（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中降低峰均功率比技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着无线通信技术的快速发展，语音、图像以及数据相结合的多媒体业务 和高速率数据业务越来越多，实时高速数据传输技术成为人们研究的热点。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 t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术因为其良 好的抗多径性能以及高效的频谱利用率，越来越受到人们的青睐。 o f d m 的核心思想就是先将高速率的串行数据流转换成多个并行的速率较 低的数据流，然后将它们分别映射到一组正交子载波上，这样就将原来的信道 带宽变为了若干个带宽相等的子信道，o f d m 符号的持续时间要比单载波符 号的持续时间长得多，所以它的抗多径衰落能力要比单载波的抗多径衰落能力 好许多。但由于它的输出信号是多个子信道信号叠加的结果，所以容易出现较 大的p a p r 。如果想要传输信号不发生失真，那么发射端的功率放大器就需要 具有很好的线性度，反之，如果放大器的线性度达不到信号变换的范围，那么 信号就会发生畸变，从而会破坏子信道的正交性，因此对于o f d m 系统需要降 低它的峰均功率比。 本文主要研究了如何降低o f d m 系统的峰均功率比。论文首先简述了 o f d m 技术的发展历史，接着阐述了o f d m 的原理及关键技术，然后介绍了 o f d m 系统中峰均功率比的定义及其分布特性。接下来讨论了现有的几种降 低o f d m 系统峰均功率比的技术，重点阐述了限幅法、s l m 方法和it s 方法， 并分别对它们进行了m a t i a k b 仿真，通过仿真结果来说明它们降低o f d m 系 统p a p r 的效果。在此基础上提出了两种降低o f d m 系统p a p r 的改进算法， 第一种是利用限幅法和it s 的联合算法。第二种方法是针对s l m 提出了一种 改进算法，依据待选序列的随机性来选择发送序列，从而只需要一个i f模块， 减小了系统的复杂度。最后通过m a t l a b 仿真证明了联合算法对于降低o f d m 系统的峰均功率比有比较明显的效果，也证明了改进的s l m 算法和传统的s l m 算法相比，在降低o f d m 系统峰均功率比的效果上相差不多，但是在系统实现 的复杂度上，改进后的选择性映射方法要好于原有的s l m 算法。 关键词：正交频分复用，峰均功率比，限幅，选择性映射，联合算法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , t h e c o m b i n a t i o no fh i g h - s p e e dm u l t i m e d i ad a t as e r v i c e si n c l u d i n gv o i c e ，p i c t u r ea n d d a t aa r em o f ca n dm o r ep o p u l a r ，t h er e s e a r c hi nd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo f r e a l - t i m ea n dh i g h - s p e e dt u r n si n t oah o ts p o lo f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d 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 yw i t hg o o dp e r f o r m a n c eo na n t im u l t i p a t h i n t e r f e r e n c ea n di n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c ea t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h em a i ni d e ao fo f d mi sf i r s t l yt ot r a n s f e rt h eh i 曲一s p e e ds e r i a ld a t as t r e a m i n t om u l t i p l ep a r a l l e ll o wr a t ed a t as t r e a m ，a n dt h e nm a pt h e mt oag r o u po f o r t h o g o n a ls u b - c a r r i e r s ，s o t h a tt h eo r i g i n a lc h a n n e li sd e v i v e di n t om a n y s u b e h a n n e l s , o f d ms y m b o l st i m eo fd u