（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中降低信号峰均比方法的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 近年来，止交频分复用( o f d m ) 技术继单载波扩频技术( 如c d m a ) 之后，成为主 流的传输技术。目前o f d m 技术已经在d a b ( 数字广播) 、d v b ( 数字电视) 、i e e e 8 0 2 1 l g a n ，8 0 2 ，1 6 d e 筲系统中获得了广泛的应h j 正在标准化的3 g p pl t e ( 长期演进) 平3 g p p 2a i e ( 空中接口演进) 技术也很可能选用o f d m 及其改进型( 下行o f d m a 、上 行d f t - s o f d m ) 作为基本多址技术。 o f d m 的一。个主要不足是其发送信号具有很高的峰值与平均功率比( p a f r ) 。当发送信 号的瞬时功率超山功率放人器的动态范隔时，将会导致信号的裁剪而产生非线性的信号失 真造成信号畸变，导致频带内的噪卢功率增加和频带外的功率扩散，还将破坏各子载波之 间的l e 交性。 本文针对各种降低o f d m 信号峰均比的典型方法进行了较详细的研究和仿真。这些方 法包括限幅( c l i p p i n g ) 法、部分传输序列( it s ) 法，选择映射( s l m ) 法、交织( i n t e l l e a v i n g ) 法、编码( c o d i n g ) 法、压扩( c o m p a n d i n g ) 法、扩展星座空间( a c t i v ec o n s t e l l a t i o n ) 法、 音调保存( t o n er e s e r v a t i o n ) 法，矩阵变换法等。这些方法均以不同的代价为降低o f d m 信号的峰均比提供了有效的解决方案。它们也表现出不同的性能。本文对这些方法的降峰均 比性能、实现复杂度，对信号抗噪声性能的影响、对信息速率的影响等方面进行了研究和比 较。 本文还对d f t - s - o f d m 系统的频域成型滤波器进行了深入的研究。d f t - s - o f d m 传输 方案在o f d m 的基础上利_ l jd f t 扩展的方法来降低发送信号的峰均比。它所产生的o f d m 信号具有与单载波信号相近的峰均比性能，适合f 一代无线通信系统上行链路的要求。在该 系统中，频域成刑滤波器不仅对系统有无码间干扰的特性和抗噪声性能有重要影响，而且对 发送信号的峰均比也有重要影响。本论文首先推导了在无码问干扰和接收端最人输出信噪比 条1 ，i ：f 发送频域成喇滤波器和接收频域滤波器所要满足的条件然后根据该条件设计了几种 频域成刑函数并验证了推导得出的结论。仿真结果表明，频域成型滤波器能进一步有效地 降低发送信号的峰均比。进而，我们结合峰均比性能、谱效率和抗噪声性能，对成型函数的 设计作了深入的研究。 关键词：正交频分复用；峰均比；d f f - s - o f d m ；成型滤波 东南人学硕l j 学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y - t h eo 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 ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m et h e m a i n s t r e a mt r a n s m i s s i o nt e c h n e l e g yi n s t e a do fs i n g l e c a r r i e rs y s t e m ss u c h 笛c d m a i th 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 s ，s u c ha st h ed a b ，d v b ，i e e e s 0 2 1l g a na n d 8 0 2 1 6 d e e t cl t i sa l s oa p o t e n t i a lc a n d i d a t e f o r3 g p p s l t e p r o j e c ta n d 3 g p p 2 s a i ep r o j e c t o n eo f t h e m a j o r d r a w b a c k so f o f d ms y s t e m i s i t s h i g h 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 ) o f i t st r a n s m i r e ds i g n a l s w h e nt h et r a n s m i ts i g n a l sa m p l i t u d ee x c e e d st h el i n e a rr a n g eo fa n a m p l i f i e r , t h es i g n a lc o u l db ec l i p p e d ，r e s u l t i n gi nn o n l i n e a rd i s t o r