（信号与信息处理专业论文）基于子载波保留法降低ofdm系统峰均比的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第t 页 _ii_ 摘要 正交频分复用技术( o f d m ) 具有较高的频谱利用率和较强的抗多径衰落能力，它被 认为是第四代移动通信的核心技术之一，但o f d m 技术存在传输过程中峰均比值 ( p a p r ) 较高的问题，高峰均比对功率放大器、a d 变换器等前端设备的线性范围提出更 高的要求，影响着整个通信系统的运行成本和效率。 本文对o f d m 系统降低峰均l l ( r a p r ) 的若干技术作了具体的研究，分析了目前降 低p a p r 的几种主要算法，包括限幅滤波算法、“率压扩算法、选择映射算法、部分序 列传输算法、子载波保留算法等等。本文选择了其中的限幅滤波算法、“率压扩算法和 子载波保留算法作为研究的重点，并提出了相应的改进算法。 首先，通过查阅相关资料文献，对现有降低峰均比的方法中的信号预畸变类技术 和概率类技术进行分析和总结，并通过m a t l a b 软件对研究内容进行了仿真。 然后，在对限幅法和子载波保留法研究的基础上，研究了一种改进的基于 f f t i f f t 的o f d m 子载波保留方案，通过预设门限与限幅的方法寻找合适的削减信号， 并避免了一些无谓的f f t i f f t 运算，从而在保证原有方案降低峰均比性能不变的前提 下，更好的降低了计算复杂度。改进的基于f f t i f f t 的o f d m 子载波保留方法该方 法在迭代5 次时，可使系统峰均比降低约6 d b ，当迭代次数i t r = 1 0 次时，修改后t r 方 案所需的复数乘法和复数加法次数比修改前大约减少了8 8 7 3 。并通过仿真分析验证 了以上结果。 最后，通过对不同参数取值下的次优子载波保留法和不同值下的肛率压扩法的 深入对比分析，研究了将搜索次数少的次优子载波保留法与对系统误码性能影响小的“ 率压扩法两种方法相结合的联合算法，并通过仿真分析可知，联合算法在继承两种方 法优点的前提下，可以使峰均比降低约6 3 d b ，较好的降低了o f d m 系统峰均比。 关键词：正交频分复用；峰均功率比；子载波保留；快速傅罩叶变换；p 率压扩 西南交通大学硕士研究生学位论文第t i 页 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 ) t e c h n i q u e si st h ek e yt e c h n o l o g i e s o ft h e4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n o f d mh a sh i g hd a t ar a t et r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t yw i t hh i g h b a n d w i d t he f f i c i e n c yi nc o p i n gw i t hm u l t i p a t hf a d i n ga n dh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o m a n ya r e a s h o w e v e r ，o n em a j o rd r a w b a c ko fo f d mi st h eh i l g hp e a k t o a v e r a g ep o w e r r a t i o ( p a p r ) o ft h eo u t p u ts i g n a l h i g hp a p ra tt h et r a n s m i t t e rc a nc a u s et h eh i g hp o w e r a m p l i f i e r ( h p a ) t og oi n t on o n - l i n e a rr e g i o n sa n dc a u s en o n l i n e a ro u t p u t ，a n dd e g r a d et h e p e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e ms e r i o u s l y i nt h i st h e s i s ，s e v e r a lc e l e b r a t e dt e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e da n da n a l y s e dt or e d u c ep a p r , s u c ha sc l i p p i n g ，肛一l a wc o m p a n d i n g ，s e l e c t i v em a p p i n g ( s l m ) ，p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ( p t s ) a n dt o n er e s e r v a t i o n ( t r ) t h em e t h o do fc l i p p i n g ，“一l a wc o m p a n d i n ga n dt