（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中峰均功率比问题的研究(1).pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 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 ) 由于其频 谱效率高、对信道时延扩展的鲁棒性强、简单的频域信道均衡以及采用快速傅里叶变换 进行高速数字基带实现等优点而成为各种高速无线通信的常用技术。但是o f d m 传输方式 的主要缺点之一就是峰均功率比( 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 ) 较高，这就要 求系统中的功放高度线性且需要很大的动态范围，以避免传输信号的非线性失真和频谱 扩散，这会增加系统的成本和实现难度。 论文首先给出了峰均功率比的定义和分布，总结了目前国内外降低p a p r 的三大类技 术及其研究现状。然后，对概率类技术中的部分传输序列( 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 ) 方法和虚载波( v i r t u a lc a r r i e r ，v c ) 方法进行了研究和改进。 ( 1 ) 采用了基于调制星座集的p t s 子序列分组方法。其中基于固定子星座集分组方法 的p a p r 性能优于传统的相邻分组和交织分组，而与随机分组相当。基于交换子星座集的 分组方法是一种5 步迭代的次优p t s 方法，大大降低了计算的复杂度，该方法与传统的分 组方法结合可获得更好的p a p r 性能。 ( 2 ) 对k n o w 次优p t s 方法进行了改进。通过引入h i l l 提出的汉明距离的搜索原则，扩 大了相位向量的搜索数量，在保持较低复杂度的同时，提高了系统的p a p r 性能。 ( 3 ) 改进了传统的p t s 边信息处理的方法。传统的方法是在峰值优化后加入边信息， 这会造成峰值再生，改进的方法通过使边信息参与峰值优化和延迟传输两种方式来解决 这一问题。 ( 4 ) 进一步探讨了利用虚载波降低峰均比的方法。本文设计了一种低复杂度的方法 流程和虚载波数据迭代方法，仿真表明，该方法可有效降低系统中的峰均比。 关键词：正交频分复用；峰均功率比；部分传输序列 o f d m 系统中峰均功率比问题的研究 s t u d i e so np 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 no f d ms y s t e m s 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 ) b e c o m e so n ec o m m o n t e c h n o l o g yi nt h eh i g l l s p e e dc o m m u n i c a t i o no w i n gt o t h e i rh i 曲s p e c t r u me f f i c i e n c y ， r o b u s t n e s st om u t l i p a t hf a d i n g ，g r e a ts i m p l i f i c a t i o no fc h a n n e le q u a l i z a t i o na n df a s td i g i t a l i m p l e m e n t a t i o n w i t hf a s tf o u r i e rt r a n s f o r n l ( f f t ) h o w e v e r ，t h eh i l ；l ln 蛆r ( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) i st h em a i nd r a w b a c ko ft h e0 f d ms y s t e m 0 f d m t r a n s m i t t e r st h e r e f o r er e q u i r el i n e a ra m p l i f i e r sw i t hw i d ed y n a m i cr a n g e l i n e a ra m p l i f i e r sa r e e x p e n s i v ea n di n e f f i c i e n t a n ya m p l i f i e rn o n 1 i n e a r i t yw i l lc a u s ei n t e r m o d u l a t i o np r o d u c t s r e s u l t i n gi nu n w a n t e do u t o f - b a n dp o w e ra n di n c r e a s e di n t e r f e r e n c e t h ed e f i n i t i o na n dd i