t i o n , w h i c hi n c r e a s e si nb a n d n o i s e o u to f b a n de m i s s i o na n dd e s t r o y st h eo r t h o g o n a lp r o p e r t yo f t h es u b c a r r c r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n w es t u d i e daw i d er a n g eo ft e c h n i q u e sf o rt h ep a p rr e d u c t i o nf o ro f d m s y s t e m t h e s et e c h n i q u e si n c l u d e sa m p l i t u d ec l i 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 e ，s e l e c t e dm a p p i n g ， i n t e r l e a v i n g c o d i n g ，c o m p a n d i n g a c t i v ec o n s t e l l a t i o n , t o n er e s e r v a t i o n , e t c t h e s et e c h n i q u e s a c h i e v ep a p rr e d u c t i o na tt h ee x p e n s eo ft r a n s m i ts i g n a lp o w e ri n c r e a s e ，b i te i t o rr a t ei n c r e a s e ， d a t ar a t el o s s ，c 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 ，a n ds oo n t h e ya l s oh a v ed i f f e r e n tp e r f o r m a n a e w em a d ec a r e f u la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n sf o re a c ht e c h n i q u ea n dg a v et h ec o m p a r i s o no f t h e g n w ea l s os t u d i e dt h ep a p rr e d a c t i o ns c h e m e si nd f t - s - o f d ms y s t e m d f t - s - o f d ms y s t e m i m p r o v e st h e 队p rp e r f o r m a n c eb ys h a p i n gt h ef r e q u e n c yd o m a i ns i g n a l s i t ss i g n a l s p a p r p r o p e r i yi sc l o s et ot h a to fs i n g l e - c a r r i e rs i g n a l s ，w h i c hm a k e si ts u i t a b l e f o rt h eu p - l i n ki n t h e n e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nd f t - s o f d ms y s t e m ，t h ef r e q u e n c yd o m a i n p u l s es h a p i n gf i l t e r s 。b o t hi nt h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e r , d e c i d et h ee x i s t e n c eo fi n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( s i ) a n dt h eo u t t ) u ts n ro ft h er e c e i v e r t h ef r e q u e n c yd o m a i nf i l t e ri nt b e t r a n s m i t t e ra l s oh a sag r e a te f f e c to nt h ep a p ro ft h et r a n s m i t t e ds i g n a l s i nt h i sd i s s e r t a t i o n w e f i r s td e r i v et h ec o n d i t i o n so ff r e q u e n c yd o m a i np u l s es h a p i n gf i l t e r sf o ri s i - f r e ea n dm a x i m u m o u t p u ts n ro ft h er e c e i v e r a c c o r d i n gt