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文档简介

摘要 摘要 m i m o o f d m 技术不仅能提高频谱效率,而且具有良好的抗多径干扰能力, 已成为第四代移动通信系统的关键技术之一,但有些关键问题需要进一步的完善。 m i m o o f d m 系统的主要缺点之一是其信号对多普勒频移非常敏感,微小的频率 偏移即可造成严重的子载波间干扰0 c i ) 。在未来移动通信系统中,载波频率更高, 移动速度更快,多普勒频移造成的子载波间于扰将成为一个待解决的难题。 m i m o o f d m 系统的另一个主要缺陷是其具有较高的峰值平均功率比( p a p r ) ,从 而当信号的峰值超过功率放大器( h p a ) 的线性动态范围时,会引入非线性失真,影 响信号的传输性能。 为了避免高p a p r 带来的非线性失真,本文分析了o f d m 移动通信系统中的 p a p r 抑制技术,重点对限幅滤波技术进行了深入的研究,通过对峰值较高的信号 进行削波处理,使信号幅度变化在功率放大器的允许范围内。 为了抑制i c i 对系统的干扰,本文分析了o f d m 系统及m i m o o f d m 系统中 的信道估计、i c i 抑制技术。在此基础上,提出了基于迭代干扰抑制的时变信道估 计算法。通过对噪声干扰的迭代抑制,提高了信道估计的精度。为了进一步提高 频谱利用率,本文又提出了基于优化导频图案的时变信道估计算法,该算法假设 信道的多径信息( 多径数和多径时延) 在一帧周期内保持不变,通过优化导频结构来 降低导频数目,提高频谱利用率,而信道估计精度逼近基于迭代干扰抑制的时变 信道估计算法。本文最后提出了一种基于循环滑窗的m i m o o f d m 系统i c i 抑制 算法,该算法较传统的i c i 抑制算法复杂度有所降低,但其对i c l 的抑制性能损失 较小。 本文第一章回顾了移动通信发展的历史,介绍了m i m o 技术、o f d m 技术以 及m i m o o f d m 技术,说明了m i m o o f d m 技术是下一代移动通信的核心技术, 并指出p a p r 抑制和i c i 抑制技术是m i m o o f d m 系统中的关键技术。 本文第二章研究了o f d m 系统中的p a p r 抑制技术,在分析传统的p a p r 抑 制技术基础上,深入研究了一种低复杂度的限幅滤波技术,该算法可用一次限幅 滤波过程取代传统算法中的多次迭代限幅滤波,降低了实现复杂度,并从数字仿 真和实验两方面论证了算法的有效性。 摘要 本文第三章研究了m i m o o f d m 系统中i c i 抑制技术,分析了现有的i c i 抑 制技术,提出了一种基于循环滑窗的m i m o o f d m 系统i c i 抑制技术,该方法只 考虑产生本天线以及天线间i c i 的主要几个子载波的影响,在性能损失很小的前提 下,有效降低计算复杂度。 本文第四章研究了o f d m 系统中的时变信道估计算法。首先分析了o f d m 系 统中典型的时便信道估计算法,通过对典型时变信道估计算法的改进,提出了一 种基于迭代干扰抑制的时变信道估计算法,有效提高了信道估计的精度。另外, 结合o f d m 系统发射信号具有帧结构的特点,假设信道多径信息在一帧周期内保 持不变,提出了基于优化导频图案的时变道估计算法,该算法只需在每帧的第一 个符号进行信道多径数及多径时延的估计,其余符号直接利用第一个符号确定的 信道信息估计本符号内的信道冲激响应。该算法不仅降低了计算复杂度,而且有 效提高了频谱利用率。 最后,第五章对全文进行了概括性的总结,明确了下一步有待进行的工作和 未来的一些研究方向。 关键词t 正交频分复用,多天线,载波间干扰,峰均比,信道估计 l l a b s t r a e t a b s t r a c t m i m o - o f d mi so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so f 4 gf o ri t sh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c y a n dt h ea b i l i t yt oc o m b a tm u l t i - p a t hf u d i n g b u ts o m ek e yp r o b l e m ss t i l ln e e dt ob e o p t i m i z e d o n eo ft h em a i nd i s a d v a n t a g e si nm i m o o f d ms y s t e mt h a ts i g n a li sv e r y s e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e t ,e v e nt i n yo f f s e tm a k e ss e r i o u si n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) t h e r ew i l lb em o r es u b c a r r i e r s 、h i g h e rc a r r i e rf r e q u e n c ya n d f a s t e rm o b i l es p e e d i nt h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ,s