[硕士论文精品]wimax信号的峰值平均功率比抑制技术及实验研究

摘要摘要正交频分复用OML090NALFREQU舶CYDIVISJONM1LLPLEXING，OFDM技术由于具有抗频率选择性衰落和频谱效率高等优点，已被IEEBH1蚯TI】也OFE1EC仃ICALDELEC仃011ICSEN西NEERS，电气电子工程师协会标准化组织选为下一代无线城域网标准MEE80216DC的物理层核心技术，即目前在无线通信领域引起较多关注的WJMAXWORLD诵DEINTEMPERABIL畸FOFMICROWAVEACCESS，全球互操作微波接入技术。然而，OFDM系统固有的高峰值平均功率比PEAK舶AVERAGEPOW口R砒IO，PAP鼬仍是阻碍WIMAX技术广泛应用的主要问题之一。发射信号的高PAPR要求射频高功率放大器具有较大的线性范围，并且放大器的功率输出回退BACKO绚必须足够大才能减少非线性失真和频谱扩展。本文从基带信号处理的角度对该问题进行了研究，提出了三种新的方法和策略，进行了计算机仿真，并基于作者参与开发的WIMAX系统物理层链路RF综合测试平台进行了实验验证。本文第一部分介绍了论文工作的研究背景和OFDM系统原理，在综述PAPR抑制方法的基础上，指出了本文研究的主要内容。本文的第二部分根据WIMAX系统特点其下行链路中没有冗余的数据子载波可用于传递副信息，提出了一种可适用于WIMAX系统的预留空子载波方法RRONCRESERVAIIONUSILLGNUNSUBCAM，N蝌S抑制PAPR。通过计算机仿真，讨论了空子载波数目、预设定门限对所提方法PAPR抑制性能的影响。相关仿真结果表明所提方法能有效地降低发送信号的N心R。本文的第三部分首先分析了WIMX信号时域波形的峰值联合概率密度函数。分析结果证明了WIMAX信号出现高PAPR情况下，一个WIMAX符号周期内同时出现多个高峰值的现象具有极低概率。基于以上结论，提出了一种峰值平衡预留空子载波方法PEAKEQUIVALENTT0NERESERVALION，PETR和一种低复杂度预留空子载波方法LOWCOM讪嘣TYT0NERESEN，撕ONUSING卦阳LLSUBCAMERS，LC删S，并进行了计算机仿真。仿真结果表明，上述两种方法能够以较低的复杂度代价，取得接近TRNS方法的PAPR抑制性能。摘要本文的第四部分进一步针对实际情况，提出了一种联合高功率放大器预失真和11州S的无失真PAPR抑制方法。当输入信号功率回退不够大时，由于高功率放大器引入的非线性失真将导致带内信号失真、频谱扩展邻道干扰和误码率恶化。已有的研究工作较少考虑联合PAPR抑制与预失真的设计方法，而本文在剖析高功率放大嚣非线性输入输出特性的基础上，提出进行预失真和PAPR抑制方法的联合优化设计思想。计算机仿真研究结果表明，所提方法能够在较低的输入信号功率回退条件下，能够取得较大的误码率性能改善。本文的第五部分介绍了开展论文研究工作的仿真与实验平台，目P利用国家仪器公司NALIONAL111STNLINENT射频信号发生器和射频信号分析仪建立的WIMAX系统物理层链路RF信号测试平台。另外，简述了本文实验工作所涉及的一些关键技术问题，例如，任意信号发生器的带宽匹配，信号分析仪的信号时频同步、相位补偿与恢复、实测功率归一化等。最后，介绍了本文在WIMAX系统测试平台上得到的一些测试结果。论文最后部分总结了已有研究工作，并指出了下一步研究方向。关键词正交频分复用，峰值平均功率比，预留子载波，高功率放大器ABSTRACTABSTRACTONH090NALFREQUENCYDIVISJONMUL廿PLEXINGOFDMTECHN0109Y，WHICHCANMITIGATE缸QU即CY_S如蛳VEF8DINGALLDOWN撕曲丘EQUEFLCYEFFIDENCYCOMPAREDT0S抽宙ECAMERSYSTEMS，HASBEEILCBOSE勰ONEOFKEYPHYSICALLAYERTCCHNOLO百ESOFSTAILDARD80216挑OFINSTITUTEOFELECMCAL蛆DELEC廿ONICSENGINEERS1EEEFORWIRELESSM曲0P01IT孤ACCCSSNEMORKSWMANTHETED_LILOLOGYSPECIFIEDI11IEEE8TAILD盯D80216DISALSOCALLEDWIMAXFWODD谢DEINTEROPERABLLITYF打MICROWAVEACCESSLWHIDHHASAT仃ACTEDALOTOFIME件STSINWIRELESSCOIIL】【NULLIA虹ON丘LEDSO协HO唰HIGLLPE酞TOAVCRAGEPOWCRRATIOP删OFWIMAXSI印ALSBECOMESONEOFMEM咖BARRIERSINI忸MADLOWIDESPREAD叩PLICATIOIIS，WHICHMEA玎STHATMEHI曲PAPROFH彻SMITTEDWIMAXSI阱AISREQUIREAQUITES缸NGENTLINEARITYREQUIREFNENTONT11E仃ANSIILIT缸锄PH矗ERANDTLIEANLPLI丘CRSPCOU伽TBACKO疗H嬲TOBELA玛EINORDERTO似IUCENONLINEARITYDISTOMOLLAND印咖啪SPREADIN吕TOSOVLETHISPROBLENL，T11ISME8ISPRES肌LEDREIAT。