s t r i b u t i o no fp a p ra r ei n t r o d u c e d b e s i d e s ，t h r e et e c h n i q u e so n r e d u c i n gt h ep a p ra r es u m m a r i z e d i nt h el a s tp a r t 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 ) m e t h o d a n dv i r t u a lc a r r i e rm e t h o di np r o b a b i l i t yt e c h n o l o g ya r er e s e a r c h e da n di m p r o v e d ( 1 ) t h es p s ( s u b b l o c kp a r t i t i o ns c h e m e ) b a s e do nm o d u l a t ec o n s t e l l a t i o ni np r s m e t h o di sa d o p t e d t h ep a p rp e r f o r m a n c eb a s e do ni m m o b i l i t ys u b m o d u l a t e dc o n s t e l l a t i o n s p si sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a li n t e r l e a v ea n da d j a c e n ts p s a n di ti sn e a r l yt h es a m et ot h e p s e u d o r a n d o ms p s a n o t h e rs c h e m eb a s e do np e r m u t a t i o ns u b m o d u l a t e dc o n s t e l l a t i o nc a n r e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e mb yf i v ei t e r a t i v e si nit sm e t h o d ，w h i c hc a ng e tb e t t e r p a p rp e r f o r m a n c ew h e nc o m p o n d e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls p s ( 2 ) k n o w ss u b - o p t i m a ls c h e m ei si m p r o v e db yi n t r o d u c i n gt h eh a m m i n gd i s t a n c e t h e o r e t i ct oi n c r e a s et h en u m b e ro fw e i g h t i n gf a c t o re x p l o r e d s oi tc a l l g e tf u r t h e r i m p r o v e m e n ti np e r f o r m a n c ew h i l ek e e p i n gl o wc o m p l e x i t y ( 3 1t r a d i t i o n a lm e t h o dt oi n s e r tt h es i d ei n f o r m a t i o ni n t op t s 一0 f d ms i g n a l sa r e i m p r o v e d t h es i d ei m f o r m a t i o n( s i ) i sa d d e di n t ot l l e0 f d ms y m b o la f t e rt h ep a p r o p t i m i z a t i o ni nt h r a d i t i o n a lm e t h o d i tc a nc a u s ep e a kr e g r o w t h t h ei m p r o v e dm e t h o ds o l v e t h ep r o b l e mb ys ip a r t i c i p a t et h ep e a ko p t i m i z a t i o na n dd e l a yt r a n s m i t i o n t h em e t h o dt or e d u c en 廿rb yv i r t u a lc a l f i e ri sf u r t h e rd i s c u s s e d al o wc o m p l e x i t y f l o wa n di t e r a t i v em e t h o do fv i r t u a lc