ot h ei n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c ec a u s e db yd o p p l e r s h i f tf r e q u e n c yw i l lb eap r o b l e mt ob es o l v e d a n o t h e rm a j o rs h o r t c o m i n gi si t sh i g l l r e a l a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) ,w h e n t h ep e a r kp o w e ro v e rp o w e ra m p l i f i e r ( h p a ) o fl i n e a rd y n a m i cr a n g e ,t h e nt h en o n l i n e a rd i s t o r t i o nw i l la f f e c ts i g n a lt r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e 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 yt h eh i g hp a p r ,w ea n a l y s i st h e e x i s t e dp a p rs u p p r e s s i o nm e t h o d s a st ot h ei c is u p p r e s s i o nt e c h n o l o g y , w ed i s c u s s t h a ti nb o t ho f d ma n dm i m o o f d ms y s t e m t h e n ,w ep r o p o s ean e wc h a n n e l e s t i m a t i o nm e t h o df o ro f d mi nt i m e - v a r i a n tm u l t i p a t hc h a n n e la n dp r e s e n tan o v e l i c is u p p r e s s i o na l g o r i t h mi nm i m o - o f d ms y s t e mw i t l ll o wc o m p l e x i t y t h i sf i r s t c h a p t e r r e v i e w st h e h i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n t o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s f i r s t l y ,w ei n t r o d u c e t h em i m o 、o f d m 、a n dm i m o o f d m t e c h n o l o g i e s a n dw ei n d i c a t et h a tb o n lt h ei c ia n dp a p rs u p p r e s s i o nt e c h n o l o g i e sa r e k e yt e c h n o l o g i e si nm i m o o f d ms y s t e m t h es e c o n dc h a p t e rd i s c u s s e st h ep a p rp r o b l e m si no f d ms y s t e m w ep r e s e n t b o t ht h et r a d i t i o n a lp a p rs u p p r e s s i o na n dc l i p p i n gt e c h n o l o g yw i t hl o wc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y s i m u l a t i o nr e s u l ta n de x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so f t h el a t e r a l g o r i t h m i nt h et h i r dc h a p t e r , i c ip r o b l e mi sa n a l y s i z e di nm i m o - o f d ms y s t e m w e a n a l y s i st h ee x i s t e dm e t h o d so fi c is u p p r e s s i o n a n dt h e n , w ep r o p o s ean o v e li c i s u p p r e s s i o na l g o r i t h mw i t l ll o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y an e wc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o df o ro f d mi nt i m e - v a r i a n tm u l t i - p a t