[硕士论文精品]基于ofdm信号的数字预失真技术研究

论文题目专业研究生T指导老OILI基于OFDM信号的数字预失真技术研究通信与信息系统张璐璐曾召华摘要签名张越盈签名OFDM技术以其频谱利用率高，抗干扰能力强等优点而得到了越来越广泛的应用。本文首先系统的总结分析了OFDM的基本原理、特点，并从信号构成的角度说明了OFDM信号对功率放大器非线性敏感的原因，通过对常用的功率放大器模型分析了功放的非线性。本文的重点是数字预失真技术，在阐述了预失真技术的基本原理后，详细讨论了基于查询表LUT和基于多项式的预失真技术。其中在基于查找表预失真技术中详细说明了查找表的形式，地址索引方式以及查找表常采用的方法，在对多项式预失真技术的研究中给出了多项式预失真的原理图及对其原理的详细阐述。接下来对OFDM系统的多项式预失真算法进行了重点研究，首先通过VOLTERRA级数对功放进行建模，改进了模型后得出一种便于计算的功放的简化模型，通过功放模型得出多项式预失真器的模型，然后分别通过对最小均方误差的多项式算法和递归最DX乘的多项式算法的分析比较，最后对递归最小二乘的多项式算法进行了仿真，并对不同的记忆深度下不同的非线性阶数下的仿真结果进行比较和分析。验证了其对功放非线性补偿的有效性，有效的消除了由功率放大器的非线性造成的传输信号的幅度和相位失真，降低了信号邻道干扰，提高了系统频带利用率。为了进一步改善OFDM数字预失真系统的性能，本文对系统进行改进提出了双功放数字预失真系统，并通过计算机仿真验证了双功放数字预失真系统能够有效的提高系统性能，使输出信号得到更大的增益。关键词正交频分复用；数字预失真；非线性失真；自适应；双功放研究类型理论研究SUBJECTRESEARCHONDIGITALPREDISTORTIONTECHNIQUEINOFDMSIGNALSSPECIALTYCOMMUNICATIONANDINFORMATIONSYSTEMNAMEZHANGLULUINSTRUCTORZENGZHAOHUAABSTRACTSIGNATURESIGNATUREOFDMTECHNOLOGYINITSHIGLLSPECTRUMEFFICIENCY,THEADVANTAGESOFANTIINTERFERENCEABILITYANDHASBEENMOREANDMOREWIDELYTHISARTICLESUMMEDUPTHEFIRSTSYSTEMATICANALYSISOFTHEBASICPRINCIPLESOFOFDM，CHARACTERISTICS，ANDFROMTHEPERSPECTIVEOFTHESIGNALTHATCONSTITUTESTHEOFDMSIGNALSENSITIVETOTHEREASONSFORNONLINEARPOWERAMPLIFIER,POWERAMPLIFIERTHROUGHTHECOMMONLYUSEDMODELFORANALYSISOFTHENONLINEARAMPLIFIERTHEFOCUSOFTHISPAPERISADIGITALPREDISTORTIONTECHNOLOGY,PREDISTORTIONONTHEBASICPRINCIPLESOFTECHNOLOGY,THEDETAILEDDISCUSSIONBASEDONTHELOOKUPTABLELUTANDPOLYNOMIALBASEDPREDISTORTIONTECHNOLOGYONELOOKUPTABLEBASEDPREDISTORTIONTECHNIQUEDESCRIBEDINDETAILINTHEFORMLOOKUPTABLE，ADDRESSLOOKUPTABLEINDEX，ANDTHEMETHODSUSEDOFTEN，INTHEPOLYNOMIALPREDISTORTIONTECHNIQUESAREGIVENINPOLYNOMIALPREDISTORTIONOFTHESCHEMATICDIAGRAMANDADETAILEDDESCRIPTIONOFITSPRINCIPLENEXTONTHEOFDMSYSTEMPOLYNOMIALPREDISTORTIONALGORITHMISFOCUSEDON,FIRSTOFALLTHROUGHTHEVOLTERRASERIESMODELOFTHEPOWERAMPLIFIERTOIMPROVETHEMODELFORTHEPURPOSEOFCOMPUTINGHAVECOMEUPWITHASIMPLIFIEDMODELOFTHEAMPLIFIER,THROUGHTHEPOWERAMPLIFIERMODELPOLYNOMIALPREDISTORTIONDEVICETODRAWTHEMODEL，ANDTHENTHROUGHTOTHEMINIMUMMEANSQUAREERROROFTHEPOLYNOMIALALGORITHMANDRECURSIVELEASTSQUARESANALYSISOFTHEPOLYNOMIALALGORITHMOFCOMPARISON，THELASTOFTHERECURSIVELEASTSQUARESPOLYNOMIALSIMULATIONALGORITHMANDTHEMEMORYOFDIFFERENTDEPTHSINDIFFERENTORDERUNDERTHENONLINEARSIMULATIONRESULTSARECOMPAREDANDANALYZEDAMPLIFIERTOVERIFYITSEFFECTIVENESSOFNONLINEARCOMPENSATION，THEEFFECTIVEELIMINATIONOFTHENONLINEARPOWERAMPLIFIERCAUSEDBYTHETRANSMISSIONSIGNALOFTHEAMPLITUDEANDPHASEDISTORTION，ADJACENTCHANNELSIGNALTOREDUCEINTERFERENCEANDIMPROVETHESYSTEMBANDWIDTHEFFICIENCYINORDERTOIMPROVETHEOFDMDIGITALPREDISTORTIONPERFORMANCEOFTHESYSTEM，THEPAPERPROPOSEDTOIMPROVETHESYSTEMADUALPOWERDIGITALPREDISTORTIONSYSTEM，ANDTHROUGHCOMPUTERSIMULATIONTOVERIFYADUALPOWERDIGITALPREDISTORTIONSYSTEMCANEFFECTIVELYIMPROVESYSTEMPERFORMANCE，SOTHATTHEOUTPUTSIGNALOFAMOREABIGGAINKEYWORDSOFDMDIGITALPREDISTORTIONNONLINEARDISTORTIONADAPTIVEDUALPOWERTHESISBASICRESEARCH要料技夫学学位论文独创性说明本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名璩瓣期伽口7F弓学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本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和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。保密论文待解密后适用本声明。|学位赦储张刎游指导教师躲曾召辛勘珂年，月岛日1绪论11移动通信的发展现状1绪论移动通信是通信领域中最具活力，最具发展前途的一种通信方式，是当今信息社会中最具个性化特征的通信手段。移动通信以其特有的灵活性，便捷的优点符合了现代社会人们对通信的要求，使其迅速成为了20世纪80年代中期以来发展最快的通信方式。目前全球的无线业务正以每年40的速度增长，在信息产业中，我国移动通信市场潜力居世界第一位，根据有关部门的统计数据表明，在未来的几年间我国移动通信市场将以每年1000万的增长速度发展。无线蜂窝移动通信系统的发展经历了三个阶段，第一代为模拟话音，始于1978年，在进入90年代以后移动通信发展极其迅速，移动通信进入了第二代，它的主要特征是数字话音，采用了多址方式，有频分多址FDMA、时分多址TDMA和码分多址CDMA等，实现全球漫游。第三代移动通信是在第二代数字移动通信市场的蓬勃发展中被引入日程的，它的主频段位于2GHZ频段附近，所以国际电联将其命名为IMT2000。已经淘汰的第一代和目前正在使用的第二代移动通信系统是针对传统的话音和低速率数据业务的系统。而在未来的信息化社会当中，图象、话音和数据相结合的高速数据业务的业务量将远超传统的业务量，这不是一代和二代移动通信系统所能够承载的。所以为了满足2L世纪移动通信的发展需要，国际电信联盟ITU适时的引入了第三代移动通信系统。第三代移动通信系统，也称3G，于1985年由ITU提出，当时被称为未来公众陆地移动通信系统。被公认为世界各国会在商用中采用的主流标准为WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA三种。2001年10月，日本NTTDOCOMO公司率先建立了世界第一个WCDMA第三代移动通信商用网络。其后，一些公司相继建立了WCDMA商用网络。但有一种观点认为，目前的第三代移动通信方案实际只能是第二代移动通信方案的改进，算不上真正意义的宽带接入网络，并且由于3G系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以有理由认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统的过渡阶段。伴随着第三代移动通信技术的成熟，世界各国纷纷投入到第四代移动通信技术研究。2003年欧盟将B3G技术研究列入第六框架研究计划，日本与韩国也于2002年启动了面向B3G的研究计划。为缩小我国移动通信研究开发与国际先进水平的差距，经科技部批准国家863计划于2001年12月正式启动了面向第四代移动通信发展的未来通用无线环境研究计划FU慨计划。其主要目标是面向未来无线通信领域的发展趋势与需求，重点突破新一代移动通信系统关键技术，逐步建立一个包括蜂西安科技大学硕士学位论文窝移动通信、宽带无线接入和短程无线连接为一体的通用无线电环境，为中国未来无线与移动产业的跨越式发展创造条件。