（通信与信息系统专业论文）削峰对典型数字调制系统的影响.pdf

，11l 十 l d 独创性( 或创新性) 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，除了文中特复1 1 1 ) j n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：j 辱j 毽止 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：叠垫型 同期： ! ! ! ：! ：z 导师签名：同期： c l ，k 毫l；lp 北京邮电人学硕士学位论文 削峰对典型数字调制系统的影响 摘要 除了恒包络调n j i - ，无线信号经过实际的放大器或者a d 、d a 变 换时，总存在非线性失真，其最主要表现就是信号被削峰。峰值与平均 功率之比( 峰均比，p a p r ) 越大，被削峰的概率也越高。削峰可能产生 两类问题，一是频谱增生会造成对其他信道的干扰，二是削峰产生的失 真对所传输信号性能的影响。本论文主要研究后一种问题。 鉴于正交频分复用系统( o f d m ) 一般具有较高的p a p r 值，论文首 先研究了o f d m 中的削峰噪声特性。论文理论分析了p a p r 以及削峰噪 声的统计特性，包括均值，方差，概率分布以及两者之间的相关性。同 时，也通过仿真进行了验证。论文结果表明，p a p r 并不能完全反映削峰 噪声的统计特性。降低p a p r 未必能降低削峰噪声。如果削峰门限不是 太高，削峰噪声引起的性能损失不是太大，这一点也与先前国内外的一 些文献能相互印证。 其次，论文研究了削峰对单载波系统的影响。升余弦滚降脉冲成形 以及高阶调制也会提高单载波系统的p a p r 值，因此也存在削峰的问题。 论文研究了削峰对单载波系统的功率谱密度、误比特率的影响。结论表 明，削峰会导致单载波频谱有一定的展宽，在削峰门限比较低的时候， 对系统误码率有一定影响。但与多载波系统相比，单载波系统峰均功率 比波动范围小，同时削峰噪声波动范围也小，因此，削峰对于系统性能 影响也小于多载波系统。 关键词：数字调制，正交频分复用，峰值平均功率比，削峰噪声 北京邮电大学硕士学位论文 熹 一，jf h 一 北京邮电大学硕士学位论文 t h ei m p a c to f c l i p p i n go nt y p i c a ld i g i t a l m o d u l a t i o ns y s t e m a b s t r a c t b e s i d e st h ec o n s t a n te n v e l o p em o d u l a t i o n ，w i r e l e s ss i g n a l sa r ea l w a y s s u b j e c t e dt ot h en o n l i n e a rd i s t o r t i o n sf r o ma m p l i f i e r s o ra da n dd a c o n v e g e r sw h i c hi sm a i n l yc h a r a c t e r i z e db yt h ep e a kc l i p p i n g t h ep r o b l e m o fc l i p p i n gi sm o r es e v e r ew h e nt h ep e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) i s l a r g e c l i p p i n g w i l lr e s u l ti nt w oa d v e r s ee f f e c t s ：t h er e g r o w t ho ft h e s i d e b a n d s p e c t a u m w h i c hw i l li n t e r f e r e rc o m m u n i c a t i o n si n a d ja c e n t c h a n n e l sa n dt h ed i s t o r t i o no ft h et r a n s m i t t e ds i g n a lw h i c hw i l ld e g r a d et h e p e r f o r m a n c eo ft h ed e s i r e dc o m m u n i c a t i o n t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so n t h e l a t t e r a s 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 ( o f d m ) s y s t e m g e n e r a l l yh a sh i g h e rp a p r ，w ef i r s ti n v e s t i g a t et h es t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so f t h e c l i p p i n g n o i s ei no f d ms y s t e m sb o t hw i t ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d s i m u l m i o n ，i n c l u d i n gm e a n ，v a r i a n c e ，c u m u l a t i v e d i s t r i b u t i o na n dt h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a tp a p rm a yn o tb ea ne f f e c t i v e m e t r i ct or e f l e c tt h ec l i p p i n gn o i s e r e d u c i n gp a p rd o e sn o tm e a nad i r e c t r e d u c t i o no fc l i p p i n gn o i s e m o r e o v e r ，t h ep e r f o r m a n c el o s sc a u s e db y c l i p p i n gn o i s ec a nb ei n s i g n i f i c a n tf o rm o d e r a t eo rh i g hc l i p p i n gt h r e s h o l d o u ro b s e r v a t i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h o s ep u b l i s h e di nl i t e r a t u r e s n e x t ，t h et h e s i si n v e s t i g a t e st h ei m p a c to fc l i p p i n gt ot h es i n g l ec a r r i e r s y s t e m ss i n c et h ep r o b l e ma l s oe x i s t sw h e nt h es i n g l ec a r r i e rs y s t e ma d o p t s h i g ho r d e rm o d u l a t i o na n dr a i s e dc o s i n ep u l s es h a p i n g t h ep o w e rs p e c t r u m d e n s i t y ( p s d ) a n db i te r r o rr a t e ( b e r ) i n d i c a t et h a tc l i p p i n gw i l ll e a dt o s p e c t r u ms p r e a d i n ga sw e l la sb e rd e g r a d a t i o nw h e nt h ec l i p p i n gt h r e s h o l d 北京邮电人学硕士学位论文 i sl o w h o w e v e r , t h ep r o b l e ms e e m sl e s ss e v e r ei ns i n g l ec a r r i e rs y s t e mt h a n i no f d m s y s t e m k e y w o r d s ：d i g i t a lm o d u l a t i o n ，o f d m ，p a p r ，c l i p p i n gn o i s e ， 、 北京邮电大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 概述l 1 2o f d m 系统简介2 1 2 1系统的调制和解调3 1 2 2 收发信机结构6 1 2 3o f d m 技术优缺点7 1 3 单载波系统简介- 8 1 3 1 高阶调制8 1 3 2 升余弦滤波器1 1 1 4 相关的性能参数1 2 1 5 研究现状一1 4 1 6 论文主要工作14 第二章o f d m 系统中的峰均比问题1 7 2 1 o f d m 系统中的峰值平均功率比及其分布1 7 2 1 1 峰值平均功率比的定义1 