（通信与信息系统专业论文）b3g系统ofdm调制研究与实现.pdf

摘要 摘要 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。o f d m 信号是由一系列正交的子 信道信号重叠起来的，所以很容易出现过高峰值平均功率比p a r 。过高的o f d m p a r 信号通过非线性功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内失真。研究解决 o f d m 高p a r 的算法，及减少硬件资源占用将是本文重点。 本文分析了o f d m 系统中出现过高p a r 的原因，以及过高p a r 对系统性能 的影响，引入了信号预畸变技术。采用限幅的方法，具有算法简单容易实现的特 点，但有很大局限性。预失真是目前应用晟广的信号预畸变技术，可以在射频、 中频或者基带分别实现，而基带预失真成本低，且可以实现自适应。 在算法设计上，首先将自适应滤波理论应用到对放大器的非线性估计，虽然 能够解决该问题，但约束条件苛刻难以实现。在此之上又提出了由w i d r o w 等提出 的u s 算法，用采样点依次更新达到m m s e 。基于l m s 算法，本文列举了几种 对放大器非线性分段拟合的方法，而这几种方法运算开销太大，不利于实现。查 表法应用较为广泛，但多是二维表，表项过多，收敛缓慢。本文采用了两个一维 表，分别表示幅度和相位补偿，用u s 算法实现自适应，同时为了简化硬件设计 用理想期望信号代替自适应滤波。链路仿真可以看到，该算法较好的解决了星座 旋转及云团效应，在带外得到了2 d b 的增益，且收敛速度快，系统误码率也大大 降低。 在硬件实现上，本文完成了o f d m 调制与组帧模块，以及与此相关的基带发 送板接口、d a c 接口等，采用限幅的方法缓解了o f d m 信号过高p a r 问题，成 功运用到我国第一套b 3 g 系统中。提出了该自适应预失真器的f p g a 设计方案， 综合表明完全可以在现有f p g a 上实现。 关键词：正交频分复用，峰值平均功率比，非线性功率放大器，预失真，现场可 编程门阵列 a b s t r a c t a b s t r a c t o n h o g o n a lf r c q u c yd m s i o nm u l t i p l e x j n g ( o f d h di saw i d e i b a n d 谢r e i e s s “_ n l m u i l i c a t i o nt e c h i d q u e o n eo f t h em a j o rd 】衲a c k si sav i = f yb i 曲p e a kt oa v e r a g e p o w 竹r a t i o ( p a p r ) o fo f d ms i 髓a l sb e c a u s ea 1 1s i 舭a lc o m p o n e i l t sc 锄a d du pm p h 鼬e as c r i o u sp r o b l 锄o fl a r g cp a p rp r c s t sw h e l le n e r g ”伍c i e n tn o 砌i n c a r p o w 髓锄p l 访e r s ( h p a ) u s e ds u c ha ss p e 曲ns 胛da n ds i 瓯a i sd i s i o n 1 h s p 印盯f o c u s e so nt h ea 1 9 0 r i m mr e s e a r c ha i l dh 盯d w a r ei m p l 哪e n t a t i o no nf p g a p l a t f o 蛐w i ma sk s s 昭p o s s i b l e1 0 西cf b s o u r c et 0m i si s s u r e h lo r d e rt 0a c m 州eb e n e rp e r f b m a i l c c ，t l l ep a p c ri n t m d u c 船s i 鼬a la b e r r a t i o nb a s e d o nm el a r g ep a r 舭a l y s i sa i i di t se 位c to no f d ms y s t 锄o n eo fm et e c h n o l o 西e s p r 8 c t i c a l i yu s e di 3l i m i 也w h i c hi ss n p l eb u tl e a d st os o m es h o r t a g ei 1 1p e r f b 瑚a 1 1 c e a i l o t l l 盯o n eg 即e m l l yu s e di ns 1 擘l a l 曲e r r a t i o ni 8p r e d i s t o m o n t h ei m p l 锄e t j n g 疗e q u e l l c yc o v e 【s 丘d mb a s e - b a n dt or fi nt 1 1 i st e c l l l l o