（通信与信息系统专业论文）降低ofdm系统中papr的方法及预失真技术的研究.pdf

摘要 摘要 本文首先介绍了下一代无线通信的主流技术正交频分复用( o l d m ) 、的研究历 史及其应用，阐述了其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。对文献中提到的峰平比的降低方法及线性化技术进行了概括总结；分析了 功率放大器的非线性对系统性能的影响，给出了几种常见的无记忆放大器的仿真 模型，以及介绍了预失真技术的基本原理。 为了减少发射机系统的非线性对传输信号的影响，提高其效率，一方面，从 直接降低o f d m 信号的峰平比的角度，研究了峰值加窗法，并在带外辐射和系统 接收误码率方面与限幅法进行了对比分析：另一方面，从放大器的角度出发，对 放大器进行预失真处理，研究了基于查询表的自适应预失真技术，针对其局限性 给出了一种线性化技术的改善方法一分段线性化，最后将其与查询表预失真技 术相结合进行研究，通过计算机仿真得出了有益的结论。 关键词：正交频分复用峰平比非线性失真预失真分段线性化 a b s t r a c t f i r s t l y , t h eh i s t o r ya n dt h ea p p l i c a t i o no f o f d mt e c h n i q u e ，ap r o m i s i n gw i r e l e s s d g i 协lm o d u l a t i o n 。t e c h n i q u eo ft h en e x t ；g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , a r e p r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h e nt h ec o n c e p ta n dt h ek e yt e c h n i q u e so fo f d ma r e d i s c u s s e d o n eo ft h ek e yt e c h n i q u e sc a l _ l e dt h ep e a k - t o - a v e r a g er a t i o n i s b r i e n y i n v e s t i g a t e da n dm o s to fp a ir r e d u n c t i o nt e c h n i q u e sa n dl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e si n t h el i t e r a t u r ea r eg e n e r a l i z e d t h ee f f e c t so fan o n l i n e a rp o w e ra m p l i f i e rw i t h o u t m e m o r yo no f d ms y s t e m a l ea l s og i v e n a n d ，t h e nt h ep r i n c i p i c o f p r c d i s t o r t i o n t e c h n i q u ei sa n a l y z e d f 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 to ft h e p o w e re f f i c i e n t , t w od i f f e r e n tp a ir r e d u c t i o ns t r u c t u r e sa r ep r o p o s e d w h i c hp e a k w i n d o w i n ga i m sd i r e c t l ya tp a ir r e d u c t i o no fo f d ms i g n a l ，w h i l ea d a p t i v ed i g i t a l p r e d i s t o r t i o nw h i c hi sb a e do nl o o k - u pt a b l ep u t si t se m p h a s i so nt h ep o w e ra m p l i f i e r l i n e a r i z a t i e n l a s t l ya l li m p r o v e da m e t h o do fl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u ec a l l e ds u b s e c t i o n l i n e a r i z a t i o ni si n t r o d u c e