（通信与信息系统专业论文）ofdm中基于非畸变的papr抑制新技术研究.pdf

摘要 摘要 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 ) i 扫于具有抗 频率选择性衰落和频谱效率高等优点，成为未来移动通信的主流技术之一。然而， o f d m 系统固有的高峰值平均功率比( 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 ) 可能会 超过功率放大器( h p a , h i g hp o w e ra m p l i f i e r ) 的线性动态范围，从而引入非线性失 真而使o f d m 系统的性能严重下降。 为了避免高p a p r 带来的非线性失真，在o f d m 系统中，需要采用相应的 p a p r 抑制技术使信号幅度变化在功率放大器的允许范围之内。p a p r 抑制技术大 致可分为有畸变方法和非畸变方法两类。由于有畸变方法会导致信号失真和带外 辐射，使系统误比特率( b e r ，b i te r r o rr a t e ) 升高，因此本文主要研究常用的无畸变 p a p r 抑制方法：子载波预留算法( t 1 lt o n er e s e r v a t i o n ) 和部分传输序y u ( p t s ， p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ) 。并在此基础上提出了两种新的低复杂度p t s 算法。 本文第一章介绍了论文工作的研究背景和o f d m 系统原理，并指出了本文研 究的主要内容。 本文第二章介绍了p a p r 的定义和其在o f d m 系统中的分布，并对目前常用 的p a p r 抑制方法做了大致介绍。 本文第三章详细介绍了各种常见的t r 方案，并分析了各种方案的复杂度。通 过对各种t r 方案p a p r 抑制性能的仿真和性能对比，本章总结出最佳的子载波预 留方案，并和多信号替换算法进行了对比。 本文第四章分析了p t s 各个备选信号间的相关性，并以此为参考提出了两种 新的低复杂度p t s 算法。这两种算法分别通过减少p t s 算法中备选信号的搜索数 目和降低备选信号结合相位因子的数目进而降低p t s 的复杂度，并能取得与原p t s 算法相当的p a p r 抑制性能。 本文第五章是全文的总结，并提出了未来进一步的研究方向。 关键词：正交频分复用，峰值平均功率比，部分传输序列，子载波预留 a b s t r a c t a b s t r a c t o w n i n gt o t h eh i g l lb a n d w i d t he f f i c i e n c ya n dr e s i s t a n c et o 仔e q u e n c y - s e l e c t i v e f a d i n g ，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 ) h a sb e c o m eo n eo fm o s t p o p u l a rt e c h n i q u e sf o rw i r l e s sc o m m u n i c a t i o n si nf u t u r e h o w e v e r ，t h ei n h e r e n th i g l l 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 ) i no f d ms y s t e m sm a yc 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 s ，a n dt h e r e f o r ep r o d u c en o n l i n e a ro u t p u t a n dd e g r a d et h ep e r f o r m a n c es e r i o u s l y i no r d e rt oa v o i dt h en o n - l i n e a rd i s t o r t i o nc a u s e db yh i 9 1 1p a p r , i ti sn e c e s s a r yt o r e d u c et h ep a p ra n de n s u r et h ef l u c t u a t i o no fo f d ms i g n a l si nt h el i n e a rr e g i o no f h p a t h ep a p rr e d u c t i o nt e c h n o l o g i e sc o n s i s to fd i s t o r t e dm e t h o d sa n dd i s t o r t i o n l e s s m e t h o d s s i n c et h ed i s t o r t e dm e t h o d sw o u l dr e s u l ti ns i g n a ld i s t o r t i o na n do u t o f - b a n d r a d i a t i o n ，w ew i l lf o c u so nt h ed i s t o r t i o r d e s sm e t h o d s ：t o n er e s e r v a t i o n ( t r ) a n d