（通信与信息系统专业论文）ofdm峰平比抑制关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着移动通信业务逐渐从传统话音向视频传输等多媒体发展，如何在有限的 无线频谱资源上提供的宽带移动多媒体业务，是移动通信技术面临的挑战。与传 统单载波相比，正交频分复用( 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 ) 具有频谱效率高、抗多径能力强等优点，逐渐成为i e e e8 0 2 1 6 e 、l t e ( l o n gt e r m e v o l u t i o n ) 及4 g ( 4 t hg e n e r a t i o n ) 等的物理层核心技术。 然而，o f d m 信号峰平b l ( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 高，对数模转换 器和高功率放大器- ( h i g hp o w e ra m p l i f i e r , h p a ) 的线性动态范围要求严格，使得 h p a 效率低，基站等设备耗电量大。有效抑制峰平比是o f d m 的关键技术之一。 本文讨论两种信号预畸变类峰平比抑制技术：有约束条件限幅与迭代限幅和星座 图扩展。 第三章提出有约束条件迭代限幅和变限幅门限、变畸变范围迭代限幅。有约 束条件迭代限幅重复有约束条件限幅算法，通过增加计算复杂度提高p a p r 抑制性 能。变限幅门限、变畸变范围迭代限幅为不同次数迭代选择不同限幅门限和不同 畸变范围，实现自适应e v m 原理和计算量自适应分配。仿真表明，i o m h z 带宽、 1 0 2 4 个子载波、1 6 q a m 星座映射条件下，算法最大迭代次数i n 。= 1 0 时，c c d f 为1 0 4 处，变限幅门限、变畸变范围迭代限幅可将o f d m 符号p a p r 降低至6 5 d b 以下，p a p r 抑制性能比有约束条件限幅增强2 3d b 。 第四章提出失真控制星座图扩展( a c t i v ec o n s t d l a t i o ne x t e n s i o n ，a c e ) 和星座 点预修正星座图扩展。失真控制a c e 扩大a c e 中的星座点可扩展区间；星座点 预修正星座图扩展加权( 权值大于1 ) 处于星座图外围的频域符号点，再进入a c e 或失真控制a c e 处理。仿真表明，5m h z 带宽、2 5 6 个子载波、q p s k 星座映射 条件下，算法最大迭代次数i 。，= 5 时，c c d f 为1 0 4 处，星座点预修正后的星座 图扩展，p a p r 抑制性能比a c e 增强1 2d b ；星座点预修正后的失真控制a c e ， 比失真控制a c e 增强o 7 3d b 。加入星座点预修正处理后，c c d f 曲线下降速度更 快，表明输出信号峰值分布更集中。 第五章将前两章讨论的峰平比抑制算法结合后，仿真应用于i e e e8 0 2 16 e 协 摘要 议中。结合算法以星座图扩展技术为基础，引入带外噪声降低信号峰平比；不同 次数迭代中，选择不同限幅门限和不同失真控制范围；星座图内部的符号点修正 时采用有约束条件限幅的带内处理方法。 本文讨论的有约束条件限幅和星座图扩展峰平比抑制技术，峰平比抑制能力 强，与协议兼容性好，实现简单，可应用于i e e e8 0 2 1 6 e 等o f d m 系统。 关键词：正交频分复用，峰平比，有约束条件限幅，星座图扩展 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sb u s i n e s sf r o mt r a d i t i o n a l v o i c es e r v i c e st ot h o s ev i d e ot r a n s m i s s i o na n do t h e rm u l t i m e d i as e r v i c e s ，h o wt ou s et h e 1 i m i t e da v a i l a b l ew i r e l e s ss p e c t r u mr e s o u r c e st op r o v i d em o b i l eb r o a d b a n dm u l t i m e d i a s e r v i c e sh a sb e c o m eac h a l l e n g et om o b i l ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e s c o m p a r e dt o t h et r a d i t i o n a ls i n g l ec a r r i e rt e c h n o l o g y , o f d m ，w i 也t h ea d v a n t a g e so fh i 曲s p e c t r a l e f f i c i e n c ya n di m m u n i t yt om u l t i p a t hf a d i n g h a sb e e nt l l ep h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g yi n m 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 r n s ，s u c ha s8 0 2 16 e ，l t ea n d4 g h o w e v