l o 州 t h eb a s e _ b a l l d p r e d i s t o r t i o nh a v es o m ea d v a i 曲g e sf o ri 协c o s t - e 虢“v ea n da d 印t i v e h la l g o r i 也md c s i 弘，m et h e o r yo f a d a p t i v e 丘l t 盯a p p l i e dt 0n o n l i i l e a re s t i m 撕o no f h p a 妇s o l v a b l eb u th a r dc or e a l i z ef o r 船r i 窟i dr e m i 撕o n 1 l l eu s - b 勰e da l g o r i t h m p r o p o s e db yw i d r o wt l i a ta c l l i e v 髑m m s eb yu p d a t i n gs 锄1 p l e 8o n ea n e fa n o 也e ra r e _ i i l t r o d u c e db a s 。d 伽d sp r o b l 唧b a 8 e do nl m s a l g o r i m m ，t l l ep 印盯p r e s e n t ss o 埘【e m e m o d su s i n gc 1 1 r v e - f i tm a ta r ea l s oh a r dt 0i m 口1 咖e n tf o rl a r g es c a i eo fc a i c u l a t i o n c o m p a r e dt 0t h o s e m p l 甑t h n i q u c s ，m e1 0 0 k 。u pt a b l ei sw i d d y1 1 s e 也 h 1o r d e rt o s i r l l p l i 如t 1 1 eh 盯d w a r ei m p l e m e n t 撕o n ，t h i sp a p 盯a d o p 招t w o1 - dl o o k u pt a b l e si 1 1 s t c a d o fo n e2 - dl o o k _ u pt a b i et 0s t o r ct l l ea m p l i n l d e 锄dp h 舶。瑚p c c t i v c j ya n du s e st h e 叫p p o s e ds i 印a li i l s t e a do fa d 印t i v e 矗1 t c f 1 kp c r f b n 髓c ei sb e t t 盯i nt l l i sw a ys i l c h 嬲t h es o j “n go fc o n s t e l l 撕0 n p m b i 咖，m e0 1 l to fb 柚dg 出n2 d b ，t h eh i 曲盱 c o n v e r g e n c er a t ea l l dd l e1 0 w 盯b e ro f s y s t c m h 1f p g ad e s i 舻，吐l i sp a p e ra c c m n p l i s h 船t h er e a l i z “o no f o f d mm o d u l a t i o na 1 1 d 董b m em a k i n gm o d u l e s ，嬲w e l la so i h c rr d 撕v em o d u l 船i n d u d i n gb a s e b 眦di m e r f a c e 瓤dd a ci n t e r f a c e b e c a i l s eo fm el i n ：1 i t a 虹o no fh a r d w a r ep l a t f o m i ，m es y s t e mo m y i 地r o d u c e sal i m i 仃i 1 1 s t e a do f a d 印t i v ep 删s t o r t b u tt l l ep a p c rp r e s c n t s8 出m - d e s i 弘 a b o u tt h el a t t e la i lo f 1 e s eh a v eb e e np r o v e da v 枷a b l ei n 也eb 唧d3 g e 】【p e m e n t a is y s t 咖 k e y w o r d ：o f d m ，p a p r ，h p a ，p r e d i s t o n i o i l ，f p g a 图形列袭 图形列表 图1 10 f d m 系统基本模型框图3 图l - 2 加入循环前缀示意图 4 图l 一3 信号经过a w g n 信道后的1 6 q 舢d 星座图6 图l - 4 信号经过盯1 a 及a w g n 信道后的1 6 q a m 星座图7 图l - 5 信号未经过功率放大器和经过功率放大器后功率谱比较8 图2 - 1b 3 g t d d 下行链路基本框架1 2 图2 - 2b 3 g t d d 下行链路的系统帧结构。