a r r i e rd a t aa r ed e s i g n e di nt h ep a p e r e m u l l a t i o ns h o w s t h a ti tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ep a p ro f t h es y s t e m k e yw o r d s ：o f d m ；p a p r ：p t s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并囱国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：堑进 导师签名：妇i 、l 譬 ( t l ”， 导疖签名：2 厂。、 妒 五盟年l 月上- 目 大连理 大学硕十学位论文 1 绪论 随着通信技术的不断发展和成熟，人类社会正在进入一个新的信息化时代，宽带 已成为当今通信领域的发展趋势之一。正交频分复用( 0 r t h o g o n a lf 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 ，o f d m ) 技术作为一种可以有效对抗符号间干扰( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 的高速数据传输技术，已经受到前所未有的重视，对其关键技术的 研究也正在紧张的进行。 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波调制传输方案，它可以被看作一种调 制技术，也可以被当作一种复用技术。其基本思想【l j 是将高速传输的数据流通过串并转 换，变成在若干个正交的窄带子信道上并行传输的低速数据流。o f d m 技术将传送的 数据信息分散到每个子载波上，使得符号周期长于多径时延，从而有效地对抗多径衰落， o f d m 技术利用信号的时频正交性，允许子信道频谱有部分重叠，使得频谱利用率提高 近一倍。 1 1o f d m 技术的应用与发展 正交频分复用技术的概念最早出现于2 0 世纪5 0 年代中期。由于当时使用模拟滤波 器实现起来的系统复杂度较高，所以一直没有真正的发展起来。6 0 年代，人们对多载波 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 ) 技术进行了许多理论上的研究，形成了并行数 据传输和频分复用的思想，这使得o f d m 技术首先在美国军用高频通信系统得到应用， 如k i n e p l e x ，a n d e f t 以及k n t h r y n 等。1 9 7 1 年，w e i n s t e m 和e b e r t 2 】提出了使 用离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，d f t ) 实现多载波的基带调制和解调， 这样便不再对每个子载波都使用模拟前端，从而大大降低了多载波系统的复杂度。1 9 8 5 年，c i m i n i 首次把o f d m 的概念引入蜂窝移动通信系统1 3 1 ，为无线o f d m 系统的发展 奠定了基础。上世纪9 0 年代，数字信号处理技术和大规模集成电路的飞速发展为o f d m 技术的发展扫清了障碍，从此o f d m 登上了现代通信的大舞台。 经过多年的发展，o f d m 技术作为一种有效对抗i s i 的高速传输技术，已经被成功地 应用于数字音频广播( 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 g i t mv i d e o b r o a d c a s t i n g ，d v b ) 【5 j 、高清晰度电视( h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) 1 6 】、无线 局域网系统( 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 ) 以及非对称数字用户环路 ( a s y m m e t r i c d i g i t a is u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 7 1 等领域。 数字音频广播( d a b ) 是在a m 和f m 等模拟广播基础上发展起来的一种新型数据 业务，也是第一个采用o f d m 技术的数据广播标准。欧洲数字音频广播的开发得到了尤 o f d m 系统中峰均功率比问题的研究 里卡( e u r e k a - 欧洲尖端技术开发计划) 的支持。该系统的特点是：在移动接收条件 下仍然可得到高质量的节目信号，解决了城市多径传播和快速移动时产生的频率选择性 衰落和时间选择性衰落问题。目前欧洲d a b 频率分配任务已经完成。作为d a b 起源地的 德国，已明确规定将在2 0 1 5 年由d a b 代替现有的f m 与a m 广播，到时f m 、a m 将停止使 用。 