7 2 1 2o f d m 系统内峰值平均功率比的分布1 8 2 2 降低峰均比p a p r 的方法19 2 2 1 信号预畸变技术2 0 2 2 2 编码方法2 0 2 2 3 脉冲整形方法2l 2 2 4 选择映射法( s l m ) 2 1 2 2 5 部分传输序列法( p t s ) 2 1 2 2 6 交织2 2 2 3 本章小结”2 2 第三章削峰对o f d m 系统的影响2 3 3 1 削峰噪声的定义及其相关统计特性2 3 3 1 1o f d m 系统分析模型2 3 3 1 2 削峰噪声的定义2 4 北京邮电人学硕上学位论文 3 1 3 削峰噪声及相关参数的统计特性2 6 3 2 削峰噪声与峰均功率比的关系3 3 3 2 1 削峰噪声与峰均比的相关系数3 3 3 2 2 削峰噪声与峰均比的互信息3 5 3 2 3 降低p a p r 的方法对削峰噪声的影响。3 6 3 2 4降低p a p r 的方法对误比特率的影响3 8 3 3 本章小结4 0 第四章削峰对单载波高阶调制系统的影响。4 l 4 1 削峰噪声定义及其相关统计特性4 1 4 1 1 单载波系统分析模型4 1 4 1 2 单载波系统峰均功率比4 2 4 1 3 单载波系统中削峰噪声的定义。4 4 4 1 4 削峰对单载波频谱密度的影响4 4 4 1 5削峰对单载波系统误符率的影响。4 8 4 2 与o f d m 系统仿真结果比较4 9 4 3 本章小结“51 第五章论文总结5 3 参考文献5 5 附勇之5 9 至殳谢6 1 攻读硕士期间发表论文6 3 i i 北京邮电大学硕士学位论文 图目录 图l - 1 通信系统的一般模型2 图1 2o f d m 系统的调制与解调。4 图1 - 3 包含4 个子载波的o f d m 符号4 图1 - - 4o f d m 信号中各子载波的频谱。5 图1 5o f d m 收发信机结构图7 图1 6m q a m 信号空问图1 0 图1 7 矩形星座m q a m 信号的产生框图l l 图2 - 1 不同予载波数量条件下，c d f 对峰值平均功率比的曲线图。1 9 图3 - 1o f d m 发送端分析模型2 3 图3 2 削峰前后信号模值互补累积分布函数c c d f 图2 5 图3 3 削峰噪声模值互补累积分布函数c c d f 与门限值( b o d b ) 的关系图2 7 图3 4削峰噪声的统计特性与削峰门限及载波数的关系2 9 图3 - 5 信号与削峰噪声功率比值随削峰门限变化曲线3 0 图3 - 6 有效信道容量随信噪比变化曲线3 1 图3 7p a p r 的均值与削峰门限以及载波数的关系3 2 图3 - 8p a p r 的方差与削峰门限以及载波数的关系3 2 图3 - 9p a p r 互补累积分布函数c c d f 图3 3 图3 1 0 削峰噪声与峰均功率比相关系数图3 4 图3 1 l 削峰噪声信息熵及对p a p r 的条件熵3 5 图3 1 2 使用不同方法降低p a p r ，p a p r 的c c d f 图3 6 图3 1 3 使用不同方法降低p a p r ，削峰噪声的c c d f 图3 7 图3 1 4 误比特率随削峰门限变化曲线图( s n r = 1 0 d b ) 。3 9 图3 1 5 误比特率随信噪比变化曲线图( b o = 3 d b ) 3 9 图4 1单载波调制系统4 l 图4 - 21 6 q a m 信号模值图4 2 图4 36 4 q a m 信号模值图4 3 图4 4 单载波p a p r 累积概率分布函数c c d f 图4 3 图4 5 无削峰时系统频谱密度图4 6 i 北京邮电大学硕上学位论文 图4 - 6 削峰后系统频谱密度图4 7 图4 7 单载波系统误比特率随削峰门限变化曲线图4 8 图4 8 峰均功率比累计概率分布函数图( 单载波与o f d m 比较) 。4 9 图4 - 9 发送端削峰噪声累积概率分布函数图( 单载波与o f d m 比较) 5 0 图4 1 0 接收端削峰噪声累计概率分布函数图( 单载波与o f d m 比较) 5 0 i v 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 现代的移动通信发展至今，已经进入第三代移动通信阶段，并正朝着第四代方向 前进。 第一代移动通信是以a m p s 系统为代表的模拟移动通信系统，采用了频分多址 f d m a 技术。第二代移动通信以时分多址t d m a ( 主要是g s m ) 和c d m a ( 即c d m a o n e 或称窄带c d m a 、i s 9 5 ) 为主。该系统为数字移动通信系统，采用时分多址 ( t d m a ) 或窄带码分多址( c d m a ) 方式。第三代系统主要是以宽带的c d m a 为 基础，包括w c d m a 、t d 。