（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中抑制峰均比技术研究.pdf

中文摘要 摘要：正交频分复用( o f d m ) 技术是一种把高速率的串行数据通过频分复用来实 现并行传输的多载波传输技术，以其较高的频带利用率和良好的抗多径衰落能力， 成为了第四代移动通信系统的核心技术之一。但是o f d m 技术同样也存在缺陷， 如具有较高的峰均比( p a p r ) ，对频率偏差比较敏感，子载波之间难以同步等问题。 其中，如何抑制过高的峰均比，已经成为o f d m 技术走向实际应用亟待解决的问 题。高的o f d m 信号峰均比，会对d a 转换器和高功率放大器的线性动态范围提 出更高要求，使高功率放大器效率低下，基站等设备耗电量增大。针对这一问题， 论文对如何有效地抑制o f d m 的p a p r 问题进行了深入研究，主要做了以下工 作： 首先，介绍了o f d m 技术的发展和应用，阐述了o f d m 技术的基本原理和系 统模型，给出了o f d m 系统的参数选择标准和研究热点。之后分析了o f d m 系 统过高的峰均比产生的原因，阐述了峰均比的定义和分布。 其次，本文总结了现有抑制峰均比的三类主要技术，并对每一类技术中的典型 算法进行了详细分析和研究，对各类算法的性能进行了分析比较。 再次，本文重点研究了抑制o f d m 系统峰均比的限幅类技术。通过对传统的 限幅类技术的仿真分析，发现其虽然能降低p a p r 值，但难以解决峰值再增长问题。 限幅一滤波算法( c a f ) 则可以很好的解决这个问题。通过对限幅一滤波算法( c a f ) 的仿真分析可以看出，c a f 算法不仅可以有效降低p a p r 值，而且在降低误码率 性能上也有所提升。为了更好的抑制信号的峰值再增长，对c a f 算法进行了改进， 提出了迭代限幅滤波算法( r c a f ) ，通过仿真发现，迭代次数越高，p a p r 值越低， 降低峰均比的性能越好。但是随着迭代次数的增加，降低p a p r 的幅度会不断减小。 最后，论文提出了一种新的抑制o f d m 系统峰均比的算法，信号均值算法。 通过仿真证明该算法可以有效的降低p a p r 值，同时该算法计算量较小，而且能够 降低发射功率和运算时间。 关键词：正交频分复用；峰均比；限幅；迭代 分类号：t n 9 1 5 j e 立交道太堂亟堂僮途塞旦s ! b g ! a b s t r a c t 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 sam u l t i - c a r r i e r t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e ，w h i c hc a na c h i e v et h eh i g hs p e e ds e r i a ld a t ai n t op a r a l l e l t r a n s m i s s i o nb yf 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 b e c a u s eo fi t sh i 曲b a n d w i d t h e f f i c i e n c ya n dg o o da n t i - m u l t i p a t hf a d i n g ，o f d mt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ek e y t e c h n o l o g yo ft h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m h o w e v e r , o f d m t e c h n o l o g yh a ss o m ed r a w b a c k s ，s u c ha sh a v i n gah i g hp e a kt oa v e r a g er a t i o ( p a p r ) ， s e n s i t i v et of r e q u e n c yd e v i a t i o n ，d i f f i c u l tt os y n c h r o n i z eb e t w e e ns u b c a r r i e r sa n do t h e r i s s u e s 。