ot h ed e r i v e dc o n d i t i o n s ，s e v e r a lc l a s s e so ff r e q u e n c y d o m a i np u l s es h a p i n gf i l t e r sa r cp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed f t - s - o f d mw i t h p r o p e r l yd e s i g n e df r e q u e n c yd o m a i np u l s es h a p i n g f i l t e r sc o u l df l u t l l e r i m p r o v ep a p r p e r f o r m a n c e w em a d ef u r t h e rd i s c u s s i o no nt h ep u l s es h a p i n gf i l t e r sd e s i g nb a s e do nt h ep a p r p e r f o r m a n c e 。s p e c t r u mp e r f o r m a n c ea n db e rp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：o f d m , p a p r , d f t - s - o f d m ：p u l s es h a p i n gf i l t e r i i i 东南人学颂f 学位论文 a c l r b e r b p s k c c d f c c r r c d m a c p c r d m t d a b d a r e v m f d d f e c g r c g s m i s i u 卫 m l m i m o m l o f d m p a p r p m e p r p e p p t s p v p r c q a m q p s k r c r m s 肽c s i s l m s n r t d d u m r r s 缩略语 a d j a c e n tc h a n n e ll e a k a g er a t i o b i te r r o rr a t i o b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c o m p l e m e n t a r yc u m u l 州v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yr e d u c t i o nr a t i o c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x c l i p p i n gr a t i o d i s c r e t cm u l t i t b n e d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d e c i s i o n a i d e dr e c o n s t r u c t i o n e r r o rv e c t o rm a 印i m d e f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n g e n c r a lr a i s e dc o s i n e g l o b a ls v s 把mf o rm o b i l e i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n l o n gt e r i l le v o l u t i o n m “i m u ml i k e l i b o o d m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d 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 p e a kt oa v e m g ep o w e rr a t i o p e a kt om c a ne n v e l o p ep o w e rr a t i o p e a ke n v e l o p ep o w e r p a r t i a it r a n s m i ts e q u e n c e p o w e rv a r i a n c e p e a kr e d u c t i o nc a r t i e r 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 n q u a d r a d u r ep h a s es h i f tk e y i n g r a i s e dc o s i n e r o o tm e a ns q u a r e r o o tr a i s e dc o s i n e s i d ei n f o r m a t i o n s e l e c t e dm a p p i n g s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g