（通信与信息系统专业论文）ofdm系统峰平比抑制技术研究及逻辑实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 移动通信是当前发展的热点，作为第四代移动通信核心的o f d m 技术受到 人们的广泛关注。o f d m 技术有很多优点，具有很强抗多径衰落、码间干扰和窄 带干扰能力，并且具有很高频谱利用率。但是，o f d m 技术也有其缺点，较高的 峰平比就是其中之一。 在多载波通信中，各个载波之间在进行合路时会出现峰值叠加的情况，表 现出高的峰值与平均功率比( 峰平比，p p r ) ，当峰平比过高时，会对后级的功 率放大器提出高的回退要求，增加后级成本，同时降低功率放大器的效率。因 此如何抑制高的峰平比是多载波通信中一个比较重要的问题。本文在已有的针 对o f d m 技术进行峰平比抑制的研究基础上，提出了一种峰平比抑制的算法， 并在f p g a 上完成其逻辑实现。 本文首先介绍了峰平比的基本概念和给功率放大器带来的影响，接着简要 介绍了现有的几种抑制峰平比的方法，并进行了一定的仿真分析与比较。在基 于以上分析的基础上，论文的第三章介绍了所提出的峰平比抑制模块的算法构 成，对滤波器单元进行了设计描述，同时给出了其它关键部分的设计过程，通 过仿真对其峰平比抑制的性能进行了分析比较。第四章介绍了如何将该算法在 f p g a 上进行逻辑实现，对关键模块的逻辑构成和设计方法进行了详细的介绍， 给出了在综合及优化时需要注意的问题，最后将逻辑设计结果与算法仿真结果 进行了数据比对，验证了逻辑设计的正确性。第五章为全文总结，同时对模块 的扩展应用进行了说明。 关键词：o f d m ；峰平比；f p g a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni so n eo ft h eh o t t e s tt e c h n o l o g i e si nt h ed e v e l o p m e n to f c u r r e n ty e a r s ，a n do f d m ，t h ek e yo f4 gm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ，i sa t t r a c t i n g e y e b a l l sw i d e l yn o w a d a y s o f d mh a sal o to fa d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，i tc a nb e a g a i n s tm u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ，i n t e r - c o d ei n t e r f e r e n c ea n dn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ， a n di ta l s oh a sah i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y h o w e v e r , o f d mh a ss o m ed r a w b a c k s ，t h e h i g l lp e a l 【一t o - a v e r a g ep o w e r r a t i oi so n eo ft h e m i nm u f f - c a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，p e a kv a l u ew i l lb eo v e r l a p p i n gw h e n e a c hc a r r i e rj o i n st o g e t h e r , w h i c hr e s u l t si nh i g hp e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) t h el a r g e rp a p r w i l ld e m a n dh i g h e ro fb a c k o f ft op o w e ra m p l i f i e r , w h i c h r e s u l t si nt h ei n c r e a s eo fe x p e n d i t u r ea n dt h er e d u c t i o no fp o w e r a m p l i f i e re f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，h o wt or e s t r a i nh i g hp a p rb e c o m e sas i g n i f i c a n tp r o b l e mi nm u f f - c a r r i e r c o m m u n i c a t i o n b a s e do nt h er e s e a r c ho fp a p rr e s t r a i n i n gi no f d m t e c h n o l o g y , a n o v e l a l g o r i t h m o fr e d u c i n g p e