DRESEARCHWORKSINB嬲EB锄DSI印ALPRO七SSINGPOMIOF讥DW。INCLUDINGTHREETYPEOFNEWMEMODCOMPUTERSIINUIATIONVERIFICATION，ANDMEASUFEMEMUND盯AWITAXTESTBEDFIRSTOFALL。THIST11ESISINDUO眵CHARACT砸STICSOFOFDMANDWIMAXSIGNAIS，ANDRCVIEWC11RR廿LTRESEARCHCSONPAPRREDUC“ON舳DSUNLIIL锄ZESPMBLELLLSNEEDEDTOBERESOLVEDSEOONDLY，WEPROPOSCANOVDPAPRREDUCLIONM毹HODUSINGNULT飘1BCA硝锵FORWIMAXSYST例1IILTHES删DCHAPTEROFTILESIS，ACCORDMGTOWIMAXST如DAFD，DATASUBCAMERSARENOTALLOWEDTOBERESERVEDORFBRSIDEINF咖ATIONTRANSMISSIONTHEREFORETONERESERVATIONU秭NGNULISUBCA晡E幅METHODTRNSTOREDUCEPAPRISPROPOSED1LILDERWIMAXSYST锄耵1ROU曲SYSTEMSIMUL撕ON，也EEFFBCTSOFTRNSMETHODB舔EDONDI丘毫托札TNLMLBEROFNUNSUBCA州E塔ANDDIF传删口REDEFINODTLF罄H01D8他OBS钌VEDRESULTSSHOWTRNSM甜】ODISANEF盘而VEMETHOD幻REDUCEPAPRMOREOV札INORD盯TOREDUCEMECOMPLEXITYOFTRNSMETHOD，WE卸ALYZET11ECONDINONALPROBABILITYOFMULPLCPEAKAMPLITLLDES，ANDMELLPROPOSEARIEWLOWCOMPL喇TVTONCRESE撕ONUSINGNUUSUBCAMER3ME血0DLCTITNS鼬DANEWPEAL【EQUIVALENTT0NERESERVA廿ONMETLLODPETRIILTHEM删CHAPT盯OFTLLESISSIMULATLONRESULSALSODEIILONS虹ATEBOMOFTHEMAREEFFECTIVEFORPAPRREDUC60吼蜘DWIMLOWCOMPLEXI够FOU删Y，ME删INCARE赶耐BYMELLI曲POW甜锄PL墒ERHPAJS锄AIY捌瑚D盯WIMAXS、，STEMCOMIDERINGTHE咖OMMSOLU虹ONF研RCMOVINGNONLINEARITYPR。DISTORHON册DPAPRREDL】甜ONMEHODS，ANEWMETHODISPROPOSEDM枷曲COMBININ窖TLLEPREDISTONION越LDTRNSME山ODSIMULATION删TSSHOW山E槲MEHFDCANINLPROVETBETOTA王PCDBRIN8NCE，ESPED碰Y，UNDERLAWINP毗BACKO霞IBOFIILALLV，、矿EILL们DUCEDEVELOPIILGWOKS柚DMEASWEME札TRCSULTSBASEDONAWIMAXTESTBCD，WLLICHI8缸NPLEDL即TCDBYRFVIORSJ印ALGEILERATORANDRFVCCTORABSTRACTINN坨LASTCHAPTCROFMESIS，WESUMMANZEDW血OLETHCIS明DPO缸TEDOUTFILNLLEFFESEAMLDIREC60I略INPAPRREDUC石ONFORWIMAXSYST哪SKEYWORDSOFDM，PEAKTOAVCRAGEPOWERRATIO，TONCRESEATIOIL，HI曲POWERMPIIE”图目录图目录图11传统正交多载波传输系统示意图5图12N16的OFDM信号频域示意图一6图13基于MF册FT的OFDM系统结构图7图14M信号时域波形采样7图150FDM信号瞬时峰值平均功率比示意图一8图16OFDM信号信号最大瞬时峰值平均功率比示意图9图L一7OF工M信号幅度概率统计密度函数LO图18不同载波数对OFDM信号PAPR的影响LL图19不同调制方式对OFDM信号PAPR的影响1L图110OFDM信号在不同采样因子下的幅度特性12图11L不同采样因子对OFDM信号PAPR的影响13图112基带和带通OFDM信号PAPR特性比较一】4图21预留子载波方法降低PAPR示意图20图22QCOP方法预留不同数目空子载波对PAPR的影响2L图23WMW发射信号结构图22图2_4NYQUIST情况下预留不同数目空子载波对PAPR影响23图25过采样情况下预留不同数目空子载波对PAPR影响。