u i l i v c i t m lm o b i l et e l e c o m m o n i c a t i o ns y s t e m v 临道泄漏比 误比特率 二进制相移键控 互补累计概率分布函数 计算复杂度降低比 码分多址 循环前缀 限幅率 离散多音 数字音频广播 判决辅助重建 错误久量幅度 频分复用 前向纠错 广义升余弦 全球移动通信系统 码间干扰 长期演进 最大似然 多输入多输出 最大似然 正交频分复用 峰均比 峰值与平均幅度功率比 峰值幅度功率 部分传输序列 功率方差 降峰值载波 正交幅度调制 正交相移键控 升余弦 均方根 根升余弦 辅助信息 选择映射 信噪比 时分复用 通用移动通信系统 东南人学硕 学位论文 插图目录 图2 1o f d m 系统基本模型5 图2 2o f d m 符号内包括4 个子载波6 幽2 3o f d m 与f d m 频谱比较一6 图2 - 4 多径情况下空余保护间隔造成的子载波间干扰7 图2 - 5具有循环前缀的o f d m 符号8 幽2 - 60 f d m 发射机结构图9 图2 7o f d m 接收机结构图9 图2 8o f d m 信号的幅度1 2 i 璺i2 9 c c d f 曲线圈。1 2 图2 1 0 功率同退值和立方度晕值对比。1 3 i 玺l2 1 l 功率同退值和9 9 9 fj 限峰均比对比。1 4 l 璺i2 1 2 立方度苗法预测误差分布1 4 图2 1 39 9 9 j 限峰均比预测误筹分布1 5 图2 1 4简化的o f d m 系统发送端1 6 图3 1 限幅后信号的峰均比性能比较2 2 图3 2 原o f d m 输出信号和限幅后信号的功率谱2 3 创3 3 频域滤波系统框图2 4 图3 - 4 限幅和频域滤波后信号的峰均比分布比较一2 4 图3 - 5 限幅和滤波信号的功率谱密度比较2 5 图3 - 6 限幅法的误比特率性能曲线。2 6 图3 7 判决辅助重建对误比特率性能的改善2 8 图3 8p t s o f d m 系统框图2 9 图3 - 9 包含相邻数据的子块分割法。2 9 图3 一l op t s o f i ) m 系统峰均比性能3 0 图3 11二种分割法峰的性能比较3 2 图3 1 2v 和w 对峰均比性能的影响3 3 图3 1 3 a d a p t i v ep t s 性能曲线3 4 幽3 1 4a d a p t i v ep t s ，v = 1 6 3 4 幽3 1 5c i m i n i 方法与传统p t s 方法的峰均比性能曲线。3 6 倒3 1 6t e l l a m b u r a 算法的性能曲线3 8 图3 1 7 耸化对性能的影响3 8 闰3 1 8 峰均比理论分布曲线4 0 | 璺| 3 1 9s l m o f d m 系统峰均比分布曲线4 0 幽3 2 0 实际峰均比分布曲线与理论分布曲线的对比4 l 图3 2 1l i r a s l m 算法发送端框图4 2 图3 2 2l i r a s l m 算法的峰均比性能曲线。“ 图3 - 2 3l i m s l m 算法与s l m 算法的峰均比性能比较4 4 图3 2 4 立方相位序列的相位分布，n = 2 5 6 a = 1 1 1 6 4 6 图3 2 5 单项式相位序列的峰均比性能比较4 7 图3 2 6 盲接收s l m 算法的误比特率性能4 8 东南人学顿 学位论j 图3 2 7 图3 2 8 图3 - 2 9 图3 3 0 图3 3 1 图3 3 2 图3 3 3 图3 3 4 图3 3 5 图3 3 6 图3 3 7 圈3 3 8 图3 ，3 9 图3 - 4 0 图3 4 l 图3 4 2 图3 - 4 3 图3 舢 图3 4 5 图3 - 4 6 图3 - 4 7 图3 - 4 8 图3 - 4 9 图3 5 0 图3 5 1 图3 5 2 图3 5 3 图4 1 图4 - 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 一1 0 图4 一l l s l 】与p t s 的降峰均比性能比较4 9 j a y a l a t h 交织法的降峰均比性能曲线5 l 循环移位p t s 法的降峰均比性能曲线5 3 扰码交织法的峰均比性能曲线” 1 6 种4 比特码字的o f d m 信号的幅度5 5 3 比特码字编码后的信号包络5 6 未编码的3 比特码字的信号包络 不同长度s - r 序列的p a p r 5 7 长度为6 4 的s r 序列的信号幅度5 8 w a n g 压扩曲线和信号幅度分布曲线。5 9 w a n g 压扩法的峰均比性能6 0 w a n g 压扩法的误码率性能比较6 1 j i a n g 压扩曲线和信号幅度分布曲线。