o n e r e s e r v a t i o na r ei n t r o d u c e dm a i n l yi n t h i sp a p e r , a n dt w oi m p r o v e dm e t h o da r ep r o p o s e di n t h i sp a p e r , t o o f i r s t ，t h es i g n a lp r e - d i s t o r t i o nt e c h n o l o g ya n dp r o b a b i l i t yt e c h n o l o g yo fp a p rr e d u c t i o n a r ea n a l y s e da n ds u m m a r i e db ya c c e s s i n gt or e l e v a n ti n f o r m a t i o n t h e n a ni m p r o v e ds c h e m eo ft o n er e s e r v a t i o nb a s e do nf f t i f f ti no f d ms y s t e mi s p r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，w ec a nr e c e i v eb e t t e rp a p rb yu s i n gt h ec a n c e l l a t i o n s i g n a lw h i c hi sr e q u i r e db yp r e s e tt h r e s h o l da n dc l i p p i n g t h i si m p r o v e ds c h e m ec a ng e tt h e b e t t e rp e r f o r m a n c eo fc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yr e d u c t i o n ，a n ds i m u l t a n e o u s l ym a k et h e p a p rp e r f o r m a n c er e m a i nu n c h a n g e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep a p r r e d u c t i o ni sa b o u t6 d bw h e nt h en u m b e ro fi t e r a t i o ni s5 t h en u m b e ro fc o m p l e x m u l t i p l i c a t i o na n da d d i t i o nc a ng e t8 8 7 3 r e d u c t i o nw h e nt h en u m b e ro f i t e r a t i o ni s1 0 a tl a s t ，b ya n a l y s i n gt h ep l a we o m p a n d i n ga l g o r i t h ma n dt ra l g o r i t h m ，ac o m b i n e d a l g o r i t h mb a s e o nt h et ra l g o r i t h ma n d 肛一l a wc o m p a n d i n ga l g o r i t h mi s p r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep a p rc a nb er e d u c e da b o u t6 3 d bb yt h i sn e wm e h o d k e y w o r d ：o f d m ；p a p r ；t r ；f f t i f f t ；“- l a wc o m p a n d i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密、，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 夏瑗睹 1 日期：z 拐勿石g 指导老师签名： 日期：咖f ，汐，易吕 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、提出一种改进的基于f f t i f f t 的o f d m 子载波保留方案，通过预设门限与限 幅的方法寻找合适的削减信号，并避免了一些无谓的f f m f f t 运算，从而在保证原有 方案降低峰均比性能不变的前提下，更好的降低了计算复杂度。 2 、通过对不同参数取值下的次优子载波保留法和不同斗值下的p 率压扩法的深入 对比分析，提出了将搜索次数少的次优子载波保留法与对系统误码性能影响小的“率 压扩法两种方法相结合的联合算法。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 荔猫 1 日期： 2 0 o 矿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 从2 0 世纪8 0 年代中期第一代模拟移动通信系统商用开始至今，二十余年间经历 了第二代数字移动通信系统( 2 g ) 从萌芽到完善的整个发展过程，直至今日，人们实 现了对第三代移动通信系统( 3 g ) 的商用开发、部署与民用。