24图26NYOUIST情况下预留不同数目空子载波所需要的额外功率25图27过采样情况下预留不同数目空子载波所需要的额外功率26图28NYOUIST情况下不同预设定门限对PAPR影响27图29过采样情况下不同预设定门限对PAPR影响27图210TRNS方法低门限预设定门限值信号幅度变化图28图21L矸斟S方法低门限预设定门限值信号相位变化图29图212NYOUIST采样情况下不同预设定门限所需要的额外功率30图213过采样情况下不同预设定门限所需要的额外功率30图214不同PAPR抑制方法在BERL矿下信号TD比较图32图215不同PAPR抑制方法的带外泄漏测试结果33图31NYAUIST情况下PETR方法预留不同空子载波对PAPR的影响39图32NYOUIST情况下LCMNS预胃不同数目空子载波对PAPR影响42V图目录图33过采样情况下LC蝌S预留不同数目空子载波对PAPR影响43图34NYQUIST情况下不同预设定门限对PAPR影响43图35过采样情况下不同预设定门限对PAPR影响44图41经过高功率放大器厉输出信号频谱分量48图42高功率放大器记忆效应示意图49图43高功率放大器RAPP模型AMAM关系图50图44不同MO对输入信号经过RAPP模型的频谱影响5L图45不同IBO对高功率放大器BER性能的影响5L图46高功率放大器预失真方法示意图52图47通过高功率放大器预失真后输入输出关系图53图48高功率放大器预失真对BER性能的影响53图49联合预失真和NTNS的PAPR抑制方法示意图。54图4。10联合预失真和TRNS的方法与TRNS方法BBR性能比较55图411联合预失真和斟S的方法与预失真方法BER性能比较55图51WIMAX测试台结构图56图52WIMAX1坝4试台原理示意图57图53WN4AX发射信号频域结构图58图54W讧AX发送端控制面板59图55WIMAX接收端控制面板59图56WIMAX发射信号帧结构60图57PREAMBLE符号结构图60图58WIMAX信号同步检测示意图61图59W“AX接收信号传统同步检测测试结果6L图510WIMAX接收信号同步检测改进后钡4试结果62图511同步检测后PRE舢讧BLE信号星座图63图512同步检测后数据信号星座图63图513信道估计补偿后数据符号星座图64图514EVM测试原理示意图64图515WNDAX测试平台EVM测试框图65图516W蹦AX测试平台EVM测试结果。65图517WIMAX测试台频谱泄漏测试结果66图5一18WIMAX信号测试仪测试结果一68图目录图519WAX信号测试仪测试结果二68图520MISO系统发射端参数控制面板一69图521WIMAX硬件综合测试平台实物图69表目录表目录表11主要PAPR抑制方法优缺点总结16表21TNS方法在不同空子载波数目下发送功率比较。25表22S方法在不同预设定门限下发送功率比较31表31不同预留空子载波方法复杂度比较45表51W发送信号参数表57表52W嗽接收信号参数表58X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面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名塑茎日期弦1年岁月叫曰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太学有关保留、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日期A刃年R月。F日第一章绪论11研究背景第一章绪论111新型无线传输技术的发展当前。无线通信系统与传输技术的发展正处于一个关键的时期。下一代蜂窝移动通信系统旨在实现高质量、高速率、支持全业务的、无缝覆盖全球的移动多媒体传输功能【LH。与此同时，宽带无线接入技术正在为向室外用户提供INTEMEL的网络业务而快速发展，而无线个人区域网也蓬勃待兴。未来十年，陆地蜂窝移动通信、宽带无线接入及个人通信的发展与融合将成为无线与移动通信领域最重要的议题。为了实现上述目标，各种无线传输技术正努力克服两个主要技术挑战H删一是高速运动移动台导致的多谱勒效应，即由于移动台接收信号的频率由于运动而发生的偏移；二是复杂且难以预测的多径传播环境，多径信道的时延扩展会产生严重的符号问干扰INTSYINBOLINT刊研CE，ISD。在传统的单载波通信系统中，通常是用自适应均衡器来减小符号间的干扰。但是，在密集多径且快速时变的无线通信环境中，系统所面临的是信道的时延扩展要远远大于码元周期，如果仍采用均衡器来处理，系统将变得异常复杂以至于无法实现。针对上述主要问题，一些新型无线传输技术被提出并得到充分研究，主要包括高效编码调制技术、多天线处理技术、及多载波通信技术。例如，N曲OI”H12】码，低密度极性校验码L0WDEILSITYPAIITY_CHECKCODE，LDPC，131钔的使用大大提高了数据的纠错能力；智能天线技术II”AD印NVEATE嗍SYSTEIIL，AAS能利用阵列处理增益抵抗信道衰落和多用户干扰；多输入多输出【1刚剐ML|LTI一娜UTMULTIOUTPUT，M“O无线通信架构则扩展了智能天线功能，基于M订O的编码调制、检测技术为使得成倍提高链路传输容量和系统容量成为可能。另一方面，近十年中得到广泛应用的多载波通信技术也被认为是构成未来一代移动通信的主要框架技术之一。