基于o f d m 的数字视频广播( d v b ) 是于1 9 9 3 年建立起来的一种面向市场的数字 服务体系结构，旨在推广基于m p e g - - 2 编码国际标准的电视服务。它通过卫星、电缆或 地面信道，将数字化的电视节目和其它服务信息传送到用户端。目前全世界已有2 5 个国 家超过2 0 0 个组织加入至f j d v b 项目中。 在全数字高清晰度电视( h d t v ) 传输系统中，采用的调制技术就有o f d m ，它采 用c o m m ( c o d e do f d m 一编码o f d m ) 技术，具有很高的频谱效率，能够进一步提 高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。欧洲己将o f d m 技术作为发展地面数字电视 的基础，我国也研制出了整套h d t v 设备，2 0 0 8 年的北京奥运会将实现h d t v 转播。 1 9 9 8 年7 月，经过多次修改之后，i e e e 8 0 2 1 1 标准组决定选择o f d m 作为无线局域 网( 工作于5 g h z 频段) 的物理层接入方案，其目标是提供6 m b i t s - 5 4 m b i f f s 的数据速率， 这是o f d m 第一次被用于数据分组业务通信系统中。此后，欧洲电信标准协会( e r r s i ) 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 ) 、h i p e r l a n 2 8 1 以及i e e e 8 0 2 1 6 a i9 j 标准都将o f d m 技术作为物理层标准，使得o f d m 技术在无线通信领域得到更 广泛的应用。 o f d m 由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通 信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综合无线接入领域将越来越 得到广泛的应用。随着d s p 芯片技术的发展，f f t i f f t , 6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 的高速调制技 术、格状编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等 成熟技术的逐步引入，人们开始集中精力开发o f d m 技术在移动通信领域的应用，预计 下一代移动通信系统( b e y o n d4 0 ) 的主流技术将是o f d m 。目前，o f d m 技术在其他方 而还有很多应用研究，如特高频，甚高频( v h f 巾h f ) 无线高速数据通信网、电力线载 波通信等，o f d m 技术的应用前景必将更为广阔。 1 2 课题研究的背景和意义 峰均功率比是指信号的峰值功率与平均功率之比，简称为峰均比。由于带通信号的 峰值功率近似等于信号包络的峰值功率，而前者的平均功率是后者的一半，所以两者峰 均比相差3 d b ，因此在研究中只需考虑信号包络的峰均比即可。在英文文献中常用 大连理工大学硕士学位论文 “p e a k t o a v e r a g e ( m e a n ) e n v e l o p ep o w e rr a t i o ”来表示峰均功率比，并简记为 “p a e p r ”、“p m e p r ”、“p a p r ”、“p m p r ”或“p a r ”等，本文采用“p a p r ”。由于 o f d m 信号时域上表现为n 个正交子载波信号的叠加，当各载波的相位相同时会产生很大 的峰值。一般说来，o f d m 的峰均比最大可能达到相同条件下单载波峰均比的n 倍1 5 l 。 高的峰均功率比会对系统产生严重的影响，对于数字部分，如i f f t f f t ，d s p 、a d 及d a 转换器，它要求大的字长以满足量化噪声及精度的要求。由于o f d m 信号的大部分 幅度只是峰值幅度的一小部分，从而使得这些部件的使用效率很低。当信号通过非线性 设备如功率放大器时，会增加带内失真( i n b a n dd i s t o r t i o n ) 从而增加误码率，同时 产生的带外噪声( o u t - b a n dn o i s e ) 也会引起相邻信道干扰，降低频谱效率f 舢。更为严 重的是，为了减少失真，o f d m 系统所用的功率放大器需要高度线性和很大的回退( b a c k o f f ) ，这会大大降低放大器的功率效率，尤其是它限制了o f d m 技术在便携和移动设备 上的应用。 在无线通信领域，近年来由于笔记本电脑与便携式信息终端( p d a ) 越来越多地接 入网络，无线局域网的地位显示出了前所未有的重要性。为了满足数据、音频和视频等 大量资料的处理而推出的8 0 2 1 l a 1 0 l 和8 0 2 1 l g | 1 1 i 标准也采用了o f d m 傲为其物理层技术， 由于无线局域网通信模块的耗电量足以与微处理器或液晶面板相匹敌，这种急剧增长的 市场需求反而成了便携终端发展的一个瓶颈。