p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ( p t s ) f i n a l l y ，t w on o v e lp t ss c h e m e s 埘t l ll o w e r c o m p l e x i t ya r ep r o p o s e d f i r s to fa l l ，c h a p t e rli n t r o d u c e sc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo f d ms y s t e m ，a n d s u m m a r i z e st h er e s e a r c ht o p i c si nt h i sd i s s e r t a t i o n c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o no fp a p ra sw e l la si t sd i s t r i b u t i o ni no f d m s y s t e m s a n dt h e nt h ec u r r e n tp o p l u l a rp a p rm e t h o d sa r ed i s c u s s e d c h a p t e r3p r o v i d e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o no fc u r r e n tt rs c h e m e s ，a n ds u m m a r i z e s t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo ft h e s es c h e m e s b ys i m u l a t i n ga n dc o m p a r i n gt h e s et r s c h e m e s ，t h eo p t i m a lt rs c h e m ei sc o n c l u d e da n dt h e nc o m p a r e d 、) r i t l lm u l t i p l es i g r l a l r e p r e s e n t a t i o n ( m s r ) m e t h o d s c h a p t e r4a n a l y z e st h ec o r r e l a t i o no fa l lc a n d i d a t e si np t s ，a n dt h e nt w on o v e l p t ss c h e m e s 、 r i t l ll o wc o m p l e x i t ya r ep r o p o s e d t h e s et w op t ss c h e m e se i t h e rr e d u c e t h en u m b e ro fc a n d i d a t es i g n a l so rd e c r e a s et h en t t m b e ro ff a c t o rc o m b i n a t i o ni ne a c h c a n d i d a t es i g n a lt or e d u c et h ew h o l ec o m p l e x i t yi np t s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h e yc o u l dm a k ead e s i r a b l ep a p rr e d u c t i o np e r f o r m a n c en e a rt h es a m ea st h a to f c o n v e n t i o n a lp t sw h i l ew i t hl o w e rc o m p l e x i t ya st h a to fc o n v e n t i o n a lp t s i i a b s t r a c t i nt h el a s tc h a p t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o n ，w es u m m a r i z e dw h o l et h e s i sa n dp o i n t e do u t t h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n si np a p rr e d u c t i o nf o ro f d ms y s t e m s k e y w o r d s ：o f d m ，p e a k t o - a v e r a g ep 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 e r e s e r v a t i o n i i i 图目录 图目录 图1 1o f d m 系统的调制原理3 图1 2o f d m 系统的解调原理4 图1 3 加入循环前缀的o f d m 符号4 图1 4o f d m 系统结构图。