r a t i o ni sm o r et h a ns i n g l e c a r r i e rs y m b o l ，s s oi ti sm u c hb e t t e rt h a ns i n g l e - c a r d e ro na n t i m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea n di n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e h o w e v e r ，i t so u t p u ts i g n a li sf o r m e db ym u l t i p l es u b - c h a n n e l s i g n a l ，w h i c hc a ne a s i l yc a u s eh i g hp a p r t h et r a n s m i t t e rp o w e ra m p l i f i e rn e e d st o h a v eg o o dl i n e a r i t yi no r d e rt oa v o i do c c u r i n gs i g n a ld i s t o r t i o nd u r i n gi t s t r a n s m i s s i o n c o n v e r s e l y , i f t h e a m p l i f i e r sl i n e a r i t y c a l ln o ta c h i e v et h e r e q u i r e m e n t so ft h er a n g eo fs i g n a lc h a n g e ，t h e nt h es i g n a ld i s t o r t i o no c c u r s ，w h i c h w i l ld e s t r o yt h eo r t h o g o n a l i t yo fs u b c h a n n e l s ，s ot h eo f d m s y s t e mn e e d s t or e d u c e i t s 附r t h i sp a p e rm a i n l ym a k e sar e s e a r c h m e n to nh o wt or e d u c et h ep e a kt oa v e r a g e p o w e rr a t i oo fo f d ms y s t e m p a p e rf i r s t l yr e v i e w st h eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n to f o f d mt e c h n o l o g y , a n dt h e ne x p l a i n st h ep r i n c i p l ea n dk e yp o i n t so fo f d m ，a l s o i n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o no fp e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i oa n dd i s t r i b u t i o no fo f d m s y s t e m t h e nm a i n l yd i s c u s s e ss e v e r a lm e t h o d st or e d u c et h ep a p ro fo f d m s y s t e mi n c l u d i n gc l i p p i n g 、s l ma n dp 1 【 s ，t h e ns i m u l a t et h e mt h r o u g hm a t l a b t o d e m o n s t r a t et h e i re f f e c t i o n so nr e d u c i n gp a p ri no f d ms y s t e m f i n a l l y , p u t s f o r w a r dt w oi m p r o v e da l g o f i t h r a ，t h ef i r s to n ei sac o m b i n e da l g o r i t h mo fc l i p p i n g a n dp 1 r s ，w h i c hf i r s t l ym a k e su s eo ft h el i n e a ro fp 1 晒t or e d u c et h ep a p r , a n dt h e n o p e r a t e sc l i p p i n gt os u p p r e s st h ep a p r ，i nt h i sc a s e ，n o i s ew h i c hi sg e n e r a t e db y i n t e r f e n c ei ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d t h es e c o n do n ei sa ni m p r o v e ds l mm e t h o d n 武汉理工大学硕士学位论文 w h i c hs e l e c t st h es e n ds e q u e n c ea c c o r d i n gt ot h er a n d o m n e s so ft h ec a n d i d a t e s e q u e n c e ，i to n l yn e e d so n e 研m o d u l ea n di tr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m f i n a l l y , t h em a t l a bs i m u l a t i o np r o v e st h a tt h ec o m b i n e da l g o r i t h mh a so b v i o u s e f f e c t sr e s u l tt or e d u c et h ep e a kt oa v e r a g ep o w e r r a t i o ，i ta l s op r o v e st h ei m p r o v e d s l ma l g o r i t h mh a sa b o u tt h es a m ee f f e c t i o n0 1 1r e d u c i n gp a p ro fo f d ms y s t e m c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a ls l ma l g o r i t h m ，b u to nt h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m i m p l e m e n t a t i o n , t h ei m p r o v e ds l mm e t h o d i sb e t t e rt h a nt h e o r i g i n a ls l m a l g o r i t h m k e y w o r d s ：o f d m ，p a p r ， c l i p p i n g ，s l m ，c o m b i n e da l g o r i t h m i l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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j t l l ) j t l 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 武汉理工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。 期：竺! ! ：壁：乡 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：三如师c 签名，：f 日期：竺! ：堡彳 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 人类历史上第一次成功运用无线电波传输信息始于1 8 9 7 年【1 1 ，距离现在也 就一个世纪左右的时间，然而在此期间无线通信技术却已经发生了巨大而深刻 的变革，由于半导体技术、微电子技术、和计算机技术的不断发展，使得无线 通信技术也得到急速的发展和广泛的应用，这极大地推动了社会的发展，现在 无线通信已经成为我们日常生活中不可或缺的通信手段。但是随着时代的不断 前进，一些新的无线通信业务不断出现，这些新的业务对无线通信的传输速率 和传输质量要求越来越高，同时用户的数目也越来越大，从而使得有限的无线 资源变得越来越紧张。传统通信所能提供的服务已经不能够完全满足人们的需 求，只有不断地研究并开发出新的性能更好的无线通信技术才能适应社会的发 展。在移动通信的发展历史中，无线通信技术的发展主要经历了第一代、第二 代和第三代无线通信系统【1 1 ，如今人们已经开始着眼于第四代无线通信的研究， 纵观移动通信的发展史，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据：第 二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9 6 k b i t s ，最高可达3 2k b i t s ；第 三代移动通信系统数据传输速率可达到2m b i t s ：而目前所致力研究的第四代移 动通信系统可以达到i o mb i t s 至2 0m b i t s 。而正交频分复用( o f d m ) 就是第 四代无线通信系统的核心技术【3 1 。 第一代模拟系统采用频分多址( 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 a c c e s s ，f d m a ) 模拟调制方式。