同时，对第四代移动通 信系统( 4 g ) 和长期演进( l t e ) 的研究也成为业界关注的焦点，总而言之，移动通 信技术的发展与应用可谓目新月异。 随着通信技术的不断发展，通信正向着宽带化、综合化、移动化、个人化和智能 化的方向发展，如何提供高速和可靠的信息传输是一个非常重要的问题。同时，随着 无线通信业务的增长，可利用的频带资源日益紧张，无线频谱资源匮乏和移动环境的 多径效应成为宽带无线高速通信系统发展的主要障碍。于是，易实现、频谱利用率高、 抗多径衰落能力强的正交频分复用( o f d m ，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 ) 【l l 技术应运而生，它将是下一代移动通信系统( b e y o n d3 g 和4 g ) 的主流技术之一。 1 1 课题研究现状与意义 随着人们对高速移动通信性能的不断需求与高速移动通信技术的快速发展，人类 社会正在加快步入全新的信息化时代的步伐，高速率宽带移动通信日渐成为全球移动 通信发展的趋势。显然，人们己经不再满足于传统通信所能提供的服务，这就要求未 来的移动通信必须给人们提供更加优质的服务：从高质量的语音业务到高清晰的图像 业务，从蜂窝电话到宽带无线接入系统、无线局域网、智能交通系统，这些都要求高 速的传输速率，因此，移动通信的首要问题演变为如何保证在恶劣的无线信道中传送 高速率的数据流。 正交频分复用( o f d m ，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 ) 技术正是为 了解决这一问题而提出的。它的基本思想是将高速传输的数据流通过串并转换，变成 在若干个正交的子信道上并行传输的低速数据涮2 引。o f d m 技术将传输的数字信息分 散到每个子载波上，使得符号周期远大于信道的最大延迟扩展，这样就把一个宽带频 率选择性信道划分成了若干个窄带平坦衰落信道，从而有效地对抗多径衰落和脉冲干 扰，特别适合于高速无线数据传播。另外，o f d m 技术利用信号的频谱正交性，容许 子信道频谱互相重叠，正是采用了这种独特的处理方式，才使o f d m 技术具有更高的 频谱利用率。 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，当时主要是美国国防部用于军事上 的高频无线通信系统【2 卯。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 ) 。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 ) 等人应用离散傅 里叶变换( d f t ) 和快速傅里叶变换方法( f f t ) 研制了一个完整的多载波传输系纠l 】【2 】。 将离散傅里叶变换和快速傅里叶变换引入作为调制和解调过程的一部分，有效简化了 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 并行传输系统，使o f d m 趋于实用化。8 0 年代，o f d m 研究的重点放在了如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m 。进入9 0 年代以来，对o f d m 技术的研究深入到无线调频 信道上的宽带数据传输。1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 对o f d m 技术做出了另一个重要贡献， 即把循环前缀( c p ) 引入o f d m 以解决正交性问题。 在高速( 宽带) 无线应用环境下，o f d m 技术的优势很突出，而且可以用有效的 新技术去修正和弥补o f d m 的固有缺点，它已被广泛地应用到民用通信系统中。 1 9 9 9 年，i e e e 将o f d m 作为无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 l a 的物理层的调制标准。 二十世纪9 0 年代，o f d m 广泛用干各种数字传输和通信中，如移动无线f m 信 道，高比特率数字用户线系统( h d s l ) ，不对称数字用户线系统( a d s l ) ，甚高比特 率数字用户线系统( h d s i ) ，数字音频广播( d a b ) 系统，数字视频广播( d v b ) 和 h d t v 地面传播系统。 1 9 9 9 年，i e e e 8 0 2 1 l a 通过了一个s g h z 的无线局域网标准，其中o f d m 调制技 术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达5 4 m b p s 。这样，可提供2 5 m b p s 的无线 a t m 接口和l o m b p s 的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样 的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。 