s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等。 为了提供更高的无线传输速率，第四代研究正在加紧进行之中。第四代的主要技 术共识是采用o f d m 技术【卜5 l ，同时也存在一些单载波频域均衡的方案 6 】。第四代系 统的着眼点是为了在有限的频谱范围内容纳更多的信道和传输更多的数据，因此其技 术方案中，调制部分普遍采用高阶调制，因此频谱利用率都较高。然而，这些技术方 式和传统移动通信中的恒包络调制( 例如g s m 中的g m s k ) 相比，突出的问题是峰 值功率可能远大于平均功率，即信号包络具有很大的峰均功率比( p a p r ， p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 。对于系统中的一些非线性部件来说，这样的大动态范 围信号是非常不利的。这种器件包括如功率放大器、a d 、d a 变换器、上下变频器 等等。 非线性失真对无线通信系统将产生诸多不良影响，包括使输出信号星座图的实部 和虚部发生偏移，使眼图闭合，导致频谱扩展而干扰邻道信号并恶化误码率。这些欠 真将使系统的数据率下降、系统容量降低、系统的频谱利用率下降。 北京邮电人学硕士学位论文 图1 1通信系统的一般模型 图1 1 为通信系统的一般模型。为了克服信道传输过程中噪声的影响，实际系统 中需要对发送信号进行功率放大。实际放大器不可能对信号完全地线性放大，只能在 有限的范围内是线性的，那么超过这一线性范围后信号就会失真。对放大器的非线性 问题已经有许多文献进行了研究【9 - 1 1 1 ，一种简单的处理是将其作用看成是削峰，即超 过饱和功率的部分被切削，这也是许多文献中采用的模型 1 2 , 1 3 1 。 除了发送端的功率放大器之外，削峰还会产生在发送和接收端的a d 、d a 处理 中。现代的通信设备普遍采用数字化处理。a d 、d a 变换器只具有有限的动态范围。 同时，由于量化级数( 量化比特数) 有限，因此当信号的峰均比过大时，必然也会发 生削峰的情形。 众所周知，正交频分复用技术( o f d m ) 存在较高的峰均功率比问题。因此，已 经有许多文献致力于研究如何降低p a p r 2 6 , 2 7 】。同时，为了回避这一问题，有许多文 献提出用单载波频域均衡的方式来替代o f d m 。这当中涉及的实质问题就是削峰问 题，因此本文从这个角度出发，着重研究o f d m 和单载波系统中的削峰噪声及其对 通信系统的影响。 本章1 2 节简单介绍o f d m 技术，第1 3 节介绍单载波调制。单载波频域均衡 ( s c f d e ) 中对抗多径衰落的问题不是本论文关心的问题，所以1 3 节只是简要回 顾涉及p a p r 问题的高阶调制概念及脉冲成型问题。本章1 4 节给出本论文所涉及的 些性能参数的定义。1 5 节将简单介绍这，课题目前研究状况，1 6 节给出了本论文 的主要创新点及结构安排。 1 2 o f d m 系统简介 正交频分复用( o f d m ) 是多载波调制的一种特殊形式芦1 。在o f d m 中数据通过一 定数量的窄带波形传送，这些窄带波彤是l 较低速率的数据调制的，它们合并起来的 2 北京邮电大学硕上学位论文 总体占有一个宽的频带。和传统的频分复用( f d m ) 系统不同的是o f d m 的这些窄带 载波信号，依赖它们相互的正交性，以最大的频谱效率传送( 频带中没有频谱孔洞甚 至相邻的载波间有频谱交迭) 。这里有必要指出o f d m 既可以看作一种调制技术，也 可以视为一种复用技术。o f d m 将待传输的数据流分成几个分数据流，各个分数据 流在各自的子载波上传输，各子载波之间相互正交。在理想情况下，子载波之间的正 交性确保在接收端能够完全恢复这些传输的符号。无损完全重构滤波器组可以用作这 样的调制器。一种o f d m 调制器和解调器的实现方式是基于离散傅立叶变换( d f t ) 在发射机端生成多个载波信号，在接收机端对接收信号解调。o f d m 技术已经被用 于数字电视广播和高速无线网。采用o f d m 技术的主要原因之一是提高系统对抗信 道频率选择性衰落的能力。在o f d m 中采用循环前缀，通过一个简单的单抽头频域 均衡器就能够很好地抑制信道的干扰。 1 2 1 系统的调制和解调 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 ) 。