（通信与信息系统专业论文）降低ofdm系统峰均比的研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学何论文 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 ) 技术 作为一种高速信息传输技术，具有抗多径衰落性能好、频谱利用率高等优点， 适用于多媒体数据传输，被认为是未来第四代移动通信的核心技术之一。但 像其他多载波系统一样，存在较高的峰均功率比也是o f d m 系统的主要缺点 之一，这限制了o f d m 技术的广泛应用。本文就主要围绕如何降低o f d m 系统峰均比进行研究。 首先，介绍了o f d m 系统优缺点，基本原理和关键技术，举例说明了系 统参数选择的原则；然后，给出了峰均比的定义和概率分布，并对当f j i 主流 降低峰均比的方法进行了仿真分析：其次，对部分传输序列法( p t s ) 和载 波预留法( 在) 进行了全面的研究和比较。 提出了两种降低计算量的方法：p t s 门限法和迭代t r 法。p t s 门限法 可以把峰均比( p a p r ) 限制在门限值内，并减少搜索次数；而迭代t r 法可 以通过合理的选取预留子载波的取值，以较少的计算量得到较好的性能。然 后，将两种方法相结合，提出一种p t s t r 联合算法，使得联合算法在预留 载波个数、取值都较小的时候，解决了p t sf - j 限法中p a p r 集中在门限附近 的问题，同时以较少的计算量得到了与p t s 传统的全搜索法接近的性能，仿 真结果证明了新方法的有效性。 关键词：正交频分复用；峰均功率比；部分传输序列；载波预留 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a bs 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 ) ，w h i c ht r a n s m i t s i n f o r m a t i o na th i g hd a t ar a t e ，p r o v i d e sg r e a t e ri m m u n i t yt om u l t i p a t hf a d i n ga n d i l i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y i ti sa l s oa d a p t i v et om u l t i m e d i ad a t at r a n s m i s s i o n ， w h i c hm a k e si tt h ec o r et e c h n o l o g yo f4 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h e f u t u r e b u ta sam u l t i - c a r r i e rs y s t e m ，t h eh i g hp e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i oi so n e o ft h em a i nd r a w b a c ko fo f d ms y s t e m ，w h i c hl i m i t si t sw i d e ra p p l i c a t i o n sa n d t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ep a p rr e d u c t i o no fo f d m s y s t e m f i r s t l y ，t h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sa r ei n t r o d u c e da n dt h eb a s e k n o w l e d g ea n dk e yt e c h n i q u e so fo f d ms y s t e ma rea n a l y z e d ，a n dt h ep r i n c i p l e o fc h o o s i n gp a r a m e t e r so fs y s t e mi si n t r o d u c e db yg i v i n gae x a m p l e s e c o n d l y ， t h ed e f i n i t i o na n dt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o na r ei n t r o d u c e d t h e nt h em a i n c u r r e n tt e c h n i q u e so fp a p rr e d u c t i o na r ee x p a t i a t e da n ds