2 0 0 1 年，i e e e 8 0 2 1 6 通过了无限城域网标准，该标准根据使用频段的不同，具体 分为视距和非视距两种，其中2 1 1 g h z 频段，由于该频段波长较长，系统存在较强的 多径效应，所以采用了抗多径效应、频率选择性衰落、窄带干扰有明显优势的o f d m 技术，多址方式为o f d m a 。2 0 0 6 年2 月，8 0 2 1 6 e ( 移动宽带无线城域网接入空中接 口标准) 形成最终出版物，采用的调制方式仍然是o f d m 。 2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 通过被称为l o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) 且p “3 g 长期演进”的立 项工作。3 g p p 经过激烈的讨论和艰苦的融合，在2 0 0 5 年1 2 月选定了l t e 的基本传输 技术，即下行o f d m ，上行s c f d m a 。o f d m 由于技术的成熟性，被选用为下行标 准很快就达成了共识。而上行技术的选择上，由于o f d m 的高峰均l 匕( p a p r ) 使得一些 设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，一些则认为可 以通过滤波，削峰等方法限制峰均比。不过，经过讨论后，最后上行还是采用了 s c f d m a 方式。我国拥有自主知识产权的3 g 标准t d s c d m a 在l t e 演进计划中也 提出了t d c d m o f d m 的方案。o f d m 技术势必将在b 3 g 4 g 中扮演重要的角色。 o f d m 系统具有传输速率高，抗符号间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li m e r f e r e n c e ) 和载 波间干扰( i c i ，i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) 能力强，以及频谱利用率高等优点【1 1 ，但是 o f d m 系统最主要的缺点之一是信号呈现很大的峰值平均功率比( 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 ) ，这是由于o f d m 信号在时域上表现为多个相互正交子载 波信号的叠加，当这些信号恰好以峰值点叠加时o f d m 信号就会产生最大的峰值，峰 值平均功率比也相应比较大，随着子载波个数的增加，p a p r 的最大值也会线性增加， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由于一般的功率放大器的动态范围是有限的，所以当o f d m 系统内这种变化范围较大 的信号通过非线性部件( 例如进入放大器的非线性区域) 时，信号会产生非线性失真 导致系统性能下降，这就对发射机前端器件的线性范围提出了很高的要求。尽管出现 最大p a p r 的概率很低，但是在传输这些高峰值平均功率比的o f d m 信号时，为了避 免信号失真和频谱扩散，发送端的高功率放大器( h p a ，h i g hp o w e ra m p l i f i e r ) 、接收 端的前端放大器以及数模( d a ) 转换器需要有很大的动态范围且效率极低，因而增 加了实现的成本，限制了o f d m 技术的应用。而反过来，这些部件的非线性也会对动 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间的相互干扰，从而 影响o f d m 系统的性能。同时，对于手持移动终端设备而言，高峰均比会对终端设各 的射频功放和电池的寿命产生影响。 从o f d m 技术被引起关注至今，人们已经做了不少针对降低峰均比技术的研究， 但这些方法普遍存在降低峰均比的效果不理想，系统误码性能不佳或计算复杂度较高 等问题，所以，抑制峰均比技术的进一步研究仍具有一定的现实意义。 p a p r 是峰值功率( p e a kp o w e r ) 与平均功率( a v e r a g ep o w e r ) 之比。相对单载波 系统，较高的p a p r 使得o f d m 发射机输出信号的瞬时幅值有较大变化( 波动) ，这样对 系统的一些部件，如功率放大器( h i g hp o w e ra m p l i f i e r ，h p a ) 、数模转换器等要求具 有较大的线性动态范围。同时，这些硬件的非线性特性反过来又对这些幅度波动范围 较大的信号产生非线性的交调失真( i n t e r - m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n ，i m d ) ，同时其产生的 谐波也会造成子载波信道间的相互干扰，从而大幅度降低o f d m 系统的性能【2 9 i 3 8 1 。 峰均比问题是o f d m 系统所固有的问题之一，也一直是学术界研究o f d m 技术的 热点问题之一。