5 图1 5o f d m 信号的频谱图5 图2 1o f d m 信号时域波形图9 图2 2 不同调制下的o f d m 符号p a p r 性能对比图1 1 图2 3 不同采样因子下o f d m 信号p a p r 性能对比图1 2 图2 4 限幅法原理图1 3 图2 5 限幅法实现图1 3 图2 6 采用子载波预留算法的o f d m 原理示意图1 4 图2 7 选择映射法的基本框图1 5 图2 8 部分传输序列法的基本框图1 5 图3 1 峰值抵消原型向量p 。2 6 图3 2 多边形逼近示意图2 8 图3 3o f d m 时域信号在复平面上的采样点2 9 图3 4 时域信号平衡两个峰值示意图3 0 图3 5 预留子载波数为2 0 时p o c s 算法和s c r 算法对比3 5 图3 - 6 预留子载波数为1 2 8 时p o c s 算法和s c r 算法对比一3 5 图3 7 预留子载波数为2 0 时a c t i v e s e t 算法性能对比3 6 图3 8 预留子载波数为1 2 8 时a c t i v e s e t 算法性能对比3 7 图3 - 9s c r 预留子载波数为2 0 时s c r 和a c t i v e s e t 算法性能对比3 8 图3 1 0 预留子载波数为1 2 8 时s c r 和a c t i v e s e t 算法性能对比3 9 图3 1l 各种p a p r 抑制方法性能对比图4 0 图4 1 不同子载波下p t s 抑制p a p r 的性能( n = 6 4 、1 2 8 、2 5 6 、5 1 2 ) 4 4 图4 2 不同子载波下p t s 抑制p a p r 的性能( = 1 0 2 4 、2 0 4 8 、4 0 9 6 ) 。4 4 图4 3 不同分组的p t s 抑制p a p r 的性能4 5 图4 4 不同分组方式下p t s 抑制p a p r 的性能4 5 v i 图目录 图4 5p t s 中相位因子结合运算与i f f t 运算的复杂度对比( 肛2 ) 4 7 图4 - 6p t s 中相位因子结合运算与i f f t 运算的复杂度对比( 肛4 ) 4 8 图4 7 改进的p t s ( m = g ，胆2 ) 与传统p t s 及理论线的p a p r 性能比较5 4 图4 8 改进的p t s 兰8 ，职：2 ) 与传统p t s 的p a p r 抑制性能5 5 图4 - 9p t s 仅一个分割的相位因子不同时的两路备选信号幅度值对比5 7 图4 1 0 分组方案1 的低复杂度p t s 的p a p r 性能一5 9 图4 1 1 改进后的分组方案l 低复杂度p t s 的p a p r 性能。6 0 图4 1 2p t s ( m = 4 ，肛2 1 分组方案1 的分组6 0 图4 1 3p t s ( m = 4 ，胪2 ) 分组方案2 的分组一6 1 图4 1 4p t s ( m = 4 ，胪4 ) 分组方案l 的分组6 1 图4 15p t s ( m = 4 ，肛4 ) 分组方案2 的分组6 2 图4 1 6 低复杂度p t s 仁4 ，胪2 ) 两种分组方案的p a p r 性能对比6 3 图4 1 7 低复杂度p t s ( m - - 4 ，胪4 ) 两种分组方案的p a p r 性能对比6 4 i 表目录 表目录 表3 - 1p o c s 算法的等价复杂度2 1 表3 2s c r 算法的等价复杂度2 4 表3 3 基于实基带信号a c t i v e s e t 算法的等价复杂度3 3 表3 - 4 基于实基带信号a c t i v e s e t 多边形逼近算法的等价复杂度。3 3 表3 5 基于复基带信号a c t i v e s e t 算法的等价复杂度。3 4 表3 - 6p o c s 算法和s c r 算法复杂度对比3 6 表3 7 a c t i v e s e t 算法复杂度对比3 7 表3 8s c r 算法和基于复信号a c t i v e s e t 算法复杂度对比。3 9 表3 - 9p t s 和s l m 的复杂度4 0 表3 1 0s l m 算法和基于复信号a c t i v e s e t 算法复杂度对比4 1 表3 11p t s 算法和基于复信号a c t i v e s e t 算法复杂度对比4 1 表4 - 1 传统p t s 中相位因子结合运算与i f f t 运算的复杂度之比4 8 表4 2 改进的p t s 三8 ，g r = 2 ) 与传统p t s 相位因子结合部分的复杂度之比 ! ；! ； 表4 3 分组方案1 的低复杂度p t s 算法相位因子结合部分的复杂度5 9 表4 4 低复杂度p t s ( m - - - 4 ，肜：2 ) 两种分组方案与传统p t s 相位因子结合部 分的复杂度之比6 4 表4 5 低复杂度p t s 似_ 4 ，胪= 4 ) 两种分组方案与传统p t s 相位因子结合部 分的复杂度之比6 5 v i i i 缩略词表 英文缩写英文全称 1 g 2 g 3 g 4 g b 3 g b e r c c d f c d f c d m a c f o c p d f t f d m a f f t g s m h p a i c i i d f t i e e e i f f t i m d i s i o f d m p a p r p o c s p t s s c r s l m t d m a i 豫 q a m 1 吼g e n e r a t i o n 2 “dg e n e r a t i o n 3 坩g e n e r a t i o n 4 mg e n e r a t i o n b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n b i te r r o rr a t i o 缩略词表 