（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中的峰平比降低与预失真技术.pdf

摘要 本文介绍了下一代无线通信的发展趋势，阐述了其主流传输技术正交频分复 用( o f d m ) f l 基本原理及关键技术，重点讨论了o f d m 系统中的峰平比问题。为 了减少发射机系统的非线性对传输信号的影响，提高其功率效率，从峰平比降低 和自适应预失真两方面进行研究。一方面，研究了限幅法和部分传输序列法两种 蝰平比降低技术，以及它f f 盼有效馑和适厢菹固：另一方面，研究了线性化技术 中基于查表法的自适应数字预失真，讨论了递归神经网络在自适应预失真中的应 用，最后对自适应预失真在数字地面视频广播系统中的性能进行了仿真和分析。 关键词：正交频分复用峰平比非线性失真部分传输序列自适应预失其 a b s t r a c t b a s e do i la no v e r v i e wo ft h e d e v e l o p m e n t o ft h en e x t g e n e r a t i o n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，ap r o m i s i n gw i r e l e s sd i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u ec a l l e do f d mi s s t u d i e di nt h i sl h e s i s ，i n c l u d i n gr e d u c i n gt h ep e a k - t o - a v e r a g er a t i o ，w h i c hi so n eo fi t s k e yt e c h n i q u e s t h i s p a p e r r e s e a r c h e so i l r e d u c i n g t h ep a p ro fo f d ms i g n a l sa n d a d a p t i v e p r e d i s t o r t i o nf o rt h er e d u c t i o no ft h ed i s t o r t i o no ft h et r a n s m i t t e ra n dt h ei m p r o v e m e n t o ft h ep o w e re f f i c i e n c y m e a n w h i l ec l i p p i n ga n dp a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e sa f es t u d i e d a n dt h e nan o v e la d a p t i v ed i g i t a lp r e d i s t o r t i o nm e t h o di sp r e s e n t e dw h i c hi sb a s e do i l l o o k u pt a b l e s a l s oa na p p l i c a t i o no f r e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r kt oa d a p t i v ep r e d i s t o r t i o n i s g i v e ni n t b s s p a p e r t h ep e r f o r m a n c eo fs h ea d a p t i v ep r e d i s t o r t e ri se v a l u a t e df o r d v b ts y s t e m k e ) w o r d ：o f d m p a p rn o n l i n e a rd i s t o r t i o np t s a d a p t i v e p r e d i s t o r t i o n 创毅性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加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过或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研 究所作的任何贡献均己在论文中作了明确说明并表示了谢意。 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：里戡 日期： 2 1 1 三。! ：! 夕 l v + 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 生在校攻读学位期问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。 学校有权保留送交的论文的复印件，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、缩印或其他的复制手段保存论文。( 保密的 论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期： 呈! ! ；：! ：! 夕 日期王! ! 