（通信与信息系统专业论文）宽带组网波形的关键技术——恒包络ofdm研究.pdf

硕士论文 宽带组网波形的关键技术 恒包络0 f d m 研究 摘要 在宽带高速无线通信系统中 o f d m 是一种具有广阔应用前景的多载波数据通信技 术 它具有频率利用率高 消除码间干扰和抗衰落能力强等优点 然而 传统的o f d m 也存在峰均比 p a p r s 大 对频偏和相位噪声敏感等缺陷 针对o f d m 面临很大的功 放输入补偿问题 一些学者总结了传统降峰均比算法的缺陷并提出了恒包络多载波调制 技术 近年来 美国国防部 d o d 特别为联合战术电台系统 j t r s 开发了一种新 的波形协议标准一宽带组网波形 w n w 并计划在2 0 1 0 年将它投入战场 恒包络 o f d m c e o f d m 是联合战术电台系统 j t r s 宽带组网波形 w n w 的性能优化的一 项关键技术 恒包络o f d m c e o f d m j 里论上能将峰均比降低到0 d b 它利用了非线性 功率放大器 因此能比o f d m 大大节省功耗 本文首先介绍了传统的降低o f d m 峰均比 p a p r s 的方法 以及恒包络 o f d m c e o f d m 能通过信号变换将峰均比降为0 d b 的基本特征 然后详细论述了恒包 络o f d m 的原理与收发端各模块的算法 重点研究了本课题的难点一相位解调算法 并 对原来的算法缺陷进行分析与改良 开发了一种较为先进的相位解调接收机 本课题在 软件平台g n uo c t a v e 上对改良后的恒包络o f d m 算法进行仿真 验证了恒包络o f d m 的可行性 仿真结果表明它在a w g n 信道和多径衰落信道中的性能良好 本课题在宽 带高速电台的硬件平台上实现了恒包络o f d m 的波形 本文最后得出结论 并对恒包 络o f d m 在宽带高速无线通信环境中的应用前景提出展望 关键词 o f d m 峰均比 功放效率 恒包络 相位变换 相位解调 算法 硕士论文 宽带组网波形的关键技术 恒包络o f d m 研究 a b s t r a c t i nb r o a d b a n dh i g h s p e e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o f d mi sam u l t i c a r t i e rd a t a c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t i th a st h ea d v a n t a g e so fa h i 曲u t i l i z a t i o no ff r e q u e n c y e l i m i n a t i o no fa n t i i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c ea n das t r o n g a b i l i t yo fa n t i f a d i n g h o w e v e r t h et r a d i t i o n a lo f d ma l s oh a st h ed i s a d v a n t a g eo fh i 曲 p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o s p a p r s a n db e i n gs e n s i t i v et ot h ef r e q u e n c yo f f s e ta n dp h a s e n o i s e a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a to f d mh a sl a r g ea m p l i f i e ri n p u to f f s e t s o m es c h o l a r s s u m m a r i z e dt h et r a d i t i o n a l s h o r t c o m i n g so fr e d u c i n gp a p ra l g o r i t h ma n dp r o p o s e da t e c h n i q u en a m e dc o n s t a n te n v e l o p em u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n i nr e c e n ty e a r s t h eu s d e p a r t m e n to fd e f e n s e d o d f o rt h ej o i n tt a c t i c a lr a d i os y s t e m j t r s h a sd e v e l o p e da n e wp r o t o c o ls t a n d a r dw a v e f o r m b r o a d b a n dn e t w o r k i n gw a v e f o r m w n w a n dp l a n n e dt o l a u n c hi ti