目前，符合i e e e 8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 标准的 产品中，通信模块的耗电量达到2 w ，整个终端的耗电量几乎达到原来的2 5 倍。由于最 大数据传送速度高达5 4 m b p s ，因此传送动态图像可望达到与电视节目相当的质量，但如 果因为耗电量大而缩短了手持设备的电池工作时间，其吸引力就会大大减弱。 i e e e 8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l g 标准的无线接入设备耗电量之所以这样大，是因为信号的峰均比 达到了1 2 d b - 1 4 d b ，而通常的放大器为了在产生峰值时能保持输入信号与输出信号之问 的线性关系，就必须使其工作在最大输出范围内，但这一范围会随峰均比的增大而扩大， 这就导致了使用o f d m 调制方式时的效率低下，i e e e 8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 标准下工作的放 大器的功率效率一般只有l0 9 6 2 0 9 6 。另据报到，预计全球无线局域网接入点和无线网卡 的销售量到2 0 0 7 年将分别达5 0 0 万台与4 0 0 0 万块，每年的涨幅达5 0 。由此可见，解决峰 均比问题对o f d m 技术在实际中的大量应用，尤其是在移动与无线通信中的应用，是至关 重要的，并有广阔的应用前景。 当前，峰均功率比问题是正交多载波技术研究的热点之一，己提出大量的解决方案。 本文将系统的分析o f d m 中的峰均比问题，并主要针对部分传输序列( p t s ) 虚载波( v c ) 方法进行研究和改进。 o f d m 系统中峰均功率比问题的研究 1 3 论文内容安排 论文主要围绕0 f d m 系统中的峰均功率比问题进行了研究。第2 章，说明了0 f d m 系统 中的峰均功率比( p a p r ) 问题。首先给出峰均功率比( p a p r ) 的定义，然后分析了p a p r 的 统计特性以及实施过采样对p a p r 的影响，最后总结目前国内外降低p a p r 所采用的三大类 技术及研究现状。 第3 章讨论了利用部分传输序列( p t s ) 降低o f d m 系统p a p r 的方法。概括了p t s 方法的基本原理并分析了各种影响p t s 方法性能的因素，在此基础上介绍了两种次优的 p t s 迭代方法。在对p t s 分组方法的研究中，论文从调制星座集的角度得到了一种新颖 的分组方法，在硬件实现上具有一定的成本优势。同时，论文还对k w o n 的次优方法进 行了改进。最后，改进了传统的边信息处理方法，解决了峰值再生的问题，通过仿真验 证了方法的有效性。 第4 章讨论了利用虚载波降低系统p a p r 的方法。介绍了虚载波降低p a p r 的基本思 想，在总结分析已有算法的基础上，设计了一种低复杂度的方法流程和虚载波数据迭代 算法，仿真验证了该方法的有效性和可行性。 最后。对论文工作进行总结和展望。 大连理工大学硕十学位论文 20 f d m 系统中峰均功率比 2 1 问题的由来 o f d m 技术能够在不使用复杂的均衡技术情况下支持高速无线数据传输，并具有很强 的抗多径衰落和抗符号间干扰( i s i ) 的能力。但是0 f d m 系统主要的缺点之一是具有较 高的峰均功率比( p a p r ) ，这会直接影响整个系统的成本和效率。p a p r 过高是多载波调 制( m c m ) 技术普遍存在的问题【1 l o 图2 1o f d m 时域信号的幅度 f i g 2 1a m p l i t u d eo fo f d mt i m ed o m a i ns i g n a l 如图2 1 所示，o f d m 信号在时域表现为多个正交的子载波信号的叠加，如果某一时 刻相位一致，就会产生很大的峰值，这就要求功率放大器具有很大的线性区域，否则当 峰值信号进入放大器的非线性区域时，就会使信号产生畸变，从而导致子载波间的互调 干扰和带外辐射，破坏了子载波问的正交性，降低系统性能。为了避免这种情况，功率 放大器必须工作在大功率补偿状态。然而，这又将导致非常低的功率效率并使发射机的 o f d m 系统中峰均功率比问题的研究 成本变得非常昂贵，因此无法将其应用到移动通信终端，进而限制了o f d m 的应用和发 展。 2 2 峰均功率比的定义及概率统计分布 通常情况下，一个信号z 0 ) 的峰值应该是其包络的最大值。由于信号幅度最大值出 现的概率非常小，用m a x ( i x ( t ) 1 ) 来定义信号幅度峰值没有多大实际意义。一种更有效 的峰值定义方法是采用概率的方法。如果一个信号x ( f ) 的幅度小于x 。的概率为p c ， 则称工。为截断峰值，表示为： e , 0 x l t l 6 4 ) ，x ( t ) 实部和虚部的 样点近似服从均值为0 、方差为0 5 的高斯分布。o f d m 信号的幅度服从瑞利分布，功率服 从均值为o ，自由度为2 的z 2 分布。