第一代模拟系统主要分为模拟蜂窝和无绳电话 系统【2 l ，仅能提供语音服务，典型的系统包括美国的a m p s 、英国的t a c s 、西 德c 4 5 0 等。它的主要缺点有抗干扰能力差、频谱利用率低、系统保密性差等。 2 0 世纪8 0 年代以后，模拟蜂窝网的容量已经不能满足不断增长的移动用户的 需要，同时由于数字信号处理技术、大规模集成电路技术和其它制造技术的进 步，数字移动通信系统得到了快速的发展和应用，于是，在经历了2 0 世纪8 0 年代的成功之后，模拟系统被9 0 年代推出的第二代数字移动通信系统所取代。 第二代数字移动通信系统以g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 系统【3 l 为代表，它采用时分多址( t u n ed i v i s i o nm u l t i p l x i n g 武汉理工大学硕士学位论文 a c c e s s ，t d m a ) 。与第一代移动通信系统相比，它的保密性强，其频谱利用率较 高，通信的语音质量也要好些，更重要的是它能够提供更丰富的业务，并且它 的标准化程度高。第二代数字蜂窝系统也有其缺点，那就是它只能提供语音服 务和低速率的数据业务服务。在现在这种信息时代，语音、图像以及数据相结 合的多媒体业务和高速率数据业务越来越多，第二代蜂窝移动通信系统也很难 满足人们的需求。 为了适应新的社会需求，人们提出了第三代( 3 g ) 移动通信系统。它采用 了高效率的信道编码译码、智能天线、r a k e 多径分集接收、多用户检测和功率 控制等关键技术【2 l ，其数据传输速率可以达到2 m b i t s ，支持多媒体业务，可全 球漫游、接口开放、能与不同的网络互联。目前国际电联承认的3 g 技术标准 主要有三个，即中国提出的t d s c d m a 、欧洲和日本提出的w c d m a 和美国 提出的c d m a 2 0 0 0 。但是由于3 g 系统的核心网结构只是对第二代窄带码分多 址蜂窝移动通信系统的延拓和扩展，所以人们普遍认为3 g 系统仅仅是一个从 窄带向未来移动通信系统过渡的阶段1 3 j 。 第四代移动通信系统主要以o f d m ( 正交频分复用) 为核心技术【3 卅提供增 值服务，它在宽带领域的应用具有很大的潜力。和前三代移动通信系统相比， o f d m 系统具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅可以增加 系统容量，更重要的是它能更好的满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、 影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去。 1 2o f i ) m 技术的发展现状 作为未来移动通信的主流技术之一，o f d m 技术最初的概念早在2 0 世纪 5 0 年代中期就已经被提出来了，到了6 0 年代以后，它主要的思想已经形成1 3 】， 那就是并行传输数据以及频分复用。但是局限于当时的条件，o f d m 技术中 的一些关键问题不能得到很好地解决。一直到了1 9 7 1 年，w e i n s t e r i n 和e b c r t 首先提出了用离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，d f r ) 来等效实现多 个调制解调器功能的思想1 5 j ，这样o f d m 系统结构得以大大简化，o f d m 技 术的实用性变得越来越强。总的来看，o f d m 技术经历了以下的发展过程： 最早出现的频分多路复用( 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 ) 技术【2 1 ， 它的主要思想是让多路不同频谱的低速信号在同一个信道中进行并行传输，其 频谱效率很低。接下来就是多载波通信技术，它的频谱效率比较高。通过运用 2 武汉理工大学硕士学位论文 正交幅度的调制技术，使得在3 d b 处的载波的频谱重叠，但是它的合成频谱却 是平坦的，频谱利用率就得到了提高，但是它的子载波的总数却比较有限。然 后就到了多载波理论发展的时期。1 9 6 6 年，c h a n g 在他的文章中提出了传输信 号通过一个带宽受限的信道时无i s i 和i c i 的原理【3 j ，1 9 6 7 年，s a l t z b e r g 经过性 能分析认为【4 】：一个有效系统的设计需要考虑到怎样降低相邻信道之间的干扰， 不能只是对单个的子信道进行考虑，因为信道间的干扰是引起信号失真的主要 原斟5 1 。之后就进入了o f d m 无线移动通信系统理论形成的时期。理论上，各 个子载波之间可以重叠1 2 ，它们之间具有相互正交的特性，这样在接收端可以 利用其正交性将信号解调出来，同时，频谱利用率提高了将近1 倍。1 9 7 1 年 s b w e i n s t e i n 和e m e b e r t 提出离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ， d f t ) 可以完成多载波基带的调制和解调【5 】，达到了避免使用滤波器组的效果， 从而减少了多载波系统的复杂度，同时，他们还提出了将各符号间用空白时隙 作为保护间隔来消除i s i 的思想。