正交频分复用ORLH090NALFREQUCNCYDIVISIONMULTJPL“IN岛OFDM是多载波通信技术的一个典型代表。尤其在无线通信环境中，OFDM收发信机能将频率选择性衰落信道转换为频率平坦性衰落信道，从而克服电子科技大学硕学位论文由于高速数据传输引起的符号间干扰，即增加了抗多径的能力。此外，与窄带无线通信系统相比较，OFDM技术在充分利用频谱资源方面，有较明显的优点。然而，OFDM技术也存在着明显的缺点。下一小节将对OFDM技术的主要特点及其主要缺点高峰值平均功率问题PEAK_LOAV目AGEPOWPAPR卜谴行阐述。112正交频分复用由于超大规模集成V。叮LARGESCALEINLER孕ATIOILVLSD电路的进步，使得高速大规模的快速傅立叶变换FFT芯片成为可能，OFDM技术也成为了商用高速宽带无线通信技术的主要候选。另外，OFDM技术还拥有许多独特的性质使得它颇具吸引力1由于低速并行子载波上符号周期的增加，OFDM技术对抗多径衰落和码间干扰的性能增强。对于具有大延时扩展的多径信道，采用单抽头频域均衡的0FDM接收机的复杂度远小于单载波接收机；犯1OFDM技术通过运用自适应调制和子载波上的功率分配技术能更有效地利用频带资源；31由于窄带干扰只能作用于子载波的一小部分，OFDM技术具有较好的抗窄带干扰能力。事实上，在过去的几年，OFDM技术已广泛用于宽带数据通信中，如高达16MB，S的高比特率数字用户环路口I曲BJTRATEDI西TALSUBS嘶BERLOOP，HDSL、高达6MBS的非对称数字用户环路ASMNE啊CALDI百TALSUBSCRIBCRLOOP，ADSL、高达10鼢曲，S的超高数率数字用户环路、ERYHI曲BIIATEDI萄TALSUBS嘶BERL0叩，VDSL、数字音频广播I百TALAUDIOBROADCASTIN岛DAB、数字视频广播DI百TALVIDEOBROADCA鲥N盘DVB。OFDM还被引入新的无线局域网标准，包括IEEE802119，可提供高达54MBS的速率。在高性能局域网如HERLAN2和ETSIBRAN中也有采用。OFDM技术还被用于城域网标准LEEE80216和第三代移动通信长期演进LONGTEFRNEV01UDON，LTE技术草案中。这些应用已经表明，OFDM技术将成为第四代宽带多媒体无线通信系统的框架调制技术。然而，与单载波调制相比。OFDM技术仍有以下两个主要缺点11OFDM固有的高峰值平均功率比会降低射频放大嚣的功率利用率。因为多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，如果多个信号的相位一致，那2第一章绪论么所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，否则会带来信号畸变使信号频谱发生变化，从而导致各个子信道问的正交性遭到破坏产生干扰，使系统的性能恶化。但1OFDM系统对于频率偏移和相位噪声非常敏感。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号的频率偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，产生子载波间的干扰HTCAMERINT刊抽1CE，ICI，这将大大降低系统性能。在基于OFDM的无线通信应用中，面向无线城域网领域的宽带无线接入是近五年中受到关注的技术之一。并且，它已被认为对面向陆地蜂窝通信应用的3G系统构成了挑战。本文的研究工作是在WIMAX技术正面L临商用化应用的丈背景中进行，因此，下一节简单介绍WIMAX技术背景。113WIMAX标准简介I髓E8021L系列标准在无线LAN领域获得巨大成功之后，IEEE进而希望将这种成功的应用模式推向更广阔的无线城域网领域。IEBE80216系列规范提供了统一的空中接口标准，为规范设备能力、实现不同厂家设备之间的互联和技术的全球化打下了坚实的基础。非盈利组织WIM删ORLD州DCINTEROP口ABILITYNRMICROWAVCACCCSS，全球微波接入互操作性论坛成立的宗旨是在全球范围内推广遵循IEEE80216【2”标准和ETSIHIPERMAN标准的宽带无线接入设备，并且对设备的兼容性和互操作性做统一的认证以保证系统互联、方便运营商部署。也正是由于上述原因，WIMAX成了标准IEEE80216的代称。WIMAX是采用无线方式代替有线实现“最后一公里”接入的宽带接入技术。WIMAX的优势主要体现在这一技术集成了WIFI无线接入技术的移动性与灵活性，以及XDSLDIGITALSUBSCRIBCRLO叩等基于线缆的传统宽带接入技术的高带宽特性，其技术优势可以概括如下1传输距离远、接入速度高。WIM斌采用正交频分复用技术，能有效对抗多径干扰；同时采用自适应编码调制技术可以实现覆盖范围和传输速率的折衷；此外，还利用自适应功率控制可以根据信道状况动态调整发射功率。从而使得WIMAX具有更大的覆盖范围以及和更高的接入速率。WIMAX最高传输数率可以达到75MBI以；3电子科技大学硕士学位论文2无“最后一公里”瓶颈限制、系统容量大。作为一种宽带无线接入技术，W】MAX接入灵活、系统容量大。