a m o n gt h e m ，h o wt or e d u c et h eh i g hp e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i oo fo f d m s i g n a li st h ei m p o r t a n ti s s u e r e d u c i n gp a p re f f i c i e n t l yi si m p o r t a n tt o r e d u c et h e l i n e a rr a n g er e q u i r e m e n t st od ac o n v e r t e ra 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 rc o n s u m p t i o na n di n c r e a s eh i g hp o w e ra m p l i f i e re f f i c i e n c y , t oc u to p e r a t i n gc o s t s f o rm o b i l en e t w o r k s t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h et h e s i sf o c u s e so ne f f e c t i v e l yr e d u c i n g t h ep a p r ，t h ec o n t e n ti so r g a n i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h et h e s i sd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fo f d mt e c h n o l o g y , a n de x p l a i n st h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d mt e c h n o l o g ya n ds y s t e mm o d e l ，a n dg i v e st h e p a r a m e t e r so ft h eo f d ms y s t e ms e l e c t i o nc r i t e r i aa n d r e s e a r c hf o c u s a f t e rt h ea n a l y s i s o fh i g hp a p ro f d ms y s t e mc a u s e s t h et h e s i se x p l a i n st h ed e f i n i t i o na n dd i s t r i b u t i o n o fp a p r s e c o n d l y , t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ei n h i b i t i o no fo f d ms y s t e m sp a p rl i m i t i n g c l a s st e c h n o l o g y b ys i m u l a t i o na n a l y s i so fl i m i t i n gt h et r a d i t i o n a lc l a s st e c h n o l o g y , w e f o u n dt h a ta l t h o u g ht h ev a l u ec a nr e d u c et h ep a p r ，b u ti ti sd i f f i c u l tt os o l v et h ep e a k g r o w t h c l i p p i n ga n df i l t e r i n ga l g o r i t h m ( c a f ) c a nb eag o o ds o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m b ys i m u l a t i o na n a l y s i so fc a f , w ef o u n d ，c a fa l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e p a p r v a l u e ，a n dr e d u c i n gt h ee r r o rr a t ep e r f o r m a n c ei sa l s oi m p r o v e d i no r d e rt ob e t t e r s u p p r e s st h es i g n a lo ft h ep e a kr e g r o w t h ，c a fa l g o r i t h mh a sb e e ni m p r o v e dt or e p e a t c l i p p i n ga n df i l t e r i n ga l g o r i t h m ( r c a f ) ，t h es i m u l a t i o nf o u n dt h a tt h eh i g h e rt h e n u m b e ro fi t e r a t i o n s ，t h el o w e rp a p rv a l u ei s ，t h eb e t t e rt h ep e r f o r m a n c eo fp a p r b u t w i t ht h en u m b e ro fi t e r a t i o n si n c r e a s i