e r , h i g hp e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i oi sam a i np r o b l e mi no f d ms y s t e m s r e d u c i n gp a p re m c i e n t l yi si m p o r t a n tt or e d u c et h el i n e a rr a l q 【g er e q u i r e m e n t st od a r d i 西t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e r ) a n dh i g hp o w e ra m p l i f i e r , a l s ot ol o w e r p o w e r c o n s u m p t i o na n dc u to p e r a t i n gc o s t sf o rm o b i l en e t w o r k s t h a t sak e yt o p i cf o ro f d m r e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t w os i g n a lr e d i s t o r t i o nm e t h o d s - c o n s t r a i n e dc l i p p i n ga n d a c t i v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n - h a sb e e ns t u d i e d t h et h i r dp a r to ft h i sp a p e rp r o p o s e dr e p e a t e dc o n s t r a i n e dc l i p p i n g ( r c c ) m e t h o da n dv a r i a b l ec l i p p i n gt h r e s h o l da n dd i s t o r t i o na r e av a l u er e p e a t e dc o n - s t r a i n e dc l i p p i n g ( v t d a r c c ) r c ci m p r o v e sp e r f o r m a n c eo fp a p rr e d u c t i o nb y i n c r e a s i n gc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y i nd i f f e r e n ti t e r a t i o n s 。v t d a - r c cg e t sd i f f e r e n t v a l u e so fc l i p p i n gt h r e s h o l da n dd i s t o r t i o na r e a i m p l e m e n t st h ea l l o c a t i o no fl o w e r c o m p u t a t i o na n d1 e s se v mr e s o u r c e sf o rt h o s eo f d ms y m b o l st oe a s i l yr e d u c ep a p r ， a n dh i g h e rc o m p u t a t i o na n dm o r ee v mr e s o u r c e sf o rt h o s eo f d ms y m b o l st oh a r d r e d u c ep a p r o nt h ec o n d i t i o n so f10m h zb a n d w i d t h , 10 2 4s u b - c a r r i e r s ，16 q a m c o n s t e l l a t i o nm a p p i n g , a n dt h el a r g e s ti t e r a t i o nn u m b e ri 。= 10 ，w h e nc c d fe q u a l s 10 - 4 v t d a r c cm e t h o dc o u l dr e d u c ea l lt h eo f d ms y m b o l s p a p rt o6 5d bb e l o w , w h i c hi s1 0 w e r2 3d bt h a nc o n s t r a i n e dc l i p p i n g t h ef o u r t hp a r tp r o p o s e dd i s t o r t i o n c o n t r o l l i n ga c t i v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n r d c a c e ) m e t h o da n dt h er e m o d i f y i n gc o n s t e l l a t i o np o i n t sa c t i v ec o n s t e l l a t i o n e x t e n s i o n ( r m c p a c e ) m e t h o d c o m p a r e dt ot h eo r i g i n a la c e d c a