i m u l a t e d t h i r d l y ， p a r t i a lt r a n s m i t s 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 ) a r ea n a l y z e d d e t a i l e d l y t w ol o wc o m p l e x i t yo fc o m p u t a t i o nm e t h o d s ，p t su s i n gt h r e s h o l d ( p t s t h ) a n di t e r a t i v et r ( i t r ) ，a r ep r o p o s e d t h ep t s - t hm e t h o dc a nl i m i tp a p rb e l o w a nt h r e s h o l dw i t l ll e s ss e a r c hn u m b e r a n dt h ei t rc a nh a v eg o o dp e r f o r m a n c e w i t hw i t hl o wc o m p u t a t i o nb yc h o o s i n gt h ed a t ao fr e s e r v e dc a r r i e r sa p p r o p r i a t e l y t h e nam e t h o dt h a tp t sc o m b i n e dw i t ht ri sp r o p o s e d ，w h i c hs o l v e st h ep r o b l e m t h a tp a p rc e n t r a l i z ea r o u n dt h et h r e s h o l di np t s 砀w h i l es m a l ld a t aa n df e w n u m b e r so fr e s e r v e dc a r r i e ra r eu s e d ，a n dt h ep r o p o s e dm e t h o dc o u l dg e ta l m o s t t h es a m ep e r f o r m a n c e 嬲t h et r a d i t i o n a lp t sa l ls e a r c hm e t h o d a n dt h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nv e r i f i e dt h ee f f i c i e n c yo ft h en e wm e t h o d k e yw o r d s ：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 ；p e a k - t o a v e r a g e p o w e rr a t i o ；p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ；t o n er e s e r v a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：彤砩 日期：如7 年月f 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文雠授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：现乏蕴 日期：卅年月6e l 导师( 签字) ：腱 荔9 0 * 年 只6e t 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 现代社会已经步入信息社会，信息化也成为了世界和社会发展的重要主 题之一，通信在人们的生活中也越来越重要。理想的通信目标是在任何时候 在任何地方，与任何人都能及时沟通联系，以及信息交流。显然没有移动通 信，这种愿望是无法实现的。因此，移动通信也就成为了现代通信领域中至 关重要的一部分。 移动通信系统按照所提供的业务可分为不同的发展阶段。第一代采用频 分多址( f d m a ) 模拟调制方式，其主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话 音业务。第二代蜂窝系统包括最先的采用时分多址( t d m a ) 的 g s m ，d a m p s ，p d c 系统和采用码分多址( c d m a ) 的i s 9 5 系统。第二代蜂 窝系统主要是提供了语音通信，但是数据通信传输速率仍然非常低，而且不 同的网络之间也无法实现资源共享。第三代数字蜂窝移动通信系统的三大主 要候选方案分别是北美的c d m a 2 0 0 0 系统、欧洲和日本的w c d m a 系统以 及中国的t d s c d m a 系统。