让我们在不远的将来一起来感受科学技术给我们带来的无穷乐趣吧12OFDM技术的发展及特点现代无线通信技术为人们提高了更加便利的信息交流。从过去的几十年内，随着社会的进步，科学技术的发展，移动通信技术得到了迅猛的飞跃。第三代数字蜂窝移动通信系统的其主要特征是支持多媒体业务，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，3G中使用简单的CDMA技术己经不能满足要求。于是，以正交频分复用OFDM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J。OFDM是由20世纪50、60年代美国军方的多载波调制MCM发展而来。在1970年衍生出了大规模子载波和频率重叠技术的OFDM系统，此后由于技术上的缺陷，OFDM理论向实践的脚步放缓了。直到1971年，WEINSTEIN提出了利用离散傅立叶变换DFT来产生和接收的思想，从而省去可以前所需要的子载波模拟振荡库。20世纪80年代，由于大规模集成电路出现使得FFT技术的实现不再是技术的瓶颈，长期困饶OFDM技术的一些障碍开始得到某种程度的解决。自此，OFDM技术走上了通信的舞台，逐步进入高速MODEM和数字移动通信的领域。现在OFDM技术已经在某些国家广泛用于广播信道的宽带数据通信、数字音频广播、高清晰度数字电视HDTV和无线局域网WLAN。随着ASIC技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应用，OFDM技术的实现和完善指日可待。与CDMA相比，OFDM具有如下优点对于单蜂窝和多蜂窝环境，OFDM性能远优于CDMA。在单蜂窝环境OFDM可允许同时通话的用户数为CDMA的210倍。对于多蜂窝环境，OFDM可允许同时通话的用户数为CDMA的074倍。OFDM和CDMA在用户容量上的差异主要在于是否使用了蜂窝分区CELLSECTORIZATION和语音激合检测技术VOICEACTIVITYDETECTION。比如用125MHZ的带宽和195KBPS的用户数据率时，CDMA在单蜂窝系统中性能较差，在每一个蜂窝CELL中仅允许7,16个用户同时通话，而对于OFDM系统则可达到128个用户。这种CDMA的低蜂窝容量10WCELLCAPACITY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。OFDM可容忍较大的多径时延扩展。事实上多径信号在进行RAKE接收机处理后将导致接收信号加强。对应于30KIN的多径反射、低于LOOPS的时延扩展都是可以忍受的。OFDM信号峰值的消除CLIPPING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69DB。这将减少对OFDM发射端输出阶段的动念范围要求。21绪论所以，对于高容量、高移动速度的无线移动通信系统而言，OFDM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。OFDM技术之所以成为近年来的技术研究热点之一，其原因在于OFDM系统存在如下的主要特点1把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散带来的ISI，大大减少接收机内均衡的复杂度。2OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM可最大限度的利用频谱资源。3由于OFDM中各个子信道的正交调制和解调可以采用IDFT和DFT方法实现。对于载波数目N很大的系统，可以通过快速傅立叶变换FFT来实现。4OFDM系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率，这不但适合无线用户数据业务的使用需求，而且符合移动通信系统自身的要求。5由于无线信道存在频率选择性，可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统性能。6OFDM系统可以容易与其他多种接入方法相结合使用，构成OFDM系统。7因为窄带干扰只能影响D,部分的子载波，因此OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。OFDM技术与单载波技术相比，具有以下的优缺点它的优点在于1抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，这使OFDM对脉冲噪声IMPULSENOISE和信道快衰落的抵抗能力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。2频率利用率高。OFDM允许重叠的正交子载波作为信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用率。3具有较强的灵活性。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道好的时候，采用效率高的调制方式。