呈：! ：! ? 第一章结论 第一章绪论 下一代无线通信希望在任伺时间、任何地点、向任何个人提供快速可靠的通 信业务，这就要求无线通信技术不断发展。从现有的2 g 和已出现的2 5 g 和3 g 系 统的发展和逐步成熟，可以看到这一目标实现的可能一| 生。2 g 提供了相对便宜且有 效的话音业务。而2 、5 g 和3 g 引入了数据和高速数据业务，其中包括一些视频业 务。虽然采用无线局域n ( w l a n ) 和无线城域网( w m a n ) 技术的大规模的网络建设 还处于初期，但该技术已开始流行。其实，这些方式及其扩展的目的都是为了实 现全p 网络，从而进一步实现网络融合。口是最好的集成按术，无线通信走向心 j 下在成为一种方向。下一代无线通信的关键是建立以p 为中一t l , 的多网结构，实现 多网的有机融合，提高无线通信的综合性、灵活性、有效性和自适应性，使网络 中的技术能够动态组合，动态优化其配置和结构来满足用户需求、提供可用资源， 并且可以动态地适应网络的流量和服务质量。这就是下一代无线通信发展的目标。 1 1 下代无线通信的发展趋势 要实现下一代无线通信的发展目标，需要考虑以下因素： 无缝集成。无缝集成可以实现在不同层面上满足多种需求，但同时也意味着 要消除网络间或不同业务提供者之间的接入与接口之间的障碍，所以需要发展将 多个网络功能集成的技术。在新的无线通信时代，一个最重要的趋势就是基于i p 的技术发展。随着宽带设备的继续扩展，i p 网络已被认为是更经济的数掘传送手 段。口是最佳的集成技术，应当建立以口为中心的多网结构，适应各种移动通信 环境，即真正适合于可用资源、网络流量和业务的无线胆网络。 灵活和自适应的接入。新的有效的物理层技术需要更强的自适应能力，提供 最佳性能的途径之是提高有效的调制编码方式和可达到的链接质量进行自适应 适配的能力。对于饪意一种可用资源，只有在任意平面上，跨多个层次的快速适 配才能满足无线环境中各信道条件下的高数据速率的要求。如o f d m ，当与信道 条件相适应时，才能获得更好的性能，或者选择合适的调制编码方案与其相适应 也是为了获得更好的性能。自适应在多层结构中有各自不同的表现。自适应在频 谱使用中表现为智能频谱分配，在物理层被应用于波形、调制编码和多址接入方 式的动态选择，在m a c 和链路层表现为动态分配专用和共享信道，它还可体现在 网络层和传输层以及应用业务层中， 业务和应用的遥配。下一代无线通信要适应用户和业务的需求，应用发现和 适配层完成适配的功能，但它有所超越。它不仅给用户提供有效通信资源，如无 o f d m 系统中的峰平比降低与预火真技术 线资源和信道资源的适配，还具有发现有价值的应用这一能力，即寻找对用户或 系统有价值的应用。所有这些功能可通过使用移动代理或j a v a 等多种技术实现。 它位于适配层下，因为它需要与通信业务进行协商，协商内容包括数据速率和服 务质量等。不同的应用业务提供商提供相同的应用，但利用的通信资源可能不同， 应用发现和适配层是可以选择的。 高性能的物理层。新的高性能物理层技术必须提供高速传输。要实现高速率， 就需要宽带信道，并且相干带宽在信道带宽中所占比例较小，这就需要对大量随 机多径信号进行复杂的处理。因而正交频分复用o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 类技术随着带宽和速率的增长日趋显示其魅力。o f d m 方案 可以很好地处理大数量的交叠路径上的信号，并提供完全自适应的频率信道控制。 o f d m 技术具有内在抗码间干扰的能力，并自动形成频率分集。另外，与o f d m 相关的其他技术( 包括高电平调制和编码调制1 的运用可使信道容量在功率谱的利 用率上更接近香农限。其实，是否有利于频谱利用率，是否有利于功率效率的提 高，是无线通信技术开发与应用的关键问题。运用先进的处理技术，如盲多用户 检测，也有助于获得高频谱利用率。另外，空时编码技术和智能天线技术可通过 使用空间分集来提高频谱利用率和系统性能。 o f d m 技术因其网络结构的高度可扩展性、具有良好的抗噪声性能和抗多径 干扰的能力，以及频谱利用率高等优点，将成为下一代无线通信系统中必不可少 的技术。o f d m 调制解调技术正是本文所要研究的技术方向。 无线通信的未来发展前途无量，实现无线通信和无线业务是其发展目标。这 就需要动态的、自适应的系统和技术的支持，包括自适应的且高教的调制、编码、 多址接入、媒质接入、网络组织等，它们将为下一代无线通信提供具有高数据速 率咀及有效服务质量保证的超连接和灵活- | 生。 1 2o f d m 技术的历史及应用 采用多载波传输的最初目的是要克服o s t n ( g e n e r a ls w i t c h e f lt e l e d h o n e n e t w o r k ) 传统的电话线路中因信道特性不理想对信息传输产生的影响。后来发现， 对其它非理想信道( 如频率选择性衰落的无线信道) ，多载波传输也具有较好的优越 性。又由于近年来数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展，使得多载波 技术应用于无线环境也成为可能，故近年来对0 f d m 技术的研究也成为热点。 o f d m 的历史可以追溯到6 0 年代。c h a n g 首先提出了在有限带宽信道上无码间干 扰和载波问干扰并行传输数据的方法。