a k t o - - a v e r a g ep o w e rr a t i o i s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e dw i t hf p g a i nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec o n c e p to fp a p ra n di t si n f l u e n c eo np o w e r a m p l i f i e r s e c o n d l y ，v a r i o u sm e t h o d sf o rp a p rr e d u c i n gh a v eb e e ni n t r o d u c e da n d c o m p a r e d i nt h et h i r dc h a p t e r , a na l g o r i t h mo fp a p rr e d u c i n gi sd e s i g n e da n dt h e d e s i g n m e n to ft h ek e ym o d u l eh a sb e e ni n t r o d u c e d b e s i d e s ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h e p e r f o r m a n c eo ft h ep a p rr e d u c i n gm o d u l eb a s e ds i m u l a t i o n i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ei m p l e m e n to ft h ea l g o r i t h mo nf p g ah a sb e e ni n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y t h e m a t t e r sb ea t t e n d e dt od u r n i n gs y n t h e s i sa n do p t i m i z a t i o nh a v ea l s ob e e np r o p o s e da n d t h ev a l i d i t yo fl o g i cd e s i g ni st e s t i f i e db yc o m p a r i n gt h er e s u l t so fl o g i cd e s i g nw i t h t h er e s u l t so fa l g o r i t h ms i m u l a t i o n f i n a l l y , t h et h e s i si ss u m m a r i z e da n dt h e e x t e n t i o no ft h em o d u l eh a sb e e nc o n e l u d e d k e yw o r d s ：o f d m ；p a p r ；f p g a 西南交通大学学位论文使用授权书 q 旦丛丕统鳖王出艘剑拉苤硒究厘逻缒塞班系本人在西南交通大学攻读博士硕士 学位期间，于2 鲤墨年皇月在导师的指导下完成的学位论文。本人完全了解“西南交通大学图 书馆关于保存、使用学位论文的规定”，同意： ( 1 ) 按照学校要求提交学位论文的印刷版和电子版本。 ( 2 ) 图书馆按规定保存所提交论文的印刷版和电子版。 ( 3 ) 本人授权西南交通大学图书馆可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。授权西南 交通大学图书馆为教学和科研的目的，可以将公开的学位论文( 包括解密后的学位论文) 作为 资料在我校图书馆、资料室等场所或本校的校园网以及部分和我校存在馆际合作关系的高校的 用户进行阅读和浏览。 作者躲趔指导教师签哨魄垃铠月三日 说明：本授权书由研究生在办理离校手续时交到图书馆 ( 有密级要求的需提供学校相关部门的定密审查结论，在解密后遵守此规定) 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 学位论文作者签名：袭云迓 日期：文一孑年铲月2 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 无线通信及发展 近年来，伴随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的发展，无线通信 技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大地推动了社会的发展。在世界其他 发达和发展中国家中，无线通信产业已成为各国信息基础建设的一个不可缺少 的部分。在我国，近几年的个人移动用户数目激增，无线通信行业的大发展带 动了整个通信产业，信息与通信产业在我国国民生产总值中所占的比重也不断 提高，逐渐成为经济发展的支柱型产业【l j 。 从移动通信的发展历史来看，人们在追求任何人、任何地点、可以用任何 形式方便的进行通信的同时，对通信速度和质量的要求也不断提高。