其主要特征是：支持多媒体业务，其数据传输 速率至少为3 8 4 k b i t s ，可全球漫游，接口开放，能与不同的网络互联，终端 多样化以及能从第二代平稳过渡等。 随着通信的发展，特别是无线通信业务的增长，可利用的频带资源也越 来越紧张，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，实现高速传输的关键和急需解决的问题是消除信道间 干扰( i c i ) 、多径干扰( m a i ) 、码间干扰( i s i ) 和多径衰落的影响。多径 效应引起i s i 和频率选择性衰落，阻碍高速数据无差错传输，3 g 中使用简单 的c d m a 技术己经不能满足要求。因此，除了开发新的频谱资源外，采用新 的抗干扰调制技术来提高频谱利用率也成为人们关注的热点。于是，以正交 哈尔滨i ：稗人学硕十学位论文 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，并成为目前的研究热点之一。 1 2 o f d m 技术的发展 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。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 nm u l t i p l e x i n g ，f d m ) ，当时许多低速率信号，如电报， 就是用不同的载波频率在同一个宽带信道中进行并行传输，但是，为了在接 收端能够较容易地实现用简单的滤波器来分离这些信号，各子载波频率就要 相距足够的远，并采用保护频带来使各子载波的信号频谱互不影响，因而其 频谱利用率非常低。这种并行多载波传输的高复杂度限制了其进一步的推广。 1 9 6 8 年c h a n g 博士发表了一篇论文【，阐明了o f d m 的概念。c h a n g 对 其基本原理进行了详细的描述，实现了在没有i c i 和i s i 的一个线性带宽受限 的信道上同时传输多个消息，由c h a n g 提出的多信道o f d m 系统不同于传统 多载波调制技术在于子载波频谱可以叠加，条件是它们必须相互正交。这种 正交性省去了在传统多载波系统中使用的分离单个子载波的带通滤波器。 1 9 7 1 年w e i n s t e n 和e b e r t 提出应用离散傅立叶逆变换( i n v e r s ed i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ，i d f t ) 和离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r n l ， d f t ) 来实现多载波系统基带的调制和解涮2 1 ，这样就不再利用带通滤波器， 而是经过基带处理就可以实现f d m 。而且，这样在完成f d m 的过程中，不 需要使用子载波振荡器组以及相干解调器，可以完全依靠执行快速傅立叶变 换( f f t ) 的硬件来实施，降低了多载波系统的实现复杂度。为对抗i c i 和 i s i ，p e l e d 和r u i z 引入了循环前缀的概念，不是使用空的保护问隔，而是使 用o f d m 符号的周期扩展，使用循环前缀的代价是丧失部分信号的能量，但 系统性能的提高远大于信号能量的损失。 1 9 8 5 年c i m i n i 博士将o f d m 应用于蜂窝移动无线通信系统中，为当代 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 无线o f d m 通信系统的发展莫定了嘬实的基础。1 9 9 9 年1 2 月，包括e r i c s s o n 、 n o k i a 和w i l a n 在内的7 家公司发起了国际o f d m 论坛 ( h t t p ：w w w o f d m f o r u m c o m ) ，致力于策划一个基于o f d m 技术的全球单一 标准。现在o f d m 论坛的成员增加到4 6 个会员，其中1 5 个为主要会员。我 国的信息产业部也参加了o f d m 论坛，可见o f d m 在无线通信的应用己引 起国内通信界的重视。并已经在数字视频音频( d v b d a b ) 、无线局域网 ( i e e e 8 0 2 1l s e f i f l ，h i p e rl a n p 2 ) 、数字用户线( x d s l ) 和w i m a x 等领域 中得到了广泛的应用p “4 1 。 随着第三代通信标准i m t 2 0 0 0 的通过，为了要在下行链路( d o w nl i n k ， d l ) 中数据速率最大达到2 m b p s ，均将o f d m 的调制方式纳入到标准里面。 此外，o f d m 技术也被用于宽带无线接入系统( l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o n s y s t e m s ，l m d s ) 中，作为在非视线( n o n l i n e o f - s i g h t ，n o n - l o s ) 环境下 的一种传输手段。