中文释义 第一代移动通信 第二代移动通信 第三代移动通信 第四代移动通信 后3 g 移动通信系统 误比特率 o m p l e m e n t a d ， c 哪u l a t i v e d i s t r i b u t i o n 互补累积分布函数 t u r i c t l o n 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 o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e c y c l i cp r e f i x d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m f 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 f a s tf o u r i e rt r a n s f 0 1 i l l g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n h i g hp o w e ra m p l i f i e r i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r r n i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o 彻 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 n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 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 ep o w e rr a t i o p r o j e c t i o n o n t o c o n v e x s e t s p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s i g n a lt oc l i p p i n gn o i s er a t i o s e l e c t i v em a p p i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s t o n er e s e r v a t i o n q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n i x 累积分布函数 码分多址 载波频率偏移 循环前缀 离散傅立叶变换 频分多址 快速傅立叶变换 全球移动通信系统 功率放大器 载波间干扰 离散傅立叶反变换 美国电气及电子工 程师学会 快速傅立叶反变换 交调失真 符号间干扰 正交频分复用 峰值功率与平均功 率比 投影到凸集 部分传输序列 信号限幅噪声比 选择性映射 时分复用 子载波预留 正交幅度调制 符号表 符号数学含义 变量 常量 向量 向量元素 矩阵 矩阵元素 单位阵 i f f t 变换矩阵 i f f t 变换矩阵第n 行 转置 共轭转置 数学期望 方差 求和 求最小值 不等于 约等于 远大于 取实部 取虚部 虚数单位 求最大值 求最小值 求取最小值自变量 属于集合 符号表 x 字体和说明 小写斜体 大写 小写粗体 向量a 的第i 个元素 大写粗体，聊行聆列 矩阵a 第i 行第，列所对应的元素 n 维单位阵 = 瓜 n、_、v，马 利口4 a q气q盯叫矿叫州州，叫叫一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：銎薹查垒 日期：z 口。气年乡月z 乡日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 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 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：垫盘查垒翩签名：匐逛 日期：如。年v 箩 月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文的研究背景及意义 1 1 1 移动通信发展趋势 回顾历史，从二十世纪八十年代中期第一代移动通信系统商用开始，到现在 全球范围内正在逐步商用的第三代移动通信系统，短短二十余年时间里移动通信 不断向前发展，可谓日新月异。现在的移动通信正稳步朝着“任何人( w h o e v e r ) 在 任何时间( w h e n e v e o 、任何地点( w h e r e v e r ) 可以和任何人( w h o m e v e r ) 进行任何方式 ( w h a t e v e r ) 通信”的5 w 目标迈进。 在移动通信的发展史中，第一代为模拟通信系统，采用频分多址( f d m a ， 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 a c c e s s ) 的调制方式，仅能提供语音服务；第二代为 数字通信系统，采用时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ) 的调制方 式，可以提供语音服务和低速率的数据业务，以欧洲的全球移动通信系统( g s m ， g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) 为典型代表；第三代也为数字通信系统，主要以码分多址 ( c d m & c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 为核心，除提供优良的语音服务外，还支持 多媒体业务和向下兼容第二代移动通信技术。