（电路与系统专业论文）ofdm通信系统中papr抑制技术的研究.pdf

工8 0l t as y s t e m a t i c a p p r o a c ho ft h ep a p rr e d u c t i o ni n o f d mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s b y g a n gy a n g ad i s s e r t a t i o n s u b m i t t e dt ox i d i a n u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h y x i d i a nu n i v e r s i t y x i a n ，c h i n a d e c e mb e r2 0 0 5 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特另l j 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；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做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：丝丝日期笙! ：! 垒堑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文o ( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在通年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 同期砂i 日期丝丝：乡 卜、 ，j 卜 i ，夕、 l ，? 毒 摘要 摘要 随着信息社会的到来，无线通信特别是移动通信的兴起，频谱日益成为稀缺 资源。为了提高频谱的利用率，人们提出了多种技术方案。其中，在面向下一代 移动通信的众多多载波信号传输技术中，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 ) 及其相关技术以其频谱利用率高、抗多径和脉冲噪 声在高效带宽利用率情况下的高速传输能力、可根据信道条件对予载波进行灵 活调制及功率分配的能力、技术实现成本低廉等优点，在众多领域得到广泛应用， 已成为未来第四代多媒体移动通信系统的关键传输技术之一。但是o f d m 系统的 主要缺陷之一就是其时域信号的幅值波动较大，也就是出现高的峰均功率比 ( 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 ) i h - j 题。与传统的单载波传输技术比较，较高 的p a p r 对放大器和数模转换器( d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e n e r ，d a ) 或模尼改转换器 ( a n a l o g t o d i 酉t a lc o n v e r t e r ，a d ) 的线性动态范围有很高的要求，如果系统线性动 态范围不能满足信号的变化，就会造成信号畸变，使叠加信号的频谱发生变化， 从而导致子信道之间的正交性遭到破坏，产生严重的相互干扰，使通信系统性能 严重恶化。本文针对这一关键问题，提出相应的数学模型，深入研究了o f d m 技 术中高p a p r 问题。 作为前提和基础，本文首先提出了p a p r 问题的数学解决模型。按照所提模型 的思路，从分量修正法、新分量注入法、运算规则变更法三个方面研究并提出自 己的新算法。 分量修正法通过修正参与运算的分量来改变运算结果，本文分别提出了包括 预判断技术、自适应技术、码元约束技术和分块限幅算法四种新方法的分量修正 法抑制p a p r 。本文首先分析了现有限幅( c l i p p i n g ) 、压缩扩展变换( c o m p a n d i n g ) 、 编码( c o d i n g ) 算法，指出了其存在的不足。c l i p p i n g 算法对o f d m 符号进行了非线 性处理会带来严重的带内噪声，从而导致系统误码率( b i te r r o rr a t i o ，b e r ) 性能降 低，同时，o f d m 信号的非线性畸变也会引起带外辐射，从而降低功率利用率。 c o m p a n d i n g 算法是通过把大功率信号进行压缩以及小功率信号进行放大来降低系 统的p a p r ，同样具有高b e r 的问题。因此，本文提出分量修正法抑制p a p r 。预 判断技术可以按照预定的p a p r 性能指标来确定是否需要采用降低p a p r 的算法。 通过将预判断技术和其它如c l i p p i n g 、c o m p a n d i n g 等降低p a p r 的算法结合起来， 可以有效地降低p a p r ，改善因降低p a p r 而产生的不良影响。自适应技术根据通 信系统预定的性能指标和实际的通信情况，按照自适应算法自动调整降低p a p r i i 西安电子科技大学博士学位论文：o f d m 通信系统中p a p r 抑制技术的研究 算法的参数，在p a p r 和通信系统的其它性能之间自动实现良好折衷。预判断和自 适应技术都适用于其它所有降低p a p r 的算法，并可以将两种技术相结合应用。码 元约束技术将限幅信号的星座点约束到一个特定区域，该区域的星座点逼近于未 限幅之前信号的原始星座点。因此，码元约束技术能够在降低p a p r 达到系统要求 的同时改善系统的b e r 性能。分块限幅算法将一个o f d m 符号分成若干块，然后 分别对每块限幅，最后组合发送。该算法降低信号的波动范围，使其满足功率放 大器线性动态范围，避免信号非线性严重失真，同时也改善了系统的b e r 性能。 新分量注入法通过注入新的分量参与运算来抑制信号p a p r 。新的分量注入会 涉及到边带信息问题，本文就新分量注入法提出了新颖的边带信息传送方案和简 单可靠的边带信息检测算法。现有算法主要包括部分传输序列( p a r t i a lt r a n s m i t s e q u e n c e s jp t s ) 、选择性映射( s e l e c t i v em a p p i n g , s l m ) 和载波预留法( t o n e r e s e r v a t i o n ，t r ) ，其最主要的困难就是边带信息的传送和检测问题以及高计算复杂 度问题。边带信息的传送和检测问题处理的好坏直接关系到接收端能否正确恢复 出原始信息。在边带信息的传送方面，已有的算法没有考虑到边带信息插入后的 峰值再生问题，本文提出新颖的边带信息传送方案，不仅解决了峰值再生问题和 边带信息的统一管理问题，而且可以辅助系统实现帧同步，使p a p r 问题与同步问 题得以综合解决。利用编码理论知识，本文提出了两种更简单可靠的边带信息检 测算法。这两种算法适用于m p s k ( p h a s es h i f tk e y i n g ) 调制情况，具有较低的计算 复杂度和较高的可靠性。 