n t ob a t t l e f i e l di n2 010 c o n s t a n te n v e l o p eo f d m c e o f d m i sa k e yt e c h n o l o g y o ft h ej o i n tt a c t i c a lr a d i os y s t e m j t r s w i d e b a n dn e t w o r kw a v e f o r m w n w f o r p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n c o n s t a n te n v e l o p eo f d m c e o f d m c a l lt h e o r e t i c a l l yr e d u c e t h ep a p rt o0 d b w h i c hc a l lu s et h en o n l i n e a rp o w e ra m p l i f i e r t h u ss a v i n gm u c hp o w e rt h a n o f d m t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fr e d u c t i o no f d m s p e a k t o a v e r a g e r a t i o s p a p r s a n dt h eb a s i cc h a r i c t e r i s t i ct h a tc o n s t a n te n v e l o p eo f d m c e o f d m c a n r e d u c ep a p r st o0 d bb yw a yo fs i g n a lt r a n s f o r m a t i o n t h e nt h i sa r t i c l ed e t a i l e d l yd i s c u s s e s t h et h e o r yo fc o n s t a n te n v e l o p eo f d ma n dt h ea l g o r i t h m so fe a c hm o d u l ei nt r a n s f e ra n d r e c e i v e r t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed i f f i c u l t i e so ft h ep r o j e c t t h e p h a s ed e m o d u l a t i o n a l g o r i t h m a n a l y s i n ga n di m p r o v i n gt h ed e f e c tf o rt h ep r i m a r ya l g o r i t h m t h e nd e v e l o p sa m o r ea d v a n c e dp h a s ed e m o d u l a t i o nr e c e i v e r t h i sp r o j e c ts i m u l a t e st h ea d v a n c e da l g o r i t h m o fc o n s t a n te n v e l o p eo f d mo nt h eg n uo c t a v es o f t w a r ep l a t f o r m v a l i d a t i n gt h ef e a s i b i l i t y o fc o n s t a n te n v e l o p eo f d m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti nt h ea w g nc h a n n e la n d m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l st h ep e r f o r m a n c eo fc o n s t a n te n v e l o p eo f d m i sw e l l t h i sp r o j e c t i m p l e m e n tc o n s t a n te n v e l o p eo f d m i nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h eb r o a d b a n dh i 曲一s p e e d r a d i o f i n a l l y t h ea r t i c l ed r a w sc o n c l u s i o no ft h i sp r o j e c ta n dp u t sf o r w a r dt h ee x p e c t a t i o no f a p p l i c a t i o np r o s p e c t sf o rc o n s t a n te n v e l o p eo f d mi nb r o a d b