最近十多年就逐步到了实用的阶段，随着大 规模集成电路技术的快速发展，速率高而且点数大的f f f 芯片已经能够很容易 实现，这些使得o f d m 技术的优点显露出来并得到人们的青睐。 通过这些年的不断发展，o f d m 技术因为它可以很好的抵抗多径干扰并且 能够进行高速率的数据传输，所以它得到了广泛的应用，像欧洲地面数字视频 广播( t e r r e s t r i a ld 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 ) 、数字音频广播( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g , d a b ) 、日本综合业务地面数字广播( t e r r e s t r i a li n t e g r a t e d s e r v i c e sd i 酉t a lb r o a d c a s t i n g , i s d b t ) 、用于高速数据传输的数字用户线( d i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ，x d s l ) 、高速无线局域网标准、欧洲电信标准协会( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ，e t s i ) 的h i p e r l a n 2 及i e e e 8 0 2 1 1 、多 媒体无线业务等都是使用o f d m 技术作为其标准，在i e e e 8 0 2 1 6 3 标准中， o f d m 技术还被应用于固定无线接入( 融e dw i r e l e s sa c c e s s ，峨) 系统。 1 3 论文内容及章节安排 本文主要研究如何降低o f d m 系统的峰值平均功率比。论文首先简述 o f d m 技术的发展历史，接着阐述o f d m 的原理及关键技术，然后介绍o f d m 系统中峰均功率比的定义及其分布特性。接下来详细讨论现有的几种降低 o f d m 系统峰均功率比的技术( 限幅、编码、扰码) ，比较分析其优缺点。最 后在此基础上提出两种改进的降低o f d m 系统峰值功率比的方法( 一种利用限 3 武汉理工大学硕士学位论文 幅和it s 相结合，另一种对s l m 进行改进) 。并对这两种方法的性能进行仿真， 以证明其有效性和可行性。论文分为五章，具体内容安排如下： 第一章是绪论部分，介绍o f d m 技术的发展现状，论述进行本课题研究的 背景、意义。 第二章介绍o f d m 系统的基本原理、优缺点以及关键技术。首先给出 o f d m 系统的基本模型，分析发送和接收信号的原理，重点讨论离散傅立叶变 换、信号过采样、保护间隔和循环前缀等技术。最后论述o f d m 系统的优缺点 及其关键技术，包括同步技术、信道估计、峰均功率比、信道编码和交织。 第三章首先阐述o f d m 系统中p a p r 的定义以及其分布特性，然后详细介 绍几种降低o f d m 系统峰均功率比的方法，主要包括预畸变技术、编码类技术 和概率类技术，并比较分析这几种技术的优缺点。 第四章提出两种改进的降低o f d m 系统峰均功率比的方法。第一种方法是 将部分传输序列和限幅法相结合；第二种方法是对传统的s l m 方法进行改进， 降低复杂度。通过对这两种算法进行仿真，证明改进算法的可行性和有效性。 第五章对本文的工作进行总结，并对今后的研究方向作出展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章o f d m 基本原理及关键技术 正交频分复用( o f d m ) 属于多载波传输技术，它的核心思想1 3 j 就是先将 高速率的串行数据流转换成多个并行的速率较低的数据流，然后将它们分别映 射到间距相等的一组正交子载波上，这样就将原来的信道带宽变为了若干个带 宽相等的子信道，因为每个子信道将独自经过自己的子载波对子信道上的数据 进行映射，所以从时域的角度来看，o f d m 信号符号的持续时间要比单载波 符号的持续时间长得多，相应地它的抗多径衰落能力要比单载波的抗多径衰落 能力好许多。此外，因为o f d m 符号中引入了保护间隔，所以能够比较有效地 消除多径信道的延时扩展( i c i ) ，也能够减少码间干扰( i s i ) y l 。还有一点， o f d m 系统中子载波的调制解调可以通过i f f t 和f f t 变换来代替，从而不需 要用到大量的滤波器，这就大大减小了系统实现的复杂度【剐。 2 1o f d m 基本原理 2 1 1o f d m 系统模型 o f d m 系统的原理结构图1 3 l 如图2 1 所示。在发送端，首先把用来发送的 二进制序列经过编码和交织处理，然后将得到的数据从时域映射到频域上，接 着对其进行串并转换，之后对这些信号作离散傅里叶反变换( d f r ) ，这样就把 频域的数据转换到时域上了，经过并串变化之后，加上循环前缀，进行d a 转 换得到时域信号后，最终再通过射频将数据发射出去。