运算规则变更法寻求从改变o f d m 的正交变换对入手解决p a p r 问题，本文 就此做了初步研究并给出该方法的整体思路，对其进一步的深入研究是以后研究 工作的重点。 综上所述，论文较全面、透彻地阐述了o f d m 系统中的p a p r 问题，提出了 解决p a p r 问题的数学模型。从数学模型出发，分别提出了预判断技术、自适应技 术、码元约束技术、分块限幅算法、新颖边带信息传送方案以及简单可靠的边带 信息检测算法。所提算法经过m a t l a b 仿真验证都达到了良好的效果，且通用性 较强，因此具有很高的实甩价值。该算法体系的进一步完善与发展，将对p a p r 问题的全面解决具有重要意义。 关键词：正交频分复用峰均功率比预判断技术自适应技术边带信息 ，爱 毒 i 矿 - l 巷 a b s t r a c t m f r e q u e n c ys p e c t r u mb e c o m e sam o r ea n dm o r es c a r c er e s o u r c ed a yb yd a y , a l o n gw i t h t h ea r r i v a lo ft h es o c a l l e di n f o r m a t i o n s o c i e t y a n dt h e b o o m i n go fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，e s p e c i a l l ym o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i no r d e rt om a k et h eb e s tu s eo f t h es p e c t r u m ，m a n yt e c h n i c a lm e t h o d sa l ep r o p o s e d a m o n gm a n ym u l t i - c a r r i e rs i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n i q u e sf o rt h en e x tg 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 n s ，o r t h o g o n a l 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 ( o f d m ) a n dt h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g yb yi t sh i g h b a n d w i d t he f f i c i e n c y , i t sr o b u s t n e s st om u l t i - p a t ha n dp u l s en o i s e ，i t sh i 【g ht r a n s m i s s i o n s p e e d ，i t sa b i l i t yo ff l e x i b l em o d u l a t i o no i ls u b c a r r i e r si na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a n n e l c o n d i t i o n s ，i t sl o w e ri m p l e m e n t a t i o nc o s t ，a n ds oo n ，h a so b t a i n e dt h ew i d e s p r e a d a p p l i c a t i o ni nt h em u l t i t u d i n o u sd o m a i n s ，b e e na d o p t e da so n eo ft h ek e yt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g i e s o ft h e f o r t h c o m i n gf o u r t h g e n e r a t i o n ( 4 g ) m u l t i m e d i a m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o n eo ft h em a i nd i s a d v a n t a g e so fo f d ms y s t e m si si t sl a r g em a g n i t u d ef l u c t u a t i o n b f t i m ed o m a i ns i g n a l ，t h e r e b yo c c u r st h eh 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 ) p r o b l e m c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls i n g l ec a r r i e rt r a n s m i s s i o nm e t h o d s ，h i g h p a p rl e a d st oan e c e s s i t yf o ri n c r e a s i n gt h ed y n a m i cr a n g eo fa i h p l i f i e ra n d d i g j t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e r a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ( d ao ra d ) i ft h el i n e a r i t y r a n g eo ft h es y s t e mc a n n o tf i tt h ed y n a m i cr a n g eo ft h es i g n a l ，i tw i l li n c u rs i g n a l d i s t o r t i o n ，c h a n g et h es p e c t r u mo ft h es u p e r p o s e ds i g n a l ，t h u sd i s t o r tt h eo r t h o g o n a l i t y o fs u b c h a n n e l s ，r e s u l ti nm u t u a li n t e r f e r e n c ea n dw o r s e nt h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nh a st h o r o u g h l yr e s e a r c h e do nt h i sc r u c i a lp r o b l e mo fo f d m