（信号与信息处理专业论文）基于slm的减小ofdm系统papr的改进技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 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 ，正交频分复用) 是 一种多载波传输技术。它有着更快的传输速率、优越的抗干扰能力、很高的 频谱利用率并成为未来4 g 通信的核心标准。 但是，o f d m 有其内在的问题。o f d m 信号的p a p r ( p e a k - t o a v e r a g e p o w e rr a t i o 峰值平均功率比) 往往很大，这样的话会造成对放大器的线性范 围要求大，同时也降低了放大器的效率。另外放大器等的非线性会导致动态 范围大的信号产生非线性失真，由此产生的谐波会导致子信道间的互相干扰， 影响o f d m 系统的性能。 本文重点对解决o f d m 系统的高p a p r 问题的方法展开研究。论文首先 介绍了o f d m 高p a p r 问题产生的原因和p a p r 的分布，在此基础上介绍了 常用的几种限制o f d m 系统高p a p r 的算法如限幅法、编码法、概率类方法 等，特别重点研究了限幅算法和选择性映射( s l m ，s e l e c t e dm a p p i n g ) 算法。 限幅算法的优点是简单有效，但是由于限幅属于非线性方法，其缺点是误码 率高，容易引起峰值再生。s l m 方法的优点是线性方法，误码率小，缺点是 计算量偏大，而且其属于概率类方法，究其根本只是降低了高p a p r 发生的 可能性，并不能完全抑制高p a p r 的产生。另外，传统的s l m 方法需要额 外发送边带信息，占用了多余的频带资源，并增加了系统的复杂性。本文在 此基础上，针对两者的优点和不足，提出了一种改进s l m 方法与限幅类方 法相结合的新算法，这种新算法不用发送边带信息，节省了频带资源，减小 了系统的复杂性，并且对o f d m 的高p a ir 有非常良好的抑制效果，而不会 带来误码率上的损失。仿真证明了算法的有效性。 关键词：正交频分复用；改进s l m ；限幅；结合算法 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo 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 ) i sam u l t i c a r r i e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i th a sf a s tl r a n s m i s s i o nr a t e ，s u p e r i o ra n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t y , a n dh i 曲s p e c t r u mu t i l i z a t i o nr a t e i t w i l l b et h ec o r ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yo ft h e4 gt i m e s h o w e v e r , t h eo f d mh a si t so w nd r a w b a c k i tu s u a l l yh a sh i 曲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 ) t h eh i 曲p a p rn o to n l yl e tt h ea m p l i f i e rh a sa v e r yl a r g el i n e a rr a n g e ，b u ta l s or e d u c tt h ee f f i c i e n c yo ft h ea m p l i f i e r a n dt h e s i g n a lw h i c hh a sal a r g el i n e a rr a n g ew i l lb ed i s t o r t e dd u et ot h en o n l i n e a ro ft h e a m p l i f i e r t h ed i s t o r t e dh a r m o n i c sw i l lc a u s et h em u t u a li n t e r f e r e n c eo ft h es u b c a r r i e r s ，a l s oe f f e c ts y s t e m i cp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rt a k e sp a r t i c u l a rr e s e a r c ho nh o wt os o l v et h eh i a hp a p r p r o b l e m o fo f d m s y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e dw h y t h eh i g hp a p rh a p p e n e da n d h o wt h ep a p rd i s t r i b u t e