c ee x t e n d st h e c o n s t e l l a t i o np o i n te x p a n d i n ga r e a d c a c ew e i e 出t st h ec o n s t e l l a t i o np o i n t sb e i n gi n t h ep e r i p h e r yo fc o n s t e l l a t i o nd i a g r a mb ym o r e 也a l lo n et i m e s ，a n dt h e l lg o e st 0a c e o rd c a c ea l g o r i t h m o nt h ec o n d i t i o n so f5m h zb a n d w i d t h ，2 5 6s u b c a r r i e r s ，q p s k c o n s t e l l a t i o n m a p p i n g , a n d t h el a r g e s ti t e r a t i o nn u m b e ri 一= 5 ，w h e nc c d f e q u a l sl0 q a f t e rr e m o d i f y i n gc o n s t e l l a t i o np o i n t s a c ec o u l dr e d u c eb y1 2d bm o r e t h a nt h eo r i g i n a la c e ，a n dd c a c ec o u l dr e d u c eb yo 7 3d bm o r et h a nt h eo r i 西n a l d c a c e f u r t h e r m o r e ，b e c a u s eo fr e - m o d i f y i n gc o n s t e l l a t i o np o i n t s ，c c d fc u r eo f t h eo u t p u ts i g n a ld e c l i n e sf a s t e ra n dt h ed i s t r i b u t i o no fp e a kp o w e rp o i n t si sc l o s e r i nt h ef i i l i ap a r to ft h i sp a p e r , t w om e t h o d ss t u d i e da b o v ew e r ei n t e g r a t e dt oan e w m e t h o d a n dw a sa p p l i e dt oi e e e8 0 2 16 es y s t e mi nt h es i m u l a t i o n t h en e wm e t h o di s b a s e do na c e ，u s e st h en o i s eo u to fb a n dt or e d u c ep a p r ，a n di nd i f f e r e n ti t e r a t i o n s ， 1 1 1 a b s t r a c t g e t sd i f f e r e n tv a l u e so fc l i p p i n gt h r e s h o l da n dd i s t o r t i o na r e a ，w h i l e ，f o rt h ep o i n t si n t h ei n t e r i o ro fc o n s t e l l a t i o nd i a g r a m a d o p t st h es a m ea l g o r i t h m2 l sc o n s t r a i n e d c l i p p i n gm e t h o d c o n s t r a i n e dc l i p p i n ga n da c t i v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o ns t u d i e di 1 1t h i sp a p e r i s w i t hg o o dp a p rr e d u c t i o na b i l i t ya n dc o m p a t i b i l i t yw i t ht h ep r e s e n tp r o t o c o l s c o u l db e i m p l e m e n t e de a s i l y , a n dc o u l db ea p p l i e dt oi e e e8 0 2 16 ea n do t h e ro f d ms y s t e r n s k e y w o r d s ：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 k - - t o - a v e r a g ep o w e r r a t i o ，c o n s t r a i n e dc l i p p i n g ，a c t i v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n 图目录 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 _ 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 _ 3 图“ 图4 _ 5 图4 6 图4 _ 7 图4 8 图4 _ 9 图4 - 1 0 图4 _ 1 1 图4 - 1 2 图4 - 1 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图目录 o f d m 基本原理图3 o f d m 时域信号不同采样速率下c c d f 曲线( q p s k 、2 5 6 点i f f t ) 1 2 限幅滤波原理框图。