t e c h n o l o g yb a s e do nt h ep r o p o s e dm a t h e m a t i c a ls o l u t i o nm o d e l a st h ep r e m i s ea n df o u n d a t i o n ，am a t h e m a t i c a ls o l u t i o nm o d e lo np a p ri sp r o p o s e d f i r s t l y a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e a s o n i n g ，s o m en e wa l g o r i t h m sa r ep r o p o s e df r o mt h r e e a s p e c t s ，i e ，t h em e t h o do f c o m p o n e n tm o d i f i c a t i o n ，t h em e t h o do f n e wc o m p o n e n t i n j e c t i o n ，a n dt h em e t h o do f c h a n g eo fo p e r a t i o n a lr u l e t h em e t h o do f c o m p o n e n tm o d i f i c a t i o n c h a n g e st h es u m m i n gr e s u l t sb ym o d i f y i n g o p e r a t i n gc o m p o n e n t t h ep r e j u d g et e c h n i q u e ，t h e a d a p t i v et e c h n i q u e ，t h e c o d e f c s t r i c t i o nt e c h n i q u ea n dt h ep a r t i a lc l i p p i n ga l g o r i t h ma r ep r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n s o m ea l g o r i t h m ss u c ha sc l i p p i n g , c o m p a n d i n ga n dc o d i n g a r ea n a l y z e df i r s t l y c l i p p i n gi s an o n l i n e a rp r o c e s sa n dm a yc a u s es i g n i f i c a n ti n - b a n dd i s t o r t i o n ，w h i c h d e g r a d e st h eb e rp e r f o r m a n c e ，a n di n d u c e so u t o f - b a n d n o i s e ，w h i c hr e d u c e st h e s p e c t r a le f f i c i e n c y c o m p a n d i n gt r a n s f o r mi s a ne f f i c i e n tm e t h o dt or e d u c et h ep a p r b yc o m p r e s s i n gl a r g es i g n a l sw h i l ee n h a n c i n gs m a l lo n e s ，w h e r e a ss i m i l a r l yh a sh i g h b e r p r o b l e m s o ，s o m en e wa l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d t h ep r q u d g et e c h n i q u ed e c i d e s w h e t h e rp a p rr e d u c t i o nm e t h o d ss h o u l db ea d o p t e do rn o tb a s e do nt h ep r o s p e c t i v e c r i t e r i a w h e nt h ep r q u d g et e c h n i q u ei su s e di nc o n j u n c t i o nw i t ho t h e rp a p r r e d u c t i o n a l g o r i t h m sl i k ec l i p p i n g , c o m p a n d i n ga n d s oo n ，p a p rr e d u c t i o np e r f o r m a n c ew i 1 lb e i m p r o v e da n dt h ed e l e t e r i o u se f f e c t sm a y b es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d b ya d o p t i n ga d a p t i v e a l g o r i t h m ，t h ea d a p t i v et e c h n i q u ea u t o m a t i c a l l ya d j u s t s t h ep a r a m e t e r so f ：p a p r s u p p r e s s i o nm e t h o d sb a s e d o nt h ep r o s p e c t i v ec r i t e r i aa n dt h ea c t u a lc o m m u n i c a t i o n c o n d i t i o n s a n de n a b l e se f f e c t i v et r a d e o f fb e t w e e nr e d u c t i o n i np a p ra n do t h e r p e r f o r m a n c eo ft h eo f d ms y s t e ma u t o m a t i c a l l y p r e j u d g ea n da d a p t i v et e c h n i q u e c a n b ea p p l i e dt oa l lo t h e rp a p rr e d u c t i o na l g o r i t h m s ，m o r e o v e rt h e s et w oa l g o r i t h m sc a n b ec o m b i n e dt ob ee m p l o y e d t h ec o d er e s t r i c t i o nt e c h n i q u ei sa d o p t e dt o c o n s