第一代模 拟移动通信技术的诞生，达到了模拟话音的一般质量的通信要求：为了获得高质 量的话音通信服务，产生了以g s m 系统，i s - 9 5 系统等为代表的第二代数字移 动通信系统，可以传输9 6 k b p s 的低速话音；而基于c d m a 技术的第三代移动 通信系统具有更高的带宽、更大的容量，其最大传输速率可以达到2 m b p s ，进 步扩大了服务业务的范刚2 1 。目前世界上有关第三代移动通信的主流标准有 三种：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 以及t d - s c d m a 。这三种标准都是采用了宽带c d m a 技 术，其中w c d m a 主要是由欧洲和日本提出的方案，c d m a 2 0 0 0 主要是由美国和 韩国提出的，它是在i s - 9 5 标准的基础上发展而来的，t d s c d m a 则是有我国 提出的基于t d d 方式的第三代移动通信方案。 然而，如果要求数据传输率再进一步提高，3 g 中使用简单的c d m a 技术己 经不能满足要求。于是，以正交频分复用( o f d m ) 调制技术为标志的第四代移 动通信系统开始走入人们视野，并成为当前的研究热点。 1 1 2o f d m 系统的原理及特点 正交频分复用( o f d m ) 技术的是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看 作是一种调制技术，也可以被当作是一种复用技术。英文全称为o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd iv is i o nm u l t i p l e x i n g 。 1 1 2 1o f d m 系统简介 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 正如码分多址c d m a 技术是第三代移动通信系统的核心技术一样，正交频 分复用o f d m 技术是第四代移动通信系统的核心技术，它可以有效地提高传输 速率同时又可以避免由于高速引起的各种干扰d j 。 在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子 信道( 载波) ，载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分 离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率 利用率为代价，而且当子信道数量很大的时候，分离各子信道信号的滤波器的 设计就成了几乎不可能的事情。 由此人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频 率作为子载波，也就是我们所说的o f d m 。o f d m 是一种特殊的多载波通信方案， 单一个用户的信息流被串并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波 发送，由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道多 径时延扩展所产生的时间弥散对系统造成的影响。 1 1 2 2o f d m 系统原理 从数学的角度上看，o f d m 信号可用复数形式表示为1 4 1 ： s ( f ) = d o ) p 脚 ( 1 - 1 ) 一i o 其中t o 一t o o + n a t o 为第n 个子载波角频率，d 。o ) 为第r 1 个子载波上的复数 信号，若设定在一个符号周期t 内d 。o ) 为定值，则有 d 。( f ) = d 再 ( 1 2 ) 若对信号s ( t ) 进行采样，采样间隔为t ，则有 s 耻磊丸r2 弘抄 蛔归 ( 1 叫 假设一个符号周期t 内含有n 个采样值，即t ：n t 。 o f d m 信号的产生首先是在基带实现的，然后通过上变频产生输出信号。因 此，基带处理时可令( - 0 0 ，0 ，则式( 1 3 ) 可化简为 s ( 七丁) 一d 库p 7 一a 埘七r ( 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 将上式与离散傅立叶反变换i d f t 形式( 系数忽略) 暑n 荟- 1 9 ( k r ) g 皤巾，( 1 - - 5 ) 暑g 皤) 2 删。 i o 上t 上 相比较可以看出，若将d 。( f ) 看作频域采样信号，则s ( k t ) 为对应的时域信 号，比较式( 1 4 ) 和式( 1 5 ) 可以看出，若令 厂。j l 。一1 ( 1 - - 6 ) n 。rt n - - 者相等。 由此可见，若选择载波频率间隔为l t ，则o f d m 信号不但保持了各子载波 之间相互正交，而且可以用离散傅立叶变换( o f t ) 来表示。如图1 - 1 所示【5 l 。 图1 - 1 各个子载波正交性在时域的体现 在o f d m 系统中引入d f t 技术对并行数据进行调制和解调，其子带频谱是 竺坚函数而非带限形式，o f d m 信号频谱结构如图1 - 2 所示。 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 单个彻信号子载波频谱0 z d s 懒谱 图i - 2o f d m 信号频谱结构 设基带调制信号码元调制速率为r ，码元周期为t 。