t h e n ，p a p e ri n 仃o d u c e ds o m ek i n d so fa l g o r i t h m st o d e a lw i t ht h ep r o b l e ms u c ha sc l i p p i n ga l g o r i t h m ，c o d i n ga l g o r i t h ma n d p r o b a b i l i t ya l g o r i t h m ，e s p e c i a l l yt h ec l i p p i n ga l g o r i t h ma n ds l ma l g o r i t h m a m o n gt h e m t h ec l i p p i n ga l g o r i t h mi ss i m p l ea n de f f e c t i v e ，b u tt h ec l i p p i n g a l g o r i t h mi san o n l i n e a ra l g o r i t h m ，s oi th a sal a r g ee r r o rr a t e t h es l ma l g o r i t h m i sal i n e a ra l g o r i t h m , a n di th a sag o o dp e r f o r m a n c ei ne r r o rr a t e h o w e v e r ，t h e s l ma l g o r i t h mh a sal a r g ec a l c u l a t e da m o u n t b e c a u s et h es l ma l g o r i t h mi s b e l o n gt ot h ep r o b a b i l i t ym e t h o d ，i th a sj a s to n l yr e d u c et h eb r i n gp r o b a b i l i t yo f t h eh i 曲p a p ro ft h eo f d ms y d t e m a n dt h ec o n v e n t i o n a ls l m a l g o r i t h mn e e d s e n dt h es i d ei n f o r m a t i o n ，s e n d i n gt h es i d ei n f o r m a t i o ns h o u l do c c u p a n c ye x c e s s f f e q u e n c y b a n dr e s o u r c e ，i n c r e a s i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m a f t e rc a r e f u l l y a n a l y s et h e i ra d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e ，t h i sp a p e rp r o p o s e dan e wi m p r o v e d s l ma n dc l i p p i n gc o m b i n ea l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h md on o tn e e ds e n dt h es i d e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i n f o r m a t i o n ，s a v i n gb a n d w i d t hr e s o u r c e s ，r e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m ， h a sav e r yg o o de f f e c to nt h er e d u c eh i 曲p a p ro fo f d ms y s t e m s ，a n dt h en e w c o m b i n ea l g o r i t h mw i l ln o ta f f e c tt h ee l r o rr a t e 硼1 es i m u l a t i o ns h o w st h e p r o p o s e da l g o r i t h mh a sw e l lp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：o f d m ；i m p r o v e ds l m ；c l i p p i n g ；c o m b i n ea l g o r i t h m 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、数据和文献的引用己在 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) ： 错彪， 日期：伽o 7 年弓月f 弓日 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。 