WIMAX不仅支持固定无线终端也支持便携式和移动终端，能适应城区、郊区以及农村等各种地形环境。一个WIMAX基站可以同时为众多具有的客户提供服务，为每个客户提供独立带宽请求支持。3提供广泛的多媒体通信服务。WIMAX可以提供面向连接的、具有完善QOSQUALI哆OFSEICE保障的电信级服务，满足用户的各种应用需要。4提供安全保证。WIMAX系统安全性较好。WIMAX空中接口在MAC层上增加了私密子层，不仅可以避免非法用户接入，保证合法用户顺利接入，而且提供加密功能，充分保护用户隐私。相对于传统基于OFDM技术的传输方式，WIMAX也有一些新的传输特点和技术要求；1WIMAX的主要用途是无线城域网，传输的距离通常为几公里到十几公里，所以对于高功率放大器有较高的要求，例如需要较大的放大增益和较高的放大器效率。2为了满足WIMAX系统高传输速率，需要更多正交数据子载波来传递有效数据。数据子载波数目过多会直接导致WIMAX信号峰值平均功率比过大。为了保证发送信号不失真，放大器需要较大的动态范萄，从而降低放大器的工作效率。综上所述，如何降低WIMAX信号的PAPR已成为研究工作中的首要问题。由于OFDM是WIMAX系统的物理层的核心调制技术，下面将从OFDM信号模型阐述WIMAX信号具有较高峰值平均功率比的原因。12OFDM信号模型及其峰值平均功率比特性1。21OFDM信号的产生根据正交频分复用的概念，调制器会把可用频谱分为许多正交的子信道，每一个信道各自进行相应的调制并传输数据，如图11所示。4第一章绪论幽L1传统正趸多载坡传精系统不惹图假定为OFDM调制前的信号，则OFDM调制后的信号可以表示为JO9724肛纯P，OFZ11其中五五十4R，五为信号载频，V为频率间隔，五为符号周期，舭K焉21Z为了正确接收和解调OFDM信号，符号持续时间需要足够长，比如五VL，这就是所谓的正交条件。所以砉I纯P坷C力出砉J扩“嗍出去J一2“H蚴出占CE一门C哪其中研一力是狄拉克函数，定义为酬。乏。0一式13表明纯是一系列正交函数。根据这一性质，OFDM信号可以使用以下方式来解调扣箩俐饥毒黔扣疵翻川HMS，由式111可知，OFDM信号是多个正弦波的叠加，如图12所示。电子科技大学硕士学位论文图12N16的0FDM信号频域示意图对于载波数较大的0FDM系统而言，复数OFDM信号可以等效为时域有限多载波调制方法。因此，OFDM信号发射端可以利用IDFTHERSEDISC眦EFO嘶CRTRANSFORM来简化实现，同样在接收端利用DFTDISCRETEFO面“TRALLSM来实现解调处理。根据式11，如果【；王乇间隔进行采样，则其相应的离散OFDM信号可以表示为只。JN，芝J。P72砒鲁，O一116为了不失去表达式一般性，设定矗O，工女。所以式16表示为最矗ERDFTK17则基于IFFT和FFR的OFDM系统框图如图13所示。在OFDM系统中，当子载波个数超过一定数目后，根据中心极限定理，OFDM信号时域波形将近似为一个高斯随机过程，如图14所示，其包络具有不稳定性，这种现象导致OFDM信号通过放大器时，若不施以足够的输入功率回退，输入信号将遭遇放大器的限幅而导致非线性失真。破坏子载波间的正交性，从而恶化传输性能。6第一章绪论一一一一一一一一一一一燮堂一一一一一一一一一一一J匿13基于兀佃FT的0FDM系统结构图时域信号采样点图14OFDM信号时域波形采样122OFDM信号峰值平均功率比概率统计特性通信研究中通常用峰值平均功率比来描述信号包络的不恒定。这里以连续信号峰值平均功率比为例，介绍几种衡量信号包络变化的指标。信号瞬时峰值平均功率比定义为信号的瞬时功率与平均功率的比值一蜘S降卜C嘞。一S，其中，平均功率。为己研I3F门O蔓F西昂，S1114式114表示OFDM信号在任意符号内，峰值平均功率比超过门限口的概率为P。为了分析OFDM信号时域波形的包络特性，设定时域信号以NYQUIST频率进行采样。在这个假定条件下，每一个采样点的实部和虚部都是个独立同分布变量线性组合。因为每一个数据子载波都是经过相同调制方式，根据中心极限定理，当足够大的时候，OFDM信号采样点的实部和虚部都近似满足高斯分布洲。假定50REP一O，口2，则概率密度函数口R曲ABILITYDENS时如N出OIL，PDN为，扣了嘉82，1。1567O9电子科技大学硕士学位论文由于OFDM复数信号实部，虚部满足独立高斯分布，所以OFDM信号采样点的幅度满足瑞利分布RAYLEL911DIS嫡BUTI。N，其概率密度分布函数如图17所示。辐旧魁船斛摩，罂。寺，O盯。1一16图17OFDM信号幅度概率统计密度两数根据式116所示，基带OFDM符号PAPR的累积概率密度函数为口4JPRP4尸R盯1一1一E一4”117其中口对应峰值平均功率比的门限。式1一17式表明，虽然OFDM信号具有很大的PAPR，并且越大相应的PAPR也越太，但是高PAPR出现的概率仍然很小。根据式117所示，本文对不同子载波数128，256，512，1024，2048，调制方式QPSK的峰值平均功率比分布进行了仿真，仿真结果如图18所示。从圈中可以看出，随着子载波数的增加，OFDM信号出现高PAPR的概率也逐渐增加。