h e n v i r o n m e n ti sp r e s e n t e di nt h ef o u r t hc h a p t e r s u c hm e t h o dc a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s s n o i s ea n di n t e r f e r e n c et oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fe s t i m a t i o n g e n e r a l l y ,s e v e r a lo f d m b l o c k sf o r maf r a m e ,a n dt h e na r et r a n s m i t t e d a s s u m i n gt h ep o s i t i o n so fm u l t i p l ep a t h s a r en o tc h a n g e di no n eb l o c kd m a t i o 玛w ep r o p o s ean e wc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d i i i a b s t r a c t b a s e do np i l o t ss t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n , w h i c hh a sl o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n d h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so fs u c hm e t h o d f i n a l l y ,i nc h a p t e r5 ,s o m ec o n c l u s i o nt ot h ew h o l ed i s s e r t a t i o n i sg i v e n ,a n d f u r t h e rr e s e a r c hi s s u e sa n dp o s s i b l er e s e a r c hd i r e c t i o n sa l ep o i n t e do u t k e y w o r d s :m i m o ,o f d m ,c h a n n e le s t i m a t i o n ,p a p r ,i c i i v 图形列表 图1 1 图1 2 图1 3 图1 - 4 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 - 8 图2 9 图2 - 1 0 图2 - 1 1 图2 - 1 2 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 - 1 0 图3 1 1 图形列表 m i m o 系统模型2 o f d m 信号频谱图4 o f d m 系统框图4 m i m o o f d m 系统模型7 o f d m 信号瞬时峰值平均功率比示意图1 0 限幅方法原理图1 2 o f d m 系统限幅+ 过采样滤波原理图。1 2 简化限幅滤波模块1 4 不同限幅算法在门限6 d b 时的c c d f 性能比较1 6 不同限幅算法在门限3 d b 时的c c d f 性能比较。1 6 不同限幅算法在门限6 d b 时的误码率性能比较1 7 不同限幅算法在门限3 d b 时的误码率性能比较。1 7 实验系统示意图18 未限幅的c c d f 曲线图18 限幅门限6 d b 的c c d f 曲线图。1 9 限幅门限3 5 d b 的c c d f 曲线图1 9 h t l 结构特性示意图2 2 时不变信道模型2 2 线性时变信道模型2 4 e s r 与归一化多普勒频移关系曲线2 4 i c i 系数与载波间距的关系曲线= 0 2 ) 2 7 传统o f d m 与z h a o h a g g t n a n 方法的比较2 8 时域加窗技术原理图2 8 o f d m 系统时域接收信号2 9 循环滑窗法示意图3 3 不同相邻载波的循环滑窗法仇- - 0 0 2 5 6 ) 3 5 不同相邻载波的循环滑窗法( 萨0 1 ) 3 5 l 图形列表 图3 - 1 2 图4 - 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 - 6 图4 - 7 图4 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 - 1 4 相邻3 个载波的循环滑窗法在迭代软判下的决性能曲线f f d = o 1 ) 3 6 时频域信道分类3 8 方形二维导频图案4 0 固定门限判决法4 4 动态门限判决法4 6 优化导频图案示意图4 7 基于优化导频图案的信道估计4 8 m i m o o f d m 系统优化的导频图案4 9 不同参数下固定门限判决法性能0 r :o 0 5 ) 5 0 不同参数下的动态门限判决法性能f f :o 0 5 ) 5 1 各种信道估计算法的a n m s e 性能曲线t f :o 0 5 ) 5 3 各种信道估计算法的误码率性能曲线t f :o 0 5 ) 5 3 各种信道估计算法的a n m s e 性能曲线o r :- o 2 ) 5 4 s c h e