目前国内外提出的降低o f d m 峰均功率比的方法有多种，它们分别从 不同的角度直接或间接地改善了p a p r 值，总体上来说可分为三类，一类是从峰均功率 比的定义出发的信号预畸变方法，如限幅方法【3 1 【13 1 、压缩扩展变换方法 4 1 ：另一类是从 概率出发的非信号预畸变方法，如基于选择性映射的方法、基于部分传输序列最优组 合的方法、基于星座图变换的方法、基于预留子载波的方法等【5 】【6 】【7 】【1 9 1 ；还有一类解决 方案是利用编码方法产生峰平比较小的o f d m 符号【8 】【9 】【l o 】，其思想是找出p a p r 较小的 序列进行数据传输，这类方法对p a p r 的改善很明显尤其是其中基于互补序列 ( c o m p l e m e n t a r ys e q u e n c e s ) 1 1 1 【1 2 1 的编码方案可以使得o f d m 符号的最大p a p r 不 超过3 d b 而且还具有前向纠错能力。 l 、信号预畸变类方法 信号预畸变技术是最简单的降低o f d m 信号p a p r 值的方法。其基本思想是在信 号送到放大器之前，首先经过非线性处理，对有较大峰值功率的信号进行预畸变，使 其不会超过放大器的动态变化范围，从而避免较大的p a p r 的出现【l3 1 。常用的信号预 畸变技术有两种： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 9 9 7 年，c i m i n i 等人提出了限幅方法，它是最简单直接的信号预畸变技术。限幅 法是指对o f d m 信号的幅度进行限制，使得峰值信号低于所期望的最大电平值。尽管 这种方法比较简单，但是它也会为o f d m 系统带来相关的问题。限幅技术的主要不足 主要来自两方面：一是引入了限幅噪声，导致了系统误码率性能下降；- - 是造成了信号 带外弥散降低了频谱效率。因此，许多改进的限幅技术都致力于从这两个方面进行改善。 于是，2 0 0 2 年，a r m s t r o n gj 提出了重复限幅频域滤波法，在离散的频域点上进 行滤波，所以不会造成带内信号的畸变，因此不会造成i s i ( 符号间干扰) 【l4 1 。随后， t e l l a m b u r a 提出一种重复滤波限幅法的改进算法，以改善重复滤波限幅法存在的计算复 杂度。 1 9 9 9 年，新加坡国立大学w a n gx i a n b i n 博士提出了降低o f d m 信号p a p r 的压 缩扩张技术，它是借用语音处理中基于“律非均匀量化的一种非线性变换函数”，称 此变换为传统的压缩扩张变换。压扩法实现简单，降低峰均比效果明显，对小信号进 行放大，可以提高小信号的抗干扰能力，但是由于压扩是一个非线性过程，所以会对 系统误码性能产生影响。所以，许多人对传统压扩方法进行了改进研究，主要以黄晓、 郑君里等人的研究较多，他们在2 0 0 1 至2 0 0 3 年之间，发表了一些关于这一方法的论 文，对“律压扩方法进行了更进一步的研究。2 0 0 5 年r i c e 大学的y u a nb i n g u o 等人提 出了一种自适应压扩法降低o f d m 系统的峰均比，将自适应技术与压扩法结合来降低 p a p r 。 2 、概率类方法 概率类方法着眼于降低高p a p r 出现的概率，选择p a p r 最小的信号发送，这种 方法不受子载波数及星座种类的限制，其中典型的两种方法有s l m 方法、p t s 方法和 t r 方法： 19 9 6 年b a u m l 等人提出了选择映射方案( s e l e c t e dm a p p i n g ，s l m ) 其原理是：用 若干个统计独立的向量来表示同一个输入信息，选择其对应时域序列中具有最小p a p r 的一路进行传输。随后的研究主要针对s i ，m 方法边带信息带来的冗余，2 0 0 4 年，a b d u l l a 等人提出了编码方法与s l m 方法的结合【5 】【1 6 】。 1 9 9 7 年m u l l e r 等人提出部分传输序列( p a a i mt r a n s m i ts e q u e n c e ，p t s ) 技术， 其方法是将输入的数据符号分为若干分组，在对这些分组进行加权后再合并它们以减 小p a p r 7 1 。 之后人们对p t s 提出了许多改进方法，m u l l e r 等人提出了随机分割子序列的方法， 该方法可以在获得最佳p a p r 性能的条件下降低p t s 计算的复杂度。j a y a l a t h 等提出了一 种自适应的p t s 方法( a d a p t i v ep t s ，a p t s ) ，设计当p a p r 低于预先设定的门限值时就 停止迭代搜索相位集合，从而降低了计算复杂度。b r e i l i n g 等人提出了一种没有显边带 信息的p t s 技术，提高了频带利用率。2 0 0 3 年，o h j uk w o n 和y e o n g h oh a 提出了 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 s o p t s 算法( s u b o p t i m a lp t s ) ，该方法增多了相位权重序列的个数，从而增多了可选 信号的机会，降低了p a p r 出现的概率1 1 7 o 2 0 0 7 年，t a oj i a n g ，w e i d o n gx i a n g 等人提出ts a p t s 算法( s i m u l a t e da n n e a l i n g p t s ) 降低p a p r 1 8 】。2 0 0 9 年，l a n x u nw a n g 等人提出了d l p t s 算法( d u a ll a y e r e d p t s ) ，即双层p t s 法，一层为微层，另一层为宏层，双层优化使得p a p r 出现的概率降的 更低，合理的参数选择为o f d m 系统的实际应用带来方便1 1 9 】。 