a n dh i 曲 s p e e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t i i i a b s t r a c t硕上论文 k e y w o r d o f d m p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o s p o w e ra m p l i f i e re f f i c i e n c y c o n s t a n t e n v e l o p e p h a s et r a n s f o r m p h a s ed e m o d u l a t i o n a r i t h m e t i c s i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在 本学位论文中 除了加以标注和致谢的部分外 不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明 研究生签名 二阻 莎吖年d 铜涉日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容 对 于保密论文 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名 鞋鳌竭 砷年 6 月拥 硕士论文宽带组网波形的关键技术 恒包络o f d m 研究 1 绪论 1 1 课题的研究目的 在高速率无线通信系统中 o f d m 正交频分复用 是一种具有广阔应用前景的多载 波数据通信技术 它具有频率利用率高 消除码间干扰和抗衰落能力强等优点 为具有 有严重多径衰落特征的苛刻无线信道对高数据率链路的容纳提供了相对直接的方式 然 而 o f d m 的最主要的缺陷是已调制波形具有很高的振幅波动 它将会产生很大的峰均功 率比嘲 p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o s 简称p a p r s 高的峰均功率比 p a p r s 使得 o f d m 对发射机功放引起的非线性噪声异常敏感n0 1 如果没有足够的功率补偿 系统会遭 受频谱加宽 互调失真 因此性能会有所退化 这些问题可以通过增加补偿来减少 但是这将会使功放效率降低n 利 对于移动电池供电设备来说这是一个严重的问题 因为 电池资源是有限的 对于未来的系统在未经许可的6 0 g h z 频带 有效的放大也是一个关 键因素 因此研究o f d m 峰均比问题对学术界和产业界都具有重大的意义 减少峰均比 的影响对军民应用都非常重要 1 2 课题的研究背景 近年来 在美军j t r s 联合战术电台 波形库中 诞生了一种新型的数据链波形 宽带组网波形 w n w 美军计划在2 0 1 0 年将它投入战场 w n w 将产生未来通用数据链的 波形 w n w 的波形技术体制的先进性将引领数据链波形建设的发展 宽带组网波形 w i d e b a n dn e t w o r k i n gw a v e f o r m 简称w n w h 1 是 种新的波形协 议标准 它是一个建立在物理层和数据链路层上面的系统 它可以建立基于i p 和a dh o c 组网技术的可升级网络 实现话音 数据 视频一体化无缝传递 具有针对战场恶劣条 件而设计的自适应宽带数据传输能力 支持不低于2 m b s 网络吞吐量 预计达至9 5 m b p s 的端对端吞吐量 通信频段范围2 m h z 2 g h z 宽带组网波形 w n w 网络的设计支持与地 面和海上移动平台间的连接及地面与海上平台之间的通信连接 平台移动速度大于 1 9 3 11 6 k m h 宽带组网波形 w n w 是一种先进的数字信号处理波形 它采用的数字通信技术包 括差分相移调制 d p s k 调制 和正交相移调制 q p s k 调制 为了加强可靠的高数据通信 和实时传输 w n w 波形利用了r e e d s o l o m o n 和t u r b o c o d e 码前向纠错技术 除此之外 宽带组网波形 w n w 的波形还采用了单 多载波 纠错编码 联合编码 o f d m 正交频分 复用 交织 t d m a 扩频等波形关键技术 宽带组网波形 w n w 的一些功能特征包括软件可编程无线电通信设备 自动可编 颈 论文 程波形控制 手动控制 用户控制 a p i 应用编程接口 的软件功能 标准i p 功能和 其他功能 为适应不同作战环境的使用需求 宽带组网波形 w n w 目前采用如下4 种工作模式 或空间信号s i s 1 正交频分复用 0 f 堋 模式 平时工作模式 采用d q p s k 和l s o p s z 调制 数据率 5 5 k b p s 1 3 7 4 m b p s 带宽1 5 0 k h z l o 姗z 2 低截获 低检测 l p i l p d 模式 数据率8 k b p s 6 4 k b p s 带宽l o 删z 3 0 硼z 3 抗干扰 a j 模式 数据率3 9 k b p s 1 2 m b p s 带宽6 0 0 k h z 3 0 z 用于中频段到 宽频段信道 4 窄带波形 b e a m 模式 8 k b p s 5 0 k b p s 带宽2 