m e3 和s c h e m e4 的a n m s e 性能曲线仿= 0 0 5 ) 一5 5 2 x 2 ,1 0 2 4 载波下两种信道估计算法的a n m s e 性能曲线= o 0 5 ) 5 6 v l 表格列表 表格列表 表2 1各种p a p r 抑制方法优缺点总结1 3 表2 2f f t 运算周期表1 3 表3 一li c i 能量分布一3 0 表4 - l系统仿真参数表4 9 表4 2信道参数表5 0 表4 3不同算法下的频谱利用率5 5 表4 _ 4系统仿真参数表5 6 i x 缩略字表 4 g a r & t q o s a w g n b 3 g b e r c i r d f t f f t g s m i c i i d f t i f f t i m t 2 0 0 0 i s i m i m o m s e a n m s e o f d m p a p r s i s o s n r t d m a 缩略字表 4g e n e r a t i o n a m e r i c at e l e p h o n e & t e l e g r a p h q u a l i t yo f s e r v i c e a d d i t i v e 蹄乃i t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 g b i te r r o rr a t e c a r t i e rt oi n t e r f e r e n c er a t i o d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m f a s tf o u r i e rt r a n s f o r 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 s i n t e rc 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 e r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ( t h e3 gi t us t a n d a r d ) i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t m i n i m u ms q u a r ee r r o r a v e r a g en o r m a l i z e dm i n i m u ms q u a r ee r r o r 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 p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o s i n g l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s x 第四代( 移动通信系统) 美国电话电报公司 服务质量 白高斯噪声 超三代( 移动通信系统) 比特误码率 载波干扰比 离散傅立叶变换 快速傅立叶变换 全球移动通信系统 载波间干扰 离散傅立叶逆变换 快速傅立叶逆变换 国际移动通信2 0 0 0 ( 1 t u 的3 g 标准) 符号间干扰 多入多出 最小均方误差 归一化平均均方误差 正交频分复用 峰值平均功率比 单入单出 信号噪声比 时分多址 符号表 符号表 求和 求均值 求以自然对数为基底的幂 求幅角 求最大值 求复数的模 求向量或矩阵的转置 求向量或矩阵的共轭转置 求向量或矩阵的广义逆 求数学期望或均值 求方差 求矩阵的广义逆 x i 勘叫刚删删h钳删+ 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。 p 夕 签名:乏2 重 日期:年月日 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) 第一章绪论 1 1 移动通信系统发展概况 第一章绪论 移动通信是现代通信技术中不可缺少的部分,它是- f 7 复杂的高新技术,不 但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就,而且集中了网络技术和计算机技 术的许多成果。目前,移动通信已从模拟通信发展到了数字通信阶段,从窄带通 信发展到了宽带通信,并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信 的目标是,能在任何时间、任何地点、向任何个人提供快速可靠的通信服务【lj 。 近年来,随着全球移动通信用户规模的不断扩大,对于无线系统语音和高速 数据传输业务能力的需求也在不断增长。在这种背景下a t & tb e l l 实验室的学者 在上世纪9 0 年代中后期提出了一种全新的通信系统结构,即m i m o 通信系统1 2 1 。 m i m o 是多入多出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 的简称,m i m o 通信系统在 发射端和接收端均采用多个天线,数据流并行由多个发射天线发送到空间信道后 由多个接收天线接收,由于各发射信号占用同一频带,因而并未增加带宽。若各 发射接收天线间的信道响应独立,则m i m o 系统可以创造多个并行的空间信道。 通过这些并行空间信道独立地传输信息,数据率必然可以成倍提高。