务而言，由于数据速率很高，时延扩展造成的i s i 很大，这样就会对均衡器 提出很高的要求，主要是均衡器实现的复杂性及收敛速度，从另外一个角度 看，当信号带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散性会造成频 率选择性衰落，使得同一信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，所 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以在这种情况下利用单载波系统是不现实的。因此，对宽带业务，必须使用 多载波系统。 o f d m ，即正交频分复用，是多载波调s j ( m u l t i p l ec a r r i e rm o d u l a t i o n ， m c m ) 技术的一种。m c m 的基本思想是把数据流串并变换为路速率较低 的子数流，用它们分别去调制路子载波后并行传输。由于子数据流的速率 是原来的i n ，即符号周期扩大为原来的倍，远大于信道的最大延迟扩展 t m x ，这样m c m 就把一个宽带频率选择性信道划分成了n 个窄带平坦衰落 信道( 均衡简单) ，从而先天具有很强的抗无线信道多径衰落和抗脉冲干扰的 能力，特别适合于高速无线数据传输。o f d m 是一种子载波相互混叠的 m c m ，因此它除了具有上述m c m 的优势外，还具有更高的频谱利用率。 o f d m 选择时域相互正交的子载波，它们虽然在频域相互混叠，却仍能够在 接收端被分离出来。 o f d m 的历史可以追溯到2 0 世纪6 0 年代中期，c h a n g 发表了关于带限 信号合成进行多信道传输的论文，其中阐述了把消息在线性带限信道无信道 间干扰( i c l ) 和符号间干扰( i s i ) 地并行传输的基本原理。之后，s a l t z b c r g 对这 种处理进行了分析，并得出这样的结论：“设计一个有效的并行处理系统的目 的应该在于减少相邻信道间的串话，而不在于完善单个信道，因为减小串话 失真更为重要。一这个非常重要结论，在几年之后所形成的数字基带处理技术 得到了证明。 1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t t 圳对o f d m 的发展作出了重要贡献：他们将 d f t 技术引入o f d m 中，进行基带调制和解调。他们的工作也不在于“完 善单个信道 ，而是引入了更加有效的处理技术，避免了使用大量子载波振荡 器，并且为了减少i s i 和i c i ，他们在o f d m 符号间加入了保护间隔以及时 域升余弦窗函数，但在他们的系统中，子载波在弥散信道环境下不能保持完 善的正交性。 1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 对o f d m 技术作出了另一个重要贡献，即把循环 前缀或称循环扩展引入o f d m 以解决正交性问题。他们在保护间隔中加入的 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是o f d m 符号的循环扩展，而不是使用空白保护间隔，从而有效地模仿了循 环卷积信道，当c p 大于信道冲激响应时间( 即信道的最大延迟扩展f 一) 时， 就能够保证弥散信道中子载波间的正交性。虽然加入c p 也同时引入了能量 损失，但是相比于其所获得的几乎是零的i c i ，还是值得的。 1 9 9 9 年，i e e e 将o f d m 作为无线局域网标准i e e e s 0 2 1ia 的物理层的 调制标准。 目前，o f d m 已为多种数字无线通信的标准所采纳，如欧洲的数字音频 广播d a b 、数字视频广播d v b t ，以及无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 等。o f d m 在蜂窝移动通信中应用始于2 0 世纪8 0 年代中期，从1 9 9 3 年开始兴起了 o f d m 与c d m a 相结合的研究：欧洲己把o f d m 作为发展地面数字电视的 基础；日本也将它用于发展便携式电视和安装在旅游车、出租车上的车载电 视；o f d m 也应用于有线环境的各种高速p s t n 接入以抗脉冲干扰、防止串 话，如a d s l 。1 4 _ d s l ，v d s l 等，当o f d m 应用于有线时，通常被称为d m t ， 即离散多音频；o f d m 技术还应用于h f c 及h d t v 传输系统。 2 2o f d m 技术基本原理 o f d m 的基本思想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所产生的时间弥散性对系统的影响， 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 ) 。一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道 间干扰( i c i ) 。 