第三代移动通信系统的标准主要有 美国提出的c d m a 2 0 0 0 、欧洲和日本提出的w c d m a 、及中国提出的t d s c d m a 。 特别是现在中国3 g 牌照的正式发放和中国移动在国内大规模推进t d s c d m a 的 商用，给移动通信系统带来新一波的发展热潮。 尽管第三代移动通信系统的正式商用才起步不久，但移动通信快速发展的脚 步依旧没有停止。新一代移动通信系统，也称4 g 或b e y o n d3 0 正在兴起，全球的 专家和学者对其投入了前所未有的关注。正交频分复用心1 ( o f d m 。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 ) 是新一代移动通信技术中的关键技术，可以在有限 的频谱上提供高达1 0 0 m b i t s 的传输速率，同时还能和其他技术集合进一步提高系 统容量和改善通信品质，并且拥有更低的成本。o f d m 技术在新一代移动通信系 统中具有良好应用前景，因此我们应该投入相当的科研力量进行研究，以促进新 一代的通信系统的快速发展。 电子科技大学硕士学位论文 1 1 2o f d m 系统概述 1 1 2 1o f d m 技术的发展与现状 早在2 0 世纪5 0 年代中期，o f d m 技术已经开始受到人们的关注，但由于当 时硬件实现的问题，一直没有得到大规模的商用，而仅在些高频军事系统中得 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。直到19 7 1 年w e i s t e i n 和e b e r t 口3 把 离散傅立叶变化( d f t ) 应用到o f d m 系统中，只需要基带处理就可以实现o f d m ， 避免了子载波振荡器组以及相干解调器，加之d f t 变化可以通过快速傅立叶变换 ( f f t ) 硬件实现，极大地促进了o f d m 系统的大规模商用。 2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 技术逐渐开始在数字音频广播( d a b ) ，数字视频 广播( d v b ) ，高速数字用户环路( h d s l ) 得到应用以及各种无线标准中得到广泛应 用。欧洲电信标准协会( e t s i ) 在1 9 9 5 年制定了基于o f d m 技术的d a b 标准，接 着在1 9 9 7 年制定了基于o f d m 技术的d v b 标准；1 9 9 8 年i e e e 9 0 2 1 1 标准组选 择o f d m 为w l a n 的物理层接入方案，这也是o f d m 第一次用到分组业务通信 中；1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 1 a 的一个5 g h z 的无线局域网标准采用o f d m 技术作为物 理层标准；2 0 0 3 年开始制定的i e e e s 0 2 2 0 移动宽带接入( m b w a ) 标准主要采用 o f d m 技术；城域网标准i e e e 8 0 2 1 6 和第三代移动通信长期演进( l t e ， l o n g t e r m - e v o l u t i o n ) 的提案中，o f d m 也是作为不可或缺的物理层关键技术。 o f d m 系统具有频谱利用率高、抗多径衰落能力强和硬件实现容易等诸多优 势，是下一代移动通信系统( b e y o n d3 g 或4 6 ) 的关键技术之一，加之人们对无线 通信宽带化、个人化和移动化的需求，o f d m 技术必将得到进一步的发展和更加 广泛的运用。 1 1 2 2o f d m 的基本原理 o f d m 系统的基本原理是将高速的数据流通过串并变换，变为相对低速的数 据流后分配到若干相互正交的子信道上并行传输。由于o f d m 系统各子信道的频 谱是相互重叠，因此提高了频谱效率：同时，并行传输使得单个子信道中的符号 在时域上周期上得到增加，因此可以减轻由于无线信道的多径衰落所引起的时延 扩展。 o f d m 系统首先将可用频谱分为相互正交的子信道，每一个信道各自进行相 应的调制并传输数据，其等效基带信号可以表示为： 2 第一章绪论 s ( r ) = p 7 2 哪= 吼( ，) ，o ，i ( 1 - 1 ) 其中五= f o + | v ，兀为信号载频，鲈为各个子载波的频率间隔，五为o f d m 的 符号周期，统( f ) 满足： 则吖篓 m 2 ， 根据以上分析，图1 1 给出了o f d m 系统的基本调制原理。 _ 炉 毒 露并 + 转 ： 换 轴 图1 1o f d m 系统的调制原理 在馁收输，为j 止饷地肼调o f d m 佰亏，付亏待绥町1 日j 需曼足够长，比卿 t s a f = l ，这就是所谓的正交条件，即是 軎k ( f 妨防= i 1t j t e j 2 j r ( a _ a ) t d t = 孑1t j s e j 2 # ( k _ 1 ) 斯d t = 研j | 一，】 ( 1 - 3 ) a t s0l s0l s0 其中研i j 一l 】是狄拉克函数，定义为： 驯= 话刀二巍 m 4 ， 式( 1 3 ) 表明 饩p ) ) = 是一系列正交函数，因此o f d m 信号可以使用以下方式解调： 去了s 。