g a l t z b e r g 对该方法进行了分析，并指出在 该系统中干扰主要来源于相邻的子信道，这一预见在后来的数字基带信号处理中 得到了证明。w e i n s t e i n 和e b e n 对o f d m 作出了一个重要贡献，首次提出用离散 第一章绪论 博立叶变换( d f t ) 来实现o f d m 的基带调制和解调。为了消除载波问干扰( i c i ) 和 符号阊干扰( i s d ，该方案馒舄了保护对闻和升余弦窗函数。1 9 s 0 年，p e l e d 和r u i z 对o f d m 作了重要改进提出使用循环前缀( c y c l i cv r e t 3 , x ) 来解决正交性问题。后 来，w y z o ul jo f d m 的睁理和实现方案进行了概括惠结。 o f d m 技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的d a b 系 统使用的就是o f d m 调制技术。试验系统已在运行， 艮快吸引了大量听众。它明 显地改善了移动中接牧无线广播的效景。爝亍= d a a 约成套芯片静开发正在一颤欧 堋发展项目中进行，它将使o f d m 接收机的价格大大降低。 当前国际上全数字高清晰度电攫( h d t v ) 传辕系统采用的调制技术中就有 o f d m ，欧洲h d t v 传输系统已经采用c n h u f r o d e do f d m 技东，它具套很 高的频谱利用率及很强的坑干扰能力，能稿足电视系统的传输要求。 在无线局域网领域中1 9 9 9 年i e e e s 0 2 ，l l a 通过了一个5 g h z 的无线局域网 标准，其中o f d m 调制筏术被采用为它的物理层标准，e t s i 的宽带射频接入网 ( b e , a n ) 的届域同标准也把o f i j m 定为它的河制标准技术。 同时，人们也集中精力开发o f d m 技术在移动通信领域的应用，预计第三代 以后的移动通信的主流技术将是o f d m 技术。若以技术层面来看，第三代移动通 信系统主要以c d m a 为核心技术，第皿代移动通信系统贝9 以0 f d m 最受瞩且。特 别是有不少专家学者针对o f d m 技术在移动通信技术上的应用，提出相关的理论 基础。 随着i e ：e s 0 2 ，1 1 a 协议e t s i b r a n ( b r o a d b a n dr n d i o a c c e 姓n e t w o r k ) 和多 投体应用的引入，无线通信镇域已经为o f d m 技术的应用做好了准备。世界吾国 许多大公司、研究团体已经充分认识到o f d m 技术的应用前景。1 9 9 9 年，在 w i l a n 、p h i l i p 等公司的邀请下，来自世界六十多家公司的一百多名代表经过讨 论成立了一个世界性的纽织o f d m 论坛，专，n 彳论o f d x b f 左技术上、袁场篷 广上的各方面问题，从而避一步推动了o f d m 技术的商用化。 o f d m 技术之所以很曼重视，是因为与传统的单载波传输系统相比，编码的 o f d m 传输系统有如下一些主要优点： i c o f d m 可以有效地对什多径衰落，育利于移动接收。在具有相同多径时延的 信道传输中，c o p d m 均衡器的复杂度远远低于具有相同性能的单载波方案： 2 在变化相对缓慢的时变信道中，c o f d m 系统可以通过改变参数明显地提高传 输速率写同时用于固定瑷收稻移动接技； 3 ，c o f d m 可以有效地对抗窄带干扰，因为窄带于扰只能频率选择性地影响一小 部分载波上的数据； 4 c o f d m 方案使荜频窍( s f n ) 的实现成为可能；使j 遣面数字广播是有更为广涵自 发展前景。 o f d m 系统中的峰平比降低与预失真技术 但另一方面，c o f d m 也存在一些缺点： 1 由于d f t 的泄漏，c o f d m 对载波频率偏移和相位噪声更为敏感： 2 c o f d m 有比较大的峰平比，这会降低射频放大器的功率效率，而且对放大器 的线性特- | 生要求比较高。 本文主要讨论o f d m 系统的高峰平比问题。可以知道【3 0 】，单载波系统f 8 一v s b ) 的峰平比6 3 d b 而多载波系统( c o f d m ) 的峰平比1 2 d b ，多载波系统的蜂平比 要大大高于单载波系统，使得多载波对非线性更加敏感，因而我们很有必要解决 这一问题。 1 3 本文的主要工作 本文主要研究降低峰平比方法和线性化技术中的自适应预失真技术来解决 0 f d m 系统中的高峰平比问题。论文共分为五章，结构安排如下： 第二章介绍了o f d m 调制技术的基本原理及o f d m 系统中的关键技术，阐述 了降低蜂平比技术和自适应预失真技术的工作原理。 第三章给出了峰平比的定义及其概率分布，介绍了降低峰平比的一些方法， 重点讨论了限幅法和部分传输序列法。对于限幅法，首先进行了理论分析，最后 给出了限幅比对降低信号峰平比和系统性能的影响。对于部分传输序列法，首先 介绍了其传统的实现方法，提出了改进的自适应峰值优化算法，最后给出了两种 权系数的估计方法，并对它们的适用范围进行了讨论，通过仿真表明了这两种方 法的有效性。 第四章首先给出了行波管放大器( t w t a ) 平i j 固态功率放大器( s s p a ) 的仿真模 型，然后以典型的c o f d m 系统d v b - t 为例，分析了放大器非线性对传输信号的 影响，指出采用线性化技术进行补偿的必要性。 