d , t h e nt h ec o m b i n a t i o no f t h e s et w ot e c h i n i q u e si sa l s os t u d i e d a n ds o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa l ea c h i e v e d k e y w o r d ：o f d mp a irn o n l i n e a rd i s t o r t i o n p r e d i s t o r t i o ns u b s e c t i o nl i n e a r i z a t l o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所里交的论文是我个人 在导师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傲了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人繇盏垃本人签名：呸塑翌：日期型呸乏& 西安电子科技大学 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间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，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、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：空趁堑： 导师繇弊 日期盟型 日期趔2i ：i ! 星 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 现在，移动用户的数量急剧增加，数据通信和多媒体业务随之增加。于是， 下一代无线移动通信对新技术的需求更加迫切，在任何时间、x 任何地点、向任何 个人实现高质量的、高数据传输速率的、高移动速率的、低功耗的无线移动多媒 体传输成了目标。 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( 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。然而，如果要求数 据传输率再进一步提高，3 g 中使用简单的c d m a 技术己经不能满足要求。于是， 以正交频分复用( 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。 与c d m a 相比，o f d m 具有如下优点“： 对于单蜂窝和多蜂窝环境，o f d m 性能远优于c d m a t ”。在单蜂窝环 境。o f d m 可允许同时通话的用户数为c d m a 的2 1 0 倍。对于多蜂窝环境，o f d m 可允许同时通话的用户数为c d m a 的0 7 4 倍。0 f d m 和c d m a 在用户容量上 的差异主要在于是否使用了蜂窝分区( c e l ls e c t o r i z a t i o n ) 和语音激合检测技术( v o i c e a c t i v i t yd e t e c t i o n ) 。如：用1 2 5 m h z 的带宽和1 9 5 k b p s 的用户数据率时，c d m a 在 单蜂窝系统中性能较差，在每个蜂窝( c e l l ) 中仅允许7 1 6 个用户同时通话，而 对于o f d m 系统则可达到1 2 8 个用户。这种c d m a 的低蜂窝容量( 1 0 wc e l lc a p a c i t y ) 是由于在反向传输链接中使用非正交码导致了较高的用户间干扰造成的。 o f d m 可容忍较大的多径时延扩展。事实上，多径信号在进行r a k e 接收 机处理后将导致接收信号加强。对应于3 0 k i n 的多径反射、低于1 0 0 z s 的时延扩展 都是可以忍受的。 2 降低o f d m 系统中p a ir 的方法及预失真技术的研究 o f d m 信号峰值的截除( c l i p p i n g ) 不会对系统性能产生较大影响。在错 误率较高时，信号的峰值功率可以被截除6 9 d b 。这将减少对o f d m 发射端输出 阶段的动态范围要求。 所以，对于高容量、高移动速度的无线移动通信系统而言，o f d m 是一个很 好的调制技术，并且在今后的无线移动通信网络发展中将扮演越来越重要的角色。 1 2o f d m 研究历史、应用 o f d m 的研究经历了一百多年曲折的发展，现在己经应用到不同的领域中。 然而，面对移动用户、移动速度，传输数据量的急剧增加，在高速移动环境下的 o f d m 无线移动通信系统关键技术仍是人们关注的热点和研究的难点。 