如果用表示子信道的个数， r 表示o f d m 符号的宽度，西( 卢0 ，l ，, n - 1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，石是载 波频率，则从筑开始的o f d m 符号可以表示为 印) = 蹦，n ；2 - ：1 ，：e x p 眈姒一半砸训】) + t 式( 1 - 1 ) 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： 2 - 1 j p ) = d i + j i l ，1 2c x p j 2 x t ( t 一) 】 r + t 式( 1 2 ) f - ，2 i t 其中，式( 1 - 2 ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可 以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 o f d m 符号。图1 2 给出了o f d m 系统调制和解调框图，图中假定t ，- - 0 。 北京邮电大学硕士学位论文 e x p ( - n q e x p o x n t t ) 且扣椰 如 串并 , o f廿由母并脾 e x p ( j x ( n - 2 ) t t )e x # ( n - 2 埔一 虹扣椰 图l - 2o f d m 系统的调制与解调 在图1 - 3 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 波都具有相同的复制和相位，但在实际应用中，根据实际符号的调制方式，每个子载 波的幅值和相位都可能是不相同的。从图1 3 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个周期，而且各个相邻子载波之间相差1 个周期。由图中可 以看出，各子载波信号之间满足正交性。 图1 - 3 包含4 个子载波的o f d m 符号 这种正交性还可以从频域角度来理解。根据式( 1 - 1 ) ，每个o f d m 符号在其周期 丁内包括多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频谱与一 组位于各个子载波频率上的6 函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c f f ) i 垂i 数，这种 函数的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符号的s i n e 函数频谱。在每一子载波频 4 北京邮电人学硕士学位论文 函数的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符号的s i n c 函数频谱。在每一子载波频 率的最大值处，所有其它子信道的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调 的过程中，需要计算每个子载波上取最大值的位置所对应的信号值，因此可以从多个 相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。 由图l - 4 可以看出，o f d m 符号的频谱实际上可以满足无符号问干扰的余李斯特准则， 但传统的奈奎斯特准则是在时域上保证前后发送符号之间无干扰影响，但在此处指的 是在频域中各子信道上不存在干扰，这种消除子信道干扰( i c d 的方法是通过在时域中 使用矩形脉冲成型，在频域中每个子载波的最大值处取样来实现。 图i 4o f d m 信号中各子载波的频谱 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 e x p ( - j 2 石墨弓坚，) 相乘，然后将得到的结果在。f 。m 符号的持续时间丁内进行积 分，即可获得相应的发送信号玉，即 z = ；卜x p 【平万半( ) 】嬲，2 e x p j 2 万7 i ( ) 协 =亍1-,v,，u酬=，-：1d，+，：r+rexpj2万半(f一)】衍 = 以 式( 1 3 ) 实际一卜，式( 1 2 ) e e 定义的o f d m 复等效基带信号可以采用离散逆傅立叶变换 5 北京邮电大学硕士学位论文 ( i d f t ) 米实现。令式( 1 - 2 ) 中的t = o ，t = k t n ( k = 0 ，1 ，n - i ) ，可以得到： s ( 七) = j ( 后丁n ) = 竺1 z e x p ( 1 2 n f k l ) 。后一l 式( 1 一，) 式( 1 4 ) 中，s ( k ) 即为z 的i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号谚， 可以对s ( k ) 进行d f t 变换，得到： z = = j ( 响州百2 a - k ) 。f 一1 式( 1 5 ) 根据上述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替。 