本论文啾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) ：耋侈缸 吼沙彳年弓邯日 一乃 ，jj儿日 字侈 签月 (1 币师年 导沂， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1o f d m 的研究背景 在过去的2 0 年中，世界电信发生了巨大的变化，移动通信特别是蜂窝小 区的迅速发展，使用户彻底摆脱终端设备的束缚、实现完整的个人移动性、 可靠的传输手段和接续方式。进入2 1 世纪，移动通信将逐渐演变成社会发展 和进步的必不可少的工具。 第一代移动通信系统( 1 g ) 是在2 0 世纪8 0 年代初提出的，它完成于2 0 世 纪9 0 年代初，如n m t f 柯f l a m p s ，n m t 于19 81 年投入运营。第一代移动通信系 统是基于模拟传输的，其特点是业务量小、质量差、没有加密和速度低。i g 主要基于蜂窝结构组网，直接使用模拟语音调制技术，传输速率约2 4 k b i t s 。 不同国家采用不同的工作系统。 第二代移动通信系统( 2 g ) 起源于9 0 年代初期。欧洲电信标准协会在1 9 9 6 年提出了g s mp h a s e2 + ，目的在于扩展和改进g s mp h a s e1 2 乏p h a s e2 0 7 原定 的业务和性能。它主要包括c m a e l ( 客户化应用移动网络增强逻辑) ，s o ( 支持最佳路由) 、立即计费，g s m9 0 0 1 8 0 0 双频段工作等内容，也包含了 与全速率完全兼容的增强型话音编解码技术，使得话音质量得到了质的改进； 半速率编解码器可使g s m 系统的容量提高近一倍。在g s mp h a s e 2 + 阶段中， 采用更密集的频率复用、多复用、多重复用结构技术，引入智能天线技术、 双频段等技术，有效地克服了随着业务量剧增所引发的g s m 系统容量不足的 缺陷；自适应语音编码( a m r ) 技术的应用，极大提高了系统通话质量； g p r s e d g e 技术的引入，使g s m 与计算机通信i n t e m e t 有机相结合，数据传 送速率可达11 5 3 8 4 k b i t s ，从而使g s m 功能得到不断增强，初步具备了支持 多媒体业务的能力。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 尽管2 g 技术在发展中不断得到完善，但随着用户规模和网络规模的不断 扩大，频率资源己接近枯竭，语音质量不能达到用户满意的标准，数据通信 速率太低，无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。第三代移动通信 系统( 3 g ) ，也称i m t2 0 0 0 ，是正在全力开发的系统，其最基本的特征是智 能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能模块，支持话音和多媒 体数据通信，它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高 速数据、慢速图像与电视图像等。如w c d m a 的传输速率在静止时在静止时 最大为2 m b p s ，在用户高速移动时支持速率为1 4 4 k b p s ，所占频带为5 m h z 左 右。 但是，第三代移动通信系统的通信标准共有w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 三大分支，共同组成一个i m t2 0 0 0 家庭，成员间存在相互兼容的 问题，因此已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信；再 者，3 g 的频谱利用率还比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源；第三，3 g 支持的速率还不够高，如单载波只支持最大2 m b p s 拘业务，等等。这些不足 点远远不能适应未来移动通信发展的需要，因此寻求一种既能解决现有问题， 又能适应未来移动通信的需求的新技术( 即新一代移动通信：n e x tg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 是必要的 1 1 。 在这种高速率数据传输的需求背景下，人们开始转向正交频分复用技术 ( 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 d e dm u l t i p l e x ) 。o f d m 是目前已知的频 谱利用率最高的一种通信技术，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输 等技术有机结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复 杂性方面综合起来有很强的竞争力，是支持未来移动通信特别是移动多媒体 通信的主要技术之一。 o f d m 使用基带数字信号处理技术，在若干个相互正交的子载波上进行 数据调制，从而构成一个正交多载波传输系统，实现数据在信道上的并行传 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输。以1 0 0 m b p s 的传输速率为例，如果我们采用含有2 5 6 个子载波的o f d m 系统，就能使用2 5 6 路信道对数据进行并行传输。