同样本文对0FDM信号子载波数256，不同调制方式QPSIC16QAM，64QAHD的PAPR特性进行了仿真，仿真结果如图19所示。观察图19可知，在相同的载波数情况下，不同的调制方式并不会改变OFDM信号的PAPR分布特性通过上面仿真结果说明OFDM信号的PAPR特性仅仅与载波数目相关，与调制方式无关。10第一章绪论PAPRDB图I8OFDM信号峰值平均功率比的CAFN“，128，2565L2，16QAHD图19OFDM信号峰值平均功率比的CCDF唧256，QPSI，16QAL删QUO采样频率矗在PAPR特性中也起到重要的作用。事实上，为了使OFDM时域采样信号更加近似表示OFDM模拟信号，一般需要对经过LDFT变换后的信号进行内插，仅以NYQUIST采样速率对OFDM信号进行采样并不能充分的描述OFDM屯子科技大学硕士学位论文模拟信号。本文对OFDM模拟信号NYQUIST采样速率和过采样因子扣8采样结果进行了对比，对比结果如图1一LO所示。观察图1】0可知，以NYQLLIST采样速率后的OFDM信号包络不能充分的描述OFDM模拟信号，会遗漏一些潜在的峰值信息。这表明；只有过采样的0FIM基带信号才能更真实地反映发送模拟信号的PAPR值。结合上面情况，本文对256子载波的OFDM信号在不同过采样率情况下，PAPR特性进行仿真，仿真结果如图1一11所示，OFDM过采样信号的队PR要大于以NYQUIST采样速率的OFDM采样信号；同时本文也发现当过采样因子为4，8的时候PAPR特性已经非常接近，这说明过采样因子4已经能够比较准确的表示OFDM模拟信号特性。在文献24中，对过采样OFDM信号的PAPR特性的研究结果也证明了上述仿真结果。趔蜊粤咖|坚图1100FDM信号在不同采样因子下的幅度特性对于带通传输信号而言，由于OFDM基带信号与载波频率上互调，则F飒ES咖72啡；婀GSFCOS，2刀正F一S所SFSIN02万F118墨FCOSJ2万ZF一芦。FSIN，2石力其中实际载波频率远远大于信号带宽，如2Z弦。扶式1一18中可知，带通信号最大值与基带信号晟大值是相同的，如式119所示12第一章绪论图L一“OFDM信号不同采样因子峰值平均功率比的CFN256，16QAMMAXIS附FPMAXLSOI119但平均功率却发生了变化，如QAM调制，E|马F12冒IF12E1SO12。结合式118，平均功率可以重新表示为劬啪讦一EM“一E圳旦业孚监120剧咫C研号I基麦焉酱“兰I；器学2以豫SC卜Z，根据式121所示，带通信号队PR近似等于基带信号的2倍3DB。本文利用WIMAX综合测试平台对实际带通OFDM信号PAPR进行了测试，测试结果如图112所示。从图中可阻看出。实际测试OFDM带通信号和OFDM基带信号PAPR特性相比，在相同的互补累计概率条件下。如CCDF在102情况下，带通信号PAPR门限值大于基带信号24DB。虽然和3DB理论值有一定的差别，这个影响可以看成实际测试系统误差。电子科技大学硕士学位论文图1一12基带和带通OFDM信号峰值平均功率比的CCDF13PAPR抑制方法综述多载波通信系统中，由于信号的高PAPR特性限制了其在高速数据通信中的应用。因而PAPR抑制技术也引起了广泛的研究兴趣，有大量抑制PAPR方案已被提出，例如，限幅法【2Q【32】、多路备选信号法33】一M】、编码法41L廿”、压缩扩展法50】，预留子载波法158】等。限幅法的基本思想是预定限幅门限，对OFDM信号包络超过门限的部分进行直接削除。虽然OFDM信号最大峰值功率很高，但是高PAPR出现的概率非常低26”。限幅法复杂度低且效果明显，因此限幅法成为日前应用最为广泛的P时R抑制方案之一。但是限幅是一个非线性过程，会导致带内失真和带外频率辐射，在PAPR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08H”。利用多路备选信号进行的PAPR抑制方法又可以分为两大子类，如选择映射法SELE砸VEMAPPING，SLM尸】【卅和部分传输序列法口缸IALTRANSRILITSEQUEI】CES，PTS37】。两者的基本思想是通过某种算法由一路原信号得到多路各选信号，从中选择PAPR最低的一路信号进行传输。这类算法与子载波的个数和调制方式无关，使用灵活，并能保证系统平均功率基本不变。但是，为了得到多路备选侍14第一章绪论息，往往需要进行多次IDFT运算，增加了系统复杂度。同时为了保证接收端的正常解调，通常需要可靠传送一定数量的副信息。如何有效设计多路备选信号、降低系统复杂度以及保障副信息的传输成为这类算法的研究热点”Q【。编码法通常在OFDM调制之前对信号进行编码处理，通过调整输入信号的相关性达到抑制PAPR的目的。在最初的方案中，编码法往往先遍历所有可能的传输序列，从中选取PAPR较小的部分，然后重新分配传输序列用于数据传输。由于其复杂度随着子载波数的增加显著上升，并不适于子载波数较大的情况14LJ【42J。后来研究表明，在多载波系统中信号的PAPR主要取决于输入信号的相关程度，凼而要降低信号的PAPR，就需要寻找自相关函数旁瓣小的序列。GOLAY互余序列就是这样一种自相关函数旁瓣小、峰值平均功率比性能优的序列【42J。