n g ，t h er a t eo f r e d u c i n gt h ep a p rv a l u ei sl o w f i n a l l y , t h et h e s i sp r o p o s e da n e wp a p rs u p p r e s s i o na l g o r i t h mf o ro f d ms y s t e m s ， t h em e a ns i g n a lp o w e ra l g o r i t h m s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h ep a p rv a l u e ，w h i l et h ea l g o r i t h mh a sl o wc o m p l e x i t y , a n di tc a nr e d u c et h e 1 v t r a n s m i tp o w e ra n dc o m p u t i n gt i m e 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 a p r ；c l i p p i n g ； i t e r a t i o n c l a s s n o ：t n 9 1 5 v 致谢 本论文的工作是在我的导师孙强教授的悉心指导下完成的，孙强教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来孙强 老师对我的关心和指导。 孙强教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向孙强老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，亢嘉豪、尚雁秋、黄乐天、汝琛等同学对我 论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 我的父母在我求学期间给予了我极大的理解和支持，使我能够专心的完成学 业，再次向他们表示深深的感谢。 1引言 1 1o f d m 技术的发展及应用 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 ) 是一种特 殊的多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术，它是利用一系列正交的 子载波实现数据的高速传输，是一种高效的并行传输方案。正交频分复用技术的 基本原理是将将高速传输的数据流通过串并转换，分成在若干个正交的子信道上 并行传输的低速数据流。在o f d m 系统中传输的数据加入了循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 作为保护间隔，而且经过在不同的子载波上传输，扩展了符号周期， 使得符号周周期大于了多径时延，从而可以更强的抵抗时延扩展。o f d m 子信道的 正交性允许信道间的频谱有部分重叠，只要满足子载波间正交就可以从混迭的子 载波上分离出传输数据，大大提高了频谱利用率，对无线资源十分匮乏的无线通 信来说是一种高效的传输技术【lj 。 1 1 1o f d m 的发展 o f d m 是一种把高速率的串行数据通过频分复用来实现并行传输的多载波传 输技术，其思想早在2 0 世纪6 0 年代就已经提出，应用在美国军事部门上的高频 无线通信系统。o f d m 技术的雏形是频分复用技术( f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，f d m ) 。当时的低速率信号如电报，采用不同的载波频率在同一个宽 带信道中进行并行传输。各子载波除了同一个信号源的信号外，也可传输来自来 自不同信号源的信号，实现用许多低速率的子载波传输一个高速率的数据。但为 了在接收端相对容易的实现用简单的滤波器地来分离出发送信号，各子载波之间 的频率就要相距够远，而且为了使各子载波的信号频谱互不影响，在各子载波间 插入了保护频带，所以其频谱的利用率很低。因为并行传输系统对硬件的要求比 较高，设备用到了相干解调器，正弦波载波发生器和基带成形滤波器等设备，受 到硬件技术的限制，当时的人们实现一个完整的并行传输系统是相当复杂和昂贵 的，从而限制了o f d m 系统的应用推广。但当时的人们已经注意到信号码元周期 远大于信道的最大附加延时可以有效地减小符号间干扰。这为将来的并行传输系 统的应用打下了基础【2 j 。 1 9 6 5 年由r wc h a n g 首次提出o f d m 的概念【3 】，他提出了可以发送并行数 据的途径，即子载波相互正交，传送的数据就能互不干扰。与传统的f d m 相比， o f d m 系统不再需要陡峭的带通滤波器，而且由于子载波间频谱可以相互重叠， 从而提高了频谱利用率。1 9 6 7 年，s a l t z b e r g 给出o f d m 的性能分析，指出并行 多载波的性能主要受限于载波间干扰，而非单个载波的最优化处理，这在实际传 输系统中得到了验证。