经证明,m i m o 系统的容量随最小天线数的增加而近似线性增加【2 l ,因此m i m o 系统能最大程度 地利用无线信道的信道容量,实现高速可靠通信。 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 ) 技术能够有效 地对抗多径传播引起的频率选择性衰落【3 】【4 1 。将m i m o 和o f d m 技术结合起来, 即构成m i m o o f d m 系统,既能弥补m i m o 系统的不足,又能发挥o f d m 的优 势,被公认为是第四代移动通信系统( 4 g ,4 坩g e n e r a t i o n ) 最具竞争力的方案之一1 5 j 。 1 2m i m 0 技术 1 2 1m i m o 基本原理 多入多出技术最早由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出,它利用多天线抑制信道衰落。 m i m o 包括单入多出系统和多入单出系统。m i m o 可以简单定义为:在无线系统 中,链路的发端和收端都使用多天线。m i m o 的核心思想是:将发送端与接收端 电子科技人学硕士学位论文 天线的信号合并,使每个m i m o 用户的传输质量,即比特误码率( b e r ,b i te r r o r r a t e ) 或数据速率得到改进,增加运营商收入,提高网络服务质量( q o s ,q u a j i t yo f s e r v i c e ) 。 空时信号处理是m i m o 的一个重要概念。在空间上使用多个分布天线,在时 间上则进行弥补。m i m o 系统可以看做是智能天线的扩展,用天线阵列提高无线 传输质量。m i m o 系统的特点是将多径传播( 一般认为是无线传输中的不利因素) 变为有利因素。它有效使用随机衰落及多径时延扩展,加倍提高传输速率,而无 须增加额外的频谱。这促进了信道模型、信息论与编码、信号处理、天线设计及 固定无线多天线蜂窝的设计。 1 2 2m i m o 系统模型 m r 根 发射天线 m r 根 接收天线 图1 1m i m o 系统模型 对于频率选择性衰落的m i m o 系统,其等效的基带信号可以表示为: l 一- i y ( 聊) = 芝:f ( i ) s ( m - 0 + z ( 明) ( 1 一1 ) i = 0 其中,上表示最大多径时延,m 表示时刻,y 、s 、z 分别为接收信号、发射信号 和噪声向量,f = 【e ,k 。刈,为信道矩阵,e ,表示第i 根发射天线到第j 根接收天 线的信道增益。从上式可以看出,在多径的环境下,m i m o 系统的接收信号还有 信道各径分量的叠加,当多径延迟很大的时候,将会产生严重的码间干扰( 1 s i ,i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c el s d ,使得发射信号难以正确恢复。在频率选择性m i m o 系统 的信号检测中,通常采用时域均衡、频域均衡和o f d m 等技术来克服。 1 3o f d m 技术 o f d m 技术的主要思想是:将原始信道划分为等间隔的多个正交子信道,每 个子信道使用不同的载波进行调制,在接收端通过相关解调技术分离出各自信道。 2 l l l j 第一章绪论 o f d m 技术因其高频带利用率已经在无线局域网中得到了广泛应用,其与m i m o 系统的结合被认为是未来移动通信系统最具发展前景的方案之一。 1 3 1o f d m 基本原理 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换,分配到传输速率相对 较低的若干个子信道中进行传输,见图】- 2 。由于每个子信道中的符号周期会相应 增加,因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成 的影响,并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔,令保护间隔大于无线信道 的最大时延扩展,这样就可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰o s i ,i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ,而且,一般都采用循环前缀作为保护间隔,从而可以避免由 多径而带来的载波间干扰( i c l ,i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) 。 o f d m 调制的基本原理是对数据信号s 进行不同的载波调制,并将这些经过 调制的信号叠加,得到o f d m 符号,其数学表达式如下: _ i i ,一i 彳( 珑) = s ( f ) 2 硝( 1 2 ) 面 公式( 1 3 ) 描述了一个o f d m 符号的组成: f 型,1 y ( t ) = 2 r e s ( f ) e x p 【_ ,2 刀考f ) ,o t ) = p ,( 0 p 1 ) ( 2 - 3 ) 9 电子科技人学硕十学位论文 式( 2 3 ) 表示o f d m 信号在任意符号内,峰值平均功率比超过门限丁的概率为 0 符号l5 0 符号2 1 0 0 符号3 1 5 0 符号4 2 0 0 符号5 2 5 0 时间( 微秒) 图2 - 1o f d m 信号瞬时峰值平均功率比示意图 2 2o f d m 系统中峰均比抑制技术综述 如何降低p a p r 已经成为有效应用o f d m 技术的关键之一,o f d m 系统中 p a p r 的抑制方法可分为三大类1 6 :编码方法、信号预畸变方法和概率类技术。 