但是如何编、译GOLAY序列一直是一个难题。在文献41中，从理论上分析了GOLAY序列与RDMULL“码的关系，给出了基于RDMULLER码的生成方式构造GOLAY序列的方案和基于最大似然法M“IMUMLIKELIHOOD，ML的译码方案。其分析结果证明，随着子载波个数的上升，编码效率会迅速下降趋于空。这也正是因为该编码方案同时严格保证了系统对峰值平均功率比控制和对最小汉明距离的要求，因此，这种方案通常也只能用于子载波个数很小32的情况。压缩扩展法即压缩大信号，增强小信号。在文献50】中，根据OFDM时域信号的特性出现高幅度的概率低，出现低幅度的概率高。其类似于在声音信号中，高频率信号出现的概率低，低频率信号出现的概率高。因而，文献中提出可以类似地利用语音压缩技术如；”一ZW压缩扩展，在发送端对时域数据进行压缩，而在接收端进行相应的扩展。仿真证明，这种方案在降低PAPR的同时，往往会改变系统的平均功率，并同时引入信号失真而导致系统性能恶化。预留子载波法TBRESERVATION，删的基本思路是在所有子载波中，只选择一部分K简称数据子载波用于传送数据信号，而在其余子载波一M简称附加子载波上插入预定的冗余数据，通过设计冗余数据而抑制PAPR。最简单的方式就是在这一，个子载波上都传0利用这些0扩大信号子空间，从中选择峰值平均功率比较小的信号进行传输，等效于一种特殊的编码。但其也必须考虑选择的信号子空间中点与点之问的最短距离问题。在文献【55】58中，提出这部分附加的子载波应该动态分配，根据接收端反馈的信道信息，动态的调整子载波的位置。由于其考虑了各个子载波的信道条件，则不仅可以降低峰值平均功率比，还可以提高系统的误码率性能。文献58】中，分析了子载波分配方案对系统性能的影响，并将其分为三种附加子载波连续放置在全部信号子载波之后；附加子载波连续电子科技大学硕士学位论文置在全部信号子载波之间；附加子载波在信号子载波之间随机放置。仿真证明，第三种方案的效果最好，从而也验证了文献中动态分配子载波的思路。在该文献中，通过仿真可以发现，在一M40时，系统对峰值平均功率比的改进达到最大，继续增加附加子载波的数目，效果趋于饱和。该算法的主要优势在于不影响数据子载波上的信息，但是寻求最优冗余数据的算法相当复杂。其它方案主要包括改变OAM调制的星座图变换法和部分响应信号技术法”W叫等。前者通过扩大0AM调制星座图降低PAPR，但其缩小了星座图中点与点之问的最小汉明距离，并在子载波数较大时，按PAPR的要求选择合适的星座图图案也相当复杂。后者则引入变化因子与输入频域数据进行周期卷积，将原信号从一个子载波扩展到多个子载波上进行传输，通过调整引入的变化因子来控制PAPR。但是，变化因子的最优化选择和接收端检测器的设计都相当复杂，从而限制了这类算法的应用。在袤11中，本文列出了主要PAPR抑制方法的优缺点。表1一L各种PAPR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和滤波是否否编码法否否是部分传输序列法否否是选择映射法否否是预留子载波法否是是压缩扩展法是是否星座图变换法否是否14课题来源和本文的工作141课题来源和本文目的本课题来源子作者所在实验室所承担的自然科学基金重大项目“充分利用空问资源的无线通信传输理论”编号60496313、与DOCOMO北京实验室的联合研究项目“MIMOOFDM系统中PAPR抑制技术研究”，及作者以交换生身份赴新加坡南洋理工大学学习时参与的新加坡政府项目“基于MIMO0FDM的WIMAX综合测试平台”本文主要结合WM协X系统结构特点。研究如何合理利用空子载波来降低PAPR，对此方法导致的各种问题进行了分析和仿真。并且，针对预留空子载波方16第一章绪论法降低PAPR方法的高复杂性本文提出了一种峰值平衡预留空子载波方法和一种低复杂度预留空子载波PAPR降低方法。接着，从降低放大器非线性影响和提高系统性能的角度，提出了一种联合放大器预失真和无失真NS的PAPR抑制方法。最后，利用美国国家仪器公司NATI01INSTRUME们，NI生产的P硬件包括PXI567L矢量信号发生器、PXI5660矢量信号分析仪1、及L西VIEW和MATLAB。软件建立了基于WIMAX标准的物理层RF链路硬件测试平台，并利用MIILICIRI乜公司的ZVE8G宽带高功率放大器，对所提PAPR方法的性能进行了实验验证。对上述WIMAX系统中PAPR抑制关键技术的研究构成了本文的主要框架，主导着本文的研究方向。142本文的结构安排本文以下的内容安排如下第二章结合WIMAX信号结构特点提出一种针对该系统的预留空子载波方法TONERCSERVANON118IN冀NILLLSLLBCAMERS，TRNS降低PAPR。利用WIMAX系统空子载波特殊性，本文在预留不同数目空子载波和不同的预设定期望门限情况下，对TRNS方法的有效性进行了研究。研究结果表明预留不同数目空子载波对TRNS方法影响不大，但是不同的预设定期望门限对其影响较为显著。TRNS在较高的预设定期望门限会取得优于低期望门限的性能，这和传统预留子载波方法认识是截然不同的。接着本文对其结果进行了合理的分析。本章主要工作源于作者以第二作者身份已完成的在审论文”。