通过点i d f t 运算，把频域数据符号z 变换为时域数据符号s ( k ) ，经过载波调制之 后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行 点d f t 运算，即可获得发送的数据符号4 。 在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅里叶变换 ( f f m f f t ) 来实现调制和解调。点i d f t 运算需要实施旷次的复数乘法，而i f f t 可以显著降低运算的复杂度。对于常用的基2i f f t 算法来说，其复数乘法的次数仅 为( n 2 ) l o g ：n ，而采用基4i f f t 算法来实施傅立叶变换，其复数乘法的数量仅为 ( 1 0 9 2n 一2 ) 0 3 n 8 。 1 2 2 收发信机结构 o f d m 系统收发信机的典型结构如图1 5 所示。该图的上半部分是发送机的框图， 下半部分是接收机的框图。由于i f f t 和f f t 的运算步骤非常相似，可以用相同的硬 件来实现，因此将实现i f f t 和f f t 运算的部分放在了同一个方框图中。一般来说， 在实际的o f d m 系统中，发送机在i f f t 调制前包括前向纠错编码、交织、q a m 调 制、导频捅入、串，并变换等，在i f f t 模块的后面包括并，串变换、插入循环前缀、 加窗、数，模变换、射频调制和放大等；接收机包括射频放大和解调、模，数变换、 定时同步、串，并变换、f f t 解调、信道纠正、q a m 解调、去交织、纠错码译码等。 6 北京邮电大学硕士学位论文 r f t x + d a c 嬲h 丽赢 缀和加窗l 17 1 中x 扶 编码h 交织h 数字调制h 插入导频h 串并变换 解码卜| 一去交织h 数字调制h 信道校正h 并串变换 r fr x 卜ia d c 1 2 3o f d m 技术优缺点 i f f t ( t x l f f t ( r x ) 定嚣率h 取糯环啊 图1 5o f d m 收发信机结构图 对于o f d m 系统的优点主要包括以下几个方面： 首先，抗衰落能力强。o f d m 有多个子载波，每个子载波上的信号时间就相应 地比i 司速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使o f d m 对脉冲噪声和信道快衰 落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用， 也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。 其次，频率利用率高。o f d m 允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统 的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。再者，适合高速数据传输。 o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不 同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候， 采用抗干扰能力强的调制方式。 再有，o f d m 加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信 道上以高速率进行传送。因此，o f d m 技术非常适合高速数据传输。此外，抗码间 干扰0 s 1 ) 能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加 性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码问干扰的原因有很多，实际上，只要 传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。o f d m 由于采用了循环前缀， 对抗码间干扰的能力很强。 7 北京邮电大学硕士学位论文 同时o f d m 系统也存在一些缺点，主要包括： 对频偏和相位噪声比较敏感。o f d m 技术区分各个子信道的方法是利片j 各个予 载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅 1 的频偏就会使信噪比下降3 0 d b 。因此，o f d m 系统对频偏和相位噪声比较敏感。 峰值平均功率l t ( p a p r ) 大，导致射频放大器的功率效率较低。与单载波系统相比， 由于o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信 号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值 比。