2 2 1 编码方法 编码方法可以用于降低o f d m 系统中的p a p r ,其基本思想是:选择生成小 峰值功率信号的编码图样,避免使用生成大峰值功率信号的编码图样。典型的码 组有分组码【刀、格雷( g o l a y ) 码【8 1 和雷德密勒( r e o d - m u i l 神码【8 1 等。编码方法的缺陷 主要在于:可供选择的编码图样数量非常少,当子载波数较大时,编码效率非 常低,从而降低了其适用性。 2 2 2 预畸变方法 信号预畸变技术是最简单的降低o f d m 系统的p a p r 的方法。在信号被送到 放大器之前,先经过非线性处理,对有较大峰值功率的信号进行预畸变,使其不 l o 第二章o f d m 系统峰值平均功率比抑制技术 超出放大器的动态变化范围,避免较大p a p r 的出现。最常用的信号预畸变技术 包括限幅【9 】f 1 0 1 、加权多载波调制以及畸变补偿等。其中限幅方法便于实现,但会造 成信号失真,产生带内、外干扰,从而影响系统的性能;其它信号畸变方法由于 具有较高的复杂度和较大的计算量,从而降低了其适用性,所以,本文主要对限 幅算法进行讨论。 在信号经过非线性部件之前对其进行限幅,就可以使得信号峰值低于所期望 的最大电平值1 1 1 1 。尽管限幅非常简单,但也会为o f d m 系统带来相关的问题。首 先,对o f d m 符号的幅度进行畸变,会为系统造成自身干扰,导致系统的b e r 性 能降低;其次,o f d m 信号的非线性畸变会导致带外辐射功率值的增加,其原因 在于限幅操作可以被认为是o f d m 采样符号与矩形窗函数相乘,如果o f d m 信号 的幅值小于门限值时,则该矩形窗函数的幅值为l ;如果信号幅值需要被限幅时, 则该矩形窗函数的幅值应该小于l 。根据时域相乘等效于频域卷积的原理,经过限 幅的o f d m 符号的频谱等于原始o f d m 符号频谱与窗函数频谱的卷积,因此其带 外频谱特性主要由两者之间频谱宽度较大的信号来决定,也就是矩形窗函数的频 谱来决定。 传统限幅算法在限幅滤波模块的主要任务是实现幅度和相位分离,如图2 2 所示,即大于门限值的幅度削减为和门限值一样大小,小于门限值的则直接通过, 在限幅后再将幅度和相位合成形成限幅后的完整信号。即: 丽: r ( k ) e x p ( j o , ( 后) ) ( ix ( 后) i 丁( 足) ( 2 - 4 )、7 i x ( 七) ( 1 ( 后) l r ( 七) ) 其中,x ( 后) 为o f d m 信号,ix ( 后) i 为信号的包络,认七) 为相角,r ( 七) 为门限值。 但是,限幅是一种非线性过程,有可能导致严重的带内失真,降低误码性能, 引入带外噪声,而使信号频谱扩展,产生邻道干扰、降低谱效率。为了减小频谱 扩展,限幅后需进行带外滤波,然而又有可能重新出现较大的峰值。因此,需要 进行多次迭代限幅滤波,即多次进行图2 3 的限幅滤波过程,那么再生的峰值再次 被限幅。 坐兰型垫叁堂堡堂笪笙茎 - _ - _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ 一。 j i1 m x ( k ) 厂蕊坠 n ( 尼) 图2 - 2限幅方法原理图 2 2 3 其他方法 图2 3 o f d m 系统限幅+ 过采样滤波原理图 降低o f d m 系统中p a p r 概率类技术也得到大量的关注,其基本思想是:通 过优化子信道的载波相位的方式来寻找能得到最低p a p r 的相位组合。这种方法 虽然不能保证所有传输信号的p a p r 都很小,却能大幅度地降低了高p a p r 的出 现概率,从而抑制系统的p a p r ,减小放大器等非线性器件对系统带来的不利影响。 该技术主要包括:子载波预副12 1 ( t r ,t o n er e s e r v a t i o n ) 、载波插入u 列( t l ,t o n e i n j e c t i o n ) 、星座扩展( a c e ,a c t i v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n ) i i 3 部分传输序列 1 4 1 5 1 ( p t s ,p a r t i a lt r a n s m i ts e q u 锄c e ) 和选择性映射【1 6 1 ( s l m ,s e l e c t e dm a p p i n g ) 。 其中p t s 、s l m 等可以有效抑制系统的p a p r ,但由于复杂度较大,需要传达边 带信息,因此实用性不大。 综上所述,本文列出了主要的p a p r 抑制方法的优缺点,如表2 - l 所示。 1 2 第二章o f d m 系统峰值平均功率比抑制技术 表2 一l 各种p a p r 抑制方法优缺点总结 信号是否失真是否额外功率数据速率是否降低 限幅 是否否 编码法否否是 p 1 r s否否是 s l m否否是 t r否 是 是 a c e否是否 2 3 低复杂度的限幅滤波技术 从表2 1 中可以看出,限幅是一个非线性过程,会导致带内失真和带外频率辐 射,但由于该算法复杂度低且效果明显,因此限幅法成为目前应用最为广泛的 p a p r 抑制方法之一。但是,在p a p r 降低的同时系统性能会出现恶化,因而需要 设计一定的限幅噪声抑制算法以提高系统性能【1 7 h 2 。因此,本文对限幅滤波法进 行进一步的研究。 