则原始数据经过串 并转换变为n 个子信号，转换后的码元速率为r n ，码元周期t = n t ，假设 在第n 个码元时刻的一组信息码元序列为1 6 】【7 】： x ( n ，0 ) ，x ( n ，1 ) ，x ( n ，k ) ，x ( n ，n 一1 ) ) ，n ( 一，+ ) o f d m 系统的发射端在第r 1 个码元时间段内的信号调制过程可以用图i - 3 表示。 ，w 一仄、 一 7 弋y 7 串 x ( n ，1 ) 走p j 娜 a 口 并， - 变 换路 x ( n 滞1 ) 走一辄， ( ) ， 图1 - 3o f d m 信号调制过程 信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 在接收端，o f d m 系统解调的原理图如下： 1杰 积分 x ( n ，0 ) 弋全厂p 母封积分芦- 并 串 变 换 e 。y ：。1 、 ， t1 、 人 五k n ，n 一1 ， 1v 、l 积分 _ 弋2 广p 图1 - 4o f d m 信号解调过程 如图所示，接收到的信号被分成n 个支路，分别与各个子载波混频，然后 通过积分恢复出子载波上调制的信号，再经过并串变换和q p s k 解调就可以恢 复出原始数据。由于子载波之间的正交性，混频和积分可以有效的分离出各个 子载波上调制的信息。 1 1 3 可编程逻辑器件的发展 可编程逻辑器件( p l d ，p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是在2 0 世纪7 0 年 代发展起来的一种新型器件，其应用和发展不仅简化电路设计，降低成本，提 高系统的可靠性，而且给数字系统的设计方式带来了革命性的变化。 p l d 的工艺和结构经历了一个不断发展变革的过程【引。p l d 的雏形是2 0 世纪7 0 年代中期出现的可编程逻辑阵列( p l a ，p r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ) ， p l a 在结构上由可编程的与阵列和可编程的或阵列构成，阵列规模较小，编程 也较繁琐。后来出现可编程阵列逻辑( p a l ，p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) ，p a l 由可编程的与阵列和固定的或阵列构成，采用熔丝编程方式，已的设计灵活， 器件速度快，因而成为第一个得到普遍应用的p l d 器件。 2 0 世纪8 0 年代初，美国的l a t t i c e 公司发明了通用阵列逻辑( g a l ， g e n e r i ca r r a yj ，o g i c ) ，g a l 器件采用输出逻辑宏单元( o l ， f c ) 的结构和 e 2 p r o m 工艺，具，f f 叮编程，可擦除，可长期保存数据的优点，使剧疋活，所以 得到广泛的f 、v 用。之；p l d 器件进入了一个快速发展时期，f i 断地川大规模、 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 高速度、低功耗的方向发展。 2 0 世纪中期，a l t e r a 公司推出一种新型的可擦除、可编程的逻辑器件 ( e p l d ，e r a s a b l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。e p l d 采用c m o s 和u v e p r o m 工艺制作，集成度更高，设计也更灵活，但它的内部连线功能弱一些。 1 9 8 5 美国x i l i n x 公司推出现场可编程门阵列( f p g a ，。f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，这是一种采用单元型结构的新型p l d 器件。已 采用c m o s ，s r a m 工艺制作，在结构上已由许多独立的可编程逻辑单元构成， 各逻辑单元之间可以灵活的相互连接，具有密度高，速度快，编程灵活和可重 新配置的诸多优点。f p g a 己成为当前主流的p l d 器件之一。 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 即复杂可编程逻辑器件，是 从e p l d 改进而来的，采用e 2 p r o m 工艺制作。同e p l d 相比，c p l d 增加了内 部连线，对逻辑宏单元和i o 单元也有重大改进，它的性能更好，使用也更方 便。 1 2 研究意义 随着研究的不断深入，o f d m 系统已经越来越多地得到人们的关注，其原因 在于o f d m 系统存在如下优点1 9 1 ： ( 1 ) 把高速数据流经过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续时间 相对增加，从而可以有效地减少无线信道的时间弥散所带来的i s i ，这样就减 少了接收机内均衡的复杂度。 ( 2 ) o f d m 系统由于各个子载波之间存在着正交性，允许子信道的频谱互 相重叠，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱 资源。 ( 3 ) 各个子信道中的正交调制和解调可以通过i d f t 和d f t 来实现。对 于n 很大的系统，可以采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现。 ( 4 ) 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较 深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子载波分配的方法，充 分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。 ( 5 ) 因为窄带干扰只能影响- d , 部分的子载波，因此o f d m 系统可以在某 种程度上抵抗这种窄带干扰。 但是o f d m 系统中存在多个r 载波正交，且输出信号是多个子信道信号的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 叠加，因此与单载波系统相比，存在以下主要缺点： ( 1 ) 复杂的多载波同步机制 由于子信道的频谱互相覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。 无线信道的传输特性导致了在传输中o f d m 的子载波正交性会受到破坏，需要 通过同步算法来进行补偿，而定时同步、频率同步以及采样同步的偏差都会使 得o f d m 系统子载波之间的正交性得不到足够的补偿，从而不能消除子信道问 的信号相互干扰( i c i ) 。准确的同步估计和补偿对o f d m 系统性能的有着至关 重要的影响，所以需要在准确性和实现复杂度之间找到合适的折中点。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比 与单载波系统相比，每个o f d m 符号是由多个经过调制的子载波相互叠加 而成，当多个子载波被相同相位的信号调制时，叠加后就会产生很大的峰值功 率，在不考虑保护子载波的前提下，峰平比随着子载波个数的增加而增加。 一般来说，当峰平比大的信号通过非线性设备如功率放大器时，会增加带 内失真从而增加误码率，同时产生的带外噪声也会引起相邻信道干扰，降低频 谱效率【l o l 。更为严重的是，为了减少失真，系统所用的功率放大器需要高度线 性和很大的回退，这会大大降低放大器的功率效率。所以如何降低峰平比是多 载波通信中重要的问题之一，其意义在于： ( 1 ) 可以减少信号的动态范围，降低对器件动态范围的要求。 ( 2 ) 降低峰平比可以有效的提高功率放大器的输出功率和效率。 当然对峰平比的抑制并不是在多载波时才需要考虑的，在单载波的时候为 了提高功率放大器的效率，减少功率放大器的回退量，也需要进行这样的处理。 只是多载波的情况下峰平比要比单载波时高，所以现在主要的研究都是针对多 载波系统的。 这里需要指出的是，多载波技术一般包含两层意思：( 1 ) 多个射频频道。 其中一个射频频道带宽对应于一个单载波收发通道的带宽；( 2 ) 多载波调制。 通常就是o f d m 调制，这时多载波中的载波实际指的是多个子载波。 1 3 目前国内外研究现状 多载波通信系统中，信号的峰平比统计特性己经得到广泛研究。人们研究 发现，当信号按n y q u i s t 采样率进行采样时，采样点之间相互独立同分布，容 易推出此时信号峰平比统计特性的理论二? j 弋，其己成为很多峰平比抑制方案的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 理论基础【1 1 1 。 国外对于抑制峰平比的研究早在2 0 世纪9 0 年代初期就开始了，近些年 来，国际上一些知名大学和研究机构纷纷发表了研究成果，如美国s t a n f o r d 大 学的j t e l l a d o 1 2 1 、瑞士r o y a l 技术学院的n a y o u b 1 3 l ，u r b a n a - c h a m p a i g n 大学的k k h e n r y 1 4 1 ，美国p o l y t e c h n i c 大学的d d h e r n a n d e z1 1 5 l 等。 现有的抑制峰平比的方法主要有三类，即信号预畸变、信号编码和信号扰 码。信号预畸变是通过限制幅度来减小多载波信号的峰平比；信号编码是在其 发送端只发送低峰平比的信号，通过编码来摒弃高峰平比的信号，包括互补格 雷序列( g o l a yc o m p l e m e n t a r ys e q u e n c e s ，g c s ) 、雷德密勒码( r e e d - m u l l e r ， r m ) 、m 序列( ms e q u e n c e s ) 和分组编码( b l o c kc o d i n g ) 等；信号扰码即是 对要传输的数据进行处理变换使发送端输出大幅值信号的概率降低，主要有选 择映射法( s e l e c t i v em a p p i n g ，s l m ) 、部分发送序列法( p a r t i a lt r a n s m i t s e q u e n c e s ，p t s ) 和星座图扩展法( 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 c e ) 。 对于o f d m 技术来说，上面提出的三种抑制峰平比的方案各有优劣i l q ：信 号预畸变技术是最简单的一类技术，具有较好的实用性，但是它对o f d m 信号 的非线性畸变会影响整个系统的性能，使其误码率增大；信号编码方法能够获 得较为稳定、简单的系统，降低峰平比的性能也较为稳定，但是随着子信道数 的增加，系统吞吐量会严重下降，频带利用率降低，使得o f d m 的优点不能显 现，因此编码方式只适合于子信道数量较少，需要有稳定性能的系统；信号扰 码技术是三类技术中对系统性能影响最小的，同时能够获得较好的对峰平比的 减小效果，但是边带信息的传输和处理不可避免地增大了系统的复杂性，也就 降低了系统实现的可能性。 