o f d m 可以看成是一种特殊的频分复用( f r e q u e n c yd i v i s i m u l t i p l e x i n g , f d m ) 形式。它的发展经历了五个阶段： 第一阶段：极低频谱效率的f d m 技术阶段。该技术在一个世纪前就开始使用。 许多不同载频的低速信号在同一个宽带信道中进行并行传输，但是，为了在接收端 分离出这些信号，传统多载波系统中各载波频率要分隔开来，并在子信道之间利 用保护频带使各载波信号互不干扰，所以它的系统频谱效率很低。 第二阶段：最早的、高频谱效率的多载波通信系统阶段。该系统是在1 9 5 7 年 出现的c o l l i n sk i n e p l e x 系统嘲，该系统能在严重多径衰落效应的高频无线信道中实 现无线传输。为了提高频谱利用率，可使用相互交错的正交幅度调制技术。在3 d b 处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性通过交错同相或正交子带的数 据得到( 即将数据偏移半个周期) ，此时频谱利用率可以提高，但子载波总数有限。 由于该系统仍使用传统的多载波实现方式，各子信道两边的保护频带仍浪费了宝 贵的带宽，降低了系统频谱利用率。 第三阶段：多载波理论发展阶段。1 9 6 6 年，c h a n g 在他的文章中提出了传输信 号通过一个带宽受限的信道时无i s i 和i c i 的原理”1 9 6 7 年，s a l t z b e r g 经过性 能分析认为：设计一个有效的系统主要应该集中考虑如何降低邻信道间干扰，而 不是仅考虑每个独立的子信道情况，这是因为引起信号失真的主要原因是信道间 串扰m 。这是一个很重要的结论。 第四阶段：o f d m 无线移动通信系统理论形成阶段。各个子载波之间有1 2 的重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出来，避免使用滤波 器组，同时使用频谱效率提高近i 倍。为了减少多载波系统的复杂度，1 9 7 1 年 第一章绪论 3 s b w e i m t e i n 和p m e b e r t 提出了几个思想嘲：( i ) 每个子载波的频谱在没有经过 滤波时，其频谱形状为s i n c 函数且为非带限的；( 2 ) 离散傅立叶变换( d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m , d f t ) 可以完成多载波基带的调制和解调。( 3 ) 各符号间可以采 用空白时隙作为保护间隔以消除i s i 。1 9 8 0 年a p e l e d 和a r u i z 将空白时隙改为 了循环前缀以满足色散信道时各载波的正交性嘲。1 9 8 5 年，c i m i n i 将o f d m 思想 运用到无线蜂窝移动通信系统中田，从此奠定了o f d m 无线移动通信系统的理论 基础。 第五阶段：从理论到实用阶段。近十年来，大规模集成电路技术高速发展， 高速大点数f f t 芯片的实现已经不难，从而促进了o f d m 理论的广泛应用。 1 2 2o f d m 的应用 在有线环境中，o f d m 又名离散多音频( d i s c r e t e m u l t i t o n e 。d m t ) 调制。由 于其对抗时间色散信道的能力和对脉冲噪声、频域噪声的抑制作用，被用于非对 称数字用户环路( a 舒m m e ( r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e , a d s l ) 疆】和甚高速数字用 户环路( v e r y - h i g h - s p e e dd i 咖ls u b s c r i b e rl i n e ，v d s l ) 系统晰1 帕。作为调制技术， d m t 比正交幅度调制( q a m ) 能提供更高的下行速率和更远的传输距离，因而被 美国国家标准学会( a n s i ) 选定为a d s l 的传输使用标准。 在无线环境中，o f d m 应用比有线环境更加广泛。 ， 由于o f d m 具有很好的抗多径能力，在单频网( s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k , s in ) 的地面广播系统中具有强大优势。1 9 9 5 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 采用 o f d m 制定了数字音频广播系统( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 标准“小， 该标准可以提供与c d 媲美的语音质量、更新的数字业务以及更高的频谱效率“3 】。 