而接收端的过程则与发射 端的过程相反，而在接收端，首先将接收到的数据进行加转换，得到数字信 号，然后去掉循环前缀，之后对其作离散傅里叶变换( d f l ) ，从而得到频域信 号，接着进行逆映射操作，最后在经过解交织、译码就能够还原出原始信号【9 】。 2 1 2 调制和解调原理 对于o f d m 技术来说，它最主要的特点就是先将高速率的串行数据流转换 成多个并行的速率较低的数据流，然后将它们分别映射到间距相等的组正交 子载波上。假设未经调制的基带信号的码元速率设成r ，其码元周期设成k ， 5 武汉理工大学硕士学位论文 那么经过串变换后的信号的码元速率就变成r n 1 0 l ，而符号周期t 则变成n t n ， 如果把第1 1 个码元时刻的一组信息码元序列表示如下 x ( n ，0 ) ，x ( n ，1 ) ，x ( n ，n - 1 ) 】，ne ( - o o ，) 则对于第1 1 个码元时间段内的o f d m 信号的调制过程能够用图2 2 来表示【l l l 。 图2 1o f d m 系统的原理框图 图2 - 2o f d m 的调制原理图 6 武汉理工大学硕士学位论文 由图2 2 可知，在第n 个码元时段内的o f d m 信号的表达式为 x ( f ) 。轰x ( 咄) e x p ( j 2 万 f ) ，f 【刀z ，( 刀+ 1 ) r 】( 2 1 ) 其中各个子载波的频率为 一厶+ 争，七一o ，1 ，一1 ( 2 2 ) 五是第o 个子载波的载波频率。 对于传统的频率复用系统而言，如果想要避免发生相邻信道间频谱的混叠， 往往需要在子载波之间留下一定的频率间隔，当然，这样带来的后果就是系统 的频谱利用率比较低。但是正交频分复用技术把一个完整的频带分成了许多个 相互正交的子信道，而这些子信道的频谱都是s i n x x 这种形式【1 2 1 ，所以即使这 些子信道相互混叠，但是对于各个子信道的载频来说，它受到的其它子信道的 干扰也为零，在接收的时候，可以很好地运用子信道之间相互正交的特性，解 调出的信号就不会受到信道间干扰。o f d m 系统接收端解调的结构框副1 3 l 可以 用图2 3 所示。 坚端 吲竺兰i 一厂习x ( n ，o ) 。 kl一毽点田i ) 。 并 7 i = l7 厂7 l 三：l 7 串 转 , - - j z 倒i m - t ： 换 i 点- r 堋。 7 b 广1 竺竺l 7 图2 30 f d m 解调原理图 由图2 3 不难看出，在接收端，信号首先被变换为n 个支路，然后分别被 相互正交的子载波解调，接着经积分运算还原出子载波上调制的信号，最后通 7 武汉理工大学硕士学位论文 过并串变换和逆映射还原出原始信号。因为子载波之间具有正交特性，所以这 种操作具有可行性，下面给出证明。 一 o + 1 ) r 一1 x ，m ) 昌荟x ，七) e 砸j 劢缸) e 啾一j 幼缸渺 1 o + 1 矽 昌荟x e x p ( j 劢( 一厶y 渺 昌薹地叮e x 谗挚渺昌荟x o ，尼) 饮牮渺 = x ，历) 2 1 3o f d m 信号的实现 ( 2 _ 4 ) 相对于传统的多载波技术，o f d m 技术有一个优点，那就是它能够用离散 傅里叶逆变换( i d f t ) 来实现o f d m 符号的调制，随着芯片技术的快速提高， 它还能够使用快速傅里叶变换技术( f f t ) ，这样效率就更高了。其原理1 1 4 - 1 5 1 如 下。 s ( f ) = 荟i v - i d 膨p ( j 2 石争) ( 2 - 5 ) 在o f d m 系统中，当n 较大时，式2 - 5 中的o f d m 复等效基带信号能够 使用离散傅里叶逆变换技术来实现。如果对信号s ( t ) 用t n 的速率实施抽样， 也就是设 t = k t i n ( k = q 1 ，一1 ) ( 2 6 ) ”s ( k t j r ) - m 磊- i 咖x p ( j 等) ( 0 s 七s 一1 ) ( 2 7 ) 从中得知& 可以看作是对面实施了i d f t 运算后得到的结果。相应地在接 8 武汉理工大学硕士学位论文 收的时候，如果要还原出原来的信号d i ，就需要对& 实行逆操作，也就是进行 离散傅立叶变换( d f r ) 。 小n 荟- 1 x p ( 一j 争m 圳一1 ) ( 2 8 ) 综上所述，可以得到一个结论，那就是：i d f t 和d f r 能够分别取代o f d m 系统中的调制和解调的过程。用i d 咖f r 实现o f d m 符号调制解调的过程如 下：在发送端，首先将经过编码、交织、映射后的信号进行串并变换，然后再 对其进行i d f t 运算，这样就将频域数据信号盔转换成了时域数据信号& ，最 后通过射频调制将信号发射到无线信道中去，在接收端，进行相应的逆操作即 可。离散傅立叶变换后输出的数据信号& 是所有子载波信号经过叠加而形成的， 是通过对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的【2 l 。 由于i f f t f f r 比i d f r d f r 更有效率，所以实际在o f d m 系统的实现过 程中，通常选用前者而不用后者。举例来说，n 点i d f t 运算需要进行2 次数 的复数乘法，但对于基2 f r 算法，它的复数乘法次数只需要( n 2 ) l o g ，( ) 。 