对于包含个子信道的o f d m 系统来说，当个子信道都以相同的相位求和时， 所得到的峰值功率就是均值功率的倍。当然这是一种非常极端的情况，通常o f d m 系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导 致射频信号放大器的功率效率降低。 负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使 用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度每小时高于3 0 公里时，自 适应调制技术就不是很适合了。 1 3 单载波系统简介 本论文主要研究削峰对于数字调制系统的影响，上一小节简单介绍了o f d m 系 统，而单载波中同样也有b j 能存在峰值功率较高而产生削峰的问题，因此本小节将简 要同顾涉及p a p r 问题的高阶调制概念及脉冲成型问题，而单载波频域均衡( s c f d e ) 巾对抗多径衰落等问题不是本论文关心的问题，在此将不作介绍。 1 3 1 高阶调制 数字调制有二进制及m 进制之分( 胗2 ) 之分，二进制数字调制是将每个二进 制符号映射为相应的信号波形之一。在m 进制数字调制( 胗2 ) 中，将二进制数字 序列中每k 个比特构成一组，对应于m 进制符号之一( m = - 2 k ) ，每个m 进制数字符 号映射为m 个信号波形之一，称此为m 进制数字调制。一般将m 值比较大时称为高 阶调制。单载波有多种调制方式，由于本论文研究中主要以正交幅度调制为主，本小 节将以正交幅度调制( q a m ) 为例介绍高阶调制。 正交幅度调制( q a m ) 是由两个正交载波的多电平振幅键控信号叠加而成的， 8 北京邮电大学硕士学位论文 其信号表示式为： s 舢( f ) = 气岛( t ) c o s c o , t 一气岛( t ) s i n ( o c t i = 1 ，2 ，m ，0 t i 式( 1 6 ) 其中 气) 及 气) 是一组离散电平的集合，岛( f ) 是基带成形滤波器的冲击响应。 m q a m 信号波形可表示为两个归一化正交基函数的线性组合，即 s ( f ) 2 l 彳( ，) + 墨：f z ( t ) 扣1 2 ，m o f e 式( 1 - 7 ) 其中，两个归一化正交基函数为 加) = 每c o s 吖 圳= 辱以) s 咧 m q a m 信号波形的二维矢量表示为 0 ，乃 0 t 乃 式( 1 - 8 ) 式( 1 - 9 ) 纠鲥= 惰气周川二一州。， 式巾的乓为脉冲舒( f ) 的能量，m q a m 信号的信号空间图如图1 - 6 所示： 对于m = 2 盖，且k 为偶数的矩形星座的m q a m 信号，可等效为同相及正交支 路的m 进制a s k 信号之和，每个支路具有m = 2 x 2 个信号电平。此矩形m q a m 信号星座虽不是最优的星座结构，但在满足一给定的最小欧氏距离条件下，即在满足 一定误符率条件下，矩形星座的m q a m 信号所需平均发送功率仅比最优m q a m 星 座结构的信号平均发送功率稍大，而矩形星座的m q a m 信号的产生及解调在实际实 现时比较容易，所以矩形星座m q a m 信号在实际通信中得到广泛应用。 9 北京邮电大学硕士学位论文 五( f ) 厂 人一 泌彳。修 蛏 彩 二夕 ( a ) m = 1 6 q a m 信号空间图 t ) 办【f ) m = 6 4 m = 3 2 l 。一一o 、 ii 、 m = 1 6 、 ii一一一一、 m = 8 ： 彳( t i i 一一 ：m = 4 ： 0 一一- 一一 i 一一一一i ， 一一， ( b ) 矩形q a m 信号空间图 图1 - 6m q a m 信号空间图 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 产生矩形m q a m 信号的原理框图如图1 - 7 所示。 图l - 7 矩形星座m q a m 信号的产生框图 s i n 吐f 在图l 一7 中，输入二进制序列 a n ) ，经串并变换后成为速率减半的双比特并行码 元，此双比特并行码元在时间上是对齐的。在同向及正交支路又将速率为r 2 的每 纠2 个比特码元经电平变换后变换为相应的万电平的幅度序列，再经成形滤波限带 后，得到“f ) 及烈f ) 的砑电平的p a m 基带信号( 数字期望为o ) ，然后将足d 及烈力 分别对正交载波进行万进制a s k 调制，二者之和即为矩形星座的q a m 信号。 1 3 2 升余弦滤波器 对于数字传输系统，若定义接收端抽样周期为z ，信道带宽为职则当c 万1 情况下，为了实现无码间干扰传输，需要采用升余弦滚降。该升余弦滤波器的传递函 数表示式为： x ( ) = t。i f l s 1 2 一 竺 l + c 。