从定理可知，z 2 ( 2 ) 的概率密度函数为： f p o m ) = e - y ( 2 1 0 ) 其中y 为信号的功率。 由此可以计算出其累积分布函数( 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 ，c d f ) 为： z p p o w e ， 2 ) = 1 - p p a p r s z ) ；1 一( 1 一e 一。) l n ( 2 1 4 ) 2 3 过采样对p a p r 概率分布的影响 在实际o f d m 系统中，最后送入放大器的是经过数模( d a ) 转换后的连续信号，显 然，考察连续时域o f d m 信号的p a p r 分布更有实际意义，但是在计算机仿真时，只能处理 离散的数值，这样需要将连续信号进行采样。不同的采样率得出的p a p r 分布通常是不一 样的。当采样率太低时，往往会漏掉某些峰值信号，这样得出的p a p r 值会比实际系统的 要低。为了更近似地描述o f d m 系统中的p a p r 的概率分布，过采样是必需的1 1 4 1 。 p a p i ：1 0 图2 2 不同过采样率时p a p r 性能 f i g 2 2p a p pp e r f o r m a n c ev e r s u so v e r s a m p l i n g o正乱正正l正一looo o f d m 系统中峰均功率比问题的研究 图2 2 给出了不同过采样率时p a p r 性能曲线。仿真采用1 0 ，0 0 0 个随机生成的o f d 酐 符号，子载波数为1 2 8 ，调制方式为6 4 q a m 。可以看出，无过采样时的p a p r 值要小于过 采样时的p a p r 值，当采样倍数为4 和8 时，两种情况下的p a p r 分布非常接近。考虑到 采样倍数越大，相应的计算量也会越大，而当采样率足够大时，如2 2 图中l = 4 和8 时 p a p r 性能曲线问的差异不明显，与真实的p a p r 分布也应该是接近的，因此兼顾计算复 杂度和精确度，论文中的过采样率取为l = 4 。 过采样是通过对数据补零实现的，但零值必须加在数据的中间而不是加在其尾端， 1 这样可保证零值被映射到去丘( 厶为采样频率) 附近，而非零值被映射到零频附近的 z 子载波上。 l 倍过采样时的i f f t 数据格式为： o i f f t z x 一1 f f t ( x o ，x l ，x ，2 1 ，9 ，o ，o ，o ，x ，2 ，j ，2 + 1 ，一j x - 1 ) ) , v ( l 。- o ( 2 1 5 ) 一k d ，而，工“- l 】 2 4 降低峰均功率比方法的研究现状 目前解决高峰比问题主要有两条途径，一是提高功率放大器的性能，二是降低信号 的峰均比。为了使高峰均比信号无失真地发射出去，功率放大器需要具有高度的线性和 很大的回退( b a c k o f f ) ，但是这样的放大器功率效率很低，这对利用电池供电的便携 和移动设备是一个致命的影响。直流偏执( d ob i a s ) 方案【1 5 】可以提高放大器的功率效 率，而线性化f 1 6 】和预失真技术 1 7 】能通过改进放大器的线性从而减少放大器造成的非线性 失真，以及改进接收端的解码性能，但是，这些技术并不能从根本上解决多载波信号的 高峰均比给放大器带来的难题。而降低信号的峰均比可以说是从本质上来解决多载波系 统的高峰均比问题，目前，研究者已经提出了许多方案，可以大致归为限幅、编码和概 率三类【1 8 】。 2 4 1 限幅类方法 限幅类方法的中心思想是在信号送到放大器之前，首先对有较大峰值功率的信号进 行非线性处理，使其不会超出放大器的动态变化范围，从而避免较大p a p r 的出现。该 类技术主要包括：限幅( 1 i m i t i n g ) 【1 9 捌、峰值加窗( p e a kw i n d o w i n g ) 【2 1 捌、校正函 1 0 大连理工大学硕士学位论文 数法( c o r r e c t i n gf u n c t i o n ) 2 3 , 2 4 1 、压缩扩展法( c o m p a n d i n g ) 1 2 5 2 6 1 、预畸变和畸变 补偿法【明。 ( 1 ) 限幅( 1 i m i t i n g )也称为削波( c l i p p i n g ) ，是降低峰均比最简单最直接的 方法。根据峰均比的统计特性，高峰均比产生的概率极小，将过高的瞬时幅度削去对系 统的影响应该不大。仿真表明，当以0 1 的比例削波时，误码率只下降0 卜0 2 d b ，当 以1 的比例削波时，误码率才下降0 5 - 0 6 d b l 6 1 。另外，针对削波失真提出的在接收端 恢复失真前的信号以及消除失真噪声的技术，还可以在一定程度上恢复系统的误码率性 能。 ( 2 ) 峰值加窗( p e a kw i n d o w i n g ) 对峰均比高的信号乘以一个密函数，如c o s i n e 、 k a i s e r 、h a t t i n g 和g a u s s i a n 窗【捌。