1 2 图二3 同步时隙结构图1 3 图2 4 s a l e h 模型的 m 峭m 、 m 啪t 特性曲线1 4 图2 5 非线性功率放大器实现线性放大原理 图2 _ 6 基于放大器线性估计的自适应滤波器1 6 图2 - 7 基于查找表的自适应预失真器1 9 图2 - 8b 3 g 系统仿真模型2 0 图2 9 信号经过自适应预失真器后的1 6 q a m 星座图2 1 图2 1 0 信号经预失真、未经预失真以及原始信号的功率谱比较2 2 图2 - 1 1 第1 0 0 个量化区间幅度补偿值收敛曲线2 3 图2 1 2 第1 t ) o 个量化区间相位补偿值收敛曲线2 3 图2 1 3 第1 0 0 个量化区间幅度误差收敛曲线2 3 图2 - 1 4 经预失真、未经预失真以及原始信号的b e r 曲线比较2 4 图3 1b 3 g t d d 下行链路的硬件系统架构框图2 6 图3 2 多天线发送板p c b 原理图2 7 图3 - 3o f d m 调制与组帧f p g a 总体设计3 0 图3 ，4o f i ) m 调制与组帧模块原理框图3 1 图3 5o f d m 调制原理框图3 2 图3 6n 呵c o r e 结构示意图3 2 图3 7 加窗后0 f d m 符号叠加 图3 8 加窗的原理框图 图3 9 导频符号天线与载波分配示意图 v 3 3 3 4 图形列表 图3 1 0 导频发生器原理框图 图3 1 1 同步序列产生器原理框图3 5 图3 1 2p a p r 限幅器原理框图 图3 1 3a i l r o r a 对r o c k c t i ，o 封装后的用户接口示意图3 6 图3 1 4 a u m r a 接口发端时序图3 7 图3 1 5a u m m 接口收端时序图3 7 图3 1 6d a c 接口原理框图 图3 1 7 带预失真的多天线发送板p c b 原理图方案4 0 图3 1 8 基于查找表的自适应预失真器原理框图4 1 图4 10 f d m 调制与组帧后信号的时域波形4 3 图4 乞o f d m 调制与组帧后信号的功率谱4 4 图4 - 3 基带直连下信道估计后的星座图4 4 图4 4 射频直连下信道估计后的星座图。4 5 图4 - 5 无限m i m o 环境下信道估计后的星座图。4 5 表格列袭 表格列表 表2 - 1b 3 g 叨d 下行链路的基本指标 表2 - 2b 3 0 仰l d 下行链路系统参数1 1 表3 - 1 基带板接口模块资源占用情况3 9 表3 20 f d m 调制与组帧模块资源占用情况3 9 表3 - 3 自适应预失真器资源占用情况4 2 表3 - 4 四个p a p r 限幅器资源占用情况4 2 缩略语对照表 缩略语对照表 a d c舳a i o gt od i 西t a lc o n v 酣e r模数转换器 a w g n a d d i t i v e w h i t e g a u s s i a l l n o i s e加性高斯白噪声 b 3 gb e v o n d3 mg c n c r a d o n超三代移动通信 c d m ac o d e d i v i 8 i 蚰m u l l i p l e x a c c e s s码分多址 c d m a 2 0 0 0c 0 d ed i v i 3 i o m u n i p l 既a c c e s s 2 0 0 0码分多址2 0 0 0 c o r d i cc 0 0 r d i n a t er o t 撕o n a ld j 西t a lc o m 印t e r坐标旋转数字计算 c pc v c l i c p r e f i x循环前缀 d a c d i 百c a lt oa n o l o gc o n v e n c r 数模转换器 d c m d l 西t a lc b c km a n a 窖e r 数字时钟管理器 d f t d i s c r c t ef o 谢e rt r 阻s f o 衄离散傅立叶变换 b d ae 1 e c 吐o n i c d e s i p 虬a u t o m a t i c电子设计自动化 f f tf a s tf o u r i e rt r 趾s f o 吼快速傅立叶变换 f i f of 戤h 州乳蛀p u t先进先出 f p g a f i d d p r o 掣a m m a b l e g a t c a m v 现场可编程门阵列 h d lh a r d w a r ed 髂而p t i o nl 棚g u a g e硬件描述语言 i c ii n t e rc h a n n e l1 1 1 t 刚矶n c e信道间干扰 m f th 郴e d i s c r e t ef 删d e rn a 璐f o m离散傅立叶反变换 i f f t h w c r s ef a s tf o u 抽t r a n s f o 眦快速傅立叶反变换 i o b h p u o l 】t p u t b l o c k 输入输出接口模块 isims 怕ii n t e r 胁l 符号间干扰 l t ui n t c m 撕。