3 g p p 最近提出的3 g 长期演进3 g l t e ( l o n gt e r m e v o l u t i o n ) 计划中也将采用o f d m 技术作为新的无线接口技术p 1 。 1 3o f d m 技术的优缺点 o f d m 技术主要有以下优点忡1 ： ( 1 ) 频谱利用率高。o f d m 系统中各个子载波的频谱是相互重叠的，当然 也不需要频带的间隔，只要子载波之间是正交的，那么就可以在接收端还 原出信号，因此可以有效地利用频谱资源。 ( 2 ) 抗多径干扰和频率选择性衰落能力强。o f d m 系统把数据调制到多个 子载波上，这样就降低了每个子载波的符号速率，从而降低了多径效应对 系统的影响，再通过插入循环前缀的方法来消除符号间干扰。由于无线信 道的频率选择性，o f d m 中不可能所有子信道都深度衰落，因此可以通过 动态分配数据和子信道，选择信噪比高的信道进行数据传输，提高系统性 能。 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( 3 ) 可通过i f f t 和f f t 来实现调制和解调。利用本身的抗多径干扰性和 直观的信道估计方法，无须设计复杂的均衡器，使系统简化，易于d s p 实 现。 ( 4 ) 支持非对称业务。一般无线通信往往是下行数据量远远大于上行数据 量，存在着非对称性。o f d m 系统可通过上行连路和下行链路采用不同数 目的子载波，很容易实现上下行链路不同的传输速率。 ( 5 )易于和其他多种接入方法结合使用，构成o d f m a 系统，例如： m c c d m a 、调频o f d m 和o f d m t d m a 等。此外，o f d m 还易于结合 时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术，最大程度地提高物理层信 息传输的可靠性。如果再结合自适应调制及自适应编码，其性能可以得到进 一步提高。 ( 6 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大传输比特率。各个子信道 遵从优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原则，可使系 统总传输比特率最大。 任何一种方法和技术都有它的不足和缺点，o f d m 系统主要有以下两个 方面的问题： ( 1 ) 易受频率偏差的影响。o f d m 对频率偏差和相位噪声非常敏感，这些偏 差主要有：收发晶振之间的干扰、多普勒频移、载波不同步造成的频率偏差 等。由于这些频率偏移的存在，子载波间的正交性就遭到了破坏，那么此时 0 f d m 系统的优越性就不复存在了，因此o f d m 系统对同步的要求很高，也 使同步成为其关键技术之一。 ( 2 ) 较高的峰均功率比。o f d m 信号是由大量的子载波叠加而成，这些子载 波相位一致时就会产生较大的峰值，使得叠加后的信号瞬时功率远远大于信 号的平均功率，从而产生较高的峰值功率比。此时若放大器的线性动态范围 不能满足信号的变化时，就会引起信号的失真，进而使各个子载波之间的正 交性遭到破坏，相互之间产生干扰，使系统性能恶化。 对于系统的数字部分，如i f f t f f t ，d s p ，a d 及d a 转换器，它要求大 4 哈尔滨t 程大学硕士学付论文 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，也就是出现高峰值的概率很小，从而使得这些部件的使 用效率很低。当过高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。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，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 技术在便携式移动设备上的应用。 1 4 论文的研究内容与结构安排 作为一种新型的高效的调制和复用技术，o f d m 能有效的抗多径传播， 可靠地接收信号，实现数据的高速传输。然而峰均比过高限制了其更广泛的 应用，因此峰均比过高的问题必须解决，本论文的研究目的也因此而来，主 要研究了降低峰均比中的概率类方法。论文共分五章，结构安排如下： 第一章：主要阐述了o f d m 技术提出的背景和其发展的历史、o f d m 技 术的优缺点以及本文要做的主要工作。 第二章：介绍了o f d m 技术的基本原理。包括o f d m 子载波间的正交 性、系统的调制、解调及d f t 实现，保护间隔和循环f j 缀，给出了o f d m 系统的基本框图，并举例给出了系统参数选择的原则，最后介绍了o f d m 系 统的关键技术。 第三章：首先介绍产生高峰均比的原因，给出峰均比的定义及其统计特 性，并讨论了信号的过采样对于系统峰均比的影响，介绍降低o f d m 峰均比 的三类方法，预畸变类技术、编码技术和概率类技术并进行仿真分析，把概 率类技术作为研究的重点。 