这时，对每个子信道而言， 只需传输大约3 9 0 k b p s 速率的数据流。 同时，o f d m 技术采用了适当的基带数字信号处理技术，能够保证各个 子载波之间的严格正交性，因此，各个子载波所占用的频带可以叠加而不产 生干扰，这就大大减少了整个系统的频带占用，提高了频率的使用效率。这 一特点意味着通信系统能以更窄的频带传送更高速率的数据，因此，在频谱 资源有限的高速无线通信环境中，o f d m 技术具有更加显著的优越性。 1 2o f d m 的发展 正交频分复用技术已有近5 0 年的发展历史，早在2 0 世纪5 0 年代就提出 了正交频分复用的概念。6 0 年代，人们对多载波调制( m c m ，m u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o n ) 技术进行了许多理论上的研究，形成了频分复用的并行数据传 输思想，并提出了频谱交叠的o f d m 系统。1 9 7 1 年，w e i s t e i n 和e b e r t 提出 了一个完整的o f d m 系统，特点是利用离散傅立叶反变换( i d f t ，i n v e r s e d i s c r e t ef o u r i et r a n s f o r l x l ) 和离散傅立叶变换( d f t ，d i s c r e t ef o u r i e t r a n s f o r m ) 实现调制和解调，无需再使用梳状滤波器，简化了系统结构，使 得o f d m 技术更趋实用化。但是由于当时受到实时傅立叶变换设备的复杂 度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器线性范围等相关技 术条件的限制，o f d m 技术没有得到广泛的应用。2 0 世纪8 0 年代，随着互 联网技术和移动通信技术的发展，人们对多载波调制在高速m o d e m 、数字 移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究。到了9 0 年代，数字信号处 理技术和超大规模集成电路的出现，o f d m 的关键技术得以突破，o f d m 技 术在通信领域的应用得到了蓬勃的发展。 o f d m 技术受到广泛的关注的原因之一是其具有良好的抗多径能力。目 哈尔滨工程大学硕士学位论文 前o f d m 作为核心技术已被多种有线和无线接入标准采纳，主要包括a d s l ， 无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 l a g ，数字音频广播( d a b ，d i g i t a l a u d i o b r o a d c a s t i n g ) 、数字视频广播( d v b ，d i g i t a lv i d i ob r o a d c a s t i n g ) 、无线城域 网标准i e e e 8 0 2 1 6 a 等。数字音频广播( d a b ) 是第一个采用o f d m 技术 的标准，使用单频网络，与模拟a m 和f m 音频广播相比，具有语音质量高、 数据业务新以及频谱效率高等突出的优点。d v b 标准的出现，为在同一个信 道中传输视频、音频、数据提供了一种灵活、高效的方式。在欧洲，采用 m e p g 2 算法，基于o f d m 的数字视频广播( d v b ) 标准，于1 9 9 7 年批准 通过。它通过卫星、电缆或地面微波将数字化的电视节目和其它服务信息进 行传送。在全数字高清晰度电视( h d t v ，h i ：g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 传输 系统中，采用编码o f d m ( c o f d m ，c o d e do f d m ) 技术，具有很高的频谱 利用率，且能够进一步提高抗干扰能力。欧洲已将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。在无线数据通信领域 中，随着i e e e 8 0 2 1 l a 协议、欧洲电信标准协会( e t s i ) 的宽带射频接入网 ( b 黜埘，b r o a d b a n dr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 和多媒体技术应用的引入，o f d m 技术得到了广泛的应用。e t s ib r a n 的局域网标准把o f d m 定为它的调制 标准技术。预计下一代移动通信系统( b e y o n d3 g 或4 g ) 的主流技术也将 是o f d m 技术。第四代移动通信系统是一种高速的宽带无线通信系统，它的 传输速率预计可达10 0 m b p s ，这就更需要频谱利用率高、抗多径衰落能力强 的o f d m 技术的支持。 在数字蜂窝移动通信中应用中，对于o f d m 最近的研究工作是与多天线 技术相结合，构成了基于o f d m 技术的多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 系统( m i m o o f d m ) ，以求进一步提升系统噪声性能和通 信容量。o f d m 和多址技术结合能够容许多个用户共享有限的无线频谱，从 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 而获得较高的系统容量。