第五章重点研究了线性化技术中的自适应预失真。首先叙述了预失真的基本 原理，然后给出了三种基于查表法在基带实现的白适应数字预失真器的解决方案， 提出了一种简单的计算查询表地址的方法，介绍了两种自适应算法，并对数字预 失真在c o f d m 系统中的有效性进行了分析和比较。最后把自适应均衡中广泛使 用的神经网络引入到自适应预失真器中，利用递归神经网络( a n n ) 来实现预失真， 并证明其有效性。 最后对本文进行了总结，指出了未来的研究方向。 第二章o f d m 系统概述 第二章o f d m 系统概述 o f d m 并不是如今发展起来的新技术，它的应用已有近4 0 年的历史，主要用 于军用的无线高频通信系统。但是，o f d m 系统的结构非常复杂，从而限制了其 进一步推广。直到7 0 年代，人们提出了采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调 制，简化了系统结构，使得o f d m 技术更趋于实用化。八十年代，人们研究如何 将o f d m 技术应用于高速m o d e m 。进入九十年代以来，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。目前o f d m 技术已经被广泛应用于广播式的 音频和视频领域及民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路 ( a d s l ) 、e t s i 标准的数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、高清晰度电视 ( h d t v ) 、无线局域( w l a n ) 等。编码的正交频分复用( c o d e d o r t h o g o n a l f 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 ) 是结合了信道编码的正交频分复用编码能够克服频率选择 性衰落。 2 1 o f d m 的基本原理 o f d m 是一种特殊的多载波传送方案，单个用户的信息流被串并变换为多个 低速率码流( 1 0 0h z 5 0k h z ) ，每个码流都用一个载波发送。o f d m 弃用传统的用 带通滤波器来分隔子载波频谱的方式，改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能 够保持正交的波形。因此我们说，o f d m 既可以当作调制技术，也可以当作复用 技术。像这样采用并行方式传送数据和频分复用的思想早在2 0 世纪6 0 年代的中 期就被提出来了。 在传统的并行通信系统中，整个系统频带被划分为n 个互不混叠的子信道， 每个子信道被一个独立的信源符号调制，即n 个子信道被频分复用。这种做法， 虽然可以避免不同信道互相干扰却以牺牲频带利用率为代价，这在频带资源如此 紧张的今天尤其不能忍受。后来，人们又提出了频带混叠的子信道方案，信息速 率为a ，并且每个信道之间距离也为ah z ，这样可以避免使用高速均衡和抗突发噪 声差错，同时可以充分利用信道带宽。为了减少各个子信道间的干扰，我们希望 各个子载波间正交。这种“正交”表示的是载波的频率问精确的数学关系。如前 所述，传统的频分复用的载波频率之间有一定的傈护间隔，通过滤波器接收所需 信息。在这样的接收机下，保护频带分隔不同载波频率，这样就使频谱的利用率 大大降低。 o f d m 不存在这个缺点，它允许各载波间频谱互相混叠，采用了基于载波频 率f 交的f f t 调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以 o f d m 系统中的峰平比降低与预失真技术 能够实现各个载波之间互相正交。尽管还是频分复用，但己与过去的频分复用 ( f d m a ) 有了很大的不同：不再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处 理，这也是o f d m 有别于其他系统的优点之一。o f d m 的接收机实际上是一组解 调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波由于与 所积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响。 无线信道的频域脉冲响应曲线大多是非平坦的，而o f d m 技术的主要思想就 是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进 行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选 择性，但是对于每个子信道来况是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传 输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由 于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的， 这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 o f d m 系统的原理框图p2 】如图2 1 所示。 冈蛆 寸。，oi i 寓 并1jr7 1 变 换 ； ，l ! 