5 k h z 先进的带宽高效调制 b e 1 1 波形构成窄带波形的基础 用于现有的窄带信道以提高通信效率 这种技术将会增强传 统波形如s i n c g a r s 和h a v eq u i c k 的性能 i t r s w n w 联合战术电台系统一宽带组网波形 的o f d m 工作模式如图1 1 所示 幽i 1j 璐 哪 联台战术电台系统一宽带纽网波形 的0 f 删 c 作模式 从目前宽带组网波形 w n w 的技术来看 哪一o f d m 波形固有的峰均比 p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o s 简称p a p r s 使其不适合低功率 小体积的应用 为此 w n i 的开发商n o v a 公司针对现有的w n w o f d m 物理层s d r 4 0 0 0 开展了a 附 高级 可靠调制 第1 i 阶段计划 预计在2 0 0 6 2 0 1 2 年完成 研究 目标是开发一种基于恒包络 o f d m 的增强型唧波形 将功放输入补偿降低6 d b 最终将该波形移植到j t r s 小波系 硕t 论义 宽带组网波形的关键技术一慨包络o f d m 研究 数电台的硬件平台s t i n g r a ys d r 中n 朝 可见 在宽带组瓣波形 w n w 性能的提高中 恒包络o f 魏是一项菲常关键的技术 它能利用在非线性区域运行的功率放大器 因此能比传统o f d m 大大节省功耗 一些学 者已对恒包络o f d m 的信号处理思想展开过研究 1 3 目前国内外的降低峰均比的研究动态 针对o f d m 面临很大的功放输入补偿问题 网内外已开发有许多降低峰均比 p a p r s 的技术 例如 不失真的峰均比降低方案比如编玛和音调保黧渊嘲嘲 失真的峰均毙降 低技术比如削波 滤波强玛以及峰值开窗技术船舶 预失真方案婚朝 以及接收机相关算法比 如迭代解码 钔等等 目前 一些学者在前人的基础上进行算法改进 开发了许多降低o f d m 信号峰均比的新算法 包括p t s 部分传输序列 法 5 1 s l u 选择映射 法 交织 i n t e r l e a v i n g 法澎3 压扩 c o m p a n d i n g 法汹3 扩展星座空间 a c t i v ec o n s t e l l a t i o n 法 嘲等等 这些技术提供了不同程度的有效性 也呈现了不同程度的折中 但是它们大 大增加了o f d m 实现的复杂度 并带来了频谱效率降低等性能退化 针对这些问题 一 些学者提出了用信号变换的方法来降低o f d m 峰均沈的思想 1 9 6 0 年 美国研究员h a r m u t h 的论文建议可通过幅度和频率调制 或者任何其他类 型的调制以适应连续变化波形的传输n 朝 在文献 4 6 中 作者建议使用已有的频率调制 基础结构来完成o f d m i g 号的发送 然霭 它并没有扶报本上解决龉蹦韵峰均比闷题 2 0 0 5 年 s t e v e nc h a r l e st h o m p s o n 等i e e e 研究员采用 种基于角度调制和角度 解调他鄙技术来实现恒包络o f d m 并给出了恒包络o f d m 的信号处理框架 通过数学推导 得到恒包络o f d m 频谱的理论带宽以及在a w g n 和平坦衰落信道条件下的理论误码率 2 0 0 6 年 j o h ng p r o a k i s 和j a m e sr z e i d l e r 等学者提议出一种菲相干的恒包 络o f d m 接收机嘞m 证明了恒包络o f d m 本质是一种非相干信号处理 因为接收机端的 未知相移已被紧跟在相位解调器之后的匹配滤波消除 2 0 0 7 年 芬兰的研究员m a r k k u 和a m a m m e l a 提出了一种恒包络多载波调制技术 提议在o f 嘲的i f f t 和功放模块之前加入连续相位变换 c p m 4 1 9 将高峰均比的o f d m 信号 变为低峰均比的信号 连续相位调制具有非常低的旁瓣功率而且能保持恒包络的特性 临近信道干扰降低 但是连续相位调制使接收机的复杂度变得非常高 解调信号异常困 难 近两年 在3 g p p l t e 第三代合作伙伴计划一长期演进技术 的标准化过程中 诺 基亚 北电等公司提交了若干种多址方案 如多载波 m c 一w c d m a m c t d s c d m a 正交 频分多址接入 o f d m a 交织频分复爝 i f d m a 和基予傅立时变换扩展的芷交频分复爰 d f t so f d m j e l l o 通过给不同的用户分配不同的予载波 o f d m a 提供了天然的多址方式 由于用户间信道衰落的独立性 可以利用联合予载波分配带来的多用户分集增益提高性 1 绪论 硕士论文 能 达到服务质量 q o s 要求 然而 为了降低成本 在用户设备 u e 端通常使用低成 本的功率放大器 o f d m 中较高的p a p r 将降 l 竞u e 的功率利用率 降低上行链路的覆盖能力 3 g p p l t e 计划在l t e 的下行链路使用o f d m a 上行链路采用s c f d m a 单载波f d m a 也称 为d f t 扩展o f d m 以减少手机耗电 s c f d m