o f d m 本身也可作为一种多址接入技术，称为正交 频分多址接入( o f d m a ，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 ea c c e s s ) ；在 有线宽带接入技术中，例如x d s l ( 各种高速数字用户线) 技术中，o f d m 的一种特殊形式d m t ( d i s c r e t em u l t i t o n e ) 以获得广泛应用。随着人们 对宽带化、个人化和移动化的需求进一步提高，o f d m 技术的应用前景必将 更为广阔。 1 3o f d m 优缺点 在现有的正在商用化的通信系统中，o f d m 技术扮演了重要的角色，也 已经越来越得到人们的关注。总的来说，基于o f d m 技术的无线通信系统具 有许多其它技术所无法超越的优越性，主要体现在以下几点【5 j ： ( 1 ) 抗衰落能力强：可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环 境和衰落信道中的高速数据传输，因为当信道中因多径传输而出现频率选择 性衰落时只有落在频带凹陷处的子载波及其携带的信息受到影响，而其它子 载波不会受到干扰，因此系统总的误码率性能要好得多；另外，还可以通过 各子载波的信源信道联合编码使得系统性能得到进一步提高；对于多用户系 统来说，一个用户不适用的子信道对其他用户来说可能是性能比较好的子信 道，因此除非一个子信道对所有用户来说都不适用，该子信道才会被关闭， 但发生这种情况的概率非常小。 ( 2 ) 频谱利用率高：传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不 相交的子频带来传输并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信 道，这种方法的优点是简单、直接、缺点是频谱的利用率低，子信道之间要 留有足够的保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难，而o f d m 技术 基本思路就是利用多个子载波的频谱相互重叠的频分复用子信道并行地传输 数据，由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 ( 3 ) 用傅立叶变换对来完成系统基带的调制与解调，简化了均衡器的设 计或根本就不需要均衡，使系统的复杂度和设计更为简单、灵活和方便；对 于子载波数n 很大的系统中，我们可以通过采用快速傅立叶变换( f f t ) 和 反变换( i f f t ) 节省带宽资源频率来实现。随着大规模集成电路技术与d s p 技术的发展，i f f t 和f f t 都是非常容易实现的。 ( 4 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要 远远大于上行链路中的数据传输量，如i n t e m e t 业务中的网页浏览、f t p 下 载等。另一方面，移动终端功率一般小于1 w ，在大蜂窝环境下传输速率低 于1 0 k b i t s - - 1 0 0 k b i t s ；而基站发送功率可以较大，有可能提供1 m b i t s 以上 的传输速率。因此无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信自身的 要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而o f d m 系统可以很容 易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 ( 5 ) 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，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散带来的i s l ，这样就减小 了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循 环前缀的方法来消除i s i 的不利影响。 ( 6 ) o f d m 系统可以很容易与其他多种接入方法相结合使用，构成 o f d m a 系统，其中包括多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及 o f d m t d m a 等等，使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行通信的传 输。 ( 7 ) 因为窄带干扰只能影响小部分的子载波，因此o f d m 系统可以 在某种程度上抵抗这种窄带干扰。 任何事物都存在两面性，o f d m 技术也存在着许多不足之处，o f d m 系 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统内由于存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道信道的叠加， 与单载波系统相比，存在如下主要缺点： ( 1 ) 对相位噪声、定时和频率漂移特别敏感。