1 9 9 7 年，基于o f d m 的地面数字视频广播系统( t e r r e s t r i a l d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g , d v b - t ) 标准“”也开始使用。 1 9 9 8 年7 月，基于i e e e 8 0 2 1 l a 的无线局域网( w t r e l e s $ l o c a la r e an e t w o r k , w l a n ) 标准把o f d m 作为其物理层传输方法，它是工作于2 4 g k zi s m 频段的 第一个w l a n 标准，用于5 g h z 频段内支持6 m b p s 到5 4 m b p s 的高速无线传输。 后来，h i g h - p e r f o r m a n c el a nt y p e2 ( h i p e r l a n 2 ) m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s s c o m m u n i c a t i o n ( i v l m a c ) 及m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o n ( m m a c ) 也相续把o f d m 作为其物理层传输方法啕n 帕“”。 o f d m 还被用于宽带固定无线接入系统l d m s “叮( l o c a lm u i r p o i n t d i s l r i b u f i o ns y s t e m 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 ) 环境的传输 方法。o f d m 不仅可作为传输方法，而且在多用户环境可以作为接入方式嘲。 尤其是o f d m 可以解决高速移动环境的i s i 问题，被作为第四代无线移动通信的 4 降低o f d m 系统中p a p r 的方法及预失真技术的研究 候选方案之一嘶1 嘲，用于实现超过2 m b p s 的移动无线多媒体和数据通信。 l - 3 论文的主题和工作安排 正交频分复用o f d m 是一种新型高效调制技术，它能够有效地对抗多径传播， 使受到干扰的信号能够可靠地接收，在移动环境中实现高速数据传输。遗憾的是， o f d m 信号具有较高的峰平比的缺点，由于大多数实际传输系统都是峰值功率受 限的，因此对发射机线性度提出了非常高的要求。要使o f d m 技术广泛应用，首 先必须解决其峰平比过高的问题，本论文的思想正是基于此而提出。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o f d m 系统中的高峰 平比问题。 论文共分为六章，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。 第三章首先介绍了高峰值产生的原因，给出了峰平比的定义及其统计特性， 介绍了降低峰平比的一些方法，重点讨论了限幅法和峰值加窗法。通过仿真对这 两种方法进行比较。 第四章对高功率放大器的非线性特性进行分析，同时给出了几种常用的放大 器仿真模型最后讨论了功率放大器的非线性特性对o f d m 信号的影响。 第五章重点研究了线性化技术中的自适应预失真。首先对文献中线性化技术 进行了概括，叙述了预夫真的基本原理。重点研究了查询表预失真技术。并针对 其局限性，给出一种线性化技术的改善方法分段线性化，将其与查询表预失 真技术相结合应用到o f d m 系统中。 最后第六章是对本文的总结，指出了未来的研究方向。 第二章o f d m 的基本原理5 第二章o f d m 的基本原理 在并行传输体制中，正交频分复用( o f d m ) 技术是一种可以解决信号在频率 选择性衰落信道中进行高速传输的有效方案。由于具有易均衡，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 多载波调制技术日益受到密切 关注。 2 1o f d m 调制技术概述 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 道的幅频特性曲线上出现零点和极点。设信道的最大多径时延差为，则定义i ， 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。 而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- 4 , 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 6 降低o f d m 系统中p a p r 的方法及预失真技术的研究 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 允许子载波 频谱部分重叠，只要满足子载波问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，更可完全消除码问干扰的影响；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 的基本原理 从数学的角度上看，o f d m 信号可用复数形式表示为 n - i j 。