第四章：详细介绍p t s 法基本原理，对影响其性能的条件进行分析，并 进行了仿真证明；提出一种新的分组方式和一种基于门限值的降低系统计算 量的方法，并对这种门限法进一步修正，使之具有良好的性能和较少的计算 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 量。 第五章：对载波预留法进行了详细的介绍。对传统的全搜索法进行了性 能分析，提出了一种改进的t r 算法，使之具有良好的性能和较低的计算复 杂度，同时提出了一种p t s t r 算法，集合了两种算法的优点，使系统降低 p a p r 性能优于单一的p t s 法和t r 法，并用仿真证明了方法的有效性。 6 哈尔滨i ：程大学硕十学位论文 第2 章o f d m 基本原理 o f d m 是对多载波调制( m u l t i c a r r i e r sm o d u l a t i o n ，m c m ) 的一种改进， 其基本原理是把高速的数据流串并转换后分配到传输速率较低的若干子信道 中进行传输。此时子信道的符号周期相对增加，因此减轻了无线信道的多径 时延扩展所产生的时间弥散性对系统的影响，通过循环前缀来消除符号间干 扰( i s i ) 和子信道间的干扰( i c i ) 。 2 1 调制和解调原理 在传统的频分复用中，整个频段被分成个互不重叠的子信道，而且两 个信道之间有一定的频率间隔，每个信道传输独立的调制符号。这样虽然能 避免信道频谱的重叠，有利于消除信道间的干扰，但是却没有充分的利用宝 贵的频谱资源。而o f d m 技术是使子信道频谱相互重叠覆盖，有效的节省了 频带资源，如图2 1 所示。那么为了实现这种相互重叠的，必须考虑如何减 小各个子信道之间的干扰，即要求各个子载波之间保持正交。 信道l信道2信道3信道4信道5 信道6 传统的频分复用 频率 力吼趴 1r 节省的带窝 图2 1 传统频分复用和o f d m 的比较 7 频率 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 为了实现这种正交性，o f d m 的子载波集采用两两正交的正弦或余弦函 数集，如下式所示： 参f e x p ( j 啦唧( 讽肛锯：三二 ( 2 - ) 每个子载波的调制方式可以选择相移键控( p s k ) 或是正交幅度调制 ( q a m ) ，那么每个o f d m 符号是多个经过调制的子载波信号之和。若用 表示子信道的个数，丁表示o f d m 符号宽度，z ( f = 0 ，l ，n 一1 ) 是分配给 每个子信道的数据符号，z 为载波频率，r e c t ( t ) = l ，i t i 1 2 ，那么从f = 时 刻起的o f d m 符号可以表示为： s 。：i r e f 艺1 = 0z 旭c ，( ，一一三 e x p 2 万( z + 专) o 一， ，t + 丁q 一2 ， l 0 ， ， 丁+ 也可以用其等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： s o ，：j 篓z 陀c ，( ，一一吾) e x p 一，2 万( ；) o 一， ，r + 丁。2 3 ， l 0 ，f t + t s 上式中s ( f ) 的实部与虚部分别对应于信号的同相分量与正交分量，实际 系统中是通过分别与子载波的c o s 和s i n 分量相乘得到最终的子信道信号。 图2 2 给出了o f d m 系统的基本模型框图，其中z = z + i t 。在发射端， 数据经过串并转换后，被分别调制到相互正交的子载波上，然后经叠加后送 入信道，在接收端可以针对每个子载波，根据式( 2 1 ) 的正交原理提取出相应 子载波所携带的信息。 若以4 个载波的o f d m 信号为例，一个符号周期内的情况如图2 3 所示， 其中载波的幅度为l ，频率分别为l k h z 、2 k h z 、3 k h z 和4 k h z ，各个载波相 位相同，实际应用中由于数字调制方式会使载波的幅值与相位不一致。从图 中可以看到在一个o f d m 符号周期内各个子载波都为整数个周期，两个相邻 子载波相差一个周期。 8 哈尔滨r ：稗人学硕十学位论文 j 舂一 州p 串并啦 i 已劬即 转换 ； + = 百卜一刮j p 并串 转换 l 酬p 图2 2o f d m 基带数学模型的比较 万3 亨丁e x p ( 一，2 万事。：) ，：善叱e x p c 2 万等。一，刃 。2 4 ， = ；蓑以卜则2 万字”伽= 唾 卜v 9 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 因此，在解调时可以从互相重叠的子信道频谱中提取出各个子信道符号，而 不会产生子信道间的干扰，也即避免了子载波间的干扰( i c i ) 的出现。 