这两种方法可以无失真的降低峰均比，可以适用于任意数量载波的系统，而且载 波调制的种类不受限制，所以这类方法收到普遍关注。但是它们需要传送附加信息位， 频带利用率低而且的计算复杂度高和硬件实现难，所以目前的研究主要集中在边信息 的恢复，算法的复杂度和子序列的分割方法等方面。 2 0 0 0 年，斯坦福大学的t e l l a d o 教授提出了子载波保留法( t o n er e s e r v a t i o n ，t r ) ， 它是降低多载波信号p a p r 的一种有效方法，该方法可以在不引入附加失真和边带信息 的前提下有效地降低峰均比【2 0 1 ，但是在寻找最优削减信号时需要较大的计算复杂度。 所以，之后的研究主要致力与降低t r 方法的计算复杂度【2 1 】【2 2 1 ，2 0 0 7 年，。g a n g y a n g 等 人提出了基于f f t i f f t 的子载波保留方法，利用限幅寻找合适的削减信号。2 0 0 7 年， c a r o l ea d e v l i n 等人提出了基于子载波保留的高斯脉冲法降低峰均比。2 0 0 8 年s j a n a a t h t h a n a n 等人提出了一种基于梯度的子载波保留算法。 3 、编码类技术 1 9 9 4 年a e j o n e s 提出通过编码方法降低峰均比。编码类技术主要是利用不同编 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， 从而避免了信号峰值，但是可供使用的编码图样非常少，同时，当子载波数量n 较大 时，编码效率会非常低，另外，编码方法对星座种类有限制，因而它具有一定的局限 性f 2 3 1 【2 4 】。编码类技术为线性过程，所以不会使信号产生畸变，但其计算复杂度非常高， 编解码都比较复杂，而且信息速率降低很快，因此，只适用于子载波数比较少的情况。 其主要方法有：分组编码法( b l o c kc o d i n g ) ，格雷补码序列( g o l a yc o m p l e m e n t a r y s e q u e n c e s ，g c s ) 和雷德密勒( r e e d m u l l e r ) 码等。 1 2 本文内容安排 由以上对目前降低峰均比技术研究现状与不足的分析可知，这些方法普遍存在降 低峰均比的效果不理想，系统误码性能不佳或计算复杂度较高等问题。所以本文在现 有研究基础上，从限幅滤波方法、肛律压扩方法和子载波保留法入手，做了更进一步的 分析，并提出了相应的改进方案。 本文组织结构安排如下： 第一章介绍了本文的课题背景、研究意义、研究现状； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼曼曼曼曼皇曼舅曼曼舅曼曼曼曼皇曼量曼! i i i i i ii_i i 曼! ! 曼曼蔓曼! 曼! 曼曼鼍曼曼曼曼蔓曼曼! ! ! 曼曼! ! ! ! ! ! 曼 第二章介绍了o f d m 技术基本原理、o f d m 技术的优缺点以及o f d m 的涉及的 关键技术，并对o f d m 系统中峰均比问题进行了介绍，概述了降低峰均比的常用方法。 第三章通过对限幅方法和子载波保留法的分析研究，提出了一种改进的基于 f f t i f f t 的o f d m 子载波保留方法，并作了相关仿真验证与分析。 第四章通过对率压扩法的研究分析，将p 率压扩法与子载波保留法有机结合， 提出了一种子载波保留法与u 率压扩的联合算法，并做了相关仿真验证，分析其有效 性。 结论对全文进行总结，并提出下一步研究工作有待解决的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章o f d m 技术原理及其p a p r 问题， o f d m ( 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 ) 作为一种无 线环境下的高速传输技术，采用多载波调制的方法，在发送端将高速传输的数据流通 过串并转换，调制在多个正交的子载波上并行传输，在接收端通过相关解调技术恢复 出原始的数据信号【2 5 1 。 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，在o f d m 系统中，将信道分成若干个正交 子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传 输，在接收端通过采用相关技术使正交信号分离，这种处理方式可以减少o f d m 系统 中子信道之间的相互干扰( i c i )。另外，在o f d m 系统中，要求每个子信道上的信 号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看做是平坦性衰落的，从而可以消 除符号间干扰( i s i ) 。同时，由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，这 就使得信道均衡变的相对容易。另一方面，正交频分复用是对多载波调, 锘1 ( m u l t i 。