精确定时，除去噪声和减 少频偏对o f d m 尤为重要，如果做不到这点，就无法保证o f d m 各子载波 之间的正交性，就会不可避免的引起各子载波之间的i c i 和i s i ；针对这些不 足之处，衍生了许多关键性的技术研究，主要包括o f d m 系统的同步研究( 包 括时间同步、频域同步和载波同步) ，信道估计( 包括信道检测技术) 。 ( 2 ) 存在高的峰值平均功率比( 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 ) 。 高p a p r 问题一直是o f d m 技术的难点和关键问题所在，也是o f d m 技术 走向实用化的主要障碍。因为o f d m 信号是非恒定的包络，任何非线性的 r f 放大都会导致产生互调成分，从而影响邻近带宽的信号和系统的性能。为 了提高传输效率和系统性能，在发送端必须考虑到信号的峰值和均值。若将 功放输入信号的最大幅度控制在功放的线性范围内，则对于输入信号的平均 幅度，功放级就不能输出较高功率，这对传输是非常不利的。 1 4 针对0 f d m 系统的p a p r 研究现状 o f d m 技术虽然具有高的频谱利用率，抗干扰性能比较好等优点，但是 由于o f d m 信号是通过多载波调制后的合成信号，所以o f d m 信号的峰均 比有可能出现很高的情况，其峰均比的极限值等于载波数，在o f d m 系统中， 信号的峰均比起伏较大，为了避免信号产生非线性失真，提高了对射频线性 功放的要求，因此应该尽可能降低o f d m 系统中高的峰均比。 目前有很多降低o f d m 系统中高的峰均比的方法，如限幅法1 1 1 4 1 、编码 技术、压缩扩展技术( c o m p a n d i n gt e c h n i q u e ) t 1 6 1 、概率类方法中的选择映射 法( s e l e c t i v em a p p i n g ，s l m ) 1 7 之2 】、部分传输序y u 法( p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ， p t s ) 【2 3 2 4 1 和信号空间扩展技术【2 5 之7 】等等，这些方法在一定程度上都能降低 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o f d m 系统中高的峰均比，但是都存在着一些缺陷。 限幅法就是信号在经过非线性部件之前进行限幅，硬件实现比较简单， 但是接收端信号会有失真，误码率也比较高。压缩扩展技术需要把幅度比较 小的符号进行放大，而使大幅度的符号保持不变，这样就会以增加整个系统 的平均功率为代价，来达到降低峰均比的目的，但是符号的功率因此会更加 接近高功率放大器的非线性变化区域，从而造成了信号的失真。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，此类技术为线性过程，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。概率类技术不是着 眼于降低信号幅度的最大值，而是降低峰值出现的概率，一般而言，该类技 术会带来信息冗余，缺点是计算复杂度太大，要进行多次i f f t 运算，并且需 要安全地传送边带信息。另外概率类方法根本上属于从概率上减小对o f d m 的高p a p r 产生的可能性，并不能完全杜绝高p a p r 的信号的产生，所以其对 o f d m 的高p a p r 这方面的抑制能力不是很好。 综上所述，目前存在多种降低o f d m 系统中高p a p r 的方法，但是这些 方法存在一些缺陷，所以需要寻找一些新的降低o f d m 系统中高p a p r 的方 法或者在原有方法的基础上进行改进，使o f d m 技术很好的应用于实际系 统。因此，对降低o f d m 系统高p a p r 的这方面的研究很有实际意义。 1 5 本论文的安排 本文针对o f d m 系统的峰均比过高的问题展开研究工作，在这一过程 中，采用理论分析和计算机仿真相结合的方法，验证理论的正确性和实践的 可行性。主要进行了以下几方面的研究工作：介绍了o f d m 技术的背景和意 义；详细分析了o f d m 技术的特点以及o f d m 的峰均比( p a p r ) 过高带来 的问题；全面分析了目前情况下减小o f d m 系统的各种方法，比较了它们之 间特点和不足，并在理论上和实际仿真中给出验证；尤其深入分析了其中极 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 具典型性的s l m 算法以及限幅算法；并在此基础上对针对传统s l m 需要发 送边带信息占用频带资源的不足提出了改进的新s l m 方案，并与限幅算法进 行了有效的结合，在降低o f d m 的峰均比问题上的理论和实际效果降低进行 了分析，证明能有效的减小o f d m 系统的峰均比，减小了系统的复杂度而不 带来系统其它特性的损失。并用计算机进行了仿真验证，得出了改进的结合 算法优于已有算法的结论。 本论文正文部分分为五章，各章结构安排如下： 第1 章简要介绍了o f d m 技术及本课题的研究背景及意义，以及o f d m 的优缺点。 第2 章详细介绍了o f d m 的基本原理，包括o f d m 的数学表示、o f d m 多载波调制、o f d m 的循环前缀以及o f d m 系统的结构框图等。 第3 章从理论上介绍了o f d m 的峰均比问题，定义了o f d m 的峰均比， 并分析了o f d m 高p a p r 产生的原因及不良影响，然后简要介绍解决峰均比 的几类方法。 