6 2 j i a n g 压扩法的峰均比性能6 2 压扩法对频谱影响的比较6 3 j i a n g 压扩法的误码率曲线一“ q p s k 星座空间及其扩展区域6 5 漂移后星库点的分布6 6 扩展星座映射法峰均比性能曲线6 7 扩展星座映射法误码率性能曲线6 7 p r c 的排列方式6 9 音调保存法的降峰均比性能7 0 h a d a m a r d o f d m 系统框图7 1 归一化自相关函数比较7 l h a d a m a r d 矩阵降峰均比性能7 2 几种矩阵的峰均比性能比较7 3 归一化自相关函数比较7 3 d f r - s d f d m 发送端原型7 8 频域成型的d f t - s - o f d m 系统发送端7 9 频域滤波的d f r - s 旬f d m 系统结构框图7 9 三种函数的单边波形8 4 几种成型函数的误比特率性能8 5 几种成型函数的峰均比性能曲线8 6 成型函数形状和信号频谱的父系盯 采用匹配滤波时滚降冈子对误比特率的影响8 7 未采用匹配滤波时滚降因子对误比特率的影响8 8 口= 0 2 时3 种函数对戍的o 1 峰均比j 限8 9 a = o a 时3 种龉数对应的0 1 峰均比f j 跟8 9 x 东南大学硕士学位论文 表格目录 表3 一l 限幅样点比例和平均功率f 降比例2 2 表3 2 常见的m k 和n 所对应的c c r r 值4 3 表3 3p t s 和s l m 方法的降峰均比性能比较5 0 表3 - 41 6 种4 比特码字的o f d m 信号的峰均比5 5 表3 5 遍历搜索法得剑的p r c 的最佳排列6 9 表3 - 6 各种降峰均比方法的比较7 5 x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 随着人类丰十会的发展和进步信息的获取、传输和消费已经成为人类生活中举足轻重的 角色。移动通信作为一种快速、便捷、可靠的通信方式，能解决人们在活动中与固定终端或 其他移动终端进行通信的要求，提高了工作效率，节约了人力、物力和时间。带来了很大的 社会效益和经济效益，已经成为众多通信领域中得以快速发展的分支之一。人类“任何时间 ( w h e n e v e r ) ，任何地点( w h e r e v e r ) ，都能与任何人( w h o e v e r ) 交流信息”的个人通信 愿望促使着通信技术得以不断向前发展。随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线网络性 能和数据速率的要求也越来越高。下一代移动无线通信系统的主要目标是提高链路吞吐量和 网络容量，建立一个无处不在的无线通信系统以及提供一个无缝链接的高质量无线服务 1 1 论文背景 基丁电子方法( 不包括篝火、机械信号机等) 的通信始于1 8 3 3 年，当时两个德国教 授高斯币韦伯，_ j 针式电报机建立了一个电报连接。莫尔斯改进了这些方法，使之更为实 i j 化升发明了基丁字母的荚尔斯码。这应当说是通信编码理论的首次应用。1 8 3 7 年莫 尔斯往华盛顿演示了电报，从而使电报迅速发展成为世界通片j 的通信工具。1 8 7 7 年2 月， 贝尔提出一项新的发明：电话。1 8 6 4 年，第一根人两洋电缆铺设完成之后电话的发展显 著加快。 无线通信始于1 8 9 5 年。来自意大利b o l o g n a 的2 1 岁学生马可尼试图不用电线而在两 个站点之间传递莫尔斯码。其可行性基于英国数学家麦克斯韦于1 8 6 7 年提出的理论( 该理 论对当今的物理学学生来说是众所周知的) 。1 9 0 1 年1 2 月1 2 日，马克尼设法进行了穿越 大西洋的简单信息传递。俄国的波波夫也同时进行了成功的无线电传输实验，但是他并没 有像马克尼那样受到业界的重视。 无线电为夫规模通信提供了第一个真实范例。第一次无线电广播可能是1 9 2 0 年1 1 月 2 日住匹兹堡的一个下库里进行的。俄裔美国人s a m o f f 提出了无线电播的思想。1 8 9 8 年， 美国客轮圣保罗号配备了火花型的马克尼发射机作为实验。第一类无线通信就是莫尔斯电 报，这种技术目前已经不再使剧了。 1 9 4 6 年美国a t & t 公司( a m e r i c a n t e l e p h o n e a n d t e l e g r a p h c o m p a n y ，美国电话电 报公司) 的移动电话网络在美国的圣路易斯启用。由丁该系统的成功a t & t 一年之内就 在另外2 5 个城市也建立了同样的移动网络。每个网络有一个基站( 主站) ，其设计宗旨就 是使之凡有尽可能人的覆盖范罔。第一个蜂窝移动电话网是在1 9 8 1 年秋天开始运营的，该 系统称为n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e ，北欧移动电话) ，是n o r d i ct e l e p h o n ea u t h o r i t i e s ( 瑞典、芬兰、挪威、丹麦和冰岛) 联合开发的。第一代移动电话系统例如n m t ，是模 拟制式的。现在的第一二代移动电话系统是基f 数字信号处理技术的。第三代移动电话则是 基于c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，码分多址嫩术的。基于c d m a 技术的通信系 统早在1 9 5 0 年就由r o g o f f 提出了该技术最初应用于军事系统和导航系统基于c d m a l 第一章绪论 技术的第一个移动电话标准是1 9 9 3 年7 月建立的北美i s - 9 5 标准。 随着人们对无线通信需求的日益增长，传统的单载波无线通信系统已无法满足与日俱 增的无线数据业务量的需要。第三代移动通信系统距离人类“任何时间( w h e n e v e r ) 、任 何地点( w h e r e v e r ) ，都能与任何人( w h o e v e r ) 交流信息”的个人通信愿望仍有较人距离。 