1 9 7 1 年，韦斯坦( w e i s t e i n ) 和艾伯特( e b e r t ) 提出将离 散傅立叶变换( d f t ) 来实现多载波调制【4 j ，这样在实际应用中就得以用i f f t 来 完成o f d m 系统的调制和解调功能。运用d f t 实现的o f d m 系统的发送端不需 要多个正弦发生器，而接收端也不需要用多个带通滤波器来检测各路子载波。将 d f t 运用到o f d m 的调制解调中，为o f d m 的实用化奠定了基础，大大简化了多 载波技术的实现。1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 提出采用循环前缀来解决子载波间的正 交性问题，有效的降低了符号问干扰和子载波间干扰，这是o f d m 调制技术比较 大的突破。后来，多载波调制逐渐受到重视，人们研究了其在数字移动通信和高 速调制解调器方面的应用。其中l j c i m i m 在研究移动通信取得卓越的成就，他 研究了在移动通信领域o f d m 的应用问题，并提出了解决之道。之后，在移动无 线通信领域o f d m 系统的应用开始大力发展。 1 1 2o f d m 的应用 最近几年，数字信号处理技术( d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 和大规模集成 电路( c p l d ) 技术发展的十分快速，通过专用芯片来实现d f t 变换已经十分容 易，而且可以很轻易的实现多达几千的子载波的d f t 变换。这就使得在无线通信 领域o f d m 系统的实用化大大加快。人们开始广泛关注在高速移动通信数字数据 传输领域的发展和应用。到现在为止，o f d m 在非对称可以数字用户环路 ( a s y m m e t r i cd i s t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) ，数字音频广播系统【5 】( d i s t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、陆地广播、无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ， w l a n ) 、高清晰度数字电视( h d t v ) 、数字视频广播系统( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ，d v b ) 等各种通信系统中已经开始应用并反过来又大大促进了其的 研究和发展。 1 9 9 5 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 首次提出d a b 标准，这是第一个采用 o f d m 的标准。1 9 9 7 年，基于o f d m 的d v b 标准也开始投入使用。在a d s l 应用中，o f d m 被典型地当作离散多音调制( d m tm o d u l a t i o n ) ，成功地用于有线 环境中，可以在1 m h z 带宽内提供高达8 m b i t s 的数据传输速率 6 j 。1 9 9 9 年1 2 月，i e e e 8 0 2 1 1 ，一个工作在5 g h z 的无线局域网标准，其中采用了o f d m 调制 技术作为其物理层( p h y ) 标准，使得传输速率可以达5 4 m b p s 。随后，欧洲电信 2 标准协会的宽带射频接入网( b r o a dr a d i oa c c e s sn e t w o r k ，b r a n ) 的局域网标 准也采用了o f d m 技术。 2 0 0 1 年，i e e e 8 0 2 1 6 通过了无线城域网标准采用了抵抗多径效应、频率选 择性衰落或窄带干扰上有明显优势的o f d m 调制，多址方式为o f d m a 。2 0 0 5 年12 月，3g p p ( t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o je c t ) 通过了l t e ( l o n gt e r m e v o l u t i o n ，长期演进) 的基本传输技术，即下行o f d m ，上行s c f d m a ( s i n g l e c a r r i e r r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，单载频频分多址) 。在拥有我国自 主知识产权的3 g 标准t d s c d m a 及b 3 g 4 g 中，o f d m 都将扮演重要角色。 1 2课题研究背景 1 2 1o f d m 技术的优缺点 与单载波调制系统串行通信系统及相比较而言，正交频分复用通信系统是将 所传输的数据符号并行调制在若干个具有正交性的子载波上，具有大量优点，从 而成为在未来无线通信网络中可以替代c d m a 的技术【7 8 】。其主要优点有： ( 1 ) 频谱使用率高 o f d m 技术基本思路就是利用多个子载波的频谱相互重叠的频分复用子信道 并行地传输数据，因而与d m t 技术相比具有很高的频谱利用效率。与单载波串 行传输相比较而言，o f d m 系统可获得一个较近1 0 0 的频谱增益。 ( 2 ) 抗符号问干扰和多径延迟 在o f d m 系统中高速率数据流通过串并转换，将一路的高速率信号转换成n 路低速率信号，使每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减小 码间干扰，降低了接收机内均衡的复杂度，甚至可以不用均衡器，采用插入保护 时隙和循环前缀就能消除码间干扰和载波间干扰的影响。 ( 3 ) 抗频率选择性衰落【8 1 对于单载波调制技术而言，如果信道经历了频率选择性衰落，接收机需要进 行复杂的均衡处理。但是，对于o f d m 调制而言，适合的带宽被分成许多空间上 分离的、正交的子载波。此时我们可以认为每个子载波经历的是平坦衰落，虽然 说子载波的变化会使信道增益, p n 位随之变动。在接收端，每个子载波加权所所遇 到的信道增益相位。如果一些子载波受到衰落影响很大，可以通过在发射机对有 用数据进行适当编码和交织来提高性能。 ( 4 ) 支持动态比特分配【9 j 由于无线信道存在选择性，当某些子载波处于比较深的衰落情况下时，可以通 过动态子信道分配以及动态比特分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道来使 系统性能得到提高。 ( 5 ) 有效的调制和解调 系统的基带调制和解调可以利用i f f t 和f f t 完成。通过在数字域内实行调 制和解调，可以不需要高频率稳定的振荡器，这使得系统的设计和复杂度更为简 单和灵活。 ( 6 ) 可与多种接入方式结合使用 o f d m 系统可以容易地与其他接入方式结合使用，构成o f d m a 系统，如跳 频o f d m ，m c c d m a 以及o f d m t d m a 等，使得多个用户可以利用o f d m 同时传递信息。 ( 7 ) 支持无线数据业务的非对称性 非对称性的无线数据业务是实际应用中的通信系统的基本要求。所谓非对称性 是指上下行链路的数据传输量不同，通常来说上行链路的数据传输量远远达不到 上行链路中的数据传输量。所以为了更有效利用资源，需要采用非对称性的传输 方式。我们生活中常见的非对称性的例子很多，比如网页浏览、f t p 下载等。另 外，移动终端和基站发射功率不同，必然导致各自提供的传输速率也不相同。所 以不管从移动通信系统自身的要求，还是从对用户数据业务的使用需求出发，非 对称高速数据传输都是非常有必要的。o f d m 系统可以在上行链路使用较多的子 信道，而在下行链路使用较少的子信道，从而使下行链路和上行链路的传输速率 不同，达到实现支持非对称的无线数据业务的功能【l0 1 。 正是由于以上优点，使得o f d m 系统得到广泛关注和应用。同时，o f d m 系 统的存在多个正交子载波，输出信号也是多个子信道信号的叠加这种特性，在带 来以上优点的同时，同时引发了一些问题： ( 1 ) 存在较高的峰值平均功率比( p a p r ) o f d m 系统是有多个相互正交的子载波组成，输出信号是由多个子载波信号的 叠加而成，如果出现多个信号的相位相近或者相同，叠加信号的功率会瞬间升高 到远远大于平均功率的程度，从而引发较高的p a p r 。发射机内的a d 转换器、 d i a 转换器以及功率放大器都是基于线性的器件，这将超出它们的负载能力。当 出现高峰值的叠加信号时，超出了器件的线性范围，叠加信号会出现失真，其频 谱会发生变化，引发各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使 系统性能恶化。 ( 2 ) 对频率偏差十分敏感 o f d m 系统对叠加的子载波之间的正交性有严格要求。但o f d m 系统发射端 载波频率和接收机晶体振荡器不可避免的会产生随机频率偏差。另外载波不能完 4 全同步，无线信号在传输过程中会出现频率偏移，如多普勒频移等问题都会出现 频率的偏差，使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致引起了一 系列的失真，包括衰落和子载波相位的旋转以及信道问干扰( i n t e rc a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。 ( 3 ) 子载波之间难以同步 o f d m 系统的输出是多个子载波信号的叠加，子载波之间的功率谱相互覆盖且 其包络不是恒定的，使得o f d m 系统的子载波很难同步。 业内针对以上提出的几个问题进行了大量研究，已经取得了很多进展，本文是 针对o f d m 系统的p r p r 值进行着手，分析现有几种降低o f d m 系统p a p r 值的 方法，并提出改进方案。 1 2 2 降低o f d m 系统p a p r 技术的研究现状 抑制峰均比是o f d m 系统的关键技术之一。由于o f d m 发射机是将不同的 信号并行调制到相互正交的子载波上，当子载波间相位一致时，其输出信号峰值 较功率的平均值很大，其功率的峰均比就会变大。这对于a d 转换和功率放大器 提出了更高的要求。由于功率放大器的非线性特性，导致其实际应用的动态范围 较小。当动态范围较大的信号经过非线性功率放大器时，会导致o f d m 信号的失 真，引起子载波问的交调干扰和对邻近信道带来干扰，引起o f d m 系统整体性能 的下降。