第三章根据OFDM调制后时域采样信号特点，分析了采样信号幅度的联合概率密度和PAPR值的关系，提出了简化系统的理论依据。结合上述理论结果，本文提出一种峰值平衡预留子载波方法PEAKEQUIVALENTTONERESERVATIO玛PETR和一种低复杂度预留空子载波方法LOWCOMPLEXITY1饥ERESEFVATIONUSINGNUNSUBCARRIERS，LC耵斟S。在降低复杂度的同时，并取得不错的PAPR降低性能。其次，本文详细分析了上述两种算法的性能和各种可能存在的弊端。本章主要工作源于作者以第一作者身份发表的论文【H”。第四章介绍了高功率放大器非线性特性以及对WIMAX信号的各种影响，如WIMAX信号在特定放大器模型条件下误码率BITEHWRAFE，BER特性和频谱带外泄漏SPECTRALREGROWILL问题。结合高功率放大器预失真和基带PAPR降低算法这两种有效降低高功率放大器非线性的方法，本文在一种典型放大器预失真方法17电子科技大学硕士学位论文的基础上，提出一种联合放大器预失真和无失真TRNS的队PR抑制方法。本章主要工作源于作者以第一作者身份已完成的论文IH“。第五章验证了上述降低PAPR算法有效性和测试WJMAX综合测试平台系统性能。本文利用国家仪器公司射频信号发生器RFVECTORSI辨A1GCLLEMTOR，RFSG和射频信号分析仪RFCLORSI印ALAMALYZRFSA构建了WIMAX系统物理层链路RF综合测试平台。测试结果首先证实了在WIMAX系统中，TRNS方法有效地降低WIMAX发射信号PAPR特性，且不会带来严重的频谱泄漏问题。其次，通过解决硬件平台基带信号发生器带宽匹配，信号时频同步，相位补偿等一系列关键环节后，本文对WIMAX综合测试平台系统性能进行了评估，如矢量误差测试ERRORVE咖MEASUREMENT，E田，频谱泄漏。最后，利用第三方T吐仃DNIX提供的RSA实时频谱分析仪及提供的WIMX信号规范分析软件RSAIQWIMA均对本综合测试平台进行了评估。本章主要工作源于作者以第一作者身份发表的论文【ML。第六章总结了本文的研究工作，给出相关结论，并给出了关于下一步研究工作的思考。1S第二章WMAX系统中预留空子载波方法第二章WIMAX系统中预留空子载波方法21传统预留子载波方法传统预留子载波方法的基本思路是在所有子载波中，只选择一部分M简称数据子载波用于传送信源信号，而在其余子载波一M简称附加子载波上插入预定的冗余数据，通过设计冗余数据而降低PAPR。最简单的方式就是在这|V一个子载波上都传O，利用这些。扩大信号子空间，从中选择峰值平均功率比较小的信号进行传输，这种方法相当于一种特殊的编码。但其也必须考虑选择的信号子空间中点与点之间的最短距离问题。在文献55H58中，提出这部分附加的子载波应该动态分配，根据接收端反馈的信道信息，动态的调整子载波的位置。由于其考虑了各个子载波的信道条件，该方式不仅可以降低峰值平均功率比，还可以提高系统的误码率性能。但是，在恶劣的无线通信下行链路情况下，信道反馈不仅需要占用额外的子载波，而且需要无线传输信道为静态信道，传统预留子载波方法在一定条件下限定了使用范围。本文结合文献【58，首先介绍预留子载波方法TORESEFV描ONMEMOD，TR如何降低OFDM信号的PAPR。假设OFDM信号时域采样点为X；五，置，J。，峰值抵消时域信号为C叫C0，Q，G。，】，则根据OFDM调制后时域信号得到的新的复合信号为X，XF坍RC21其中X【而，而，H。，】为OFDM调制前发射信号矢量，F，CI，C，】为预留予载波矢量。在预留子载拔方法中，Z和F不能同时都为空，如_气T61各2【C上，KU其中C，。表示数据子载波序列，【，表示可用于预留子载波降低PAPR子载波序列。因为所有接收端符号解调过程均在DFT以后，对信号进行子载波逐一解调，所以预留出来的子载波在接收端可以被直接丢弃，而不会带来任何系统信号损失。正是因为如此，预留子载波方法是一种发送信号无失真的P仙R降低方法。预留子载波原理示意图如图21所示。19电子科技大学硕士学位论文图2I预留于载波方法降低PAPR示意图簪81为了找到最合适的C使复合矢量信号X具有更低PAPR，该优化问题可以归类于矢量信号凸极优化问题QUAD瑚TICALLYCONSTRAINEDQUADM石CPROGRA删NING，QCQP，用数学描述表示为5S】MINEJ“龟槽CF胁IL五，C瞧F23FO，L”，一L其中冒表示经过峰值降低处理以后最大的峰值幅度，表示IDFT变化矩阵第I行。仿真结果如图22所示，当预留20个空子载波，预留子载波方法在10。情况下，QCQP晟优化方法能取得35DBPAPR增益。为了找到最优的结果，QCQP方法必须经过大量而复杂的迭代运算来取得满意的结果。但是在实际系统中是绝对不允许的，所以必须采用一种简化的算法来降低算法复杂度。作者TELLADO在文献【58】中提出一种NT方法，为了优化信号削波噪声比SI斟ALTOCLIPPINGN01S。RACIO，TR方法预留一定数目子载波产生峰值抵消信号从而降低PAPR。该算法在每一个OFDM符号里面对信号做如下处理步骤L初始化设置耍OZ；步骤2在OFDM