1 2o f d m 与下一代移动通信系统 近几年来，随着对下一代无线通信系统研究的进展，o f d m ( 上e 交频分复用) 继单载 波扩频技术( 如c d m a ) 之后，成为主流的传输技术。较早采用o f d m 技术的系统包括 d a b ( 数字广播) 和d v b ( 数字电视) 。随后宽带无线接入系统i e e e8 0 2 1 i g a n 、8 0 2 1 6 d e 、 8 0 2 2 0 ( 标准正在制定当中) 也以o f d m o f d m a 技术为基础。另外，目前止在标准化的 3 g p pl t e ( 长期演进) 和3 g p p 2a i e ( 空中接口演进) 技术也将选_ l i jo f d m 及其改进剐 ( 下行o f d m a 、上行d f t - s - o f d m ) 作为备选的基本多址技术。近距离通信u w b 技术 也采用了m b ( 多载波) - o f d m 作为两个备选方案之一。未来的b 3 g 系统也将基丁o f d m 。 与传统的单载波传输方式相比，o f d m 具有如卜的优点： ( 1 ) 频谱效率高：由于f f t 变换的正交性使各子载波可以部分重叠理论上可 以接近n y q u i s t 极限。以o f d m 为基础的多址技术o f d m a ( 止交频分多 址) 可以实现小区内各用户之间的正交性，从而有效避免用户间干扰。这 使o f d m 系统可以实现很高的小区容量。 ( 2 ) 带宽扩展性强：由于o f d m 系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量。 因此o f d m 系统具有很好的带宽扩展性。小到儿白k h z ，人：u j l 自m h z ， 都比较容易实现。尤其是随着移动通信宽带化( 将由 5 m h z 增加到最人 2 0 m h z 以上) ，o f d m 系统对大带宽的有效支持。成为其相对于单载波技 术( 如c d m a ) 的“决定性优势”。 ( 3 ) 抗多径衰落：由于o f d m 将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输， 每个子载波上的信道可以看作平坦衰落信道，从而人人降低了接收机均衡 器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增人而急 剧增加很难支持较人的带宽( 如2 0 m h z 以上) 。 ( 4 ) 频谱资源灵活分配：o f d m 系统可以通过灵活的选择适合的子载波进行传 输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多刚户分集， 以获得最佳的系统性能。 ( 5 ) 实现m i m o 技术较简单：由于每个o f d m 子载波内的信道可看作水平衰 落信道，多天线( m i m o ) 系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平 ( 随天线数量呈线性增加) 。相反，单载波m i m o 系统的复杂度与天线数 量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于m i m o 技术的应用。 总之o f d m 频谱效率较高、适合高速传输，可有效对抗多径与频率选择性衰落信道 可动态分配各子载波的传输速率，并能通过使用不同数罩子信道实现不同速率以满足1 f 对 称业务需求。这些特点使得o f d m 成为f 一代无线移动通信系统最具竞争力接入方窠。 2 东南大学硕士学位论文 1 3o f d m 系统的峰均比问题 o f d m 的一个主要不足是其发送信号具有很高的峰值与平均功率比( 队p r ) 对于有 n 个子载波的o f d m 系统，一个极端的情况是当各个子载波上的信号恰好以同相相加时， 其发送信号的峰值功率甚至可以达到平均功率的n 倍。当信号超出功放的动态范围不能被 线性放人时，将会导致严重的信号失真，破坏各子载波之间的止交性造成带内信号畸变 和带外频谱弥散。为了保护o f d m 信号的频谱特征以避免带内畸变和带外弥散，发送端的 功率放人器必须贝有较人的动态l 。作范围以适应人的峰值功率尽管人的峰值功率出现的 概率较低。这就造成了低效率的功率转换，减小了信号可以覆盖的范围，同时在移动应用 中也会缩短终端的电池寿命。因此。o f d m 信号的高峰均比特性是o f d m 技术获得广泛 麻h j 的最人障碍之一。 日前已经提出了许多种降低o f d m 信号峰均比的方法包括限幅( c l i p p i n g ) 法、 部分传输序列( p t s ) 法、选择映射( s l m ) 法、交织( i n t e r l e a v i n g ) 法、编码( c o d i n g ) 法、乐扩( c o m p a n d i n g ) 法、扩展星座空间( a c t i v ec o n s t e l l a t i o n ) 法、音调保存( t o n e r e s e r v a t i o n ) 法、矩阵变换法，等。这些方法都以不同的代价为降低o f d m 信号的峰均比 提供了有效的解决方案。例如，i t s 法和s l m 法会增加系统复杂度，产生冗余信息；限 幅法和压扩法会造成频谱畸变；编码法降低了信息传输速率，等。