1 3 噪声成形方法原理图一1 4 峰值抵消模块1 4 部分传输序列法的原理框图1 6 选择映射法的原理框图1 7 t i 技术的模块图一18 t i 技术中q a m 星座图扩展19 误差向量计算方法示意图2 l i e e e8 0 2 1 6 e 中2 0 m h z 带宽情况下的频谱模板2 3 有约束条件限幅的算法框图2 6 带内处理的向量解释2 8 迭代限幅的算法框图2 9 p a p r 处理算法主流程图3l p a p r 处理子流程一3 1 i e e e8 0 2 1 6 e 中1 0 m h z 带宽情况下的频谱模板3 3 有约束条件限幅p a p r 抑制性能3 6 变限幅门限、变畸变范围的迭代限幅算法p a p r 抑制性能3 8 星座扩展区域示意图4 1 a c e 算法框图4 2 a c e 中q p s k 星座点修正示意4 3 失真控制a c e 的q p s k 星座点可扩展区域4 4 失真控制a c e 的1 6 q a m 星座点可扩展区域4 5 星座点预修正a c e 的q p s k 星座图4 7 a c e 不同最大迭代次数时的p a p r 抑制性能5 0 失真控制a c e 不同最大迭代次数时的p a p r 抑制性能5 0 星座点预修正与a c e 结合算法的p a p r 抑制性能5 2 星座点预修正与失真控制a c e 结合算法的p a p r 抑制性能5 3 a c e 算法处理后o f d m 频域信号星座点分布一5 4 星座点预修正与a c e 结合处理后频域符号点分布5 5 a c e 算法对误码率影响( q p s k 映射，2 5 6 点i f f t ) 5 6 o f d m a ，p u s c 模式物理层简化链路5 8 s o u r c e ( 信源) 模块输出数据6 1 2 0 m h z 带宽、6 4 q a m 调制算法p a p r 抑制性能( 6 、8 倍速采样) 6 2 算法处理后各符号e v m 统计6 4 v i i 图目录 图5 5 算法处理后的频谱情况( 2 0 m h z 、6 4 q a m 、8 倍速采样条件) 6 5 v i i i 表目录 表目录 表3 1 限幅率、畸变范围与迭代次数关系表3 7 表4 1星座点预修正与a c e 结合算法参数5 l 表4 2 星座点预修正与失真控制a c e 结合算法参数5 2 表5 1 o f d m a p u s c 模式物理层简化链路参数配置5 8 表5 2 失真控制砀i 范围取值、限幅率c r 与迭代次数关系6 0 缩略词表 a c e a d s l b e r c f c c d f c c c p d f 入 d a b d c a c e d f t d v b f f f t i c i i s i f t i f f t l t e n s o f d m o f d m a p a p r p c 缩略词表 a c t i v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p b i te r r o rr a t e c l i p p i n gf i l t e r i n g c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o n f u n c t i o n c o n s t r a i n e dc l i p p i n g c y c l i cp r e f i x d i 百t a l - t o - a n a l o g d i 百t ma u d i ob r o a d c a s t i n g d i s t o r t i o n - c o n t r o l l i n ga c t i v e c o n s t e l l a - t i o ne x t e n s i o n d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r i l l d i s t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e ， f a s tf o u r i e rt r a n s f o r r n i n t e r - c a r d e ri n t e r f e r e n c e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o n n i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f c i r n l l o n gt e r me v o l u t i o n n o i s es h a p i n g 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 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 a c c e s s p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o