从另一个角度说，如果从增加h p a ( h i g h p o w e ra m p l i f i e r ) 的线性动态范 围着手，就会增加元器件的成本，同时使耗电量增加，增加系统的运营成本。 随着无线通信和移动通信的兴起和发展，o f d m 系统逐渐成为了研究热点，而 作为阻碍o f d m 系统进一步应用的高p a p r 问题也很快成为研究人员关注的焦点。 国际上一些研究机构的研究人员和知名大学的专家教授都把研究方向投向了降低 o f d m 系统的p a p r 值问题。从2 0 世纪9 0 年代初，国外就开始了对抑制p a p r 值技术的研究，国内起步较晚，9 0 年代末才开始从理论和算法方面进行探索和研 究。 到目前为止，降低o f d m 信号p a p r 的技术大致可以分成三大类：编码类、 技术、信号预畸变类技术和概率类技术。 编码类技术利用编码将原来的信息码字映射到一个具有比较好的p a p r 特性的 传输码集上，从而避开了那些会出现信号峰值的码字。该类技术为线性过程，它 不会使信号产生畸变。但是编码类技术的技术非常复杂，编码和解码都比较麻烦。 此外，编码类信息速率降低的很快，比较适用于子载波数比较少时，对于子载波 数比较多时，编码效率会非常的低。 信号预畸变类算法利用引入信号失真减小峰值，实质是在协议规定的失真限度 条件下，求峰值最小化问题。这类技术一般采用了非线性过程，直接采用非线性 操作在o f d m 信号幅度峰值附近来降低信号的p a p r 值。非线性信号的缺点是 会引起信号的畸变。这类技术包括限幅滤波( c l i p p i n gf i l t e r i n g ，c f ) 、噪声成形( n o i s e s h a p i n g ，n s ) 、峰值对消 去( p e a kc a n c e l ，p c ) 、星座图扩展、峰值加窗( p e a k w i n d o w i n g ，p w ) 等。这些技术的优点在于简单、直观，但是限幅是一种非线性 操作，在发射端，信号进入a d 或功率放大器前，先非线性处理传输信号，使信 号的峰值减小到功率放大器等器件的线性范围内，但这样就会使o f d m 信号产生 失真，同时接收端误码率( b e r ) 上升，使o f d m 系统整体性能下降。 概率类技术与信号预畸变技术在降低o f d m 系统p a p r 值方法思想上有本质 上的区别，它的目的是降低峰值出现的概率。概率类技术的思想是利用多个序列 来表示同一组的信号，然后针对给定的门限，选择一组合适的序列进行传输，使 o f d m 信号峰值出现的概率大大降低。该类技术缺点是会带来信息冗余，需要安 全地传送边带信息，同时计算复杂度太大，要进行多次i f f i 运算。 降低o f d m 信号的p a p r 的研究，不仅需要从降低p a p r 的效果考虑，也需 要考虑计算的复杂度，有些一些方法比较容易实现，但是性能相对较差，不适用 于实际应用。有些技术降低o f d m 信号的p a p r 的效果明显，但是计算复杂度 太高，需要加以改进。所以，对于降低o f d m 信号的p a p r ，最好从降低p a p r 和降低复杂度两个方面，达到一个均衡，既能有效降低o f d m 系统的p a p r 值， 计算的复杂度又不是很高，这样才能在实际应用中得到好的推广。所以，良好性 能和低复杂度的降低p a p r 技术的研究，对于o f d m 系统的研究和应用有着非 常重要的现实意义。 1 3论文结构及研究内容 本文主要是对降低o f d m 系统的峰均比技术做研究。重点研究了限幅类抑制 p a p r 的算法，并提出了一种新的抑制p a p r 值的方法。 第二章介绍了o f d m 技术的发展和应用，阐述了o f d m 技术的基本原理和氛 统模型，给出了o f d m 系统的参数选择标准和研究热点。之后分析了o f d m 系 统过高的峰均比产生的原因，阐述了峰均比的定义和分布。 第三章开始介绍了o f d m 系统峰均比问题的由来，之后给出了峰均比的定义， 描述了其概率分布。之后对降低p a p r 值的信号预畸变技术、编码类技术和概率类 技术进行了介绍。其中重点介绍了信号预畸变技术中的限幅技术，峰值加窗算法， 概率类技术中的s l m 算法，p t s 算法，t r 算法和t i 算法。之后给出了评价抑制 p a p r 算法性能优劣的指标，并对各种主要算法从不同的方面进行了比较。 第四章重点研究了了限幅类抑制p a p r 算法，对传统的限幅类算法，限幅一滤 波算法c a f 算法以及c a f 算法的改进算法迭代限幅滤波算法r c a f 算法进行了 仿真和性能分析。之后提出了一种新的抑制p a p r 的算法，并对其进行了性能仿真。 第五章总结全文，并对今后的工作进行了展望。 2o f d m 技术的基本原理与系统模型 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 ) 是一种 特殊的多载波调制技术，它是利用一系列正交的子载波实现数据的高速传输，是 一种高效的并行传输方案。