目前，对峰平比抑制算法的研究还主要集中在理论方面，并且以往的解决 方案主要存在着综合性能不高的问题，片面追求峰平比( 甚至只是离散信号的峰 平比) 的降低效果，而不顾所提方案对码率、误码率、带外辐射以及实现复杂度 等系统性能的影响【9 1 。一些方法，例如信号编码、扰码法，虽然可以达到比较 理想的峰平比抑制效果，但是计算过程相当复杂，限制了它实现的可能，另一 些方法，例如直接硬限幅法，虽然易于实现，但是性能较差，也不适合用于实 际的系统中。而兼顾了性能和实现复杂度的实现算法的研究，fl 前还很有限。 所以，良好性能和低复杂度的峰平比抑制算法的研究，危多载波系统的研究和 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 实现中有很非常重要的现实意义。在实际的系统应用中，人们往往会需要根据 不同的算法进行综合和改进性研究。 1 4 本文所做工作 本课题的主要研究目标是o f d m 系统峰平比抑制技术及其逻辑实现。论文 内容及结构安排如下： 第一章首先对论文工作的研究背景进行了简述，简要回顾了多载波通信系 统中峰平比抑制技术的研究现状，总结了需要进一步解决的问题，从而指明了 本文的研究动机和出发点。 第二章主要介绍了峰平比( p a p r ) 的概念和对功率放大器产生的影响，简 要介绍了现有的抑制峰平比的方法。 第三章给出了所提出的峰平比抑制算法的模块组成结构框图；然后对各个 组成单元作了介绍；对滤波器的设计、卷积模块的系数选取等重要的部分做了 解释和介绍；最后通过c c d f 曲线图将该峰平比抑制的性能进行了仿真比较。 第四章在论述了如何在f p g a 上实现峰平比抑制模块，并将逻辑输出结果 同算法仿真结果进行了数据比对，以验证其正确性，同时针对硬件资源和速度 方面进行了优化设计介绍。 第五章为全文的总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章峰平比抑制技术 2 1 峰平比的概念 2 1 1 高峰值产生原因 对于单载波系统来说，如果信号的包络是恒定的，那么峰值也是恒定的。 但是对于多载波系统，在各个载波相叠加后，会出现波峰与波峰叠加，或者波 谷与波谷叠加的情况，这样就会出现比较高的峰值。图2 一l 显示的是一个恒包 络的信号，峰值是恒定的，图2 2 显示的是多个信号叠加后的结果，可以看出 峰值出现就没有规律可循【1 6 1 。 - 3 2 1 0 ， 2 3 图2 - 1 单载波信号示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 1 2 峰平比概念 一般采用峰平比( 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 ) 来描述信号包 络的不确定性。峰平比的定义为：一段时间间隔内信号峰值功率和平均功率的 比值。 p a p r ( t ) 一篇，o ( 2 - - 1 ) 习惯上峰平比的大小表示为d b 值。 p a p r ( t ) - 1 0 x l o g , o 帮如( 2 - - 2 ) 其中，1 l 表示对信号求模，e 表示对信号求期望，通常用求平均的 方法进行估计。 有时候也采用峰值因子( c f ，c r e s tf a c t o r ) 来衡量峰平比，其定义为： 信号的最大峰值功率同平均功率均方根的比值，其d b 值表示为： c f ( t ) 一2 0 x l o g m a x is ( t ) i 1 。扛丽 ( 柏) ，0s ts ( 2 3 ) 通常情况下峰值因子c f 比p a p r 大3 d b 左右【1 刀，它们之间的关系为： c f i 勇西丽，0st ( 2 4 ) 2 1 3 随机信号的峰平比 峰平比同载波数n 是成正比的，随着载波数的增加，峰平比的值也在增加， 但是增加量不是很大【5 1 。当采用多相相位键控( m p s k ) 时，峰平比的理论上限 是n 。同时根据中心极限定理可知，随着载波数的增加，峰值将会呈现一个高 斯分布的情况，峰值越高出现的概率越低，所以采用一定的方法将这些高峰值 降低是可能的。 通常使用累积分布函数c d f ( c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) 来表 示一组信号不超过某个p a p r 门限的概率；使用互补累积分布函数c c d f ( 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 nf u n c t i o n ) 来表示一组信号超过 某个p a p r 门限的概率。 d j 中心极限定理可知，当载波数足够大时，合路信号的实部和虚部都近似 服从均值为0 ，方差为o 5 的高斯分布，合路信号的幅度服从瑞利分布，功率 服从均值为0 ，自由度为2 的z 2 分靠，其累积概率磐j 度为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 j f ( z ) 一1 一e 以 在不进行过采样时，可以得到p a p r 大于某个门限值z 的表达式为： ( 2 5 ) 的概率，即c c d f p ( 黝袱 z ) = 1 - 1 - e 吐】 ( 2 6 ) 在实际系统中，人们总是使用离散信号的峰平比去估计实际连续信号的峰 平比。