p e a kc a n c e l x 星座图扩展 非对称数字用户线环 路 误比特率 限幅滤波 互补累积分布函数 有约束条件限幅 循环前缀 数模转换 数字音频广播 失真控制星座图扩展 离散傅立叶变换 数字视频广播 误差向量幅度 快速傅立叶变换 载波间干扰 符号间干扰 逆离散傅立叶变换 逆快速傅立叶变换 长期演进 噪声成形 正交频分复用 正交频分复用多址 峰值平均功率比 峰值对消法 塑堕塑耋 一 p t s p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s 部分传输序列 p w p e a k w i n d o w i n g 峰值加窗 q p s k q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 正交相移键控 r c c r e p e a t e dc o n s t r a i n e dc l i p p i n g 有约束条件迭代限幅 r m c p - a c r e m o d i 觚gc o n s t e l l a t i o np o i n t sa c f i 星座预点预修正星座 e v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n图扩展 r fr a d i of r e q u e n c y 射频 s l m s e l e c t l e dm a p p i n g 选择性映射 v c t d a - r c 熙v a r i a 粤b l ec l 讪i p p i n e g 脚t h r e s h o l d a n 邮d d i s t o r - 黧淼贿变 w i m a x w o r l d n e r o p e r a b i l i t y f o r m i c r o w a v e 微波存取全球互通 w l a nw i r e l e s sl o c a la c c e s sn e t w o r k无线本地接入网 主要数学符号表 符号类别 变量 向量或矩阵 变量共轭 点乘 向量s 的第k 个元素 时域信号 频域向量符号 时域向量符号 主要数学符号表 x i i 字体和说明 小写斜体 小写粗体 ( ) 奉 s p 】 s ( f ) 大写粗体 小写粗体 仞 事 七八 利口a ” 邓s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 型【翌望 导师签 日期：年月 日 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 无线移动通信作为一种快速、便捷、可靠的通信方式，成为当今通信技术中 最为活跃、发展最为迅速的领域之一。无线移动通信技术发展的目标是实现人类 在任何时间、任何地点以任何方式进行信息交流【1 1 。目前，移动通信系统已经进入 第三代宽带多媒体通信阶段，欧洲u m t s ( u n i v e r s a lm o b l i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 系统逐渐应用，而我国提出的t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系统，运营商已获得运营牌照，进入商用阶段。3 g p p ( t h e 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t ) 已经完成l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 草案。在过去的二 十多年中，无线移动通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，先后经历了从第 一代模拟通信、第二代数字通信到第三代宽带多媒体通信的三个标志性发展历程， 极大地推动了社会的发展。 当前，尽管传统的移动话音业务在世界范围内仍占有主要地位，但移动通信 从传统话音向视频传输等多媒体业务的发展趋势清晰可见。随着新型移动多媒体 业务的不断涌现，如何在有限的无线频谱资源上提供满足人类物质文化需求的宽 带移动多媒体业务，对未来移动通信技术的发展提出了巨大的挑战。 虽然为高速业务和多媒体业务设计的第三代移动通信系统( 3 r dg e n e r a t i o n , 3 g ) 在通信的容量与质量上较第二代移动通信有了明显提高，但由于其核心技术未能 发生革命性的变革，因此无法解决在有限的无线频谱资源上提供广泛覆盖且速率 达到1 0 0 m b p s 以上的宽带乃至广带移动多媒体业务的突出矛盾。因此，世界各国 在推动第三代移动通信系统产业化的同时，已把研究重点转入后三代移动通信 ( b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n ，b 3 g ) 技术的研究上，力争在概念和技术上寻求创新和突破， 从而使无线通信的频谱效率、容量和速率有十倍甚至百倍的提高。 可以预见，在传输体制方面，传统的单载波时分多址( t i m ed i v i s i o nm u t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 和码分多址( c o d ed i v i s i o nm u t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术已难以满足 b 3 g 移动通信系统的技术要求，采用高度灵活的多载波并行传输体制成为b 3 g 移 动通信系统设计的关键之一。