a 的优点是信号具有更低的峰值平均功率比 p a p r s 因为它采用了固有的单载波结构 由于单载波频分复用 s c f d m a 具有的较 低的p a p r 它被提议成为候选的多址方案嗍1 一些学者的仿真结果表明 在m i m o 结合的 系统中 o f d m a 的p a p r 可以降 氐至i j 3 g p p 要求的6d b 以下 而性能降低小于0 5d b 因此 单载波频分复用 s c f d m a 虽然峰均比更低 但链路性能却不及o f d m a 嘲1 1 4 恒包络o f d m 的研究意义 传统o f d m 系统的主要缺点之一是对峰均比 p a p r s 敏感 大的峰值功率比使系统 中的功率放大器达到饱和状态 会引起子载波间的干扰和带外功率辐射 要想不失真地 传输这些高p a p r s 的o f d m 信号 发送端要求高功率放大器和d a 转换器有很大的动态 范围 同时接收端对前端放大器以及a d 转换器的线性要求也很高 另外 由于大的峰 值功率发生的不规律性和罕见性 这将会使功放效率降低 并且发射机的成本也非常昂 贵 这些情况都是实际系统所不能容许的 恒包络o f d m 是传统o f d m 与恒包络调制技术的结合 它是一种基于信号变换的技术 h 7 l 概要的说 即在发射机端 将相位变换施加于放大器之前 在接收机端 将反变换 相位解调 施加于常规o f d m 解调器之前 通过信号变换 c e o f d m 理论上能将峰均比 降低到o d b 它利用了在非线性区域运行的功率放大器 因此能大大节省功耗 使系统性 能得到很大的提升 对军民应用都有非常重要的意义 基于恒包络o f d m 的宽带高速波形将以其功放输入补偿小 高吞吐量 抗干扰性能 好 自适应信道变化等优越的特点广泛运用于军方海陆空数据链通信与民用无线电台系 统中 1 5 本文的主要研究工作 本文结合中国电子科技集团公司第三十研究所的 基于恒包络o f d m 的宽带高速电 台波形技术 基金项目 对恒包络o f d m 的算法进行了详细研究 该课题的主要贡献点 创 新点 和研究成果主要包括以下几个方面 一 通过对发射端进行分析 找出恒包络o f d m 的符号调制方式和子载波矩阵的与常 规o f d m 相比所具有的特殊性 设计相位解调模块及有关参数 详见第三章 二 搭建接收端各模块 在去循环前缀之后设计一个频域均衡器以补偿在时分信道 中由于多径效应引起的符号间干扰 i s i 设计一个f i r 滤波器以消除带外噪声 设计 相位解调器的两个部分 反正切操作和相位解卷绕 u n w r a p 操作模块 4 硕上论文 宽带组网波形的关键技术一恒包络o f d m 研究 三 对相位解调器模块中的u n w r a p0 函数进行仿真分析 找出相位解调器带来的相 位跳变 在此基础上对相位解调算法进行改良 即设计一个相位纠正模块以消除原有的 相位跳变 大大降低了误码率 在a w g n 和四种多径衰落信道中对改进后的恒包络o f d m 系统进行仿真 验证恒包络o f d m 总体性能比o f d m 更好 详见第三章 第四章 四 在宽带高速电台的硬件平台上实现了恒包络o f d m 的波形 验证恒包络o f d m 的波 形和频谱与理论值一致 详见第六章 1 6 本章小结 本章首先对本课题的的研究背景一宽带组网波形作了简要介绍 列举了国内外的降 低峰均比技术的研究动态 然后对恒包络o f d m 的研究意义作了概要分析 最后介绍了本 课题的主要研究工作 创新点 及本论文的结构 2o f d m 的理论基础以及峰均比 p a p r s 问题 硕士论文 2o f d m 的理论基础以及峰均比 p a p r s 问题 本章主要介绍传统o f d m 的理论基础 论述o f d m 存在的主要缺陷 论述降低o f d m 峰均 比 p a p r s 的方法 引入恒包络o f d m 波形 c e o f d m 的基本概念 2 1o f d m 的理论基础 2 1 10 f d m 的历史与现状 正交频分复用 o f d m 技术是高速率无线通信系统中有广阔应用前景的多载波数据 通信技术 它是将高速的数据流分成并行低速数据流 用这样的低比特率形成的低速率 多状态符号去调制相互正交的子载波 从而形成多个低速率符号并行发送的传输系统 o f d m 技术的应用可以追溯到上世纪6 0 年代 它主要用于军用高频通信系统中 例 如k i n e p l e x a n d e f t 和k a t h r y n n 们 但是在早期的o f d m 系统中 发信机和相关接收机 所需的子载波阵列是由正弦信号发生器产生的 并且在相关接收时各子载波需要准确地 同步 因此当子信道数很大时 系统就显得非常复杂和昂贵 一个简单有效的实现o f d m 技术的方法是在1 9 7 1 年由w e i n s t e i n 和e b e r t 提出的 他们使用离散傅立叶变换 d f l 来实现o f d m 基带系统中的调制和解调功能 从而省去了正弦信号发生器 为了抵抗符 号间干扰 i s i 和载波间干扰 i c i 他们在符号间加入了保护间隔 但是他们的系统在 色散信道上没有获得较好的正交性 另一个重要的贡献是在1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 