t r a i n e v e r yc o n s t e l l a t i o np o i n t i nc e r t a i nr e g i o nw h i c ha p p r o a c h e s t ot h eu n c l i p p e d c o n s t e l l a t i o np o i n t ，t h u sr e d u c e sp a p rt of i tt h es y s t e m sr e q u e s ta n di m p r o v e st h eb e r p e r f o r m a n c e t h ep a r t i a lc l i p p i n ga l g o r i t h mf i r s td i v i d e sa no f d m s i g n a li n t os e v e r a l b l o c k s ，t h e na p p l i e sc l i p p i n gp r o c e s st oe a c hb l o c ks e p a r a t e l y , f i n a l l ym e r g e st h e s e b l o c k sa n dt r a n s m i t si t t h i sa l g o r i t h mr e d u c e sl i n e a rd y n a m i cr a n g eo ft h es i g n a l ， a v o i d ss e r i o u sn o n l i n e a rd i s t o r t i o n ，a n di m p r o v e st h es y s t e m b e rp e r f o r m a n c e s i m u l t a n e o u s l y t h em e t h o do f n e wc o m p o n e n ti n j e c t i o n r e d u c e sp a p rb yi n p o u r i n go fn e wo p e r a t i n g c o m p o n e n t s s i n c et h i s k i n do fm e t h o dh a st h ep r o b l e mw i t ht r a n s m i s s i o na n d e x 锄i n a t i o no fs i d ei n f o r m a t i o n ，an o v e ls c h e m et od e a lw i t ht h et r a n s m i s s i o no fs i d e i n f o r m a t i o na n dt w os i m p l ea n dr e l i a b l ea l g o r i t h m s o nt h ee x a m i n a t i o no fs i d e i n f o r m a t i o na r ep r o p o s e d e x a m p l e so fe x i s t i n ga l g o r i t h m si n c l u d ep a r t i a l t r a n s m i t s e q u e n e e ( p t s ) ，s e l e c t i v em a p p i n g ( s l m ) ，a n dt o n er e s e r v a t i o n ( t r ) t h e i rm a i n d i f f i c u l t i e sl i ei nt h et r a n s m i s s i o na n de x a m i n a t i o no fs i d ei n f o r m a t i o na sw e l la sh i g h c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y w h e t h e rt h er e c e i v e r c a nc o r r e c t l yr e c o v e rt h eo r i g i n a l 一 _ 气、lo。 “ i 专 v i n f o r m a t i o no rn o td e p e n d so nt h eq u a l i t yo ft r a n s m i s s i o na n de x a m i n a t i o no fs i d e i n f o r m a t i o n c o n c e r n i n gt h et r a n s m i s s i o no fs i d ei n f o r m a t i o n ，a se x i s t i n ga l g o r i t h m s h a dn o tc o n s i d e r e dt h ep r o b l e mo fp e a kr e g r o w t ha f t e ri n s e r t i n gs i d ei n f o r m a t i o n ，a n o v e ls c h e m et od e a lw i t ht h et r a n s m i s s i o no fs i d ei n f o r m a t i o ni sp r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h i ss c h e m en o to n l ys o l v e st h ep r o b l e mo fp e a kr e g r o w t ha n dt h ep r o b l e m o f m a n a g i n g s i d ei n f o r m a t i o n u n i f o r m l y ，b u t a l s o h e l p s t oa c h i e v ef r a m e s y n c h r o n i z a t i o n m a k i n gu s eo fc o d i n gt h e o r y , t w os i m p l ea n dr e l i a b l ea l g o r i t h m so n t h ee x a m i n a t i o no fs i d ei n f o r m a t i o na r ep r o p o s e d t h e s et w oa l g o r i t h m sa r es u i t a b l ef o r m - p s k ( p h a s es h i f tk e y i n g ) ，a n ds h o wl o w e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dh i g h e r r e l i a b i l i t y t h em e t h o do f c h a n g eo