以正交频分复用为基础的多载波调制技术将高速串 电子科技大学硕士学位论文 行数据流变换为低速数据并行传输，在宽带无线通信领域的应用中具备较大技术 优势，并已成功应用于许多商用化的通信系统中，因而受到了人们越来越广泛的 重视和研究，被公认为下一代移动无线通信系统的核心技术之一。 1 2 论文背景 正交频分复用是种广泛使用于多径衰落信道条件下的多载波调制方法，它 具有抗多径能力强等优点，已应用于数字视频广播，i e e e 8 0 2 1 1 a g , i e e e 8 0 2 1 6 等 标准中。然而，o f d m 又有其缺点，高峰平比问题就是其中之一。高峰平比的o f d m 信号要求射频( r a d i of r e q u e n c y , r f ) 前端高功率放大器具备足够大的线性动态范 围，这一方面会增加h p a 的成本，另一方面会降低高功率放大器效率。如果信号 波动范围超过h p a 的线性动态范围，则会带来带内失真和带外杂散。目前，学术 界已提出有多种峰平比抑制技术。本节将介绍o f d m 技术与o f d m 峰平比关键技 术的研究意义。 1 2 1o f d m 简介 正交频分复用是一种特殊的多载波传输方式，它可以被看作一种调制技术， 也可被当作一种复用技术。自二十世纪八十年代以来，o f d m 技术已经在数字音 频广播( d i 百t a la u d i ob r o a d c a s t i n g , d a b ) 【4 1 、数字视频广播( d i 舀t a lv i d e ob r o a d c a s - i n g , d v b ) t 5 1 、h i p e r l a n 2 t 6 1 、i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 6 e f 刀等系统中得到了应用， 还是下一代移动通信的核心技术。 o f d m 的基本原理【2 】框图见图1 1 。可以看出，o f d m 是一种并行传输数据的 技术，它将高速数据串行数据串并变换为低速数据并行数据，用多个正交的载波 构成子信道分别调制并行数据。由于各子载波( s u b c a r r i e r ) 间是正交的，各子信道 的频谱之间可以有交叠而不会产生相互的干扰。 需发射的点原始数据s 经过串并变换为s k 】( k 【o ，n 一1 】) ，然后调制到一 组正交的子载波上。数学上，等效为将s ，进行逆离散傅立叶变换( i n v e r s ed i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ，i d f t ) 变换： 1n - i j ( f ) = 专s h e j 2 4 r k a f t , o t 丁 ( 1 - 1 ) yk = o 其中，表示子载波的个数，矽为子载波间距。 2 第一章绪论 s t o j 。 添 富 s 2 】。 加 并 oj ( r l循 变 訇 ，7 环 一 换日u s n u 缀 s 7 o 】 去 由 、 掉 并 。s 吲 卜 f ( t )循 变 q环 换刖 s n - 1 ：缀 图i - 1o f d m 基本原理图 o f d m 技术在众多商用化的系统中扮演了重要的角色，也已经越来越得到人 们的关注。o f d m 系统主要具有以下优点【2 】： ( 1 ) 适合无线通信系统。o f d m 技术可以有效对抗i s i ，适用于多径环境和衰 落信道中的高速数据传输。把高速数据流通过并行传输，对频率选择性信 道具有强鲁棒性。由于本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特 别严重，系统可以省去时域均衡器。 ( 2 ) 频谱效率高。由于o f d m 中各个子载波之间相互正交，当子载波个数很 大时，系统频带利用率趋于n y q u i s t 极限，两倍于单载波系统。并且可根 据信道条件进行自适应的比特和功率分配，以充分利用信道容量。与常规 的频分复用系统相比，o f d m 可以最大限度地利用频谱资源。 ( 3 ) 实现简单。各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用i f f t 和f f t 算 法来实现。随着大规模集成电路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ，v l s i ) 技术 与数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 技术的发展，f f t 和i f f t 的实现也相对更加容易。 ( 4 ) 一般来说，无线数据业务都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量远 大于上行链路中的数据传输量。无论从用户数据业务的使用需求，还是从 移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输， 而o f d m 系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下 3 电子科技大学硕士学位论文 行链路中不同的传输速率。 然而，由于o f d m 系统内存在多个正交的子载波，而且输出信号是多个子信 道信号的叠加，因此与单载波系统相比，o f d m 系统存在易受频率偏移影响、较 高的p a p r 以及载波间干扰等缺点，本文即研究o f d m 峰平比抑制关键技术。 1 2 2 课题研究意义 在无线通信环境中，具备更高的频谱效率是下一代通用移动通信系统的一个 典型特征。