s 降等 等 0 ，x ( f ) 的尾巴是随时间以咖3 衰减，所以在实际抽样时刻与最佳抽样时刻 存在偏差，既具有定时误差时，它在实际抽样点所引起的码间干扰比口= 0 时的小。 需指出，升余弦滤波器的严格限频特性，是物理不可实现的，然而由于0 c t 1 升余弦滤波器频率特性的平滑性，使得有可能用物理可实现滤波器近似实现此频率特 性，所以在实际的限带数字通信系统中广泛采用0 口1 的升余弦滤波器。 1 4 相关的性能参数 一个通信系统的性能可以体现为许多不同的参数。本小节给出论文中所涉及的一 些性能参数的定义。 互信息 这是信息论里一种有用的信息度量，它是指两个事件集合之间的相关性。两个事 1 2 北京邮电人学硕士学位论文 件x 和y 的互信息定义为： i ( x ，l ，) = h ( x ) + h ( 】，) 一日( x ，】，) 其中日( x ) = 一尸( x ) l o g p ( x ) 是x 的熵，p 为x 的概率函数。 z ( x ，v ) ：- z p ( x ，y ) l o g p ( x ，j ，) 是兄】，的联合熵，p ( x ，y ) 为x ，y 的联合概率函数 信道容量 上世纪4 0 年代末仙农( c l a u d es h a n n o n ) 从数学理论的角度阐述了通信系统的信 道容量。信道容量的基础是信道输入和信道输出之间的互信息。仙农将信道容量定义 为这个互信息在不同的信道输入分布下的最大值。 不同的信道有不同的信道容量。本论文主要涉及a w g n 信道，考虑一个离散时 间a w g n 信道，信道的输入输出关系f i e y ( i ) = z ( f ) + ，z ( ，) ，其中x ( f ) 是信道在时问i 时 的输入，少( d 是相应的输出，n ( i ) 是白高斯噪声。 假设信道带宽为b ，接收信噪比定义为x ( f ) 的功率除以刀( ，) 的功率。a w g n 信道 的信噪比是恒定值y = p l ( c r 2 ) ，p 为输入信号x 的平均功率。则信道带宽 b = ( 1 2 ) l o g ：( 1 + g ) ，而对- 丁复数信道，b = l o g ：( 1 + 7 ) 。对于限带限功率a w g n 信 道的容量有下式计算可得： 信噪比 c = b l 0 9 2 ( 1 + y ) 即s n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o ) ，在通信系统中常用的是信号功率与噪声功率的 比值，信噪比越高说明系统性能越好，信号传输质量越好，接收端可以更容易地提取 原始发送信号。 误码率 误码率是衡量数字通信系统中信息传输可靠性的最重要的指标。误码率的定义是 发送码元到接收端发生错误判决的概率。在工程测量及仿真中，也常定义为错误码元 1 3 北京邮电人学硕上学位论文 数占总发送码元数的比率。对于二进制比特，相应称为误比特率( b e r ) 。误码率通 常是调制方式以及信噪比的函数。 1 5 研究现状 随着移动通信技术的发展，对通信的需求为更宽的工作频带，支持更加灵活的多 种业务等等，这些系统的调制方案的频谱利用率都较高，且都是大带宽和多载波系统。 此外，非恒定包络调制信号也在广泛应用。这都将导致系统输出信号包络具有很大的 峰值平均值功率比。由于大动态范围信号对系统的非线性非常敏感，这就带来另一 个问题，即非线性失真将影响通信系统的性能。 对于非线性失真带来的影响，一方面，自从上世纪八十年代r f 功率放大器线性 化技术飞速发展，人们相继提出了一系列线性化技术【9 川】，前馈，反馈，预失真，使 用非线性器件的线性放大( l i n c c a l l u m ) 署h 包络对消和恢复( e e r ) 等技术都得到 深入的研究和探讨，申请了一大批专利。另一方面，也有很多研究致力于降低信号峰 均功率比( p a p r ) 1 4 - 2 3 1 ，其中的大部分方法是1 9 9 0 年后发展起来的。通常，这些降 低峰均比的技术可以分为如下的四类：1 基于编码的方法。通过排除一些比特或比特 组合来避免大峰均比的出现。2 选择性映射方法( s l m ) 。选择性映射方法是产生一个 代表相同信息的序列集合，选择并发送其中具有最低峰均比的序列。3 部分传输序列 方法( p t s ) 。输入的数据帧被分成几个子块，发送的信号是这几个子块依据峰均比最 小原则的线性组合。4 限l 幅和滤波。对数据信号的样本进行裁剪，然后利用一个带通 滤波器来消除频带外的辐射。还有一些近年来发展起来的方法，如基于保留频带的方 法通过产生一些保留频带或不用的频带内的信号来降低多载波发射信号的峰均比。 但是信号的非线性失真最主要表现是信号被削峰，以往的许多研究主要强调了降 低p a p r ，而这些方法是否能够有效地降低削峰带来的影响并未涉及，因此本论文主 要致力于研究削峰对于数字调制系统的