塑当一 ( a ) lo f d m 发射原理框图 1 一! p 1 田业 并 高 ：l ： 变 换 田掣 iq a ml ， i 一 c o ) o f d m 接收原理框图 图2 ，1o f d m 系统的原理框蚓 o f d m 的高数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目就能提高数据的 第二章o f d m 系统概述 传输速率。o f d m 每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性，大多 数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户，o f d m 适用于多用户的高 灵活度、高利用率的通信系统。 2 2 o f d m 的系统实现 首先从数学推导来看一下o f d m 的d f t 实现。 多载波信号s ( t ) n - 写为如下的复数形式 一i s ( ) = d 。( f ) - e 旭。( 2 1 ) 自= o 其中。= 国。+ 一鲫为第一个子载波频率，d 。( f ) 为第月个子载波上的复数信号，若 设定在一个符号周期内d 。( f ) 为定值( 即非滚降q a m ) ，有 d 。( ) = d 。 ( 2 2 ) 设信号采样频率为1 t ，则有 一l s ( k t ) = d 。e m “埘( 2 - 3 1 n = 0 一个符号周期r 内含有n 个采样值，即有 r = n t ( 2 4 1 不失一般性，令( 9 0 = o ，则 s ( k t ) = d 。叩m “灯( 2 5 ) 将其与i d f t 形式( 系数忽略) 舭d = 薹g ( ” ( 2 - 6 ) 通过比较可以看出，若把d 。看作是频域采样信号，刚j ( t n 就为其对应的时域 信号，如果下式 ，= 击= ( 2 - 7 ) 成立刚( 2 5 ) 与( 2 6 ) 两式等价。 由此可知，若选择载波频率间隔为1 t ，则o f d m 信号不但保持了正交性，而 且可以用d f t 来定义。d f t 技术大大降低了系统实现的复杂性同时也提高了系 统实现的精确性。 o f d m 系统中的峰平比降低与预失真技术 因而，我们使用d f t 的快速变换来实现c o f d m 系统，其结构如图2 2 所示 ：详码 二均。1 1 - i ： ：二：串 判挑二衡二m0 彝 图22c o f d m 系统框图 上! _ 螽l 一 ! l 一 噪声一一- 信道 l ，、 l f f a d 嘉 输入的二元串行数据序列先进行串并转换和编码映射，调制方法可以采用 q p s k 、q a m 等，每x k 比特为一组映射成一个复数。然后对n 个复数( 一帧) 用 i f f t 进行基带调制，再经过并串变换、d a 转换及低通滤波后调制到射频进行发 射。 经过信道后，接收端的处理过程与发射端相反。信道出来的信号先经过射频 解调、低通滤波、a d 转换及串并变换后，再进行f f t 变换得到一帧数据。在频 域对所得数据进行均衡，以校正信道失真。然后进行译码判决和并串转换，。恢复 出原始的二元数据序列。 由于c o f d m 采用的基带调制为离散傅里叶变换，所以我们可以认为数据的 编码映射是在频域进行的，经过i f f t 转化为时域信号发送出去，接收端通过f f t 恢复出频域信号。 2 3o f d m 系统的关键技术 o f d m 系统中的关键技术【3 】包括：同步、信道估计、信道均衡、信道编码和 交织、降低峰平比等。 同步是o f d m 系统中最关键的技术。在无线数字通信系统中，接收机对发射 机到接收机的传播时延一般是未知的，而o f d m 信号是基于符号进行处理的。所 以为了能正确地进行解调，首先必须从接收机的信号中检测出符号的正确起始位 置，保证无码间干扰。其次由于收发两端的载波中心频率和相位不可能完全匹配， 导致下变频后的o f d m 信号在时域上引入了一个频率偏移项，反映在频域信号上 使得各个子载波的相位发生翻转，失去正交性，不仅降低了子载波上的信号功率， 而且会导致载波间干扰( i c i ) 。而且理论分析表明，o f d m 系统与单载波系统相比 赢，生【u 彰 卜一 一 一，一 ， ，哳-一 拈一码射 缸 编映 矾- 卜 ，并 ， 八输行串 并串 出 输 串 第二章o f d m 系统概述 对载波的频率偏移更加敏感，因此必须实时估计并校正这个偏移量，恢复子载波 之间的正交性。同时，为了恢复所发送的信号，在接收端必须对时域连续信号进 行采样，采样时刻出接收端的时钟决定，丽收发两端的晶振在频率和相位上有 定差异，再加上两个振荡器的频率随时问漂移，这样会带柬采样位置和采样速率 的偏差，使信号的相位发生旋转，并引入载波间干扰。 o f d m 系统利用保护间隔和i 】频域内插导频实现同步。由上面可知，o f d m 接收系统的同步部分主要包括以下几方面：符号定时同步、频率同步和采样钟同 步三部分。符号同步就是确定o f d m 符号的起始位置，即每个f f t 窗的位置。符 号同步的方法主要有两种：基于保护间隔的符号同步和基于导频的符号同步。基 于保护问隔的符号同步保证符号起始位置被估计在保护间隔内，考虑到多径的影 响，在跟踪态准确的起始位置应进一步由基于导频的符号同步估计给出。起始位 置只要不会引起符号间干扰，所产生的频域相位旋转可以在频域校正。