砌1 议e c o mu n t e国际电信联盟 a gj 0 i n tt e s t a 甜0 n g r o u p联合测试行动小组 l d p cl 0 w - d s 研p a r i t v c h e c kc o d e低密度极性校验码 l 】s l c 嬲tm e a ns q u 口c最小均方 u j tl o o k u d1 曲l e 查找表 m g tm u l l i 0 i 嗣b i tt i a s c c i v 盯多吉比特收发器 m d v i o m u i t i p l e i i n p l l tm u l 衄l e _ o u t p l l t 多入多出 m s em e 蚰s a u a r ee h 盯均方误差 缩略语对照表 o f d m o f d m a p a p r q a m q o s r i s c r t l s n r s p i t d d t d m a t d s c d m a t 1 a w c d b d a 0 n h o g o n a lf r e q u 肌盯d m s i o n 正交频分复用 m u l t i p l e x i n g o r m o g o n a lf r e ( 1 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 c rr a t i o q i l a d r a t u r ea n l p l n u d em o d u l a l i o n q _ i l a l 时o f s e r “c e r e d u c e di n s 仃u c t i o ns e tc o m p u t i n g r e 菌s t e rt m n s f o m l a t i o nl e v e l s i 鄹a lt on o j s e r a t i o s e n a lp 甜口h e r a li n t e r f a c e t i m ed i v i s i o nd u 口1 e x t i m ed i v i s i o nm u l “d l e x a c c e s s t i m ed i v i s i o ns l c l l r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l d p l 鼹a c c e s s t r a v e l i n gw a v et u b ea m p l 俯盯 w i d e b 如dc o d ed i v i s i o nm u l 石d 1 ea c c c s s x 正交频分复用多址 峰值平均功率比 正交幅度调制 业务质量 精简运算指令集 寄存器传输级 信噪比 串行外围接口 时分双工 时分多址 时分同步码分多址 行波管放大器 宽带码分多址 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：j 盈聋参一 日期：少7 年j 月五蛔 关于论文使用授权的说明 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：翊扭 导师签名 日期：砷司年，月明 第一章引言 第一章引言 1 1 移动通信系统的发展 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中信息的传输即通信起着支撑 作用。由于人类社会对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通信技术 的研究与开发以及现代通信网的建设心 第一代移动通信系统是模拟系统，开始于2 0 世纪4 0 年代，发展到7 0 年代中 期由b e l l 实验室提出了蜂窝系统概念，进而发展了小区制大容量系统。但由于各 国开发的系统问没有公共接口；无法与固定网向数字化推进相适应；系统容量低 等问题，已不能满足日益增长的移动用户的需求。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入了发展和成熟期。8 0 年 代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统g s m 。随后美国和日本也相继指定了 各自的数字移动通信体制。2 0 世纪9 0 年代初，美国q u a i c o m m 公司推出了窄带码 分多址c d m a 蜂窝移动通信系统，从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动 通信领域占有了越来越重要的地位。除此之外，还有欧洲的d c s ，1 9 0 0 ，美国的i s 5 4 等。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。 第三代移动通信系统，也称3 g ，于1 9 8 5 年由玎u 提出，当时被称为未来公 众陆地移动通信系统。被公认为世界各国会在商用中采用的主流标准为： w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d a m 三种。