传统的迭代限幅滤波算法可以降低o f d m 系统的p a p r ,但其计算复杂度较 高,k 次迭代限幅要进行2 k + 1 次f f t i f f t ( 如图2 3 所示) 。在实现过程中,每一 次的f f t i f f 要耗费大量的指令周期。例如用2 5 0 m h z 的主频的a d i t s 2 0 1 系列 d s p 来实现f f r ,其复杂度如表2 2 所示。 表2 2h 叮运算周期表 f f t 长度周期数 时间( 哟 5 1 24 6 1 41 8 4 5 6 2 0 4 8 2 1 3 8 88 5 5 5 2 8 1 9 29 9 9 7 03 9 9 8 8 0 如果要进行5 次迭代滤波,则要进行1 1 次的f f t i f f t 。对于d s p 的实现, 仅一个降低p a p r 的子程序需要占用d s p 的大量资源。 1 3 电子科技火学硕十学位论文 传统的迭代限幅滤波法( 记为n o r ) 中多次迭代限幅滤波的过程即将带外噪声 向带内转移的过程,则滤波后的输出信号等效为原始信号叠加上多次迭代限幅滤 波产生的带内噪声。如果能直接计算这些带内噪声,然后在原始信号叠加上这些 带内噪声即可等效为多次限幅滤波后的输出信号。w a n g 基于这种分析,提出了一 种低复杂度的限幅滤波算法( 记为s l m ) ,即用一次限幅滤波过程取代多次迭代限幅 滤波来降低实现复杂度【z 引。下面就该算法进行深入的分析。 低复杂度的限幅滤波技术与传统迭代限幅滤波法不同之处在于用图2 - 4 所示 的简化限幅滤波模块替换图2 3 中的限幅滤波模块。 图2 4简化限幅滤波模块 具体实现步骤如下: 1 ) 将时域信号xp a i - j 限丁进行限幅,得到限幅噪声信号f = x x 。 2 ) 限幅噪声信号经过f f t 变换到频域,得到频域噪声f 。由于此时的信号 是经过过采样的,需要进行带外滤波。保留第一个n 1 2 和最后一个n 2 的 采样点的信号,即得到带内噪声信号p 。 3 ) 过采样后的频域信号减去f ,得到限幅滤波后的输出信号 s = s - i f 7 。 其中: 3 j j 塑雩 ( 2 - 5 ) l 一( 1 7 2 ) 2 2 4 21 一 拈面 其中,占z 为发射信号的平均功率,k 为等效的传统限幅滤波算法的迭代次数。 1 4 ( 2 - 6 ) 第二章o f d m 系统峰值平均功率比抑制技术 第一步所得到的是第一次限幅得到的时域噪声,第二步得到的尸是经过带 外滤波后的频域噪声。p v 是根据p 估算得到的k 次迭代限幅滤波后等效频域噪声 信号。第三步的输出s 是原始信号叠加上p f ,即等效经过k 次迭代限幅滤波后的 频域输出信号。因此,通过直接计算多次迭代后限幅滤波的等效噪声,将其叠加 在原信号上作为输出信号,即可实现用一次限幅滤波过程取代传统的多次迭代限 幅滤波,降低了实现复杂度。该算法的理论证明见附录。 2 4 数字仿真结果和分析 为了验证限幅滤波技术的有效性,本章进行了以下的仿真验证。仿真条件为: 子载波个数为1 0 2 4 ,调制方式是q p s k ,信源4 倍过采样,a w g n 信道。限幅门 限分别在6 d b 和3 d b 时,这里对传统迭代限幅滤波法和低复杂度的限幅滤波法的 进行以下仿真比较。 从图2 5 和图2 - 6 可以看出,限幅门限越高,s i m 算法p a p r 性能越逼近n o r 算法,这与附录中的理论推导结论一致。门限取值越高,限幅畸变发生的概率越 小,理论推导中的部分近似趋近相等。s i m 算法在3 d b 的限幅门限时,6 次迭代 后的p a p r 曲线己接近收敛性能渐进线,由于该算法算法复杂度不受迭代次数影 响,可以取得逼近其收敛极限的性能。限幅门限6 d b 时,进行6 次迭代后,s i m 算法比n o r 算法的p a p r 仅损失0 5 d b 。而在3 d b 的限幅门限下,s i m 算法的性 能收敛极限比6 次迭代的n o r 算法损失1 3 个d b 。这是因为限幅门限较低时,发 生的畸变概率增大,理论推导中的某些近似引入的误差所致。 图2 7 与图2 8 是两种算法的误码率性能比较。6 d b 的限幅门限下,s i m 与 n o r 算法的b e r 曲线基本重合,且接近未限幅系统的性能。限幅门限为3 d b 时, n o r 算法比s i m 算法在误码率为1 0 。时损失0 5 d b ,s i m 算法此时的p a p r 性能 比n o r 算法损失1 5 d b 。 从以上仿真结果可知,限幅门限6 d b 时,s i m 算法的收敛性能极限比迭代6 次的n o r 算法的p a p r 性能损失0 5 d b ,b e r 性能非常接近。因此,在这种较高 的限幅门限下,为了降低实现的复杂度,可用s i m 算法取代n o r 算法。而在3 d b 的限幅门限时,s i m 算法有一定的性能损失。 1 5 电子科技人学硕十学位论文 p a p r ( d b ) 图2 - 5不同限幅算法在门限6 d b 时的c c d f 性能比较 p a p p , t d a ) 图2 6不同限幅算法在门限3 d b 时的c c d f 性能比较 第二章o f d m 系统峰值平均功率比抑制技术 配 山 o 1 0 - 3 5 1 0 0 246 s n r ( d b ) 图2 - 7不同限幅算法在门限6 d b 时的误码率性能比较 图2 - 8不同限幅算法在门限3 d b 时的误码率性能比较 l 乜子科技人学硕j :学位论文 2 5 实验测试结果 瓣昏 毡7 需 频谱仪 图2

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