要实现这个目标，o f d m 具有很大的技术优势：在o f d m 中，高速的 数据流通过串并转换，使每个子载波上数据符号的持续时间相对增加，并结合循 环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，有效地减少了无线信道时间弥散带来的符号间干扰i s i 。 从频域上看，信道被分为若干窄带并行平坦衰落的子信道，有效地对抗了信道的 频率选择性衰落【2 1 ，提高了单位频带内的误码率性能，从而提高了频谱效率，为支 持未来高速率的无线数据业务提供了可能。 o f d m 发射机，把不同符号并行调制到正交子载波上，引起高峰平比问题， 对数模转换和射频高功率放大器的线性动态范围提出了高要求。一方面，h p a 线 性动态范围不够大，会导致o f d m 信号失真，造成系统误码率性能降低，并且可 能对邻近信道带来干扰；另一方面，如果h p a 线性动态范围大，器件成本变高， h p a 效率降低，耗电量增加，网络的运营成本增加。抑制峰平比是o f d m 的关键 技术之一。 为了抑制o f d m 信号中的峰平比，国内外学者进行了大量研究，包括定义 o f d m 峰平比，提出峰平比抑制方法，分析峰平比抑制技术对射频功放效率影响 等。 文献 9 分析多载波系统的峰平比问题，给出了峰平比定义，概括了目前峰平 比抑制技术研究现状，包括限幅滤波类、编码类、部分传输序列、选择映射、交 织等p a p r 抑制技术。 文献u 0 讨论了o f d m 信号在不同采样率下的峰平比分布，o f d m 等带通信 号峰平比定义，o f d m 等效基带信号峰平比定义，o f d m 离散信号峰平比定义， 以及它们之间的关系。文献中指出，高峰平比对d a 和h p a 的线性高要求，会降 低h p a 效率。同时也简述了目前的峰平比抑制技术研究现状。 文献 1 1 】提出简单限幅方法信号降低峰平比。设定一个限幅门限，当信号幅度 - 4 第一章绪论 大于门限时，输出信号幅度等于门限，而保持相位不变。简单限幅会引起信号非 线性失真，带来信号带内失真，可能会干扰邻近信道，因此需要对限幅后的信号 作滤波处理。其他改进方法包括加窗、峰值抵消、噪声成型等，均是基于限幅的 峰平比抑制方法。 文献 1 2 讨论了部分传输序列方法降低信号峰平比。o f d m 系统中，输入频域 数据被分成独立数据块，分别乘以不同因子，再经过i f f t 变换后相加，作为输出 信号。技术难点是因子的选取，需要大量搜索。同时接收端需要知道发送端选取 的因子，也就是需要边信息。这种方法的研究主要集中在因子搜索算法和如何减 少变信息传输等方面。 文献【1 3 】借鉴语音信号的律压扩算法，放大小信号，压缩大信号，降低信号 的峰平比。相比与限幅滤波，由于收发压扩规律已知，接收端可反向解压扩，无 失真恢复原信号，系统误码率性能受影响较小。 编码类峰平比技术也是研究热点，文献 1 4 】讨论循环码利用降低峰平比、文献 1 5 】讨论分组码降低峰平比。另外文献 1 6 】、 1 7 讨论星座扩展方法、子载波注入 等方法。 总之，峰平比抑制是o f d m 系统的一个关键问题，对降低器件要求，降低基 站及终端设备耗电量有重要意义。尽管目前学术界对峰平比分析和抑制已经做了 大量工作，但仍然存在不足。o f d m 射频信号包络分布特征还没有解析表达；峰 平比抑制技术对峰平比抑制性能不强；峰平比抑制技术算法复杂度高，工程实现 复杂；部分峰平比技术接收端需要副信息，等等。这就是本文研究o f d m 峰平比 抑制关键技术的初衷。 1 3 论文研究问题和内容 通过1 2 节对o f d m 简要介绍和o f d m 峰平比抑制关键技术研究意义介绍知， o f d m 技术有许多优点，将广泛应用于各种通信系统中，但峰平比抑制问题有待 继续研究。 本文在介绍现有的峰平比抑制技术上，重点讨论两种信号预畸变类o f d m 峰 平比抑制算法：有约束条件的限幅和星座图扩展。 在协议或通信环境约束条件下，实现信号峰平比的降低，是本文将要讨论的 5 电子科技大学硕士学位论文 内容。前文介绍峰平比技术现状时，提到简单限幅峰平比抑制技术会给系统带来 “副作用，即带内失真和带外杂散。简单限幅可能不满足误差向量幅度( e r r o r v e c t o rm a g n i t u d e ，e v m ) 和频谱模板( s p e c t r a lm a s k ) 要求。 针对简单限幅存在的问题，本文将讨论有约束条件限幅，即在算法处理过程 中，保证算法满足协议e v m 和频谱模板要求的限幅技术。本文在分析有约束条件 限幅基础上，提出迭代限幅；进而，提出变限幅门限、变畸变范围迭代限幅，为 不同次数迭代选择不同限幅门限和畸变范围，峰平比抑制性能提高。讨论变限幅 门限、变畸变范围迭代限幅时，分析算法中关键参数取值与影响。 本文讨论一方面内容是星座图扩展技术，通过频域符号点向可扩展区间扩展， 降低峰平比，同时保证接收端解调错误率不增高。频域符号点在星座图中变化情 况不同，星座图扩展技术的峰平比抑制能力不同。据此，本文提出失真控制星座 图扩展，通过扩大星座点可扩展区域，提高峰平比抑制性能；还提出了预修正星 座图扩展，预修正处于星座图外围的频域符号点的映射，再与原星座扩展或原失 真控制星座图扩展算法结合，峰平比抑制性能提高。 本文还将上述有约束条件限幅和星座图扩展两种方法结合，仿真应用于i e e e 8 0 2 1 6 e 协议系统中，给出了峰平比抑制的算法仿真链路及参数设置，并测试与分 析算法对e v m 和频谱模板的影响。 1 4 论文结构及内容安排 本章首先对论文工作的研究背景进行了概述，介绍了o f d