加窗法要求窗函数的频谱尽量窄但时域又不能太 长，因为乘积后信号的频谱是原始信号频谱和成形窗频谱的卷积，但是频谱窄的信号其 时域波形就较长，这又是不希望的，因为这样会影响到更多的信号采样点，从而增加误 码率。此外，乘积后各载波将不再正交，这也会增加误码率及带外辐射。加窗法需要根 据连续信号的各极值点来构造窗函数，但在实际中找准这些极值点是比较困难的。 ( 3 ) 校正函数( c o r r e c t i n gf u n c t i o n ) 法对信号乘或加上一个校正函数来降低信 号的峰值功率。其中，加性校正法与峰值加窗法类似，只不过变乘为加，对蜂均比高的 码元加上一个校正函数以降低峰均比。文献 2 4 提出的脉冲成形法对每一个载波采用不 同的脉冲成形波，以降低信号的峰均比。该方法要模拟实现是相当困难的，因为它需要 一组滤波器，如果在数字部分实现又会增大计算复杂度，而且两种实现方式的具体效果 至今未见报告。 ( 4 ) 压缩扩展( c o m p a n d i n g ) 法其主要思想是提升信号中的低幅度值而保持其峰值 幅度，通过提升信号的平均功率来达到降低p a p r 的目的。然而由此增加了系统的平均 发射功率，使符号的功率值更加接近功率放大器的非线性变换区域，容易造成信号失真。 ( 5 ) 预畸变和畸变补偿法预畸变是在发送端对未进入放大器的信号进行与放大器 畸变特性相反的预畸变，以减少信号在通过放大器后的畸变。畸变补偿技术是在0 f d m 系统的接收端加一个补偿器用于补偿和修正被畸变的信号。这两种技术在实际应用中都 会大大增加系统的复杂性。 。 作为一种非线性处理，限幅类方法或多或少会引起信号的失真，可能会增加带内失 真( i n b a n dd i s t o r t i o n ) 从而增加误码率，并产生带外噪声( o u t b a n dn o i s e ) ，降 低频谱效率。对于这类方法，降低峰均比的能力并不是关键问题，关键在于消除其产生 的这些副作用。 o f d m 系统中峰均功率比问题的研究 2 4 2 编码类方法 编码方法主要是利用不同编码所产生不同的码组而选择p a p r 较小的码组作为o f d m 符号进行数据信息的传输。主要方法有互补格雷序歹l j ( 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 ) 【2 8 7 9 】和雷德密勒( r e e d m u l l e r ，r m ) l o j 3 0 , 3 ”、m 序列( ms e q u e n c e s ) 1 3 2 】和分组编 码( b l o c kc o d i n g ) o ”1 等。 ( 1 ) 格雷互补序列( g c s )把g c s 作为i f f t 的输入，那么它的输出信号就会有比 较低的p a p r 值。应用g c s 序列的最大优点就是不论子载波数多少，其p a p r 至多为3d b 。 但是，由于随着子载波数的逐渐增多，寻找最佳生成矩阵具有相当高的难度，因此格雷 互补序列码并不适用于载波数较大的o f d m 系统。 ( 2 ) 雷德密勒码( r m )一种高效的编码方案，具有一定的纠错性能。文献 3 1 分 析了g c s 与r m 码之间存在的关系，提出利用r m 码与g c s 构造新的分组编码，此分组码同时 具有g c s 和肌码的性能，不仅可将p a p r 降至3 d b 以内，同时还具有良好的纠错检错能力。 ( 3 ) m 序列( m s e q u e n c e s ) 该序列具有良好的自相关性，因此将其作为i f f t 的输入， 得到的信号就会具有很低的p a p r 。文献 3 2 提出用m 序列对输入信息进行编码的方案， 该方法可以o f d m 信号的p a p r 值限制在5 - 7 d b 。 ( 4 ) 分组编码( b l o c kc o d i n g )基本思想是：在对比特流进行i f f t 运算之前，先 进行特殊的编码处理( 如应用奇偶校验位) ，使得输出的比特流经过o f d m 调制后具有 较低的p a p r 。精心设计的分组编码方法不仅可以有效地降低p a p r ，同时还可以起到类 似于信道编码的作用，使系统具有前向检错和纠错的能力。 应用编码方法降低p a p r 的优点是系统相对简单、稳定，且降低p a p r 的效果好。但 它的缺点也非常明显：一是受编码调制方式的限制。比如分组编码就只能适用于p s k 的 调制方式，而不适用于基于q 枷调制方式的o f 嘲系统；二是受限于子载波数。随着子 载波数的增加，计算复杂度增大，系统的吞吐量严重下降，带宽的利用率显著降低等： 三是数据的编码速率有所减小。因为大部分的编码方法都要引入一定的冗余信息。例如， 对于载波数n = 6 4 的i e e e 8 0 2 1 l a 系统而言，如果应用格雷互补序列，得到的编码率仅 为l o g ( 2 。v + ”= 7 6 4 ，如此低的码率是任何一个系统都不能忍受的。 2 4 3 概率类方法 概率类方法的基本思想是通过对原o f d m 符号作线性分割和线性变换，以减少信号 峰值出现的概率，而并非降低信号的峰值。一般的模式是在发送端对每一个o f d m 符号， 根据某些规则产生多个候选的时域波形，并计算每一波形的峰均比，最终传输峰均比最 小的那一个。