使用 循环前缀或循环后缀来解决子载波间的正交性 而不是使用空的保护间隔 他们把o f d m 符号的循环扩展添加到保护间隔中 只要保护间隔大于信道的最大脉冲响应 即使在色 散信道上也能获得较好的正交性 到8 0 年代 人们研究如何将o f d m 技术应用于高速 m o d e m 进入9 0 年代以来 o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输 o f d m 作为一种宽带无线传输技术的优势很突出 而且可以利用有效的新技术去修正和弥补 o f d m 的固有缺点 因而被广泛的应用于民用通信系统中 如h d s l a d s l v d s l d v b d a b h d t v 等系统阳1 近年来 由于数字信号处理 d s p 技术的飞速发展 o f d m 技术作为 一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术 更加引起了广泛的关注 近几年 随着技术和器件水平的发展 以及对高速和可靠传输的要求 o f d m 技术的应用越来越广 泛 像欧洲的d a b d v b t h i p e r l a n i i 日本的i s d b t 国际上的8 0 2 1 l a a d s l v d s l 等标准都采用了o f d m 技术呻1 在无线宽带接入以及第4 代移动通信中 o f d m 技术 都将成为继c d m a 技术之后的又一核心技术 正交频分复用 o f d m 在移动通信中的应用如图2 1 所示 6 砸士论文宽带蚍刚故形的关健技术趣包络o f d m 研究 h21 正变频分复用 o f d m 在移动通信中的应川 2 l 2 多载波调制的特点 0 f d m 实质是一种典型的多载波调制传输方案 多载波调制的工作原理是 将一 个指定的高比特率数据流分成数个并行的低比特率数据流 并在各个单独载波上 常称 为子载波或音 对每个数据流进行调制 多载波调制方案通过将符号时问扩大到足够的 量 把符号间干扰消除或者最小化 因此信道中诱导产生的延迟时间 延迟扩展是衡量 无线信道中延迟的一个很好参数 是符号持续时间中很小的一部分 一般不到1 0 所以 在符号持续时间 和数据率成反比 较短的高数据率系统 将数据流分割成多个 并行数据流可以延长每个数据流的符号持续时 自j 使得延迟扩展仅在符号持续时间中占 据很小的一部分 单载波调制与多载波调制的原理图对比如图2 2 所示 其中 码元周 期为t f n 为子载波个数 d o d i l l d 2 d u 为数据符号 2o f d m 的理论基础以及峰均比 p a p r s 问题 硕士论文 p nn寸 譬 导旨旨百旨旨旨 0 图2 2单载波调制与多载波调制的原理对比 o f d m 是一种效率极高的多载波调制方案 其中所有子载波在整个符号持续时间内 都是彼此垂直的 因此不再需要非重叠型子载波信道 进而消除了载波问干扰 在选择 第一个子载波时 必须使之在一个符号周期内有整数个周期 而且要将相邻子载波之间 的间隔 子载波带宽 设置成b s c b n 其中b 是标称带宽 等于数据率 而n 是 子载波个数 这样才能确保所有音在这个符号周期内都是互相垂直的 我们可以看到 o f d m 信号相当于含n 个子载波的数据序列块的逆向离散傅立叶转换 i d f t 这使得在 离散时间中利用i f f t 逆向快速傅立叶转换 和f f t 分别执行o f d m 发射器和接收器变 得非常简单m o f d m 正交频分复用 技术是在频分复用 f d m 的基础上发展起来的 在传统的频 分复用 f d m 系统中 各载波上的信号频谱没有重叠 以便接收机中能用传统的滤波器 方法将其分离 提取 这样做的最大缺点是频谱利用率低 造成频谱浪费 o f d m 技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性口6 l 它允许子 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叠的子载波上分离出数据信 息 当载波间最小间隔等于数据码字周期倒数的整数倍时 可满足正交条件 即子载波 为了提高频谱效率 一般取最小间隔等于数据码字周期的倒数 i t f 传统频分复用 f d m 和o f d m 信号的子信道符号的频谱分别如图2 3 a 和2 3 b 所示 硕十论文宽带组网波形的关键技术 恒包络o f d m 研究 由图2 3 b 可知 如果基带信号采用矩形波 0 f d m 信号的每一子载波的频谱形 状均为s i n x x 函数形 0 f d m 信号的频谱就是每一个子载波频谱的叠加 廿 丐 图2 3 a 传统f d m 的子信道符号的频谱 a z t 叼 一 葡氟可 纛域ial i l 专 i 一 f f r 支 f 誓 喜 l l 冤载波频 h 偏坍 图2 3 b 正交频分复用 o f d m 信号的子信道符号的频谱 9 20 f d m 的理论基础以及峰均比 p a p r s 问题 硕士论文 2 1 3o f d m 的工作原理 o f d m 的工作原理为 输入数据信元的速率为r s 经过串并转换后 分成m 个并 行的子数据流 每个子数据流的速率为r s m 在每个子数据流中的若干比特分成一组 