= 以( f ) e 脚 式( 2 一1 ) 劬 其中= + n a r o 式( 2 - 2 ) 为第n 个子载波角频率，d 。( f ) 为第n 个子载波上的复数信号，若设定在一个符号 周期t 内d 。( f ) 为定值，则有 d 。( f ) = 以式( 2 3 ) 若对信号s ( o 进行采样，采样间隔为r ，则有 r-i_1 s o ( k t ) - - d p 地盯= d 。p 胝+ 咖矽 式( 2 4 ) n = 0n - - - 0 假设一个符号周期f 内含有n 个采样值，即f = r 式( 2 5 ) o f d m 信号的产生首先是在基带实现，然后通过上变频产生输出信号。因此， 基带处理时可令c o o = 0 ，则式( 2 4 ) 可简化为 第二章o f d m 的基本原理 7 n - i j 删( 七d = d 。舌“归 式( 2 6 ) d l 将上式与离散傅立叶反变换i d f t 形式( 系数忽略) = 委h - i g ( k r ) g ( 静口删， = g ( 三口删 = o 式( 2 7 ) 相比较可以看出，若将d ( f ) 看作频域采样信号，则j 锄。( _ | 乃为对应的时域信号， 比较式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 可以看出，若令 a t 。亩。考 式( 2 - 8 ) 则二者相等。 由此可见，若选择载波频率间隔为l 厅，则o f d m 信号不但保持了各子载波间 相互正交，而且可以用离散傅立叶变换( o f t ) 来表示。如图2 1 所示。 图2 1 各个子载波正交性在时域的体现 在o f d m 系统中引入d f t 技术对并行数据进行调制和解调，其子带频谱是 8 1 1 1 x 函数而非带限，o f d m 信号频谱结构如图2 2 所示。 x ( 8 ) 单个o f d m 子带频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 2o f d m 信号频谱结构 为了使信号在哪( f f r ) 前后功率不变，在本论文中，d f t 均按下式定义： 降低o f d m 系统中p a p r 的方法及预失真技术的研究 d f r ： i d f t ： 础) = 面i 磊n - t 小) 唧( 一_ ，等雄) ( 。妣州) 式 删= 而1n 白- i 删d ，等盯) ( o ) 式( 2 - 1 。) 下图为o f d m 发射机和接收机框图： 图2 3o f d m 的系统框图 输入的二元串行数据序列先进行串并转换和编码映射，映射可以采用m p s k 、 q a m 等，每x 比特为一组映射成一个复数。该复数是信号星座中的一点，数据的 编码映射是在频域进行。然后对n 个复数( 一帧) 用i f f t 进行基带调制，转化为时 域信号。i d f t 的输出再经过并串变换最后加上循环前缀，它的方法是在时域内把 o f d m 符号的后面部分插入到该符号的开始部分，形成循环前缀。从而有效的对 抗由于多径时延带来的i s i 和i c i 。最后把o f d m 信号经过d a 转换及低通滤波后 调制到主载频，而后发射到信道。 o f d m 接收机执行发射机的逆操作，信道出来的信号先经过主载频解调、低 通滤波、a d 转换及串并变换后，再进行f f t 恢复出频域信号。对所得数据可以 进行单抽头或双抽头的简单均衡，以校正信道失真。然后把q a m 复数值映射为 第二章o f d m 的基本原理9 对应的二进制比特值。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 2 3o f d m 系统的关键技术 由上面的分析可知，o f d m 系统对频率偏差和定时误差非常敏感和存在高的 峰均功率比，这些都是o f d m 应用过程要解决的关键问题，同时由于无线环境下， 还存在着其它各种非理想因素。为了消除这些问题带来的影响，实际的o f d m 系 统常常采取以下关键技术； 一、时域和频域同步 o f d m 系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中与f d m a 、t d m a 和 c d m a 等多址方式结合使用时，时域和频域同步显得尤为重要。