当采用n y q u i s t 采样率进行采样时，如果出现峰值的地方正好不是采样 点，则得到的峰平比就会低于实际值，所以采样点的数越多，得到的峰平比值 越接近实际值。但是采样点数量的增加又会增加计算量，所以人们关注的一个 问题是如何在采样点数量尽量小的情况下，使用离散信号的峰平比去逼近实际 连续信号的峰平比。在参考文献【1 8 l 中对这个问题给出了研究结果，文中对0 f d m 信号进行了研究，发现当进行4 倍过采样时，离散信号的峰平比已经很接近于 实际连续信号的峰平比了。图2 - 3 所示是对于子载波数为1 2 8 的o f d m 系统， 分别在采样率为1 倍、2 倍和4 倍的情况下，峰平比情况的仿真。由图可以看 出，随着采样率倍数的增加，峰平比也逐渐增大，当c c d f 为1 0 4 时，采用4 倍过采样比采用奈氏采样的信号峰平比大0 5 d b 左右。 1 0 0 密舻 o681 01 2 p a p r ( d b ) 图2 - 3不同采样率下峰平比曲线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 但是在过采样时很难得到精确的c c d f 表达式。一种考虑过采样影响的方 法是假定n 个载波过采样信号的p a p r 分布与a n 个载波的未过采样信号的 p a p r 分布大致相同，其中a 的取值大于l 。这样，过采样的影响大致相当于 额外增加一定数量的独立样点。过采样后合路信号的p a p r 值大于门限值z 的 概率为： p ( p a i r z ) = 1 一f 1 一e 吒1 州( 2 7 ) 2 1 4 峰平比对功率放大器的影响 多于多载波系统来说，当信号进入功率放大器且功率放大器工作在非线性 区时，会产生严重的互调分量，其3 阶互调会干扰相邻信道，5 阶互调在干扰 相邻信道的同时还会干扰其他通信系统【加】。 为了改善系统的性能，一般会将功率放大器做回退处理，其基本方法是功 率放大器采用功率输出能力较大的管子，但是限制其输出功率用于小功率工作， 实际上就是牺牲工作效率来提高功率放大器的线性度，如图2 - 4 所示1 2 1 1 。 图2 - 4功率放大器回退示意图 功率放大器回退就是把功率放大器的输入功率从l d b 压缩点d 。向后回退 3 d b 至d ：点。若互调指标仍不满足要求，可继续回退至远小于l d b 压缩点的 电平上，使功率放大器离开饱和区，进入最佳线性工作区，从而改善功率放大 器的高阶互调失真。这种方法简单易行，不需要增加任何附加设备j 是改善放 大器线性度常用而有效的方法。其缺点是，功率放大器的工作效率被人为降低； 另外，当功率回退到一定程度后，继续回退时，功率放大器的能量转换效率急 剧下降。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 当信号的峰平比降低后，可以把功率放大器输出功率提高，因此也就提高 了功率放大器的工作效率。尤其是当功率提高量小于峰平比降低量时，改善效 果更为明显。峰平比与功率放大器动态关系如图2 5 所示 2 2 1 。 v i n 峰平比与功率放大器动态关系示意图 由上面的分析可以看出，峰平比降低的好处在于： ( 1 ) 提高了功率放大器输出功率，减少功率放大器的回退量，也就意味着 效率的提高。 ( 2 ) 改善功率放大器的线性指标，减少对功率放大器动态范围的要求。 ( 3 ) 目前大功率管的成本较高，而降低峰平比基本上是在数字域实现，成 本低，也就降低了系统的成本。 2 2 现有抑制峰平比的方法 峰平比抑制是在满足一定的信号时域、频域、调制质量等性能指标的前提 下，对输入到功率放大器之前的大功率信号进行降低峰平比的处理。目前已有 的抑制峰平比的方法有硬限幅法、编码法和选择映射法、部分发送序列法和星 座图扩展法等。 2 2 1 硬限幅法 硬限幅法是信号预畸变中的一种，所谓信号预畸变是在信号被送到功率放 大器之前，通过将具有较大峰值功率的信号进行预畸变的方法来减小多载波信 号的峰平比，使其不会超出功率放大器的动态变化沌围。下面介绍硬限幅法。 硬限幅法就是设置一个门限值a ，凡是信号峰值超过门限值的，就将其限制 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 在门限内；反之则无干扰地通过。 对于复数信号来说，假设其时域表达式为： z 。- i i e x p ( j 吼) ( 2 8 ) 那么限幅后信号的形式为： f a e x p ( j q , ) ，( kl a ) 。1 ，( z ) ，有k 个序列独立同分布， 则峰平比性能最佳的序列峰平比的c c d f 为： 户( 朋咫 z ) 一( p ( p a p r o z ) ) x ( 2 1 0 ) 图2 - 7 给出了在经过选择映射以后，子载波数为1 2 8 的o f d m 信号峰平比 在统计上表现出的仿真性能。可以看到，对于一个4 载波合路的系统，通过选 择映射后，产生的供选择序列越多( 即k 值越大) ，出现大峰平比的概率越小。 但是也可以看到，随着k 值的增大，p a p r 降低的效果也在降低，所以实际中不 能味地增大k 值，这样在，形重增加硬件压力的同时并不能得到与之相应的性 能提升。