因此，在这些方法的基 础上又提出了许多改进的方案，用来降低或消除它们的实现代价。 近来，有一种利用d f t 进行频域信号扩展来降低o f d m 信号峰均比的方法受到了广 泛关注。它所产生的o f d m 信号具有与单载波信号相近的峰均比性能，且算法简单，适合 上行链路的要求这种技术方案称为d f t - s - o f d m 技术。它已经成为3 g p p l t e 上行链路 接入的备选方案之一。 1 4 论文主要研究内容及安捧 论文介纠了o f d m 系统的基本原理及其峰均比特性研究了各类降低o f d m 信号峰 均比的方法通过计算机仿真验证了它们在降峰均比方面的有效性，还对d f t - s - o f d m 系 统的频域成型模块做了较为深入的研究，井通过仿真验证了我们提出的理论结论。 第一章讲述了系统的背景知识介绍了移动通信系统中o f d m 技术的发展概况及其优 缺点井说明了整个论文的研究内容及安排。 第二章对o f d m 系统作了较为详细的描述，给出了峰均比的定义。并介绍了在研究峰 均比问题时常会涉及到的信号统计方法和理论分布预测公式。 第二章详细研究了现有的各类降低o f d m 信号峰均比的方法，通过仿真验证了它们的 性能并分析了它们的优缺点，最后介绍了降峰均比方法的选择标准。 第四章介鲁“了d f t - s o f d m 系统，接着推导了频域成型滤波器的最优频域成型条件， 井通过仿真验证了结论，然后探讨了在实际应用中选择成型函数所应考虑的几点因素 第五章是全文的总结。 3 东南大学硕士学位论文 第二章o f d m 基本原理及其峰均比问题 2 1o f i ) m 系统的基本原理 2 1 1o f i d m 系统的调制和解调 o f d m 系统可以通过快速傅立叶变换来实现调制和解调每个o f d m 符号是多个经 过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方式可以选择相移键控( p s k ) 或者正交幅 度调制( q a m ) 。如果用n 表示子载波的个数。t 表示o f d m 符号的时间间隔，猷i = o i 刘1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，f c 是第0 个子载波频率。则从匍k 开始的o f d m 符号可 以表示为： “，) = r e 赤丢d , c x p j 2 州工+ 争) ( f _ 0 1 ，g q 盯 2 以 在很多文献中，经常采用如下所示的等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： “d 2 赤磊d , c x p ( j 2 石争( ，- ，j ) ) ，立 f ，+ r q 之 其中式( 2 - 2 ) 的实部和i 虚部分别对应丁o f d m 符号的同相和正交分量在实际中可以分 别与相麻子载波的c o s 分草和s i n 分鼙相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号 图2 - 1 给出了o f d m 系统基本模型的框图。 富 并 工r j _ z 叫汐1 竺! r +肌二扛弘 井 1 一 直 p 爷一 “司b 图2 1o f d m 系统基本模型 在豳2 2 中给出了一个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例。其中所有的子载波都具 有相同的幅值和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调制方式，每个子载波的幅值和 相位都可能是不同的。从图上可以看到，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数 倍的周期，而且各个相邻子载波之间相差1 个周期。因此各子载波信号之间满足正交性。 这种止交性还可以从频域角度理解。 第二章o f d m 基本原理及其峰均比问题 图2 - 2o f d m 符号内包括4 个子载波 图2 3 给出了o f d m 与传统f d m 的频谱比较图。从图中可以看出在o f d m 每一子 载波的中心频率处所有其他子信道的频谱值恰好为零。也就是说，o f d m 各子载波信号 之间的正交性避免了子载波间干扰( i c d 的出现。这样o f d m 频谱效率相比传统f d m 提 高了至少一倍( 传统f d m 通常还采用频率保护间隔) 图2 - 3o f d m 与f d m 频谱比较 接收端第k 路子载波信号的解调过程为：将接收信号与第k 路的解调载波相乘，然后 将得到的结果在o f d m 符号的持续时间t 内进行积分即可获得相应的发送信号。 孟= ；f j “噼，幼；) ) 喇幼；渺 = 亍i 鄹w = lr 唧( 胁等( ，一渺= a 1 ( 2 - 3 ) 实际上，式( 2 - 2 ) 中定义的o f d m 复等效基带信号可 三l 采用逆离散傅立叶变换( i d f l ) 来实现。令式( 2 - 7 ) 中的t i - o ，t = k t n ( k - = 0 1 ，n - 1 ) ，则可以得到： m 一( k t n ) = 专篓岫刚等) 砒- 1 ( 2 4 ) 式( 2 - 4 ) 中，s ( k ) 即为d l 的i d f t 运算。在接收端。为了恢复出原始的数据符号d i 。 可以对玎k ) 进行d f