2 0 0 1 年1 0 月，日本m 盯d o c o m o 公司率先建立了世界第一个w c d m a 第三代移动通信商用网络。其后，一些公司 相继建立了w c d m a 商用网络。但有一种观点认为，目前的第三代移动通信方案 实际只能是第二代移动通信方案的改进，算不上真正意义的宽带接入网络，并且 由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以有 理由认为第三代系统仅仅是一个从窄带向来来移动通信系统的过渡阶段。 伴随着第三代移动通信技术的成熟，世界各国纷纷投入到第四代移动通信技 术研究。2 0 0 3 年欧盟将b 3 g 技术研究列入第六框架研究计划，日本与韩国也于2 i ) 0 2 年启动了面向b 3 g 的研究计划。为缩小我国移动通信研究开发与国际先进水平的 差距，经科技部批准国家8 6 3 计划于2 1 年1 2 月正式启动了面向第四代移动通 信发展的末来通用无线环境研究计划f u t t l r e 计划。其主要目标是面向未来无线 电子科技大学硕士学位论文 通信领域的发展趋势与需求，重点突破新一代移动通信系统关键技术，逐步建立 一个包括蜂窝移动通信、宽带无线接入和短程无线连接为一体的通用无线电环境， 为中国未来无线与移动产业的跨越式发展创造条件。 1 2 未来移动通信系统主要技术特点 在未来宽带移动无线通信系统中，存在多径衰落和带宽效率两方面严重的挑 战。o f i ) m 技术通过在频域内将频率选择性信道转变为平坦信道，减小多径衰落 的影响。而m l m 0 技术能在空问产生独立的并行信道，同时传输多路数据流，这 样就能有效提高系统传输速率，驯由m i m o 提供的空间复用技术能在不增加系统 带宽的情况下，提高频谱效率。因此，将0 f d m 与m l m o 结合，就能提高系统的 传输效率闭。 另外，由于o f d m 码率低，并加入时间保护间隔，使它具有极强的抗多径干 扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受i s i 的影响。单频网络f s f n ) 用于宽带0 f d m 系统可以通过多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的 发射机阵列消除阴影效应，实现完全覆盖。通过分集还能提高系统可靠性。 m i m o 技术涉及广泛，主要包括发射分集技术和空间复用技术。发射分集技 术主要是指空时编码技术，空时编码是基于m i m o 信道的信道编码，它能实现高 频谱效率的无线传输。此外，由于空时编码不但具有编码增益，而且能提供空间 分集增益，所以具有很强的抗衰落能力。空时编码的这些突出优点使它将成为下 一代移动通信的关键技术之一。 m i m o o f d m 技术是o f d m 与m i m o 技术相结合形成的新技术，通过在 o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量。由于利用了时 间、频率和空间3 种分集技术，大大增加了无线系统对噪声、干扰、多径的容限。 1 3 0 f d m 基本原理 0 f d m 的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较 低的若干子信道中进行传输。在频域内将信道划分为若干互相正交的子信遭，每 个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立的进行传输。 如果每个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道得频率特性就可近似看做是 平坦的即每个子信道都可看做无符号间干扰的理想信道。这样，在接收端不需 要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。在o f d m 系统中， 2 第一章引言 通过在0 f i ) m 符号间插入保护问隔来保证频域子信道之间的正交性，以消除 o f d m 符号之间的干扰【3 j 。 1 3 1o f d m 系统基本模型 一个0 f d m 符号之内包含多个经过相移键控口s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 的子载波。其中，表示子载波的个数，r 表示o h ) m 符号的持续时间( 周期) ， 吒o - o l ，一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，五是第f 个子载波的载波频 率，矩形函数m c f = 1 h s r ，2 ，则从f 。开始的o f d m 符号可以表示为： p 峨倭吨卜卜引2 ) e x “伽肫t 弘如p r ( 1 1 1 ) l j 扛) i o f + r 一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将其映射为子 载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述0 f i ) m 的输出信号： j 8 p ) 。