与其他数字通信 系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端 广播发送同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中， 来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站 根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基 站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步可以分为时域同 步和频域同步，也可以时域和频域同时进行同步。 二、信道估计 在o 】7 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弱信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须 不断地传送；二是复杂度较低和导频跟踪能力良好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。 三信道编码和交织 为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰弱 信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于信道中的突发错误，可以采用交织 技术。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。 在o f d m 系统中，如果信道衰弱不是太严重，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 机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，其中卷积码的效果比分组码好。 四、降低峰均功率比 l o降低o f d m 系统中p a p r 的方法及预失真技术的研究 由于o f d m 信号在时域上表现为n 个正交子载波的叠加，当这n 个信号恰好 都以峰值相加时，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较低，但为了不失真地传输这些高p a p r 的o f d m 信号， 发送端对高功率放大器的线性度要求也很高。因此，高的p a p r 使得o f d m 系统 的性能大大下降直接影响实际应用。 为了消除或者降低o f d m 系统高p a p r 对系统实现和性能的影响，人们做了 大量的研究和试验，概括起来主要分为两个方面：一类是从o f d m 信号着手，包 括限幅法( 剪波法) 、编码技术、相位旋转方法；另一类方法是对高频功率放大器 实行线性化技术，主要是放大器预失真方法。所以，要使o f d m 技术广泛应用， 首先必须解决其蜂平比过高的问题，本论文的思想正是基于此而提出，对o f d m 信号蜂平比的统计特性及降低方法作了研究。 2 4 本章小结 本章首先对o f d m 调制技术进行了一个简单的概述，其次分析了它的的基本 原理，并详细介绍了o f d m 的系统框图，最后讨论了o f d m 系统的关键技术。 第三章o f d m 系统中的峰均功率比 l l 第三章o f d m 系统中的峰均功率比 高峰均功率比( e 舡r ) 的存在，是o f d m 系统应用过程要解决的关键技术闯一 题。相对于单载波系统而言，o f d m 发射机的输出信号的瞬时值会有较大幅度的， 波动。这就要求系统内的一些器件，例如功率放大器、a d 、d a 转换器等具有很 大线性动态范围。而反过来，这些器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的相互干扰，从而影响系统的性能，因 此有必要对峰均功率比深入研究。 3 1 高峰值的产生 在单载波调制( 如f s k ，g m s k 等) 系统中，已调信号的包络是恒定值。在 这样的系统中，发射机的功率放大器可以工作在效率很高的非线性工作区，而输 出信号的频谱扩展和失真效应很小。为了形象化说明单载波的这种特性，下面我 们给出单载波q p s k 调制信号波形图： i i 。i _ u 。u 图3 1 单载波q p s k 调制信号波形 从图3 1 中我们可以直观的看到，单载波已调制信号的包络值是恒定。但是在 o f d m 系统中，当某个时刻多个子载波呈现同极性的峰值时，叠加后的信号便会 出现高峰值。子载波的个数越多，出现的峰值就越高。 在图3 2 中，我们给出了载波数为8 ，子载波采用q p s k 调制的o f d m 信号 波形图。如图所示，o f d m 信号的包络值是非恒定的，而是波动的，并且波动的 幅度还比较大。 从图3 2 我们已经看到在o f d m 信号中存在高峰值幅度，为了对0 f d m 信号 中不同幅度分量在信号中的概率比重有个形象化的了解，本文给出了信号瞬时幅 1 2降低o f d m 系统中p a p r 的方法及预失真技术的研究 度的相对概率分布函数。 