第4 章重点讨论了目前针对o f d m 的高p a p r 问题所提出的几类方法， 从理论上研究了这些方法的优缺点，对相关的方法给出了仿真验证。 第5 章围绕基于s l m 方法展开分析，分析s l m 方法的理论和优缺点， 并针对相关理论给出了仿真验证。并在此基础上针对传统s l m 方法的缺陷提 出了改进的s l m 方法，并与传统的限幅方法进行有效地结合，结合算法吸收 了两种算法的长处避免了两者的短处。通过m a t l a b 仿真验证了新结合方 法的有效性。 结论部分总结了所做的研究工作。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章o f d m 基本原理 移动通信的关键是解决信号在复杂的无线信道下的传输问题。信道的时 变特性引起信道频率的展宽，导致多普勒效应。信道的多径传播会引起信号 在时间上展宽并导致频率选择性衰落。我们一般用相干时间或者多普勒带宽 来描述信道的时变特性，采用多径时延扩展或相干带宽来描述信道的多径特 性。在小于相干时间的时间范围内，可以将信道看成是线性时不变系统；而 如果信号带宽小于相干带宽，则可以认为该信道是平衰落信道，即所有的频 率分量所经历的衰落情况是一样的。而对于高速数据传输，难以满足信号带 宽小于相干带宽，从而引起频率选择性衰落，造成码间干扰( i c i ) 。正交频 分复用( o f d m ) 把高速数据流转换成多个低速子载波上的并行数据传输， 并使用循环前缀，经过多径信道时延传输后接收端经过简单的的一阶频域均 衡即可实现无i s i 接收。因此，o f d m 在克服码间干扰的有效性因而得到很 多的关注。本章介绍正交频分复用系统的基本原理。 2 1o f d m 并行传输特点 在传统的串行系统中，符号是逐次发送的，每一个数据符号的频谱允许 占用所有的可利用带宽。由通信理论可知，当总带宽为w 赫兹时，系统的无 码间干扰的最高符号率即奈奎斯特速率为2 w 波特。这也就是说，在系统的 调制方式一定的条件下，信号占用带宽与信息速率成正比，当信息速率很高 时，信号的占用带宽也将很高。 众所周知，任何实际物理信道都不是理想信道，都存在幅频畸变和相频 畸变，对无线信道来说最重要的特性就是多径传播。多径迟延导致传输信号 的波形展宽，从时间域来看，这将导致码间干扰，当多径迟延与符号周期的 比达到一定的程度时，码间干扰将十分严重地影响到接收机的抽样判决，使 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 误码率高到不可接受的程度。从频率域来看，多径传播将导致信道对不同的 频率产生不同的衰减，在信道的幅频特性蓝线上出现零点和极点。设信道的 最大多径时延差为l - m ，则定义1 r m 为多径信道的相关带宽，即相邻传输零 点的频率间隔。当传输信号的占用带宽大于相关带宽时，传输波形的频谱将 受到严重畸变，这就是所谓的频率选择性衰落。码间干扰和频率选择性衰落 可以看作是同一问题在时域和频域的分别体现。 为实现高速传输，传统的串行体制必须使用均衡器来克服频率选择性衰 落，均衡器常用横向滤波器结构，当多径迟延很大时，横向滤波器也必须很 长，抽头数将会很多。而且在时变信道中，横向滤波器的抽头增益必须要能 实时地跟踪信道的变化，这就需要采用高效的自适应算法，增加了实现的复 杂度。 并行系统的出现则缓和了以上串行体制存在的这些问题。并行系统是指 同时发送多个低速串行数据流，这些数据流之间经过编码、交织，具有一定 相关性。每一个数据流仅占用可利用带宽的- d , 部分，系统由许多载波组成。 它的优点是能够把一个频率选择性衰落的影响分散到许多个符号上，有效地 使衰落或脉冲引起的突发错误随机化，这样就不是几个相邻符号遭到完全破 坏，而是许多个符号仅仅有轻微失真，从而可以用前向纠错使其恢复。由于 把整个可利用带宽划分成许多个窄带子信道，因此单个子信道上的频率响应 变得相对平坦了许多，所需的均衡要比串行系统简单，只需一个简单的算法 就能够使每个子信道上的均方误差得到最小化，若采用差分编码甚至可以不 用均衡。 正交多载波调制( o f d m ) ，正是采用并行传输体制，但又不同于传统的 并行体制，是一种高效的数据传输方式。其基本思想是把高速数据流分散到 多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅度降低。o f d m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交则可以从混迭的子载 波上分离出数据信息。由于o f d m 允许子载波频谱混迭，其频谱效率大大提 高，因而是一种高效的调制方式。 从时间域看，低速的子数据流的符号周期长，相同的时延扩展造成的码 间干扰比串行体制小，在采用循环前缀时，更可完全消除码间干扰的影响； 从频率域看，子信道带宽远小于相关带宽，在每个子信道上衰落是平坦的， 频率选择性深衰落仅影响系统中的一个或几个子信道，利用子信道之间的相 关信息，可以恢复受干扰的子信道上的数据，从而有效地使衰落引起的错误 随机化，因而o f d m 调制技术可以有效地对抗多径造成的频率选择性衰落。 由于把整个可利用带宽划分成许多个窄带子信道，因此单个子信道上的频率 响应很平坦，如采用差分检测时，可以不需要做信道均衡；采用相关检测时， 所需的信道均衡也要比串行系统简单，只需简单的自适应算法就能够使每个 子信道上的均方误差得到最小化。 