可见，n 越大，m f r 相比i d f t 降低运算复杂度的程度就越大。 2 1 4 保护间隔和循环前缀 能够有效地对抗多径时延扩展是o f d m 技术比较突出的优点。将高速率的 串行数据流转换成n 个并行的速率较低的数据流，然后将它们分别映射到间距 相等的一组正交子载波上，从时域的角度来看，o f d m 信号符号的持续时间 是单载波符号的持续时间的n 倍，这样它的时延扩展和符号周期之比降低了n 倍。所以它的抗多径衰落能力要比单载波的抗多径衰落能力好许多。 如果想要更好地消除符号间干扰( i s i ) ，则需要在各个o f i ) m 符号之间插 入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) ，一般来说，这个保护间隔的长度比无线信道 中的最大时延扩展要大。在这种情况下，一个o f d m 符号的多径分量就不会对 下一个o f d m 符号产生干扰。如果保护间隔内不放入任何信息的话，因为多径 传播效应的影响，一个o f d m 信号内部会出现载波间干扰( i c i ) ，这个时候子 载波之间的正交性会受到破坏，会导致不同的子载波之间发生相互干扰的现象。 这种效应如图所示。图2 4 表示相邻的两个子载波，其中一个子载波相当于另 一个子载波有一定的延时。显然，因为o f d m 信号在实行f f r 操作的时间段内， 9 武汉理工大学硕士学位论文 两个子载波之间的周期个数之差已经不是整数了，那么在接收端想要对其中一 个子载波进行解调的时侯就会受到另一个子载波的干扰。 图2 4 多径效应下空白保护间隔产生载波间干扰 多径效应带来的信道间干扰对于接收端信号的恢复有较大影响，所以要消 除这种影响，人们通过研究找到了一种比较好的办法，那就是先对o f d m 符号 做周期性扩展，然后用扩展后的信号填充保护间隔，这时保护间隔内的信号就 叫做循环前缀 4 1 。从图2 - 5 得知，o f d m 符号中末尾宽度是的部分与循环前 缀中的信号是一样的。这样在h 丌运算周期内，对o f d m 符号加入循环前缀 后，多径产生的信号副本内包含的波形的周期个数依然是整数。这样子载波间 的正交性就没有被破坏，也就不会产生信道间干扰了，当然插入循环前缀会给 系统造成一定程度的信噪比的损失。 l f t 工1保护间隔i f i ：i 输出保护间隔i f f r ；圣 ，乙 堡 ，；时间 符号n 1 i t 3 符号n ； 符号n + i 图2 5o f d m 信号循环前缀原理图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 5o f d m 系统基本参数的选择 o f d m 系统的各种参数的选择需要综合考虑【3 1 ，一般来说，带宽 ( b a n d w i d t h ) 、比特率( b i tr a t e ) 、及保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) 需要优先设定。 这三种参数确定以后，其它的参数包括保护间隔、o f d m 符号的周期长度和子 载波数量等也就可以设定- t 4 1 。 通常情况下，保护间隔的时间长度应该设为移动信道的时延扩展均方根值 的2 至4 倍1 5 j 。一方面，由于插入循环前缀造成了一些信噪比的损失，所以o f d m 符号周期长度要尽可能大于循环间隔的长度，这样才能减小信噪比的损失程度。 另一方面，符号周期长度又不可能任意大，不然的话，o f d m 系统中要包括非 常多的子载波数，这将会导致子载波间隔减少，同时会增大系统的p a p r ，而 且使得系统对频率的偏差会更加敏感，这样系统实现的复杂度就会剧增。所以， 通常把符号周期长度设成保护间隔长度的5 倍。 子载波数量可以用3 d b 带宽除以子载波间隔( 即去掉保护间隔之后的符号 周期的倒数) 得到。或者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，每个子信道中所传输的比特速率可以由调制类型、编 码速率和符号速率来确定。 2 2o f d m 系统的关键技术及优缺点 2 2 1o f d m 系统的关键技术 ( 1 ) 同步技术。正交频分复用( o f d m ) 系统中的同步主要分为3 种【1 2 1 3 1 ， 包括载波同步、样值同步和符号同步，如图2 - 6 所示。 图2 - 6o f d m 系统同步方框图 武汉理工大学硕士学位论文 载波同步就是要求接收端的载波和发送端的载波同频同相。如果发射机与 接收机之间的载波频率存在偏差，那么接收信号在频域内就会发生偏移，这将 会造成子载波之间的正交性受到破坏，导致o f d m 系统的性能受到严重影响。 样值同步就是要求接收机中模数( a d ) 变换器取样频率和发射机中数 模( d a ) 变换器的采样频率一样。在接收端，通过射频接收到的o f d m 信号 是一种连续信号，它要先经过抽样和a d 变换处理之后，才能再对其进行f f t 运算。假如接收机和发射机中的采样频率不一致，那么就会出现时变的定时偏 差，以至于接收机需要跟踪时变的相位变化，复杂度就增加了，同时样值频率 的偏差也会使f f t 的周期发生偏差，这将会使得抽样的子载波之间的正交性受 到破坏，进而会导致子载波之间的信号相互干扰。 