图3 2 载波数为8 的o f d m 信号波形 仿真参数：1 0 0 0 个随机独立的o f d m 信号，每个o f d m 信号有1 0 2 4 个采样 点，载波数为1 2 8 ，子载波采用q p s k 调制。仿真数据如下； d = 。m 翦号内对阪 图3 3o f d m 信号瞬时幅度的相对概率分布函数 由图3 3 中，可以直观的看到幅度低的分量在整个信号中所占的相对概率比幅 度高的分量大。同时，随着幅度的增大，相对概率值是越来越低的。虽然，随着 幅度的增大概率密度越来越低但高幅值的存在必然对系统中的线性度提出很高 的要求，特别是对系统中的高功率放大器、d a 和a d 转换器等器件。目此，高 峰值的存在是o f d m 系统应用过程中的一个关键的问题。 3 2 峰均功率比的定义 通常情况下，一个信号s ( t ) 的峰值应该是其包络b ( f ) l 的最大值。由于信号幅度 最大值出现的概率非常小，用m a x ( s ( t ) p 来定义信号幅度峰值没有多大实际意义a 一种更有效的峰值定义方法是采用概率的方法，一个信号s ( t ) 在概率处的截断峰 第三章o f d m 系统中的峰均功率比 1 3 值为s 。，只要有： 只 i s o ) i 万2 = l f ( 万2 ) ”= l 一( 1 一，铲) ” 式( 3 8 ) 若采用过采样，上面的假设就不再成立了。这时很难得到信号p a p r 分布的 精确表达式。可假定n 个子载波过采样信号的p a p r 分布与a n 个子载波的未经 过采样信号的p a p r 分布大致相同，其中口取值大于l 。这样，过采样的影响大 致相当于额外增加一定数量的独立样点。过采样后的o f d m 信号的p a p r 值大于 门限j 2 的概率为： e 只t 咫 ，【行】 扩 - l f ( 万2 ) ”= 1 - ( 1 - e - 矿) “ 式( 3 - 9 ) o f d m 信号大的p a p r 值使其对功率放大器的非线性特别敏感。它要求功率 放大器要有高度的线性，因而对功率放大器进行线性化处理显得很有必要。 由式( 3 7 ) 得知，基带o f d m 系统，删b ”k | 的累积分布函数c d f ，则 在文献嘲中，给出了下式： p 以袱p 万2 = 1 一e - 8 z ) “ 式( 3 一l o ) 我们把该文献中的分析方法称之为传统分析方法，这种传统的分析方法误差 较大( 如图3 4 所示) ，其主要原因是该分析方法得出的是o f d m 信号的最大抽样 值，但最大抽样值并不一定对应带限o f d m 信号的最大峰值，尽管二者可能离的 很近。文献嘲则克服了传统分析方法的弊病，得出了与仿真结果基本一致的o f d m 信号峰平比的累积分布函数： p r 朋艘 ，【甩】 万2 ) *( ，苦尸舻眦 0 万 ) + 导6 a 3c o s ( 2 石( 2 五一石 ) + c 2 a 2c o s ( 2 j r + 以 ) + i 1 印a 2 c o s ( 2 x 2 f , f ) + c 2 a 2c o s ( 2 l r 2 a f ) + i 3 c ，c o s ( 2 石( 2 五+ 五 ) + 三c ，4 3 啦，r ( 2 ，2 + 五 ) + 扣彳3 c 。s ( 2 棚川+ i 1 c ，a 3c o s ( 2 蚋训 式) 我们由式( 4 - 6 ) 可以看出对于双音信号输入墨，输出信号( f ) 中不仅有输 入信号墨( f ) 的基频石，五分量，直流寄生分量，二次谐波频率2 z ，2 五分量和三 次谐波瓢，3 正分量，而且还包含二次互调频率石五分量和三次互调频率 2 f , 五，m + f 1 分量。在工作频带宽小于一个倍频的系统中，所有直流及 工五，2 f , ，2 五，3 工，3 五，2 z + 五，2 五+ 五等寄生信号分量都会落在通带以 外，并且可以用适当的滤波器将其过滤，所以三次互调频率分量2 石- a ，2 正一石才 是对整个系统的干扰最为显著的信号分量，也是功率放大器非线性的主要来源。 而且我们从上面分析也知道三次互调频率主要是由输入信号振幅的立方项引起 的，这就为以后我们设计多项式预失真器提供了有力的数学依据。 第四章高功率放大器的非线性分析 4 1 2 功放的舢蝴和舢m 特性 一般来说，收发信机部分都具有非线性特性。在离散时间域的最常见的非线 性来源于数模和模数转换器，而在连续时间域，则主要由高功率放大器h p a 引 起。系统非线性失真的实质就是在系统的输出信号中产生了输入信号中所没有的 新的频率分量。高功率放大器大多数用无记忆非线性做模型，其非线性主要表现 在两个方面，一个是输出信号的幅度响应非线性，即a m ，a m 转换时出现的非线 性，另一个是输出信号的相位响应非线性，即a m p m 转换时出现的非线性。 