2 2o f d m 的数学模型 o f d m 的基本思想就是将告诉数据流经串并转换，形成个低速数据 流，同时在个子载波上传输。由于符号周期变长，因多径延迟扩展造成的 时间扩散的影响相对降低，通过每个o f d m 符号中引入保护时间，几乎可以 完全消除符号间的干扰。o f d m 的信号可以表示成： 一l x ( f ) = x ( k ) e x p ( j 2 7 r f k t ) g r ( t ) ( 2 1 ) ，、i1 0 f t 其中岛p ) = 1o其它为符号传输波形。x ( 七) 为第七个子载波上的传输 符号，五为第k 个子载波的频率，n 为总的载波数，它们在符号传输时间r 内满足以下的正交性关系： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 【e x p ( j 2 x l t ) e x p ( - j 2 ，r f t ) d t = 0 ， k ； ( 2 2 ) z r 显然，当以= 导，k = o ，n 一1 时，即子载波为符号持续时间的倒数，它们满 足上述关系。在接收端，传统上用多个正交载波解调器组来实现对发送信号 的解调。一般各子载波上的符号采用矩形波形传输，频谱为s i n c 函数，则 o f d m 信号的频谱为一系列频谱以后的s i n c 函数的叠加，如下图2 1 所示。 图2 1o f d m 信号的频谱 子载波的正交性还可以从频域的角度理解。根据上面的o f d m 表达式， 我们可以看到每个o f d m 符号在其周期丁内包括多个非零的子载波，因此其 频谱可以看作周期为丁的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的万 函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( f ) 函数，这种函数的零点出现在 频率为1 t 整数倍的位置上。这种形象可见上图，其中给出相互覆盖的各个 子信道内经过矩形波形成形得到的s i n c 函数频谱。在每一个子载波频谱的最 大值处，其他的子载波的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 过程中，需要计算这些点上所对应的每一个子载波频率的最大值，因此可以 从多个相互重叠的子载波符号频谱中提取出每个子载波符号，避免子信道间 干扰( i c l ) 。 2 3o f d m 的d f t 调制 o f d m 是一种多载波传输技术。设五( k - - 1 ，2 ，n ) 设为个子载波频 率，则一般的多载波己调信号在第f 个码元间隔内可以表示成 一l 墨( ，) = 五( 七，t ) e x p ( i 2 x f d ) ( 2 3 ) k = 0 其中，置( 七，) 是信号在第i 个码元间隔内所携带的信息，它决定了s ( f ) 的幅 度和相位，一般情况下它们是只与码元标号f 有关的复常数，它们携带了要 传输的信息；例如，若第k 个子载波采用q p s k 调制时，设采用万4 方式的 星座，当第f 个码元为 0 0 ”时，根据码元和星座的映射关系可以知道， 五( 豇f ) = 2 2 x ( 1 + j ) 。为叙述方便，在只需研究一个多载波信号码元的时 候，常常省略码元标号f ；而当子载波采用普通( 没有采用波形形成) 的q a m 或m p s k 调制时，与置( i ，f ) 和f 无关，从而将五( | i ，f ) 简写成x ( k ，f ) ，根据上 下文这样不会产生歧义。按上述约定，( 2 3 ) 式可以写成 - 1 t ( r ) = 置( 七，t ) e x p ( i 2 7 r f d ) ( 2 - 4 ) k = 0 我们希望这种多载波传输方式的频谱利用率要高，即子载波间隔要尽可 能小；还希望系统实现简单。 要实现上述多载波传输系统，一般需要个振荡源和相应的带通滤波器 组，系统结构复杂，体现不出多载波传输的优势。但是，经过细致的分析可 以发现，上述多载波传输系统的调制解调都可以利用离散傅里叶变换 ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 实现，由于d f t 有著名的快速算法f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ，使得多载波传输系统实现起来大为简化，特别是 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 利用f f t 实现的o f d m 系统，以其结构简单、频谱利用率高而受到广泛重 视。 下面分析多载波传输系统可以用d f t 实现的条件。 为确定子载波问的频率间隔，我们考虑接收端如何对信号解调。我们对 接收信号( 暂不考虑噪声和失真的影响) 以抽样率z 抽样，利用d f t 对抽样 信号进行解调。利用点的d f t 可以计算出信号的第k 个频谱分量为： 一1 s ( k a f ) = s ( n f , ) e x p ( - j 2 7 r n k n ) ( 2 5 ) 这里，s ( k a f ) 是第个频谱分量；s ( n f , ) ( ，z = 1 ，2 ，一1 ) 是抽样信号； a f = z n 是d f t 的分辨率。为使d f t 正确计算出频谱，信号必须在n 点 抽样以外周期性重复，当信号只含有该d f t 的谐波成份时，条件就能满足。 将，= n f , 代入