每组的数目取决于对应子载波上的调制方式 如p s k q a m 等 m 个并行的子数据信 元编码交织后进行i f f t 变换 将频域信号转换到时域 i f f t 块的输出是n 个时域的样 点 再将长为t g 的c p 循环前缀 加到n b 个样点前 形成循环扩展的o f d m 信元 因 此 实际发送的o f d m 信元的长度为t f t g t b 经过并 串转换后发射 接收端接收 到的信号是时域信号 此信号经过串并转换后移去循环前缀 引 如果循环前缀c p 长度t g 大于信道的记忆长度 信道最大时延扩展tm a x 时 i s i 码间串扰 仅仅影响c p 循环前缀 而不影响有用数据 去掉c p 也就去掉了i s i 码 间串扰 的影响 对o f d m 块加循环前缀消除码间串扰的示意图如图2 4 所示 l o 图2 4对o f d m 块加循环前缀c p 消除码间串扰的示意图 o f d m 信号处理的一般过程如图2 5 所示 t t j 论立 宽带纽h 城形的咒踺拽术 恒乜络o f d m 日f 究 三 巨屉 幽25o f d m 调制解调的原理框幽 由图2 5 可知 o f d m 是把高速数据流通过串并转换 将高速数据码流变成低速数据 码流 然后调制到各个子载波上 一般采用q p s k 或q 枷 比如 将1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 的数据码流经过串并转换分割成1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 四个较低比特数的码流 称 为码字 显然 每个比特数据的持续时间的长度将增加 是原来的4 倍 从而太大减 少传输的误码率 比如 d v b c 系统码字率 应该说是符号率 在这里为了和0 f 删的 符号区分开来 所以称为码字率 多是6 9 5 6 5 m s s 那么其码字长度是 i 5 9 5 6 5 0 1 4 3 8us 如用o f o m 2 k 来调制 则有0 1 4 3 8 1 7 0 5 2 4 5 1 7 9 ps 如用8 k 模式则 有01 4 3 8 6 8 1 7 9 8 0 2 8 4 6 us 可见码字长度增加了很多 己调o f d m 信号的时域和频域示意图如图2 6 所示 甲1 娴 目 20 f 叫的理论幕础以厦峰均比 附r s 问题硕士论立 图2 6调制后的o f d m 信号 由图2 6 可知 无线信道的频率响应曲线太多是非平坦的 而o f d m 技术在频域内 将给定信道分成许多正交子信道 在每个子信道上使用一个子载波进行调制 并且各予 载波并行传输 这样 尽管总的信道是非平坦的 具有频率选择性 但是每个子信道是 相对平坦的 在每个子信道上进行的是窄带传输 信号带宽小于信道的相应带宽 固此 就可以大大消除信号波形问的干扰 由于在0 f 嘣系统中各个子信道的载波相互正交 它们的频谱是相互重叠的 这样不但减小了子载波间的相互干扰 同时又提高了频谱利 用率 2 1 4o f i m 峰均比高的缺陷 虽然o f o m 技术具有频谱利用率高 抗多径衰落能力强等许多优点 但是o f d i 系统 内由于存在有多个正交子载波 而且其输出信号是多个子信道信号的叠加 因此与单载 波系统相比 o f d m 存在易受频率偏差影响 如图2 3 b 所示 峰值平均功率比 p a p r 高 等主要缺点 其中 o f d m 的峰均比 p a p r 较高是本课题要解决的问题 所谓峰均功率比 p a p r 是指信号幅度的最大值与该信号的平均功率之比 如果用j 表示第k 个数字符号 经脉冲成形之后 一2 删表示o f d m 的第k 个子载 波 则一个o f d m 信号表示为 s f 芝l p o f 2 1 0 其中 t b 为码元周期 n 为子载波个数 假设o f d m 采用m p s k 数字符q 映射 即对于所有的k l l 1 则s t 的平均功率 表示为 堡土堡兰 童堂壑堕垫丝堕苎塑垫苎 堡望堑旦坚些 堕 1 t b 2 e 仆 f l d t n 22 jdo 则o f d m 信号的峰均比表示为 删p 鼬 m a x 批 1 2 p 2 3 1 6 个子载波的o f d m 信号波形用g n uo c t a v e 软件仿真所得的峰均比示意图如图 2 7 a 和2 7 b 所示 n o r m a l i z e dt i m et t k 圈27 a 传统o f d m 时域信号的实部干 虚部 n e r m a l i z e dt i m e t t b i o c k 幽27 b 传统o f d m 信号波彤的峰均比示意幽 2o f d m 的理论幕础以及峰均比 p a p r s 问题 硕r 上论文 o f d m 大的峰值功率比 p a p r s 性质要求系统必须具备较大的线性区域来容纳该信 号 另外 系统电路还会引起波形的非线性失真 非线性失真进而影响子载波的正交性 从而降低系统性能n 引 为了降低放大的o f d m 信号的非线性失真 就需要输入功率补偿 i n p u tp o w e r b a c k o f f 简称i b o 功放输入补偿 i b o 定义为 输入饱和级别与输入信号的平均功率 之比n 引 表示如下 彳2 馏d 二二皿 2 4 l 其中 彳删为输入饱和级别 p