如果符号 同步保证起始位置在循环扩展的保护间隔内，载波间的正交性仍然保持，在这种 情况下，符号同步的偏差可以看作是由信道引入的相位旋转，而这一旋转角度可 由信道均衡器求出；如果符号同步的偏差超过了保护间隔，就会引入载波间干扰。 子载波的频率越高，旋转角度就越大，因此在频带的边缘，相位的旋转最大。 频率同步是估计并校正数据流中存在的频率偏移。和符号同步祥，载波同 步也分为基于导频和基于保护间隔两种方法。基于保护间隔的频偏估计给出小数 部分频偏，基于导频的频偏估计给出整数部分频偏和剩余小数部分频偏。 采样钟同步即估计并跟踪发端采样晶振的频率。使收发晶振匹配。实现收发 两端的采样钟同步有两种方法，同步的采样系统和非同步采样系统。前者利用定时 算法控制压控振荡器来实现同步，后者采样速率是固定的，它需要在发送端对信 号进行处理。在实际中，一般采用同步采样系统。利用频域导频估计出采样钟偏 差，调整压控振荡器的电压。 o f d m 的有效实现及其特性的体现建立在一个接近完好的同步基础之上。对 于同步部分一般包括两个阶段：捕获阶段和跟踪阶段。这就需要整个同步部分构 成一个反馈环路，使同步由捕获阶段快速进入跟踪阶段，让整个电路处于周步稳 定状态。 通过无线信道传输后，接收到的信号会发生畸变。在接收端，经过频率同步 校正的o f d m 符号数据进入均衡器，以消除信道传输对于数据信号的影响。o f d m 解调系统均衡器主要包括以下几个部分：信道估计、信道均衡、解映射软判决、 量化等。 在地面无线传输信道中，传输信号所面临的最大畸变来自于多径衰落。在单 载波谭芾j 系统中，一般采用自适应均衡器来对抗信道的动态变化：在多载波o f d m 调制系统中，通常在o f d m 符号中插入导频信号来进行信道估计，利用接收到的 o f d m 系统中的峰平比降低与预失真技术 导频信号动态地跟踪信道的变化特征，进而再利用这些实时的信道信息进行信道 均衡，以消除信道对传输数据所叠加的影响。 如何克服不同信道下的频率选择性的衰落，尤其是零点衰落，从而对数据在 幅度和相位上进行补偿，就是信道估计所要研究的关键性问题，同时也是决定 o f d m 接收机性能的关键。 在o f d m 系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。 由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须 不断的传送。根据导频信号的不同类型，o f d m 信道估计技术可以分为两大类： 基于频域导频训练序列的信道估计和基于时域导频训练序列的信道估计。二是既 有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。 在实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的， 因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。 均衡器首先对o f i ) m 符号中插入的导频信号进行提取，由于发射机中插入的 导频信号是已知的，因此我们就很容易获得导频载波点的信道响应。在o f d m 的 帧结构中，相同符号的相邻载波之间或者不同符号的相同载波之间有着较强的相 关性，利用这一相关性，我们就可阻通过信道估计滤波由导频载波点的信道响应 来获得所有载波点的信道响应。而在频域，由于不同的信道特性，频率和时间方 向上不同的相关性是我们选择信道估计算法的重要依据。在获得信道响应之后就 可以对接收数据进行均衡处理，即相当于信道叠加于数据的的逆过程，以消除信 道对传输数据的影响。 为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落 信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用 交织。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善系统的性能。 在o f d m 系统中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再利用信道的分集特 性来改善系统性能的，因为o f d m 系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般 的信道特性信息已经被o f d m 这种调制方式本身所利用了。但是，o f d m 系统的 结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成c o f d m 方式。编码可以采用各 种码，如分组码、卷积码等，卷积码的效果要比分组码好。 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，当这n 个信号恰 好均以峰值点相加时，o f d m 信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的 n 倍。尽管峰值功率出现的概率很低，但为了无失真地传输这些高峰平比的o f d m 信号，发送端对高功率放大器( h p a ) 的线性度要求很高且发送效率极低。接收端对 前端放大器以及a d 变换器的线性度要求也很高。因此，高峰平比使得o f d m 系 统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了许多 基于信号畸变技术、信号编码技术、符号加扰技术和基于信号空间扩展等降低 第二二章o h ) m 系统概述 o f d m 系统蜂平比的方法。 