下面将输入信号表示成如下极坐标形式： 工= l 卅p j q w = p e 式陆乃 这样，输出信号的复包络表示如下： g g ) = f 瞄_ 7 o 扫d式( 4 - 8 ) 其中，f l p i 和m i p l 分别表示无记忆非线性的幅度幅度( a m a _ m ) 和幅度相位 ( a m f 髓i ) 转换特性 a _ m a m 的存在使得功放的输出不再是其输入的线性函数，从而导致非线性转 移。 m 帆l 失真是增益压缩直接表现出的结果。在通信系统中， m 胁l 效应的 存在，会使时延失真、微分相位、微分增益和交调失真变坏，同时，a m p m 失真 的存在将使输出的信号中存在调相分量，产生杂波干扰。 4 2 无记忆功放的仿真模型 当放大器有很大的带宽时，在这个带宽范围内任何相对较小的一部分带宽上， 传输特性相对于基带中心看来都是频率独立的。即当输入信号的带宽远远小于放 大器的固有带宽时，放大器的记忆效应可以忽略，因此在一般的基带传输系统中， 放大器模型均考虑为无记忆型。无记忆模型的推导主要来源于窄带激励测量数据。 4 2 1 理想软限幅器s l ( s o f tl i m i t e r ) 理想软限幅器的a m a m 和a m p m 的非线性特性可写为l f 翻= 佐暑 西纠= o 式件9 ) 式( 4 - 1 0 ) 由于a m p m 分量为0 ，s l 的非线性特性可重新表示如下： 舯 玄粥 柳- ， 降低o f d m 系统中p a p r 的方法及预失真技术的研究 尽管大多数物理器件不具备这种分段线性的特性，但如果放大器的非线性部分用 合适的预失真器”制进行了线性化，则s l 将是描述预失真后放大器的一个很好的 模型。 4 2 2 多项式模型 用多项式来近似功率放大器的a m a m 和a m p m 特性曲线是一种最简单的方 法，这一模型可以使仿真工作变得容易而有效。一种方法是采用两个多项式的级 联分别来模拟放大器的幅度和相位特性，如图4 1 ( a ) 所示；另一种方法是采用信号 的正交表示来模拟放大器的幅度和相位变化特性，如图4 1 所示。 ( a ) 级联模型 ( b ) 正交模型 图4 1a m a m 和a m p m 包络非线性方框图 图中g ( ) 、厂( ) 、彳( ) 、西( ) 都为实系数的无记忆多项式。如果不考虑放大器 对主区内信号失真的影响，可以对多项式进行进一步简化。由于偶次阶失真不会 影响主区内的信号失真，所得多项式只含奇次项。有关试验表明，一个五阶的奇 次多项式就足以拟和一般a 类放大器的幅度特性，一个九阶的奇次多项式就足以 拟和a 类放大器的相位特性。 在实际中，一般多是采用两个多项式的级联来分别模拟放大器的幅度和相位 特性娴。输出的非线性部分只与输入信号的模彳( f ) 有关，即幅度失真和相位失真 都是输入信号幅度彳的函数，上面已给出级联的符号方框图，下面给出其仿真 方框图，如图4 2 所示： 图4 2 仿真方框图 第四章高功率放大器的非线性分析 2 3 行波管功率放大器t w t a ( t r a v e l i n g - w a v et u b e a m p l i f i e r ) 行波管功率放大器是一种真空电子管器件，功率较大，工作频带较宽；在图 像显示和微波大功率产生应用方面占有绝对优势。t w t a 的传输响应中a m a m 失真和a m p m 失真相对都比较明显，我们用s a l e h 模型来描述t w t a , 令其 a m a m 响应函数和a m p m 响应函数分别为，( ) 和g ( ) ： ，( 爿) 2 而a o a 式佧1 2 ) 鲋) = 希 式) 其中吒，尼，屏，是模型参数，可以通过调整这四个参数得到适合的 固定模型。我们把模型参数设置为= 2 1 5 8 7 ，届- - 1 1 5 1 7 ，嘶- - 4 0 3 3 0 ， 昂- - 9 1 0 4 0 其归一化特性曲线如图4 ，3 所示： 魁 孽 由 皂 田 摔 图4 3 归一化的t w t a 特性曲线 对s a l e h 模型的a m a m 响应函数式( 4 1 2 ) 求偏导我们得到：当功率放大器模型” 输入值为彳。= l ，尾，即输入值达到放大器模型的输入饱和电压时，功率放大 器模型取得最大输出电压，( 由一，且，( 爿) 。= 口。屯，2 ，功率放大器的最大输出 电压决定了线性化方法可修正的输出最大值，如果功率放大器的输入电压值对应 的线性输出值大于功率放大器的最大输出电压值，其非线性失真是不能被补偿的。 同理我们可以得到功率放大器模型的最大相移为破。= 、越风。 s a l e h 采用最小均方误差技术用以上方程对测量数据进行拟和，结果表明， 降低o f d m 系统中p a p r 的方法及预失真技术的研究 厂( 4 ) 的均方误差只有0 0 1 4 伏特，而对应的g ( a ) 的均方误差只有o 5 度。s a l e h 模 型的简单以及对测量数据的高度拟和性能，使得其在近年来几乎所有的文献中都 被广泛接受