，e 一口万厶7 m = 毒了( 筹_ 仍。，) 。，刃= 篓j ，万c 七一z ，= c ，- 5 ， 榀辗以卜分析。图1 2 给m 了o f d m 系统的甚本懈调原理。 3 电子科技大学硕士学位论文 收旷叫堡坌p 并 接收信号。叫这卜岖乎 富 ； 转 p 2 互 一1 7 换 岖卜呸l 冯 图1 - 2o f d m 系统的解调原理 对于公式( 1 1 ) 所表示的连续时间o f d m 信号，如果如果以乙= n 间隔进行 采样，则其相应的离散时间o f d m 信号可以写成： 一1 ，甩 叉= s ( n a ，) = z s k e 1 2 x n t k f f - , ( 0 尼n 一1 ) ( 1 - 6 ) 为了不失一般性，设f o = o ，五互= k ，则式( 1 - 6 ) n - j 以进一步化简为： 最= 叩口枷= i d f t s k ) ( 1 - 7 ) 此时，o f d m 信号发射端可以利用i d f t ( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 来 实现调制处理，在接收端可用其逆运算d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 来实现解调 处理。由于点的d f t i d f t 运算需要2 次的复数乘法，实际运用中常采用成熟 的快速傅立叶变换对( f f t i f f t ) n 3 来简化o f d m 的调制、解调过程，这样就大大提 高了运算速率和降低了实现难度。 此外，o f d m 系统由于多径而存在载波间干扰( i c l ，i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ， 为了消除i c i ，需要在o f d m 符号之间插入保护间隔，且保证保护间隔大于无线 信道的最大时延扩展。保护间隔一般采用循环前缀晦1 ( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 的方式来生 成，即把o f d m 符号的后端数据复制到前缀中去，如图1 3 所示。 厂丽讼i 图1 - 3 加入循环前缀的o f d m 符号 4 第一章绪论 综上所述，实际系统中一个完整的o f d m 框图如图1 4 所示。 _ - _ _ 一 1 1 2 3o f d m 系统的优缺点 图1 4o f d m 系统结构图 目前o f d m 系统已经得到人们越来越多的关注，其原因在于o f d m 技术与传 统的相关技术相比主要有以下优势： ( 1 ) o f d m 系统各个子载波间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此 o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源，具有很高的频谱效率，如图1 5 所示； 图1 5o f d m 信号的频谱图 ( 2 ) o f d m 技术每赫兹的带宽比常规的频分复用系统高，并且可以和m i m o 技 术相结合，这样无线系统的容量也就更大； 5 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) o f d m 技术不需要使用多个发送和接收滤波器组，可以使用基带i f f t f f t 处理来快速实现，因此o f d m 系统的载波数可以做到很大，而传统的多载波系统 由于过高的复杂度而无法实现很大的载波数； ( 4 ) o f d m 系统容易与其他多种接入方法结合使用构成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； ( 5 ) o f d m 系统中各子载波的调制方式可以灵活控制。o f d m 系统中，对一个 用户不适用的子信道对其他用户来说可能是性能较好的子信道，因此可以通过动 态调制方式充分利用衰落小的子信道，避免深衰落子信道对系统性的影响。 但是，o f d m 系统也存在以下两个主要缺点： ( 1 ) 频率偏移( c f o ，c a r d e rf r e q u e n c yo f f s e t ) 哺3 影响大：由于o f d m 系统子信 道的频谱相互覆盖，因此正交性变得十分重要。然而无线信道中的多普勒频移或 发射机载波频率与接收机振荡器之间的频率偏差都会破环正交性，从而使o f d m 系统中存在i c i ，降低系统性能； ( 2 ) 峰值平均功率比1 ( 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 ，简称峰平比) 较高： 由于o f d m 系统的输出是多个子信道信号的叠加，当多个信号的相位一致时，叠 加的信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致较大的p a p r 。p a p r 过 高使得发射机内放大器的的动态范围不能满足信号的变化，给信号带来畸变而导 致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，使系统性能恶化。 针对o f d m 系统p a p r 过高的问题，本文将重点研究其对应的各种解决方法， 并在现有研究的基础上，提出了更加有效的抑制p a p r 新方法。 