o f d u - 子载波频谱正交示意图 图2 4o f d m 子信道的频谱 2 2 o f d m 的d f t 实现 o f d m 系统的子载波数非常大，这时就需要大量的正弦波发生器、滤波 器、调制器和相关解调器，这将导致系统的造价很高，限制了o f d m 技术的 发展。在1 9 7 1 年w e i n s t e m 和e b e n 提出了用离散傅立叶变换( d f t ) 及其 反变换( i d f t ) 来实现调制和解调功能，从而大大简化了o f d m 系统，接 收端可以使用简单的均衡器，甚至不使用均衡器便可以实现解调。 对于子载波数为的o f d m 系统，若忽略矩形脉冲则式( 2 3 ) 中的等效基 带信号可以采用离散傅立叶逆变换( i d f t ) 方法来实现。为了叙述方便，令 式( 2 3 ) 中t = 0 ，对信号s ( f ) 以吖的速率进行抽样，令，= k r i v ( 七= 0 ，1 ，n - 1 ) ，则可以得到： s k ：j ( k t s ) ：芝1ze x p ( 争( - 1 ) ( 2 - 5 ) l o 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 此时可以看到& 等效为对z 进行i d f t 运算。在接收端恢复数据符号z 时 可以对接收到的信号做离散傅立叶变换( d f t ) 得到，即： z ：n - i e x p ( - ，警) ( - 1 ) ( 2 - 6 ) k - - o y 从以上的分析中可以看出，o f d m 系统的调制和解调可以分别用i d f t 和d f t 代替，通过点的i d f t 运算，把频域数据符号谚变换为时域数据符 号，经过射频载波调制之后，发送的无线信道中。其中每个i d f t 输出的 数据符号& 都是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过 调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。在实际应用中可以使用更加方便 快捷的i f f t 和f f t ，这样可以降低计算傅立叶变换时的计算量，进一步改善 系统的性能。 2 3 保护间隔与循环前缀 无线信道会使信号产生多径时延，这种延迟会影响到下一符号，造成符 号间串扰，严重影响数字信号的传输质量，而采用o f d m 技术的一个主要原 因之一就是它可以有效的抗多径时延扩展。通过把输入的数据经过串并转换 分配到个并行的子信道上，使得每个用于调制子载波的数据符号周期扩大 为原始数据符号周期的倍，所以时延扩展与符号周期的比值也同样降低 倍。同时，在o f d m 系统中为了最大限度地消除符号间干扰，可以在每个 o f d m 符号之前插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) 1 7 1 1 8 1 ，并且其长度乃一般要大 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p 1 。然而在这种情况下，由于多径传播的影响会产生信道间的干扰( i c i ) ， 此时子载波的正交性遭到破坏，如下图2 5 所示。 由于每个o f d m 符号都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现 这个符号的时延信号。从图中可以看到，在f f t 运算时间内，在对第一载波 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 图2 5 空闲间隔造成的载波间干扰 进行解调时，第二载波由于时延的关系在积分时间内已不具有整数个周期， 那么这就破坏了正交性，从而影响第一载波的正确解调。 那么为了消除这种干扰同时也不影响其抗多径效应的性能，一种有效的 方法是对信号进行扩展，将扩展信号填充到原本空白的保护间隔中，这就是 循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 。当多经时延小于保护间隔长度时，当前o f d m 符号的时延信号，会在保护间隔内与下个符号进行叠加，而在接收端恢复信 号时，可以直接把保护间隔内的信号滤出，直接利用后面的信号恢复数据， 这样抑制了符号间的干扰i s i 。 实际应用中是把每个o f d m 符号的后。个样点复制到o f d m 符号前面， 形成前缀，如下图2 6 所示。其中。n ，n 为o f d m 原始符号样值数。 这样可以保证在i f f t 时间内，各个子载波都有整数个周期，抑制了子载波间 干扰i c i 。 图2 6 加入循环前缀的o f d m 符号 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 这种循环前缀的加入会损失一定的功率和信息速率，功率的损失可以这 样定义： 心0 l g ( 等+ 1 ) ( 2 - 7 ) 从上式( 2 7 ) 可以看出当保护间隔占整个符号的2 0 时，功率的损失也不 会超过l d b ，而此时的信息速率损失了2 0 。但是由于插入保护间隔可以消 除i s i 和i c i 的影响，因此这个代价是值得的。 