2 2 1o f d m 调制解调的基本原理及f f t 实现 l 、o f d m 调制解调的基本原理 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 子载波都可以受到相移键控( p h a s es h i f tk e y i n gp s k ) 或者正交幅度调制 ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o nq a m ) 符号的调制。 o f d m 调制原理如图2 1 所示，速率为r b b i t s 的串行比特流，经过数据 编码器，每l o g ，m 个比特被映射为一个符号似为符号空间的符号个数) ，从 而产生速率为忍= 击符号s 的串行符号流，符号周期正= s 。将这些 1 0 9 ，mk ， 串行符号串并变换为路并行符号，每一个符号调制个正交子载波中的一 个，个调制后的子载波相加，再进行传输，然后再读入个符号重复以上 过程。每个子载波之和被称为一个o f d m 符号( 宽带信道被划分成个窄 带子信道) 。o f d m 符号的周期，聊= n t ，但是因为共有个串行速率为 r 的子信道并行传输，故总数据速率不变。各子载波间的正交性是通过 适当选取兀以及子载波间隔实现的，取子载波间隔a f = 1 n t , ，及 f o = 七乙( 其中k 为在于或等于零的整数，一般取零) ，无= f o + 甩v ，则各 子载波间在一个o f d m 符号周期内可保持正交。 7 c y ； ； 串行比特瓷厂甄翮a ( ：赢) 、 s p ：s i n ( 2 n f o t ) o f d m 符号 7 l 塑堡矍i 变换 杰；、谢 丫 $ i l l ( 2 a f n i t ) 图2 1o f d m 系统发送端的调制部分 在接收端，如图2 2 所示，o f d m 符号经过混频器积分器组进行解调 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和判决。在不考虑同步误差以及信道干扰的理想情况下，进入每一路混频器 积分器的信号为相互正交的正弦信号和余弦信号的和，其形式为： a ( 0 ) e o s ( 2 n f o f ) + 6 ( o ) s i i l ( 2 矾f ) + ，+ a ( n - 1 ) c o s ( 2 n f u l f ) + 6 ( 一1 ) s i n ( 2 n f t r l t ) ( 2 1 ) ? 南邢， v 厂匕j 、融_ 下 6 ( o ) 来自信道 7 丫 d 硝刀i = s i n ( 2 a f o t ) p s 反以) 可6 仰厂两串行比特滇 的数据 c o s ( 2 a f m i t ) 变换 7 l 堡塑矍i 7 上册d m ， 7 讼厂= ：j 、硒厢b ( n - 1 ) 7 丫 删 s i n ( 2 a f u q 0 图2 2o f d m 系统接收端的解调部分 考虑疋子载波上的同相分量：频率为以的同相混频器将整个上式乘以 eos(2nf)，然后将所得的积在时间一心内进行积分。因为载波间的正交,t 0 性，积分运算只对位于兀处的同相子载波有非零结果，从而提取出有用数据 口( 厅) ，同样的道理可以从各正交支路恢复出6 ( 刀) 。所有被恢复的符号经并串 变换后，再进行解码，即得到所发送的原始数据比特。可见，虽然子信道频 谱相互混叠，子载波间的正交性却使得各个子信道依然能够被分离出来。子 载波间的正交性还可以从频域的角度进行理解，如不加特殊的脉冲成型( 即 矩形脉冲成型的情况) ，由于并行符号的每一路为周期为帽，则每一路的频 谱都是取样函数，取样函数的峰值出现在各个子载波频率工处，而此处，所 有其它子信道的频谱恰好为o 。在解调的过程中需要计算的是这些峰值，因 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ii i 鼍萱置置宣_ 此可以从多个互相混叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不受 其它子信道的干扰。 2 2 2 快速傅立叶变换在o f d m 系统中的应用 图2 1 的输出可写作 ，一l x ( f ) = a ( n ) c o s 2 n f j + b ( n ) s i n2 n f j ，其中o f 肥 n = o 对其以a t = z 进行采样，得到： - i x ( m t ，) = e a ( n ) c o s2 n f ( r o t , ) + b ( n ) s i n2 n f ( r o t , ) n = 0 其中m = 0 ，1 ，l 。将这些分量在址时间内进行低通滤波， 变换，则又可以恢复为原来的模拟信号x ( f ) 。 将值代入，( 2 - 3 ) 式中写作： ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 即进