由于o f d m 系统的高峰平比，信号对放大器的非线性失真很敏感。而为了提 高放大器的功率效率，一般采用a b 类功率放大器，允许放大器工作于非线性区甚 至饱和区的附近，此时功率放大器呈现出一定的非线性失真。因此，为了解决高 峰平比问题，可以从另一个角度着手，即采用线性化技术。 人们已经提出了很多放大器的线性化方法，包括笛卡j l 反馈线性化技术，菲 线j 生器件的线性放大机s j j ( l r n c ) , $ 拟团环通用调s j 器( c a l l u m ) 技术，前馈线性 化技术，预失真线性化技术，包络消除和恢复( e e r ) 技术，极化环技术等。在发 射机中采用线性化技术可以改善发射机的非线性，提高发射机效率，减小系统体 积，降低系统成本，补偿放大器引起的非线眭失真。 2 4o f d m 系统降低峰平比概述 典型的o f d m 系统发射机如图2 3 所示。比特流经过编码和映射模块处理后， 将数据串并变换输入到i f f t 模块，变换后数据由频域的串行格式变为时域的并行 格式，再经过并串变换插入保护间隔。由于o f d m 信号的高峰平比特性，必须 进行降低峰平比处理。再对处理后的信号进行d a 变换，正交调制，上变频到射 频信号，然后经过射频功率放大器放大，最后发射信号。图中虚线框即为本文所 要研究的内容。 图2 3o f d m 系统发射机框图f 含降低峰平比模块) 首先从峰平比的定义出发，分析o f d m 信号峰平比的概率分布，并与理论上 的峰平比概率分布进行比较。指出降低峰平比可以通过降低概率很小的高幅度峰 值实现。接着简单介绍了当前降低峰平比的一些方法，并且主要研究了简单而较 有效的限幅法和具有高增益的部分传输序列法，最后通过仿真袁明这两种方法的 有效性。 2 5o f d m 系统自适应预失真概述 对于放大器引起的j 线性可队通过各种线性化技术进行补偿，本文中主要介 绍线一眭化技术中的自适应预失真，它通过d s p 在基带的数字域实现。 o f d m 系统中的峰平比阡低与预必真技术 图2 4o f d m 系统的自适应预失真框图 图2 4 给出了自适应预失真的框图模型。传输的数据比特流经过o f d m 调制 器调制后，输入到预失真处理模块，进行非线性预失真，补偿放大器的非线性。 图中己调射频信号均以其基带复包络的形式表示。输入端的信号记为，对其进 行预失真处理后，得到数字域预失真信号巧，再经过d i a 变换后输出预失真信号， 此预失真信号通过线性调制器调制到载频上并迸行功率放大，功放的输出信号记 为屹，送往天线输出。由于非线性受器件老化、温度、频率、放大器工作点、负 载和电源电压等的影响，我们必须采用自适应的预失真，以跟踪非线性的变化。 因此，以中的- 4 , 部分输出功率通过耦合器送往线性解调器，解调信号经过a i d 变换后。得到的反馈信号记为v ，此信号用于提供给自适应算法模块作为参考信 号，从而决定正确的预失真特性。 第三荤峰平比降低技术 第三章峰平比降低技术 3 1 简介 o f d m 是一种可在频率选择性衰落信道中进行高速传输的有效解决方案。出 于它具有易均衡，频谱利用率高，对多径效应、脉冲噪声和快速衰落有较强的抵 抗力等优点，o f d m 多载波调制技术曰益受到密切关注。 但是o f d m 技术存在两个缺点，其主要缺点之一是峰平比很高。由于发送的 数据在频域被充分的随机化，因此o f d m 信号可以认为是独立同分布的随机变量 的线性组合。当子载波数目很大时，由中心极限定理可知，o f d m 信号近似服从 复高斯分布，幅度服从瑞利分布。因而，o f d m 信号有很高的峰平比。这意味着 射频前端的功率放大器必须高度线性，但这样会导致昂贵的发射机。即使射频功 率放大器能线性放大，也会严重降低发射机的效率。而实际系统都是峰值功率受 限的，为了避免放大器工作时有太大的功率回退，往往允许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， 增加误码率，同时会使发射信号谱扩展，对邻道产生干扰( a c i ) ，严重降低系统 性能。因此，我们希望降低o f d m 信号的峰平比。 3 2 峰平比的定义 我们简化o f d m 发射机，如图3 1 所示。 5 ( f ) 图3 1o f d m 发射机 为了简单起见，我们不考虑保护间隔。长度为n 的复序列( 以j 作为 d f t 的 输入。x q ) 和，( r ) 分别为o f d m 信号经过低通滤波器后的实部和虚部。设t 为一 个o f d m 符号的持续时间，在区间f 【o ，t 内，复基带信号可以表示为2 1 赤酗一“伊。”卸4 ” ( 3 一j ) o f d m 系统中的峰平比降低与预失真技术 其中a t 为第k 个子载波上的数据，设a 。是具有零均值，；q 差y e 盯2 = e i i a + 2 的独 立同分布的随机变量。 基带o f d m 信号的峰平l g ( p e a k t oa v e r a g ep o w e r r a t i o ) 定义3 3 为 papr=恶8x燃(3-2)- i l ，射频信号的峰值功率 等于复基带信号的峰值功率，因此我们可以只考虑基带信号的峰平比。 根据峰平比的定义可以求得它的上界。