fo p e r a t i o n a lr u l e w h i c hs o l v e st h ep a irp r o b l e mw i t h c h a n g i n gt h eo r t h o g o n a lt r a n s f o r mp a i ro fo f d m i sp r o p o s e d t h es u m m a r yr e v i e wo n t h i sm e t h o di sp r o p o s e db a s e do ns o m er e l a t e dw o r k s a l s o ，i ti st h em a i nd i r e c t i o nf o r f u r t h e rr e s e a r c h i ns u m m a r y , t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e dt h ep a p rp r o b l e mo fo f d ms y s t e m s ，描d p r o p o s e dam a t h e m a t i c a ls o l u t i o nm o d e l b a s e do nt h ea n a l y t i c a lm o d e l ，s o m en e w t e c h n i q u e sa n da l g o r i t h m s ，s u c ha st h ep r e j u d g et e c h n i q u e ，a d a p t i v et e c h n i q u e ，t h ec o d e r e s t r i c t i o nt e c h n i q u e ，t h ep a r t i a lc l i p p i n ga l g o r i t h m ，t h en o v e ls c h e m eo nt r a n s m i s s i o n o fs i d ei n f o r m a t i o n ，a sw e l la st w om o r es i m p l ea n d r e l i a b l ea l g o r i t h m so ne x a m i n a t i o n o fs i d ei n f o r m a t i o n ，a r ep r o p o s e d n u m e r i c a le x p e r i m e n t sb a s e do nm a t l a ba f f i r m e d t h ev a l i d i t yo ft h e s ea l g o r i t h m s t h ee f f i c i e n c ya n dv e r s a t i l i t yo fs o m ea l g o r i t h m sh a v e h i g hp r a c t i c a lv a l u e t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta n dc o n s u m m a t i o no ft h ea l g o r i t h m s y s t e mw i l lb eh e l p f u lt oac o m p r e h e n s i v es o l u t i o nt ot h ep a p rp r o b l e m 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 y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) 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 ) p r e j u d g et e c h n i q u e a d a p t i v et e c h n i q u e s i d ei n f o r m a t i o n i呵，_1，。 西安电子科技大学博士学位论文：o f d m 通信系统中p a p r 抑制技术的研究 气 矗 一 曲 l 一 旁 i 一 “ l t 目录 目录 v 摘要1 目录v i i 图目录j _ ：x 表目录。j x i 第一章绪论o 1 1 1 无线移动通信系统的发展 1 2o f d m 技术发展简史 1 3 本文的研究工作及创新点 1 4 本文的篇章结构 第二章o f d m 技术及其p a p r 问题7 2 1o f d m 技术概述和其它相关技术7 2 t 1o f d m 的基本原理：“7 2 1 2o f d m 的优缺点分析1 0 2 1 3o f d m 的相关技术1 l 2 2o f d m 系统中的峰均比定义及其对系统的影响。1 3 2 2 1p a p r 的定义1 3 2 2 2p a p r 的产生、分布及其上下界分析1 4 2 2 2 1p a p r 的产生及分布1 4 2 2 2 2p a p r 上下界分析1 5 2 2 3 高p a p r 对系统的影响：1 7 2 3p a p r 问题的解决方法1 7 2 3 1 解决p a p r 问题的数学模型1 7 2 3 2 研究现状。1 8 2 4 本章小结 第三章分量修正法抑制p a p r 2 1 3 1 现有算法分析2 l 3 1 1 限幅( c l i p p i n g ) 。2 1 3 1 2 压缩扩展变换( c o m p a n d i n g ) 2 2 v i i i 西安电子科技大学博士学位论文：o f d m 通信系统中p a p r 抑制技术的研究 3 2 新算法的提出。一。一2 4 3 2 1 预判断技术2 4 3 2 1 1 预判断技术原理2 5 3 2 i 2 预判断技术和已有方法体现出的判断思想的本质区别2 6 3 2 1 3 预判断技术的应用，。2 6 3 2 1 4 预判断技术的性能评价。3 3 3 2 2 自适应技术3 3 3 2 2 1 自适应技术原理3 3 3 2 2 2 自适应技术的应用3 4 3 2 2 3 自适应技术的性能评价4 3 3 2 3 预判断和自适应相结合技术4 3 3 2 3 1 技术结合的原理“4 3 3 2 3 2 技术结合的应用4 4 3 2 3 3 技术结合的性能评价5 2 3 2 4 码元约束技术降低c l i p p i a g 噪声5 3 3 2 4 1 码元约束技术思想5 3 3 2 4 2 码元约束技术处理过程5 3 3 2 4 3 仿真结果及分析5 5 3 2 5 分块限幅算法5 6 3 2 5 1 分块限幅原理5 7 3 2 5 2 仿真及分析5 9 3 2 5 3 性能评价。6 0 0 3 3 本章小结 6 1 第四章新分量注入法及运算规则变更法抑制p a p r 6 3 4 1 现有算法分析6 3 4 1 1 部分传输序y l j ( p t s ) 和选择性映射( s l m ) 6 3 4 1 2 载波预留法( t r ) 6 5 4 1 3 载波插入法(