c a r r i e r s m o d u l a t i o n ，m c m ) 的一种改进，它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后的 频率可以相互重叠，大大提高了频谱利用纠1 1 。 2 1o f d m 技术原理 2 1 1o f d m 的调制和解调 一个o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方式 可以选择相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。如果用n 表示子信道的个数， t 表示o f d m 符号的宽度，4 ( i = 0 ，1 ，一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，z 是 载波频率，则从t ：t 开始的 符号可以表示为【2 5 】：s o f d m r _ v 一1t二、 s(力=rez愆甜。一ts一言)exp(j2z(fci=o+ 手) o t ) ) ，f + 丁( 2 一1 ) l 厶 j厶一1 ， s ( ，) = 0 ，于 f 。+ t 在很多文献中，经常采用如下所示的等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： 幽7 ) 趣e 荟z 化甜( 卜t 一专) e x p ( j 2 7 r ( 卜) ) ，g 州( 2 - 2 ) s o ) = 0 ，f f 。+ t 其中，式( 2 2 ) 的实部和虚部分别对应o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可 以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 o f d m 符号。图2 1 给出了o f d m 系统调制和解调框图，图中假定t = 。s 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 且q 爹_ 哟 - i 塑坌r 呻 s pb+甘 咱 - 匦丑一 p s 札- 杰 - ，国 - 雨西b 图2 - lo f d m 系统调制解调框图 图2 i 中接收端的第k 路子载波信号的解调过程【1 】为：将接收信号与第k 路的解 调载波e x p 一j 2 r c ( k n 1 2 ) t l t 相乘，然后将得到的结果在o f d m 符号的持续时间t 内进行积分，即可获得相应的发送信号反，即： 反= 打唧h 2 万半”伽，委n 2 - 1 ：唧啪万伽衍 = 吾，n 委2 - 1 ：卜出2 万鼍竺”o d t 协3 ， = 以 实际上，式( 2 2 ) 中定义的o f d m 复等效基带信号可以采用离散逆傅立叶变换 ( i d f t ) 来实现。令式( 2 2 ) 中的= 0 ，r = k t n ( k = 0 ，1 ，n 一1 ) ，可以得到 5 ( 尼) ：s ( 七t n ) ：n - 1 4e x p ( 百2 7 r k i ) o k n 一1 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，s ( k ) 即为z 的i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号吐可 以对s ( 七) 进行d f t 变换，得到： 喀= ) e x p ( - 等) 心外l ( 2 _ 5 ) 根据上述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替 2 5 1 。通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号z 变换为时域数据符号s ( 尼) ，经过载波调 制之后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行 n 点d f t 运算，即可获得发送的数据符号谚。 综上所述，在o f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变 换( i f f t f f t ) 来实现调制和解调，从而显著降低运算复杂度。 2 1 2 保护间隔和循环前缀 在o f d m 系统中，为了更大限度地消除符号间干扰( i s i ) ，我们可以在每个o f d m 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 蔓曼曼曼鼍兰曼! 皇曼曼皇曼曼鼍寰曼! 曼i _ 一i ! ! ! 鼍 符号之间插入保护间隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度i 一般要大于无线信 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。因为它不包含任何 有用信息，可以在接收端去除 l 保护间隔( 共 n 点数据块 m s - o ) 加入保护间隔的n + m 点数据块 图2 - 2 保护间隔示意图 在这种情况下，由于多径传播的影响，不同载波间会产生干扰( i c i ) ，即子载波 之间的正交性遭到破坏，如图2 3 所示。 