正交频分复用技术的基本原理是将将高速传输的数据 流通过串并转换，分成在若干个正交的子信道上并行传输的低速数据流，每个分 数据流在各自的子载波上传输。这样符号周期得到扩展并能大于多径时延，因而 对时延扩展有较强的抵抗力，再加上每个码元又采用了循环前缀作为保护间隔， 有效对抗了符号间干扰。o f d m 子信道的正交性允许信道间的频谱有部分重叠，只 要满足子载波间正交就可以从混迭的子载波上分离出传输数据，大大提高了频谱 利用率，对无线资源十分匮乏的无线通信来说是一种高效的传输技术。 2 1o f d m 技术基本原理 2 1 1o f d m 系统概述 o f d m 是一种把高速率的串行数据通过频分复用来实现并行传输的多载波传 输技术，它的雏形是频分复用技术( 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 ) 。 图2 1 为o f d m 系统收发端的典型框图。其中，发射机链路为上半部分，下 接收机链路为下半部分。在发送端，传输信号经过编码和交织后，经过数字调制 和插入导频，并经过串并变换分解成低速率的子数据流。之后到子载波幅度和相 位，并通过i d f t 变换，使得频域信号变换回时域信号。在这里可以用逆向快速傅 里叶变换i f f t 代替i d f t 。i f f t 比i d f t 运算速度更快，可以代替i d f t 用于所有 的应用系统。快速傅里叶变换f f t 与i f f t 是互为反变换，原理相同，可以集成在 同一硬件设备中，发送机和接收机都可以使用。当然，这种复杂性的节约则意味 着该收发机不能同时进行发送和接收操作。 在接收端，通过天线接收射频信号，然后用基带信号与之混频，通过a d 转 换，经过同步定时和频率，去掉循环前缀，再经过串并转换，经f f t 变换后，从 各个子载波的幅度和相位中被解调出来信号。 图2 1o f d m 系统框图 f i g 2 1o f d ms y s t e ma r c h i t e c t u r e 2 1 2o f d m 与f d m 的比较 正交频分复用o f d m 的思想来自频分复用( f d m ) 及多载波通信( m c ) 技 术【1 1 。f d m 在频率上不存在重叠，也就是说必须有频率间隔来防止干扰，频率利 用率低，但在时间和频率上可以不同步；o f d m 在频率上可以重叠不过各子载波 是正交的且加有循环前缀，原则上是没有i c i ，但要求所有子载波在时间和频率上 都是同步的。f d m 使用不同频率的信道传输不同的信号，通过中心频率来识别各 个信道，在相邻的信道间插入保护间隔来防止邻近信道的信号不相互干扰。o f d m 是在m c 的基础上发展而来，m c 调制是采用多个载波信号，将要传输的数据流 串并转换成多个子数据流，将其分解成为传输比特速率低得多的子数据流，再用 这些数据流去并行调制多个载波。多载波调制的特点是数据在传输速率降低的子 信道传输，但信号波形加长。o f d m 是在f d m 的基础上，充分利用载波频率， 通过重叠相互正交的子载波间，大大提高了频谱效率。 图2 2 是f d m 和o f d m 调制原理示意图。o f d m 调制方式频谱利用率比 f d m 高的多。 f d m 多载波调制 9 o f d m 多载波调制 图2 2f d m 和o f d m 方式带宽利用率比较 f i g 2 2c o m p a r eo fb a n d w i d t hu t i l i z i n gr a t i of o rf d m a n do f d m 相比较与单载波调制，o f d m 调制最大的优点在于信道的频率选择性上。单 载波调制时，一次干扰或者衰落将影响到整个传输系统的性能，但对于o f d m 调 制，由于是多载波调制，在特定时刻受到深度衰落影响的的一般只有一小部分的 子信道。在接收端，o f d m 的子载波仍然保持正交，每个子载波只相当于有一个 复传输因子的乘性干扰，对于解调也会比较容易。 2 1 3o f d m 系统中的调制与解调 图2 3 为o f d m 的调制原理图。如果调制信号基带速率为r ，z 为其码元周 期，信号通过串并转换后转换成为n 个子数据流，单个数据流速率降为为r n ， 则t = n t 为码元周期。设有l 组n 个码元序列，在第n 个码元时刻为： x ( 咒，o ) ，x ( n ，1 ) ，x ( n ，足) ，x ( n ，n 一1 ) ) ，n ( - ，+ )( 2 1 ) 据图2 3 ，o f d m 信号在第n 个码元时段时表达式为： n - i ( f ) = x ( n ，k ) e x p ( j 2 7 r f k t ) ，t ( 一o o ，佃) ( 2 2 ) k = 0 一l x ( t ) = x ( n ，k ) e x p ( j 2 7 r f , t ) ，t ( n t ，n + 1 ) r ) ( 2 3 ) 各个子载波的频率为：“” 五= 五+ ； ( 2 4 ) n o ) z “y o t ， 由 并 ，屿e j 2 确t - x ( 0 基带调制 合黼 转 j ； 换x f n n 一三杰p 弘巩。1 。 