符号同步就是对于接收端的每一个o f d m 符号，它的起止时间要能够和发 送端的起止时间保持一致。由于o f d m 符号中的保护间隔是用循环前缀来填充 的，所以如果循环前缀的长度大于最大时延长度的话，那么多径效应带来的符 号间干扰就几乎能够得到消除。同时，因为在保护间隔内对o f d m 符号做了周 期性的扩展，所以子信道间的干扰也能够避免。从上面的分析可以看出，如果 想要保证各子载波之间的正交性，达到消除信道间干扰和子载波间干扰的目的， 那么在o f d m 符号持续时间内对其做f f t 运算时，子载波频率的正弦波函数要 包含整数个周期，同时其振幅也要保持恒定【1 5 】。 总的来看，三种同步不是孤立的、没有联系的，它们之间相互影响，通常 需要把这几种同步综合起来考虑1 1 3 j 。在系统同步的实现过程中，往往分成两个 阶段，第一个阶段叫捕获( 也叫粗同步) ，这一步的目的是让需要进行同步的参 量局限到一个小的范围内，第二个阶段然叫跟踪( 也叫细同步) ，这一步就是在 粗同步的基础上更大程度地减小误差，使得同步能够更加地准确。 ( 2 ) 信道估计 信道估计【件1 5 】就是从理论上对发送信号通过无线信道传输后得到的频率响 应进行估算，其目标就是希望通过估计出信道的时域或频域响应，然后再根据 这种响应的特性对接收到的信号进行校正和恢复，从而尽可能的保证解调信号 的正确性。和信道估计算法性能密切相关的因素主要有最大多普勒频移、最大 多径时延、导频插入方式等。 信道估计方法通常有两种，一种是基于导频信息的信道估计，它又具体可 以分成基于导频信道的估计和基于导频符号的估计；另一种是基于循环前缀的 盲信道估计。由于o f d m 系统具有时域和频域的二维结构，所以能够对时间轴 武汉理工大学硕士学位论文 和频率轴同时插入导频符号。导频符号估计法主要思想就是在发送端信号的一 些固定的位置插入知道的序列或者符号，然后在接收端通过前面的导频序列和 导频符号得到的结果对信道进行估计。 信道估计器的设计的难点主要有两个，一个是如何选择导频信息，因为无 线信道是一种衰落信道，在收发数据的过程中需要不断地对信道进行跟踪，所 以也需要不断地传送导频信息。第二个就如何设计导频跟踪能力良好并且复杂 度较低的信道估计器。因为在实际的设计过程中，信道估计器的性能和导频信 息的传输方式息息相关，所以最佳估计器的设计与导频信息的选择是相互关联 的。 ( 3 ) 峰值平均功率比 峰均功率比是指信号的峰值功率与平均功率之比，简称为峰均比【3 】( p e a kt o a v e r v a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 。由于o f d m 信号时域上表现为个n 正交子载波 信号的叠加，当各载波的相位相同时会产生很大的峰值。一般说来，o f d m 的 峰均比最大可能达到相同条件下单载波峰均比的n 倍。高的峰均功率比会对系 统产生严重的影响，对于数字部分，如i f f r f f t 、d s p 、山，d 及d 恤及转换器， 它要求大的字长以满足量化噪声及精度的要求。由于信号的大部分幅度只是峰 值幅度的一小部分，也就是出现高峰值的概率很小，从而使得这些部件的使用 效率很低。当过高的信号通过非线性设备如功率放大器时，会增加带内失真 ( i n - b a n dd i s t o r t i o n ) 从而增加误码率，同时产生的带外噪声一也会引起相邻信 道干扰，降低频谱效率。更为严重的是，为了减少失真，系统所用的功率放大 器要有很高的度线性，否则信号就容易发生畸变，从而造成失真，为此，需要 降低o f d m 信号的p a p r 。 为了降低信号中的峰均功率比，国内外学者进行了大量的研究，提出了很 多的方法，目前降低系统的方法大致可分为三大类：限幅技术、编码技术和非 畸变技术。 ( 4 ) 信道编码和交织 在数字通信系统中，采用信道编码和交织可以减小误码率，提高系统的性 能。对于o f d m 系统，为了更好地降低时间选择性衰落和频率选择性衰落对信 号传输过程中造成的影响，也需要进行编码和交织。信道编码主要用来解决衰 落信道中的随机错误，而交织技术则用来解决衰落信道中的突发错误。常用的 编码方式包括前向纠错码( f e c ) 、r s 码、t u r b o 码、t c m 、空时编码以及级 联编码【2 1 甾】等交织的方式主要分为块交织和卷积交织两种。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2o f i ) m 系统的优缺点 作为未来移动通信的主流技术之一，o f d m 主要有以下这些优点 8 - 9 。 首先，它将高速率的串行数据流转换成多个并行的速率较低的数据流，然 后将它们分别映射到间距相等的一组正交子载波上，这样就将原来的信道带宽 变为了若干个带宽相等的子信道，从而使得o f d m 信号符号的持续时间要比 单载波符号的持续时间长得多，所以它的抗多径衰落能力要比单载波的抗多径 衰落能力好得多。同时因为加入循环前缀，可以有效地消除信号内部子载波间 的相互干扰。其次，对于传统的频率复用系统而言，如果想要避免发生相邻信 道间频谱的混叠，往往需要在子载波之间留下定的频率间隔，这样带来的后 果就是系统的频谱利用率比较低。但对正交频分复用技术而言，即使子载波上