i n e s o 1 2 e a 2 f 是输入信号的平均功率 功率放大器的非线性特征如图2 8 所示 苫 量 暑 0 缸 毫 山 p o w e ra m p l i f i e r 口a t r a n s f e rf u n c t i o n i n p u tp o w e r 图2 8功率放人器的非线性特征 图2 8 描述了功率放大器的非线性输入输出曲线n 制 在线性区域放大器性能比较理 想 但是输入功率的增加使功率放大器达到饱和状态 这时最有效的工作点是在功放的 饱合点上面 否则为了保持放大器的线性特征 大峰均比的信号就会平移到饱合点的左 侧 从而使平均输入功率降低 该技术称为功放输入补偿 i n p u tp o w e rb a c k o f f 简称 i b o 为了保持o f d m 信号 峰均功率比为9 5 d b 输入信号的峰值功率小于或等于饱和 输入水平 i b o 至少要等于9 5 d b 在这样的i b o 下a 类放大器的效率低于6 这样的 1 4 硕j l 论文宽带组网波形的关键技术 恒包络o f d m 研究 效率对于移动的电池供电设备来说是非常有害的 因为它们能利用的功率资源有限 发射机的非线性特性还会导致在发送信号中产生新的频率分量 这样的互调失真会 引起子载波间干扰 以及整个信号频谱的展宽 最后导致相邻系统的干扰 即临近信号 干扰 驯 o f d m 峰值功率比 p a p r 大的性质使系统中的功率放大器易达到饱和状态 会引起子 载波问的干扰和带外功率辐射 若要不失真地传输这些高峰均功率比 p a p r s 的o f d m 信号 就要求发送端放大器的功率很高和d a 转换器的动态范围很大 同时接收端对前 端放大器以及a d 转换器的线性要求也很高乜 另外 由于大的峰值功率发生的不规律 性和罕见性 这将会使功放效率降低 并且发射机的成本也非常昂贵 这些情况都是实 际系统所不能容许的m 1 如果峰均比能够显著的降低 就可以降低对0 f d m 功放输入补偿 启用非线性功率 放大器 功放效率就能提高 o f d m 系统的总体性能也能得到显著改善 2 2 降低峰均比的传统方法 目前 已经提出的降低o f d m 的峰均功率比的传统技术可以分为三类 第一类采用信号预畸变技术陋8 1 即在信号经过放大之l 首先要对功率值大于门限 值的信号进行非线性畸变 包括限幅 峰值加窗或者峰值消除等操作 这些信号畸变技 术的好处在于直观 简单 但信号畸变对系统性能造成的损害是不可避免的 非线性畸 变方法中最简单的方法是采用剪切滤波的方法 对o f d m 信号中幅度超过规定值的部分 进行剪切 但是剪切使o f d l d 信号产生了失真 频谱的带外辐射分量较大 因此剪切后 需要滤波 滤除频谱的带外分量 滤波后又会使o f d m 信号的p a p r s 回升 同时接收端 误码率上升 因此要选择合适的剪切门限以及合适的滤波器 兼顾o f d m 信号的频谱 p a p r s b e r 在三者之间进行折衷 第二类是编码的方法口盯聆引 即避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样 这 种方法的缺陷在于 可供使用的编码图样数量非常少 特别是当子载波数量较大时 编 码效率会非常低 已有文献采用g o i a y 互补码可以显著的降低o f d m 的p a p r s 使p a p r s 小于3 d b 并且接收端可以利用冗余信息进行纠错 降低b e r 但是采用编码的方法大 大降低了信息速率 第三类是利用不同的加扰序列对o f d m 符号进行加权处理 懈1 从而选择p a p r 较小的 o f d m 符号来传输 如采用选择性映射 s l m 方法和部分传输序列 p t s 方法h 引 这两种方 法都是以减少o f d m 大信号出现的概率为目标 发送端产生包含同一信息序列的多个序 列 从中寻找p a p r 最小的序列作为发送序列 同时只需要发送很少比特的额外信息来 通知接收端发送端采用了哪个序列 使接收端正确的恢复原先的数据 这些技术提供了不同程度的有效性 也呈现了不同程度的折中 但是它们大大的增 1 s 20 f d m 的理论基础以及蜂均比 p a p r s 问题 硕 论文 加了o f d m 实现的复杂度 并会引起频谱效率降低等性能退化 2 3 恒包络信号波形简介 由文献b s 所知 图2 8 中最佳工作点是可以达到的 因此一些学者提出了恒包络 c o n s t a n te n v e l o p e 简称c e 波形的概念 基带的恒包络 c o n s t a n te n v e l o p e 信号表示为 s t a e n 2 5 其中a 表示信号幅度 巾 t 表示信号相位 恒包络 c e 信号的优势在于它的即时功 率保持恒定不变 i s t l a 2 因此 它的峰均比为o d b 所需求的功放输入补偿也降 低到0 d b 这样功率放大器就能工作在最佳 饱和 点 使平均发送功率达到最大 功 放效率也达到最大 从而对电池寿命非常有利 除此之外 由于对功率放大器的线性要 求降低了 就可以使用比功率更高 价格更便宜的非线性功率放大器 因此恒包络信号 在功放的实际应用中具有理想的性能 恒包络信号要解决的问题是如何将数据信号嵌入相位信号巾 t 以便在无线信道 中节省功率并达