7 k 纠 7 图2 3o f d m 调制原理图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f o f d mm o d u l a t i o n 1 0 图2 4 为o f d m 系统解调原理图：接收端接收到的数据分成n 个子数据流， 各个子载波分别与之混频，之后采用积分将子载波上承载的数据恢复出来，然后 通过并串变换、解调处理就可以解调出来原始信号。之所以通过混频和积分就能 将各个子载波上调制的信号分离出来，正是因为o f d m 调制时子载波之间的正交 性，如下为其计算公式： 托聊) = r 7 艺x ( ，z ，后) e x p ( j c o , f ) e x p ( 一j c o m f ) 出 = n - 1x ( ，z ，七) re x p ( j ( c o k c o m ) t d t = 篙脚问r7 e x p ( 监p ) 础 = x ( n ，m )( 2 5 ) 图2 4o f d m 系统解调原理图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fo f d md e m o d u l a t i o n 2 1 4o f d m 系统中的f f t i f f t o f d m 系统得以简化和广泛应用的根本原因是采用了i d f t 和d f t 算法。通 常情况下，i d f t d f t 变换都选用为2 为底的变换点数的幂次方，从而通过采用 快速傅立叶变换算法提高了o f d m 数据的传输和处理。在o f d m 系统里，发射端 采用i d f t ，把各子载波上的频域调制符号映射变换到时域，从而在信道中能够传 输o f d m 时域信号。接收端通过利用d f t 接收传输的频域信号序列，再分别对每 一个子信道的数据进行解调和判决。 为了保证o f d m 系统n 个子载波间的正交性，子载波所在频率五，彳，厶厶- i ， 必须满足数学条件如下： z = 疋+ n a f ， n = 0 ，1 ，2 n - 1 ( 2 6 ) 其中，：为载波频率，鲈为子载波间隔。 如图2 3 所示，o f d m 调制输出信号x ( t ) 可表示为： 燃卜 接 x ( f ) = x n ( t ) e 口卿 n = 0 其中x 。( f ) 为第n 个载波上的承载复数信号， 果设定在一个码元周期内鼍( f ) 为定值，则有： 以( f ) 2 五 ( 2 7 ) 第n 个子载波承载频率。如 ( 2 8 ) 设信号采样频率为1 t ，则有： x ( k t ) = 以e m 甜蝴灯 ( 2 9 ) 一个码元周期z 内含有n 个采样掏期，则有： 霉_ n t ( 2 1 0 ) o f d m 信号是先由基带产生，之后通过变频调制到频带输出，因此不失一般 性，可令z = o ，( 2 9 ) 式经简化，则有： x ( k r ) = 以p 伽蝴灯 ( 2 1 1 ) 若厂t = i n ，则有： “ x ( k t ) = 五p 胁从 ( 2 1 2 ) 如果不考虑i d f t 的系数，( 2 1 2 ) 鹉i d f t 公式： 贴耻萎g ( 意) 馏口”“ ( 2 1 3 ) 完全一样。通过( 2 1 2 ) 式与( 2 1 3 ) 式的比较得出，若把以看作是射频采样信号， 那么x ( k v ) 就为其对应的时域信号。 此时子载波承载频率间隔为： a f - 而1 = 砉 眨川 由以上分析得到，如果子载波频率间隔等于1 z ，那么o f d m 调制信号 可以用d f t i d f t 来定义，且保持了子载波之间的正交性。 当采用d f t 技术调制解调并行传输的数据时，各个子载波的频谱是非带限的 s i n 函数，这样o f d m 系统就不需要专门的带通滤波器，而只通过基带处理就实 现调制解调，这很大程度上降低了o f d m 系统实现时的复杂度，而且也提高了 o f d m 系统实现时的精确性。 1 2 o f 叫手羹藏 图2 5o f d m 符号时域波形图 f i g 2 5t i m e d o m a i nw a v e f o r mo fo f d ms i g n a l 南于o f d m 采用反离散傅里叶变换进行基带调制，数据的基带调制输出可以 认为为频域信号，发送前经过i d f t 转换为时域信号再通过信道传送出去，接收 端接收到信号后再经过d f t 变换解调出原始的频域信息。 o f d m 系统在实际应用时，一般采用更加快捷方便的快速傅里叶变换 ( f f t i f f t ) 。在这里，为了方便，只比较复数乘法的运算量，则n 点i d f t 计 算需要进行2 次乘法。相比较而言，i f f t 可以大大降低计算的运算次数和复 杂度。对于最常用的基2i f f t 算法，其乘法计算次数仅为( 2 ) l o g ，n ，1 6 点变 换时i d f t 和i f f t 分别需要2 5 6 次和2 4 次乘法计算；3 2 点变换时，i d f t 和 i f f t 中所需要的乘法数量则分别是1 0 2 4 次和8 0 次，可看出随着子载波个数的 增多，i f f t 的计算复杂度的增速只是稍稍大于线性变化，i d f t 的计算复杂度则 随着n 的增加呈现指数级增长，两个算法运算次数和复杂度