善吐r 耐p 一一丁7 2 ) “p j 2 “争p 一) 】 s + z ( 1 2 ) i5 z of + r 其中s o ) 的实部和虚部分别对应与0 f d m 符号的同相( i n - p h a s e ) 和正交 ( 0 u a d m t u r e p h a s e ) 分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的c o s 分量和s n 分 量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。在图1 1 中给出了o n ) m 系统基本模型框图，其中五一丘+ f r 。在接收端，将收到的同相和正交矢量映射 回数据信息，完成子载波解调。 申并 p 皿肛 +掣卧 le 。姊 l 竺p 陌弘 并串 陌订乌 图1 10 f d m 系统基本模型框图 电子科技大学硕士学位论文 对于比较大的系统来说，式( 1 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采用离散 傅立叶逆变换( i d f t ) 方法来实现。令；0 ，并且忽略矩形函数，对s o ) 信号以删 的速率进行抽样，即令f 一女r 忙zo ，l ，一”，则得到： 州咿) 一筹舾r ( ，等) 扭肛1 ) ( 1 - 3 ) 可以看到s 。等效为对d 。进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数 据符号t ，能够对坼进行逆变换，即d f t 得到： 咖薹e 毗( 一，等) 州一d m 根据以上分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由f r 和d f t 来代替。在实际应用中，可以采用更加方便快捷的i f f i 佃f r 。点d f t 运算需要 2 次的复数乘法，基2 的f f t 需要的复数乘法仅为( ，2 ) l o g ：( ) 。f f t 可以显 著地降低运算的复杂度，随着子载波个数的增加，可以进一步采用基4 的h 呵 算法柬进行傅立叶变换。 1 3 2 保护间隔和循环前缀 在o f d m 系统中，通过把输入得数据流串并变换到n 个并行的子信道中，使 得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的n 倍。 因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低n 倍。为了最大限度地消除符号间干 保护 i 保护 l f f t ( 、i f f t 间隔 i f f t 问隔 ：王乙堑- ：一 ii i z i 符号n - 1 ： 符毒n ：符号n + l 4 第一章引言 扰，还可以在每个0 f d m 符号之间插入保护间隔，而且该保护间隔长度般要 大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造 成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。 然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰i a ，即子载波之 间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径所造成的 i c i ，0 f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，如图1 2 所示。这样就 可以保证在f f r 周期内，0 f d m 符号的延时副本所包含的波形的周期个数也是整 数。这样，时延小于保护间隔【的时延信号就不会在解调过程中产生l c i 。 1 3 3o f d m 系统中的峰值平均功率比 与单载波系统相比，由于o f d m 符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，由此会带来较大 的峰值平均功率比，简称峰均比队r 。峰均比可以被定义为； 跚啡埘唱。础 m s ， 其中屯表示经过i f f r 运算之后所得到的输出信号，即= 每了盖。讳秽。对 倒 于包含n 个子信道的o f d m 系统来说，当n 个子信号都以相同的相位求和时，所 得到信号的峰值就是平均功率的n 倍。 正因为o f d m 调制的信号瞬时值会有较大的波动，这将要求系统内的一些部 件，例如功率放大器具有很大的线性动态范围。而反过来，这些部件的非线性性 也会对动态范围较大的信号产生非线性失真，所产生的谐波会造成子信道问的相 互干扰，从而影响0 f d m 系统的性能。 目前所存在的减小p a r 的方法大概可以被分为三类：第一类是信号预畸变技 术，即在信号经过放大前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变， 包括限幅、预失真等，其优点在于简单、直观，但信号失真对系统性能的造成的 损害是不可避免的；第二类是编码的方法，即避免使用那些会生成大峰值功率信 号的编码图样，例如采用循环编码方法，但采用这种方法在子载波数量n 较大的 时候，编码效率会非常低：第三类就是利用不同的加扰序列对o f d m 符号进行加 权处理，从而选择p a r 较小的o f d m 符号来传输。