o f d m 符号时间长度 保护间隔 f f t 积分时间长度 图2 - 3 子载波间正交性遭到破坏的示意图 为了消除多径所造成的载波间干扰( i c i ) ，p e l e d 和r u i z 提出在保护间隔内填入循 环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 以解决正交性问题，循环前缀中的数据是一个o f d m 符号后 端数据的复制1 1 。如图2 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 皇蔓曼曼曼鼍曼! 曼曼曼曼皇! ! 曼! 曼曼舅曼皇曼曼曼曼曼! i i 一一 i i i 皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼舅曼曼曼曼蔓寰曼曼曼曼曼皇曼曼! 皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼蔓曼! 曼曼量 l g u i d e g u i d e ? 、fi f f t i f f to u t p u t p e r i o d i f f t l p e r i o d ， 7 t g t f f t t i m e t 。 s y m b o ln 图2 - 4 加入保护间隔的o f d m 符号不意图 一个o f d m 符号长度为c = 毛+ ，此处i 为符号总长度，毛为保护间隔，骗 为用于生成o f d m 信号的f f t 的长度。则在接收端抽样开始的时刻t 应该满足下式： 。 t 疋(26r)m 2 a x 。的要求，则可以完全克服i s i 的影响。 在实际系统中，发端加入循环前缀后，经过信道在接收端，首先将接收符号开始 的宽度为乃的部分丢弃，将剩余的宽度为瓦玎的部分进行傅立叶变换。然后进行解调， 加入保护间隔之后会带来功率和信息速率的损失，其中功率损失为： 删= 1 0 1 0 9 ( t g + 1 ) ( 2 7 ) 从式2 7 中可以看到，当保护间隔占到有用符号持续时间的1 4 时，功率损失也 不到l d b ，但是带来的信息速率损失达2 0 。尽管这样，插入保护间隔却可以消除符 号间干扰的影响，因此这个代价是值得的【1 4 1 。加入保护间隔之后，基于i f f t 的o f d m 系统框图如图2 5 所示： 三际鼎岳未- 蹄l 焉竺k 磊刊磊习可磊习- 蹄l 焉： 磊诗二 h _ 叫叫 并串转换r 刊d f t 或f f t 反o f d 图2 5 基于i f f t 的o f d m 系统框图 器d一再晰 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 2 1 3 傅立叶变换的过采样 在实际应用中，对一个o f d m 符号进行次采样，或者n 点i f f t 运算所得到的n 个输出样值往往不能真正地反映连续o f d m 符号的变化特性。其原因在于：由于没有 使用过采样，当这些样点值被送到d a 转换器时就有可能导致生成伪信号( a l i a s i n g ) ， 这是系统所不能允许的。这种伪信号表现为：当采样频率低于奈奎斯特频率时，在采 样值被还原后，信号中将不再含有原来信号中的高频成份，呈现出虚假的低频信号 2 6 】。 因此针对这种伪信号现象，通常都需要对o f d m 符号进行过采样，即在原有的采样点 之间再添加一些采样点，构成l 木n ( l 为整数) 个采样值。这种过采样的实施也可以 通过i f f t f f t 的方法来实现，实施i f f t 运算时，需要在原来的n 个输入值的中间添 加( 一1 ) 个零；而在实施f f t 运算时，需要在原始的n 个输入值的后面添加( l 一1 ) n 个零。 此外，以t 为采样间隔得到的时域采样信号的傅立叶变换是由时域连续信号的傅 立叶变换经周期拓展而成，其拓展周期为l t 。如果对时域信号实施p 倍过采样，即采 样间隔变为t l ，则其相应的傅立叶变换的拓展周期就会变为l t ，而时域连续信号的 频谱宽度又保持不变，因此从频域来看，也就是相当于在连续信号带宽之外补零，而 对应于i f f t 运算中就相当于在频域数据中间插入零。 下面以l = 4 为例来具体说明过采样的实施。输入的n 个数据符号 、 玩，玎= o ，1 ，一1 表示频域数据符号，经过n 点i f f t 变换之后输出时域数据符号 & ，k = o ，l ，一1 ，即： 一1 品= 面1 厶；- 4 n k ( 2 - 8 ) n = 0 其中嘭= e x p ( 一j 2 x k n i n ) 。对o f d m 符号进行4 倍的过采样，可以在i f f t 输 入的频域数据符号中间补充3 n 个零，即构成： b o ，6 l ，肛，! d ，o ，o ! “伽，6 一。) ，然 后再实施4 n 点的i f f t ，得到4 n 个时域离散采样点，即： 3 个o 4 n 一1 & 。愀，。= 六吃嚼 ( 2 9 ) - r n = 0 其中g , k = o ，l ，4 n l 。由此可以实现对频域信号的过采样，更加精确地反映 o f d m 连续符号的变换情况，过采样率越大，越能反映信号的变化细节。 2 20 f d m 技术的优缺点 o f d m 系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于o f d m 系统存在如下的 主要优点【2 7 】【2 8 】： l 、把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 从而可以有效地减小无线信道的时