2 4o f d m 系统的结构 一个完整的o f d m 系统框图如下图2 7 。其中经过信源编码的数据进行 串并转换后，要进行信号映射也就是数字调制。一般在o f d m 系统中采用 m p s k 或者q a m 对数据进行调制。在调制完毕后，要在数据中插入导频数 据用来进行接收端的同步与信道估计，然后进行i f f t 变换，也就是o f d m 正交调制，这里用效率更高的，速度更快的i f f t 代替i d f t 。经过i f f t 后， 把数据进行并串转换，再在数据前加上循环前缀，这就构成了一完整的o f d m 符号，信号转换成模拟信号再经射频调制后送入无线信道，这样就完成了信 号的发射。接收机的各个部分与发射机是完全相反的，这样，在接收端便可 以解调出发射的数据。 2 5o f d m 系统参数的选择 o f d m 系统的各种参数需要在多项要求下折中考虑，不能单独符合一个 要求而忽略其他性能。一般地，建立o f d m 系统之前需要确定三个参数：带 宽、比特速率和多径时延扩展，通过多径时延扩展可以确定保护间隔，通过 保护间隔再确定符号的周期，通过带宽和保护间隔确定系统的载波数，最后 再对整个系统的参数进行细微的调整，这样，通过这三个参数便可以确定系 统的参数了。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 串 并 转 换蓁卜l 薰塞h 蓁 图2 7o f d m 系统框图 首先，时延扩展决定了保护间隔的长短。一般情况下，保护间隔的时间 长度是最大时延扩展均方值的2 到4 倍。其次是对于符号周期的确定。为了 最大限度的减小插入保护比特所带来的信噪比损失，应该使o f d m 符号周期 长度远远大于保护间隔的长度，但是周期又不能过长，否则系统要包含更多 的子载波，那么在固定的带宽下，子载波间隔就会变小，增加了系统的复杂 度，加大了子载波间的干扰( i c i ) ，增加了峰均功率比，使系统对频率偏差 更加敏感。因此在实际应用当中，一般选择整个符号周期是保护间隔的5 到 6 倍这样可使插入保护间隔带来的信噪比损失降到l d b 左右。 符号周期确定后，子载波间隔也就确定了，为去掉保护间隔后符号周期 的倒数，那么用带宽除以子载波间隔就得到了子载波数。子载波数还可以通 过比特速率除以每个子信道中的比特速率来确定，每个信道中的传输比特速 率是由数字调制类型( m p s k 、m q a m ) 、编码速率和符号速率确定的。这 样整个系统的基本参数就确定了，为了使系统更加合理，还要根据确定后的 情况对所有的参数进行微量的调整，下面举例说明。 若给定比特速率为2 0 m b i t s ，可容忍的时延扩展为2 5 0 n s ，而带宽为2 0 m h z ，那么o f d m 系统参数可以设置如下：保护间隔为时延扩展的4 倍，即 2 5 0 n s x 4 = l i t s ，那么按照惯例整个符号的周期为保护间隔的6 倍，即6 p s 。那 1 4 哈尔滨丁稃大学硕七学何论文 么，此时子载波间隔为除去保护间隔后符号周期的倒数，即1 ( 5 1 a s ) = 2 0 0 k h z 而带宽为2 0m h z ，那么子载波数n 2 0 0 k h z 4 时虽然系统可以更接近实际传输时的情况，但与p = 4 时的情况相比 改变的并不大，而且随着p 的增大，这种改变的程度越来越小，还会增加复 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 杂度，所以一般情况下取p = 4 就可以满足要求，下图是无过采样和过采样率 分别为2 、4 、8 时，系统的p a p r 性能，其中子载波数为2 5 6 ，q p s k 调制。 一 过采样率不同时p a p r 性能比较杀葡滞 + 4 倍过采样 + 2 倍过采样 一无过采样 b 91 0” 2 p a p 舳l 阳1 图3 2 过采样对系统p a p r 的影响 降低p a p r 的技术主要分为三大类：预畸变类、编码类和概率类技术4 1 5 1 ， 下面将对这三类技术分别进行介绍。 3 4 预畸变类技术 预畸变技术也称信号畸变法，主要有以下几类：直接限幅法、峰值加窗 法和压缩扩展法等。 3 4 1限幅法 降低p a p r 最简单有效的方法就是限制o f d m 信号的峰值从而减少系统 的p a p r u 6 1 。其基本思想是：给定一个门限值，对时域o f d m 信号中包络超过 门限值的部分进行直接削除，保持削除前信号的相位；对于时域o f d m 信号 中包络未超过门限值的部分则直接输出，不做任何处理。直接限幅法会使信 号产生非线性失真，还会引起较大的频谱上的带外辐射，因此经过直接限幅 2 l 心 ” a昆niv乱芷dvdrcd l o u u 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 法处理后还需要对信号进行滤波，滤出带外分量，但此时系统的p a p r 也会 随之回升，同时接收端的误码率也会增加7 1 。