对于q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 星 座调制的o f d m 信号蜂平比上界分别为n 、1 8 n 和2 3 3 n 。当采用q p s k 调制和 n = 3 2 时，上界出现的概率为8 7 1 0 1 9 。可以看出，峰平比上界交得没有意义了。 虽然o f d m 信号峰平比的理论上界与子载波的数目成正比，但它的统计分枷 对子载波的数目的增加不敏感，信号的峰平比是以2i nn 增加【4 1 而不是以n 线性增 加的。 p a p r o ( 曲) 圈3 2o f d m 信号峰平比的累积分布函数 假设基带o f d m 信号为复高斯过程，包络过程的峰值统计无关 到o f d m 信号峰平比累积分布函数的近似表达式2 1 后一，( 删瑚o ) = e x p ( 一1 詈刚瑚盯“2 ) 我们可咀得 ( 3 5 ) 第三章峰平比降低技术 式( 3 5 ) 对p a p r 0 较大时成立。 根据式( 3 5 ) ，图3 2 给出了o f d m 信号峰平比的累积分布函数，子载波数 目n 分别为6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 ，5 1 2 和1 0 2 4 。从图中可以看出，峰平比大于1 2 d b 左 右的概率为1 0 。虽然o f d m 信号的峰平比要比单载波大得多，但结果表明， o f d m 信号的峰平比对子载波数目的增加不敏感。 囤3 , 3 o f d m 信号峰平比的累积分布函数( 实际) 图3 3 给出了实际中q p s k 调制的o f d m 信号蜂平比的累积分布函数，子载 波数目与上面相同。由此可见，实际结果与上面的理论分析大致一样。因此，o f d m 信号峰值出现的概率很小，要降低信号的峰平比可以通过降低概率很小的峰值实 现。 3 3 降低峰平比的方法介绍 由式( 3 2 ) 可知，降低o f d m 信号峰平比可通过降低峰值功率或增加平均功 率实现实际中大多数都采用降低峰值的方法。为克服信号峰平比高这个缺点， 目前已经提出了许多方法，大致可分为三类： i 信号失真技术，即通过非线性失真降低o f d m 信号的峰值幅度，包括限幅， 峰值加窗峰值抵消等； i i 编码技术 5 】，通过设计特殊的前向纠错码组，使得产生的o f d m 符号具有较 低的峰平比，目前一种叫做互补序列的前向纠错编码正受到人们的广泛关注和 研究； i i i 加扰技术【6 】【”，用不同的扰码序列对每一o f d m 符号进行加扰，选择具有最小 峰平比的符号进行传输。 下面简单介绍几种降低峰平比的方法：分组编码，m 序列，选择性加扰，峰 o f d m 系统中的峰平比降低与预火真技术 值加窗，b e r c ，加性校正函数，t r ，选择性映射( s l y ) 等。 通过分组编码来降低峰平比的方法首先由j o n e s ，w i l k i n s o n 和b a r t o n 在1 9 9 4 年提出来。它从给定的码字集中选出具有最小峰平比的码字，然后将输入数据块 映射到被选出的码字上，因而避免了产生具有高峰值功率的码字，但这种方法是 以降低编码速率为代价的。对于载波数目为4 的信号，3 4 码率的分组码可降低 2 4 8 d b 。当载波数目很大时，存在所需要的码集，但编码和译码变得非常困难。因 此，这种方法不适用于更高阶比特率或大量子载波数目的场合。 1 9 9 7 年，l i 和r i t c e y 提出用r 1 0 _ 序列来降低峰平比。这种方法通过将m 比特的 输入块映射到长为2 ”一1 的m 序列上，码率为哆72 ”1 。r r l 序列是由g f ( 2 ) 上阶数 为的本原多项式得到的循环码( 2 “一1 ，m ) 。t e l l a m b u r a 证明，当= 3 1 0 时 信号的峰平比在5 d b 到7 3 d b 之间。这种方法的缺点是，m 较大时，速率很低。 e e t v e l t ，w a d e 和t o m l i n s o n 在1 9 9 6 年提出了选择性加扰法。这种方法有四种 码字，码字的刀：始为固定的2 比特，分别是0 0 ，o l ，1 0 ，11 。首先用4 种循环不等 的m 序列对信息比特加扰，然后选出具有最小峰平比的序列，把事先定义好的2 比 特附加在所选序列的开头。接收端，开始2 比特用于选择合适的解扰器。加扰二进 制序列如果有很多的1 或0 ，输入至i o f d m 调制器后，信号将有很高的峰平比。如果 i 和0 的比铡大致相等时，信号的峰平比通常很低，所以加扰序列的选择是至关重 要的。在实际系统中，这种方法引入很少的冗余度，峰平比可降低到最大可能值 的2 。 1 9 9 7 年，p a u l i 和k u c h e i l b e e k e r 提_ 出了一种方法，称为峰值加窗法，即用高 斯窗乘以高峰值信号。实际上，只要窗的谱特性比较好就可阱使用。由于o f d m 信号与窗相乘，所得结果的谱是原o f d m 信号的谱与窗谱的卷积。因此，所选择窗 的带宽应尽可能的窄。另一方面，窗的持续时间不能太长，避免太多的信号受影 响，增加误比特率。比较合适的窗有：余弦窗，k a i s e r 窗，汉明窗。1 9 9 7 年，v a nn e e 和w i l d 指出峰平比的降低与子载波的数目无关，只以很小的误码率和带外辐射的 增加为代价。 b e r c ( b a n d w i d t he 蕊c i e n tr e d u c t i o no ft h ec