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 4o f d m 系统预失真技术 o f d m 信号的峰均比很高意味着o f d m 系统射频功率放大器必须具有很高的 线性，但使用线性射频功率放大器会导致发射机的成本大幅度增加，而且即使是 用线性射频功率放大器放大，也会严重降低整个系统的效率。而实际系统基本都 是峰值功率受限的系统，大多数实际系统为了保证一定的效率。通常在一定的输 出功率回退条件下使用非线性功率放大器对信号进行放大。为了避免非线性功率 放大器工作时有太大的功率回退，往往允许功率放大器偶然工作于饱和状态，及 d ，a 变换时受到少量限幅，这些附加的非线性失真会引起互调失真，增加系统的 误码率，同时会使传输信号发生频谱扩展，对邻道产生干扰，严重降低系统性能。 这就需要在信号进入非线性功率放大器前进行适当处理，以降低信号峰均比，降 低信号对功率放大器的线性要求。 1 4 1 非线性性对o f d m 信号的影响 功率放大嚣对o f d m 调制信号的非线性性影响主要表现为信号的频带内失真 和频带外失真。信号的频带内失真主要是信号的幅度和相位产生失真，使信号星 座发生偏转，降低系统性能，信号的误码率上升；信号的频带外失真主要是信号 的频谱扩展，对邻道产生干扰。 图1 - 3 信号经过a w 0 n 信道后的1 6 q a m 星座图 以b 3 g 系统为例，通过仿真可咀观察到非线性功率放大器对o f d m 信号的影 响。由于无线信道中的多径效应并不会对功率放大器的线性范围产生任何影响， 第一章引言 因此采用a w g n 信道；同时发送端与接收端的射频调制与解调是互为相反的过程， 可以省去。仿真中，功率放大器我们采用行波管s a l e h 模型( 该模型会在下一章介 绍) ，其中口。= 2 1 5 8 7 、尼= 1 1 5 1 7 、= 4 0 0 3 3 、成= 9 1 0 4 0 ，信噪比为1 7 d b 。 首先观察功率放大器非线性所产生的频带内失真。当o f d m 信号不通过功率 放大器而仅仅通过a w g n 信道时，接收端经过解调后的信号星座如图1 - 3 所示。 当o f d m 信号经过功率放大器以及a w g n 信道，接收端经过解调后的信号星座如 图l 一4 所示。比较两幅图，可以明显看到信号经过非线性功率放大器后星座明显的 发生旋转，并且幅度越大旋转越厉害；同时，星座点也出现了明显的散开。这说 明信号出现了很大的相位以及幅度失真，很难判断星座点的位置，特别是当信嗓 比较低时性能会急剧下降。 图1 4 信号经过t m 及 w g n 信道后的1 6 0 a m 星座图 再从频域来看一下功率放大器非线性造成o f d m 信号的频带外失真。如图 l 一5 ，当o f d m 信号仅通过a w g n 信道时，信号频谱对邻信道干扰并不是很明显， 大概低于2 4 d b ，如曲线1 所示。当在传输中引入非线性功率放大器后，信号就发 生了比较明显的频谱扩展，对邻道的干扰明显增大。 从仿真看到，功率放大器的非线性对信号造成的影响非常大，为了减小这种 非线性影响，可以适当减小输入信号的功率，使功率放大器尽量工作在线性范围 内，但这是一种以损失效率为代价的方法。 7 电子科技大学硕士学位论文 。_ 一神删磊 少 世蛳_ 。 图1 巧信号未经过功率放大器和经过功率放大器后功率谱比较 1 4 2 常用的预失真技术 预失真是补偿放大器非线性失真最好的方法之一。采用预失真技术，是在信 号进入功率放大器之前进行和功率放大器响应特性相逆的运算柬抵消功率放大器 的非线性失真。如果这种预失真的设计能够随放大器工作点的变化而变化，那么 通过调整预失真的参数就可以补偿由温度、电源电压、管子老化等引起工作点变 化造成系统性能的下降。 通常预失真有射频预失真、中频预失真咀及基带预失真三种。射频预失真方 法是采用模拟信号处理方式进行预失真，无法做到自适应，并且由于高频电路的 温度漂移、电路实现复杂且制造成本高等因素，所以预失真一般放在基带或中频 进行处理。同样中频预失真器也是采用模拟电路来实现线性化，对非线性失真的 改善很有限。而目前，基带预失真是一个发展方向，其优点是可以利用数字信号 处理技术对放大器输出反馈的信号进行处理，从而补偿功率放大器的非线性性【4 】。 1 5 本文主要研究内容 1 5 1 课题来源 本课题源于国家“8 6 3 ”重大项目：新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技 术研究。在该项目中，电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室负责b 3 g 第一章引言 t d d 下行链路的设计和实现。 1 5 2 主要贡献 ( 1 ) 针对功率放大器的非线性对o f d m 信号的幅度、相位产生的失真而对系统 性能的影响，本文设计了一种基于查表的放大器线性预失真器，其结构简 单，收敛速度快，收敛后系统稳定。 ( 2 ) 结合现有b 3 g 系统，提出了该自适应预失真器的实现方案。 ( 3 ) 完成了o f d m 调制及组帧模块的f p g a 设计与实现，并成功运用到我国第 一套b 3 gt d d 移动通信试验系统中。 。 1 5 3 论文结构及结构安排 第一章酋先介绍了移动通信发展现状以及b 3 g 移动通信系统的主要特点。然 后对b 3 g 系统核心技术之一o f d m 技术的基本原理进行了介绍，并对o f d m 系统中峰均比问题进行概述。最后对本文研究工作的课题来源、主要贡献以及论 文内容进行了介绍。 第二章为本文的重点，首先介绍了b 3 g t d d 下行链路物理层，包括下行链路 的基本参数、下行链路基本框架以及系统帧结构。针对0 f d m 系统峰均比过高的 特点，以及功率放大器的非线性，提出了采用自适应预失真的办法来解决。根据 一种无记忆非线性功率放大器模型，阐述了预失真的基本原理，并论述了自适应 滤波器在线性估计中的应用，从而初步探讨了利用该方法实现自适应预失真的基 本原理。然而该方法在实际应用中有很大的局限性。在第三节中讨论了一种基于 查找表的放大器线性自适应预失真技术，该方法是在第二节中所提到方法基础上 的改进，使之便于实现。在这一节中首先对算法进行了描述，然后建立了系统仿 真模型，对该自适应算法在s j l n u l i n k 环境下进行仿真，得到了相对于没有预失真 的系统，该自适应预失真技术能够提高约2 d b 的带外抑制，并解决了信号星座旋 转的问题。 第三章也是本文重点，这一章主要论述了b 3 g ) d 下行链路多天线发送板的 f p g a 设计。首先介绍了该系统的开发平台，包括硬件平台和软件平台，接着详细 介绍了整个o f d m 调制与组帧模块的设计，包括了o f d m 调制、导频序列插入、 同步序列插入、队p r 限幅的设计，并对与此相关的基带发送板接口与d a c 接口 做了介绍，给出了目前该系统的资源占用情况以及运行速度。由于目前的电路板 设计并没有考虑到自适应预失真的需要，投有预留反馈链路，因此无法在目前的 9 电子科技大学硕士学位论文 系统中加入自适应预失真器。但是在本章中对这一部分进行了初步探讨，提出了 一种带自适应预失真器的系统方案，并基于第二章所提出的算法设计了一种自适 应预失真器，介绍了其设计方法，并对其可行性做了评估。 第四章主要引出了该系统在基带直连、射频直连以及无线m i m o 三种不同环 境下测试所得结果并进行分析，得到该系统设计完全满足实际应用需要，但由于 功率放大器非线性问题还有待改进。 第五章对本文做了总结，并指出下一步的研究方向。 1 6 本童小结 本章首先介绍了移动通信发展现状以及b 3 g 移动通信系统的主要特点。然后 对b 3 g 系统核心技术之一o f d m 技术的基本原理进行了介绍，并对o f d m 系 统中峰均比问题进行概述。最后对本文研究工作的课题来源、主要贡献以及论文 内容进行了介绍。 第二章b 3 g t d d 下行链路自适应预失真技术 第二章b 3 g1 d d 下行链路自适应预失真技术 2 1b 3 gt d d 下行链路物理层简介 2 l 1b 3 gt d d 下行链路基本参数 在国家“8 6 3 ，f u t u r e 计划第二阶段中四，电子科技大学负责) d 方式下行 链路设计。该链路的基本指标如表2 1 所示。 表2 1b 3 gt d d 下行链路的基本指标 特点峰值速率 频谱效率 。e 。f n 。 太覆盖 3 0 5 0m b d s1 5 2 5b p s h z0d b 热点 4 0 1 0 0m b p s 2 5 b p s 他 3d b 根据系统需求分析，b 3 g - t d d 下行链路采用m i m o o f d m 的基本框架，采 用) m a - o f d m a 的多址方式。其基本技术参数如表2 。2 所示。 表2 - 2b 3 0t d d 下行链路系统参数 载频五 3 4 5 g k 系统带宽口 2 0 m h z 子载波数 1 0 2 4 有效子载波数肌 8 8 4 保护载波数 1 4 0 有效带宽 1 7 2 7m h z 子载波间隔 1 9 5 k h z 循环前缀c p 2 1 6 ( 1 0 8 u s ) 符号周期珏 6 2 u s ( 5 1 2 + 1 0 8 ) 车速矿 5 - 2 5 m ：m ，h 调制方式1 6 0 a m ，b p s k 发送接收天线数8 或4 ( 基站) 4 ( 移动台) 1 1 一璺王型垫盔堂塑圭堂垡堡塞 2 1 _ 2b 3 g t d d 下行链路基本框架 b 3 g t d d 下行链路的基本框架如图2 1 所示。 f - 一一气而磊赫一一一一： r 一漏 s 班 ；：； 甜 m i m 0 信道 f 一i ；匿斟簿面辞筹f | i l处理 ! iili 。li ；n 蚓旧羽咂肛扭一| i基话解调m i 蛳m 解谭!j厨步j 2 1 3b 3 gt d d 系统帧结构 考虑b 3 g 系统的业务需求大都为宽带高速多媒体数据流，而且下行的数据量 可能远大于上行业务量，因此本方案利用了t d d 的特点设计了灵活的帧结构，上 下行链路可进行灵活的时隙配置。而且终端的移动速度范围很大，从很慢的步行 移动速度到高速车载环境，本方案都满足业务的q o s 需求。 图2 - 2b 3 g1 1 m 下行链路的系统帧结构 b 3 g