因此应用直接限幅法时应考虑 整个系统对p a p r 、对非线性失真和误码率的容忍程度，而且还要选择性能 优越的滤波器。限幅法流程如下图所示： i f f t 卜一+ 硒互hm 卜恤匦习t 丑 限幅模块 图3 3 限幅法基本框图 设从系统点i f f t 输出的信号用下式表示： = 丽1 缶n - i 以e x p ( 等) 。姚- 1 ( 3 - 6 ) 则直接限幅法对信号的处理可由下式表示引： 胪j i x ki 纠o k 4 其中以是经过数字调制后的信号序列，为o f d m 符号的长度，儿是 经过限幅后的输出序列。上式可解释成：当信号幅值低于限幅门限彳时，对 信号不做处理；当信号的幅值超过门限a 时，保留信号的相位值，把幅值设 成a 1 9 1 。 夕_ 一 二。 a a 图3 4 限幅函数示意图 也可以定义一个归一化的限幅门限，即限幅率c r ( c l i p p i n g r a t i o ) 1 2 0 1 ： 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 彳 cr = 二i _ 仃 ( 3 8 ) 其中a 为信号幅值，仃为o f d m 信号的平均功率的方根值，在载波数为的 o f d m 系统中，基带信号的平均功率为盯：万。 3 4 2 峰值加窗法 峰值加窗法是对限幅滤波法的改进方澍2 1 1 。虽然降低信号的p a p r 值最 简单直接的方法是直接限幅，使得信号幅度限制在所期望的最大幅度a 内， 但限幅是一个非线性过程，它会带来带外干扰和带外辐射。限幅可以看成 o f d m 信号与一个矩形函数相乘的过程，当o f d m 信号幅度小于给定门限 时，该矩形函数值为1 。限幅后o f d m 信号的频谱范围为限幅前信号的频谱 与窗函数频谱的卷积。其带外频谱的特性主要由两个频谱中频带较大的决定， 也就是由矩形窗函数的频谱决定。其频谱具有很慢的滚降系数，且该滚降系 数与频率成反比。为了减轻直接限幅带来的带外干扰问题，可以把比较大的 信号峰值乘以适当的非矩形窗函数，比如高斯窗函数田1 。实际上，只要能得 到比较好的频谱特性，任何窗函数都可以，为了减小带外干扰，理想的窗函 数应该具有尽可能窄的带宽。另一方面，在时域里窗函数不应该太宽，这是 因为时域里比较宽的窗意味着更多的信号样点将受到影响，从而增加系统的 误比特率。比较好的窗函数有c o s i n e ，k a i s e r 和h a m m i n g 窗等脚1 。 3 4 3 压缩扩展法 信号压缩能简单有效地降低o f d m 信号的峰均功率比，可看作是一种特 殊的预畸变方法，它根据信号的功率分布对其进行适当的变换，在接收端进 行逆运算，恢复原始数据信掣冽2 射。 在传统的压缩扩张方法中，需要把幅度比较小的信号进行放大，而大幅 度信号进行缩小，这样o f d m 信号峰均功率比便可以得到降低，但这样做的 哈尔滨下程大学硕十学何论文 一个前提条件是，应该保证信号压扩前和压扩后的平均功率保持不变陋1 。若 压扩前信号为x ( t ) ，压扩后为y ( t ) ，用c ( ) 表示压扩函数，也即：y ( t ) = c 【x ( f ) 】， 则压扩函数应满足以下两个式子鲫： 研少( f ) 2 】- 研x ( f ) 2 】 ( 3 9 ) l y o ，i = 弓三 2 ：x x ( 。t d ) i l m 历 c 3 - 。， 常用的压扩函数主要分两种：线性和非线性。线性压扩函数如下式所示： p c = ( 后 + 6 ) ( 3 - 1 1 ) 其中尸和分别是压扩前、压扩后的功率，为压扩前功率峰值，k 、b 为 大于0 的常数。压扩转换点位己= = b o - k ) ，也就是说对于小于巴的功 率将进行放大，大于巴的功率将进行缩小，对于k 、b 的取值应使式( 3 9 ) 成 立。 非线性压扩函数主要有以下三个， l n ( 1 + f a p ) e = 羔( 3 1 2 )。 ai n2 “1 “ ” 7 1 - e x p ( 一f a p ) = 卉( 3 - 1 3 ) =( 3 一1 4 ) 其中彳为一个常数，取值也应使式( 3 - 9 ) f 茂- 0 _ ，压扩转换点己= 圪。a 。 目前，也出现了一种自适应压扩方法，可根据信号的大小不同从而使用 不同的压扩函数，但总体上来说，压扩算法是以增加整个系统的实现复杂度 来换取较低的p a p r 性能的一类方法。 2 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 5 编码类技术 编码类技术的主要思想是利用不同编码产生不同的码组，从中选择出 p a p r 较小的码组作为o f d m 符号进行数据传输，这样便可以避免传输高 p a p r 的信号。编码类技术是一个线性过程，不会产生信号的畸变，对高峰 均比的抑制性能好，误码率低。但缺点是计算复杂度非常高，编解码都十分 复杂，而且信息速率由于编码的原因会降低很快，而且对信号的调制也有要 求，因此编码法只适用于子载波数较少的情况。常用的编码法有：分组码 ( b l o c kc o d