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 u - 凸 e , 3 o p a p r ( d b ) 图2 - 7选择映射后多载波信号峰平比概率分布 2 2 4 部分发送序列法 部分发送序列法( p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s ，p t s ) 的原理是将输入数 据分割成互不重叠的若干个子快，再将这些子块加权合并，不同的辅助加权信 息对应不同的p a p r ，选择p a p r 较低的一组进行传输【3 2 j 。图2 - 8 给出了在采 用部分发送序列法以后，子载波数为1 2 8 的o f d m 信号峰平比在统计上表现出 的性能。仿真时将输入的数据分割成了4 个子块。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 l i i o o o 图2 8部分发送序列后多载波信号峰平比概率分布 2 2 5 星座图扩展法 2 2 1 节提到，采用硬限幅的方法会导致误码率的上升，从星座图上看，硬 限幅的方法相当于改变发送数据在星座图上的位置，使得汉明距离减少，从而 引起误码率的上升。星座图扩展法( 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 c e ) 【3 3 】的原理是将增加汉明距离的位置改动进行保留，从而控制系统的误码率。图 2 9 所示的是q p s k 的星座扩展规则，当改动后的数据落在矩形内时，这种改 动被认为是可以接受的。 口f 。 乜 l ii i l 1人 ) 日t t y ，口 ll i li 图2 - 9q p s k 的星座扩展规则 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图2 1 0 是文献【1 9 l 中给出的分别采用硬限幅和a c e 后的星座图分布情况。 由图可以看出采用a c e 的方法后，星座点分布被限制在了图2 9 所示的矩形 内。 巍接限畅泣譬铡j 一瞧豳 q p s k 经a c e 护联瞻的的犍感阁 图2 - 1 0硬限幅和a c e 后q p s k 的星座图 2 3 本章小结 本章首先给出了峰平比的定义和相关概念；接着在介绍峰平比对功率放大 器的影响的基础上引出了抑制峰平比的好处；最后对现有的峰平比抑制方法做 了简要的介绍和比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章峰平比抑制模块设计 在对现有的峰平比抑制技术进行研究，同时参考了现有的文献后降j ，本文 设计了一种峰平比抑制的模块，该模块在峰平比抑制的原理上同硬限幅类似， 在进行信号幅度的计算时，采用卷积的方法来使计算结果同实际的信号幅度尽 可能相近，同时考虑到带外噪声的抑制问题，模块在后端对抑制后的信号进行 了成形滤波处理。该模块的各个组成单元并不复杂，因此便于硬件实现。 3 1 模块的组成 模块的基本组成如图：3 - 1 所示。主要构成部分包括卷积单元、幅度计算单 元、参数生成单元、限幅操作单元、成形滤波单元和正交调制单元。 图3 - 1 峰平比抑制模块组成框图 图3 一l 给出的是单载波情况下的模块结构，当输入是多载波信号时，可以 将这些模块进行复制，如图3 - 2 给出了两载波时的结构图。 图3 - 2 两载波时模块组成框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 模块中卷积单元的作用是用来对后面信号幅度值的计算进行模拟，即通过 计算1 倍速下的几个相邻信号点的幅度来对高倍速下的信号幅度进行模拟；幅 度计算单元的作用是计算基带信号的瞬间包络值；参数生成单元的作用是根据 计算出的信号幅度来生成一个峰平比抑制的参数，该参数被用来与i 、q 两路 信号分别计算得到限幅后的信号；限幅操作单元的作用是完成信号的限幅操作； 成形滤波单元的作用是抑制限幅后信号的带外噪声，同时进行正交调制前的部 分阶段上采样；正交调制单元的作用是将抑制后的信号进行模拟调制后输出到 射频端，当多载波存在时，调制单元中的n c o 模块需要根据不同的载波频率进 行频率控制字的配置。 幅度计算单元包含平方器、加法器和开方器，如图3 3 所示。其处理过程 为：将i 、q 两路信号的值平方后相加，再进行开方运算，结果既为信号的瞬 间包络值。 图3 - 3 幅度计算单元组成框图 参数生成单元的实质为一除法器。其处理过程为：将信号的幅度值a 与一 个设定好的门限g 做除法运算，得到一个抑制参数n ，即t l = g a 。 限幅操作单元实际执行的是一乘法运算，即将计算出的抑制参数t l 与i 、 q 两路信号同步相乘。此处需要注意的是由于在计算抑制参数时会产生一定的 延迟，所以在限幅操作的乘法器前需要增加一个延迟单元，来保证限幅操作的 正确性。同时由于原信号为一个低倍速信号，抑制系数为一个高倍速信号，所 以需要将抑制系数的信号进行展宽，这样可以将高倍速下的能量分散到周围的 数据中，进行抑制处理的时候会提高峰平比抑制的性能。所以限幅操作单元包 括乘法器、延迟单元和展宽单元。 成形滤波单元包括一个低通滤波器和一个斗? 带捅住 滤波器；正交调制单元 t f ，i ：要的模块为数控振荡器n c o 模块。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 2 模块具体设计 3 2 1 数据速率设计 在本文中，数据的输入速率为2 倍速，在进行卷积后需要将数据速率提高， 以便能够采到尽可能多的高峰值信号。在第2 章中我们知道当过采样率