1 2 本论文的主要研究内容和创新 1 2 1 课题来源 本论文课题主要来源于与d o c o m o 公司北京实验室的三个合作项目： 2 0 0 5 10 _ 2 0 0 6 6 与d o c o m o 公司合作项目：p e a k - t o a v e r a g ep o w e r r a t i or e d u c t i o nt e c h n i q u e sf o rm i m o o f d ms y s t e m s ； 2 0 0 6 8 _ 2 0 0 7 7 与d o c o m o 公司合作项目： a d v a n c e dp e a k t o - a v e r a g e p o w e rr a t i or e d u c t i o nt e c h n i q u e sf o ru p l i n ko f d m a s y s t e m ； 2 0 0 7 9 - 2 0 0 8 9 与d o c o m o 公司合作项目：t o n er e s e r v a t i o nf o rp a p r r e d u c t i o ni nm u l t i c a r r i e rs y s t e m 6 第一章绪论 在上述项目中，本文作者参与了在o f d m 系统中对各种常见的p a p r 抑制方 法的计算机仿真，性能分析和对比，以及改进现有的p a p r 抑制方法。 1 2 2 论文研究的核心问题 o f d m 系统的输出是多个子信道的叠加，当多个子信道信号的相位一致时就会 导致p a p r 过高而使信号的峰值功率超过发射机内放大器的动态范围，进而引入 非线性失真，使o f d m 系统误比特率( b e r ) 升高，性能严重下降。 因此如何在o f d m 系统中降低过高的p a p r ，特别是以较低复杂度代价取得较 好的p a p r 抑制效果，并且不给系统带来失真，是o f d m 系统中非常具有研究价 值的问题。因此本文主要研究o f d m 系统中非畸变的p a p r 抑制技术，特别是如 何降低现有非畸变技术的实现复杂度。 1 2 3 主要内容及创新 针对o f d m 系统中存在p a p r 过高的问题，本文介绍了常见的p a p r 抑制方 法。由于有畸变方法会导致信号失真和带外辐射，使系统误比特率( b e r ) 升高，本 文重点分析了非畸变方法中较流行的子载波预留算法和p t s 算法。 对于子载波预留的p a p r 抑制方法，本文详细推导了各种子载波预留方案的实 现复杂度，并通过大量的仿真分析了各种子载波预留方案的p a p r 抑制性能和复 杂度对比，最后总结出在等复杂度下p a p r 抑制性能最优的子载波预留方案并和 多信号替换算法进行了对比。 对于p t s 算法，本文详细地分析了该算法的复杂度，得出其相位因子结合部 分的复杂度要大于i f f t 部分，因此要降低p t s 的复杂度便要首先考虑降低相位因 子结合部分的复杂度。在此基础上，本文对p t s 各个备选信号间相关性做了详细 得分析，并提出了两种新的低复杂度p t s 算法。仿真表明，本文提出的两种新的 低复杂度p t s 算法和传统p t s 的p a p r 抑制性能十分接近，且拥有比传统p t s 更 低的复杂度。 1 3 本论文的结构安排 第二章介绍了p a p r 的定义和o f d m 系统中的分布，并对目前最常用的p a p r 抑制方法做出了简单的说明。 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章详细的介绍了子载波预留算法及常见的各种子载波预留方案。通过详细 的复杂度分析，本章给出了各种子载波预留方案实现复杂度。之后，本章对各种 子载波预留方案的p a p r 抑制性能做了大量的仿真和性能对比，总结出最佳的子 载波预留方案，并和多信号替换的p a p r 性能进行对比。 第四章分析了p t s 各个备选信号间的相关性，并以此为参考提出了两种新的 低复杂度p t s 算法。这两种新算法分别通过减少p t s 算法中备选信号的搜索数目 和降低每一路备选信号相位因子结合的数目进而降低p t s 的复杂度。在和原始p t s 的p a p r 抑制性能近似的情况下，本文提出的两种新p t s 算法具有更低的复杂度。 第五章是全文的总结，并提出了未来进一步的研究方向。 8 第二章o f d m 系统的峰平比 2 1p a p r 概述 第二章o f d m 系统的峰平比 o f d m 是个多载波系统，其信号在时域上表现为_ v 个正交子载波信号的叠加。 当子载波个数较大时，由中心极限定理可知o f d m 信号时域波形近似为一个高斯 随机过程，其包络具有不稳定性，如图2 - 1 所示。 时域信号样值点 图2 一lo f d m 信号时域波形图 通常将一殷时间内，最大峰值功率与平均功率的比值，称之为峰平比( p a p r ) 。 当子载波数很大时，发射功率剧烈的变化对射频放大器的设计提出了很高的要求， 阻碍了o f d m 技术的实际应用。因此在o f d m 系统中，p a p r 的分析和抑制就变 得尤为重要。 2 1 1p a p r 的定义 对于o f d m 信号包络的不恒定性，研究中通常采用峰平比( 附r ) 来描述其特 性。连续信号中，定义信号瞬时峰平比为信号的瞬时功率与平均功率的比值： 一艘( t ) = 1 0 1 9 警 c d b 一。， 口， 其中巴为平均功率： o = 捌s ( t ) 门 ( 0 t )( 2 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 接着定义信号的最大峰平比为： 敞一= m , a x ( p a p r ( t ) ) ( 2 3 ) 从式( 2 3 ) n