这类方案在结构上容易实现，应用灵活，因此是目前看来最具应用潜力也 大连理工大学硕士学伊论文 是研究最为热门的方案【1 j o 主要方法有选择映射( s e l e c t i v em a p p i n g ，s l m ) 1 3 4 1 、部分 传输序列( p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ，f r s ) 1 3 5 - 3 7 1 、载波预留( t o n er e s e r v a t i o n ，t r ) 1 3 8 1 、载波插入( t o n ei n j e c t i o n ，t i ) 1 3 8 1 、动态星座扩展( 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 ) 1 3 9 1 、信号空问扩展( e s p a r ) 1 4 0 1 和虚载波( v i r t u a lc a r r i e r ，v c ) 方法【4 1 ，4 2 1 等。 ( 1 ) 选择性映射( s l m )通过引入小的冗余来提高p a p r 的统计特性。在s l m 法中， 发射机产生一系列不同候选信号的集合，这些信号表示相同信息，从中选择p a p r 最小的 集合来发射。但是无论选择哪个集合都须发送边信息，这样收方根据边信息才能进行相 应的反变换还原原始数据。因此它同时牺牲了部分发送带宽，增加了系统的计算复杂度 以及系统硬件。但是这种方法的优点是可以用于任意子载波数和调制方式，而且是非畸 变地降低0 f d m 符号的p a p r 。 ( 2 ) 部分传输序列( f r r s ) 信号在发送端的f 盯变换前被分割成v 个独立的孑序列， 每个子序列单独进行i f f t 变换，变换后的各子序列分别与一个相位旋转因子进行相位加 权，通过不断改变相位因子，系统最后选择具有最低p a p r 的o f d m 信号传送。通常，为使 接收端恢复原始信息，要把相位的变化以边信息的形式发送到接收端。由于边信息增加 了系统的冗余，为了避免这种情况，文献 3 7 3 提出使用最大似然概率( m l ) 来解调原始 信息的方法，但复杂度较高。p t s 方法中，当子序列数量v = i 时，该方法就成为上面提到 的s l i d 方法。由于p t s 方法对数据的操作更加细致，因此与s l i d 方法相比，具有更好的p a p r 性能，但计算的复杂度也相应提高，其复杂度随子序列分组数量v 成指数级增长。 ( 3 ) 载波预留( t r ) 和载波插入( t i )由学者j o s et e l l a d 提出的。载波预留方 法是将0 f d m 系统中的某些不承载数据的子载波提炼出来，取而代之的是能够降低整个 系统p a p r 的信号。载波插入法是将降低p a p r 的信号也作为信息符号参与i f f t 的运算， 只是用多点来代替一个降低p a p r 的信号点，在接收端迸行一个模运算将多点映射到原 始的信号点上。载波插入算法计算量大，需多个i f f t 的运算，而且同时需要发送大量 的边信息。 ( 4 ) 虚载波( v c ) 方法主要思想是对o f d m 系统中的虚载波进行恰当的赋值以 达到降低峰均比的目的。该方法的优点是不会降低系统的信噪比性能，也不会引入带外 干扰，且方法灵活，实用性强。其缺点是增加了发射功率。 ( 5 ) 动态星座扩展( a c e )一个非双射的星座图技术，它通过适当地改动调制信 号的星座图使得0 f d m 信号不出现大的峰值，以降低其p a p r ，同时星座点的变动不影响信 号传输，甚至因信号星座点间的距离增大还可稍微改善系统的误码率，这也是星座图扩 展的重要规则。 o f d m 系统中峰均功率比问题的研究 ( 6 ) 信号空间扩展( e s p a r ) 基本思想是在o f d m 调制方案中，通过减少使用的载 波数使信号空间得以扩展，然后，选择较低p a p f f 的组合与发送信号建立映射关系，从而 降低整个o f d m 系统的p a p r 。 概率类技术的主要问题是计算量大，只能降低高峰均比发生的概率而不能完全消 除它，因此还需要与其它方案配合使用。此外，为了使接收端知道选择的是待选序列中 的哪一个，一般需要额外的开销来确保准确无误地传递这些边信息。 比较各种峰均比降低技术，发现概率类中的部分传输序列方法由于不破坏信号的频 谱结构，降低系统p a p r 的能力较强而成为一个比较有吸引力的方案。但该方法离实际应 用尚有一定距离，目前还存在着提高p a p r 性能与降低系统复杂度和硬件实现成本等方面 的矛盾，为了促进相关问题的解决，本论文主要对该方法进行研究和改进。另外，虚载 波的方法利用系统本身具有的冗余，方法简单灵活，实用性很强，因此，也是本文研究 的重点。 3 5 小结 本章主要对0 f d m 系统内的峰均功率问题比进行了讨论，其中包括o f d m 系统高峰均 比产生的原因及对系统的不良影响，峰均功率比的定义及其概率分布。进一步介绍了三 大类降低峰均比方法的基本思想和研究