当信道差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上可以高速率进行传递。4抗码间干扰ISI能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰以外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性干扰。造成码间干扰的原因很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用循环前缀，3西安科技大学硕士学位论文对抗码间干扰的能力很强。同时，OFDM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号的叠加，因此与单载波相比，存在以下主要缺点1对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM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。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交性遭到破坏，仅仅1的频偏会使信噪比下降约30DB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。2存在较高的峰值平均功率比。与单载波相比，由于多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率会远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比简称为峰平比PAPR。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会给信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生改变，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。因此，OFDM技术的高速率和良好的性能是以增加系统的复杂性为代价而获得的。除了对放大器的线性度要求比较高之外，该技术的另外的难点是如何降低OFDM信号的峰平比以及如何实现各个子载波间的精确同步，这几个方面还有需要进一步的研究和突破。13对OFDM系统的DPD技术研究的必要性由于新的宽带数字调制信号体制如OFDM、MCCDMA、WCDMA。由于它们具有多载波、宽频带和较高的峰均L匕PAPRPEAKTOAVERAGEPOWERRATIO等诸多特点，对发射机线性度提出了非常高的要求，因此如何有效地进行线性放大是一个重要的问题，让放大器既线性又高效的工作，即对射频放大器或射频系统提出了线性化处理的要求，发展射频放大器线性化技术，采用各种手段和方法来实现放大器高效率而又高线性度的工作，这一点，对于未来无线移动通信技术的发展和实现有着十分重大的实际意义。OFDM具有的众多优点使其已被多个标准采纳，被公认为是3G，4G的核心技术，与单载波系统相比，由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，由此会带来较大的峰值平均功率比。因其具有高的峰均比特性，要求功率放大器必须具有较大的线性范围，否则将会导致信号的非线性失真，这就意味着功放必须远离饱和点才能满足系统的线性化需求L剧，在实际应用中避免系统出现非线性失真的简单方法就是增加功率放大器PA的输出回退OBOOUTBACKOFFLJJ但由于OFDM信号的高峰均比特性，所需的输出回退会很大，这将造成PA工作效率的大大降低，通常在10以下，也就是说有90的功率将被损耗并转化为热量散发出去一儿洲。因此对于OFDM系统而言，在不明显降低PAT作效率的同时如何有效地进行线性放大是一个重要的问题。41绪论在第三代及以后的第四代无线移动通信系统中，对手持移动终端的要求是更加的智能化、多样化、个性化服务以及方便携带，这就对手机终端的电池容量要求很苛刻，从目前可多次充电电池的技术来看，基本上不可能在电量储备上有特别大的突破，这样，就要求功率放大器必须有很高的功率效率。功率放大器PA是一种在通信系统广泛使用的非线性器件，只要输入信号幅度超出其线性区，输出就会产生非线性失真，从而造成信号带内失真和邻带信号干扰，因此必须将失真控制在一定的范围之内。从效率角度考虑，不能只通过增大功放线性区来消除非线性失真，因此线性化技术应运而成。PA线性化技术所要解决的主要问题是降低邻道干扰ACI；减小带内损耗，提高系统BER性能及放大器功效。由于OFDM调制的信号瞬时值会有较大的波动，这将要求系统内的一些部件，例如功率放大器具有很大的线性动态范围。而反过来，这些部件的非线性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间的相互干扰，从而影响OFDM系统的性能。进一步说OFDM信号是由大量独立、均匀分布的分量组成，根据中心极限理论，其幅度分布可以近似为高斯分布。因此，相对于信号的平均电平，由大量调制的子带信号叠加而成的OFDM信号在传输中可能出现非常高的瞬时信号峰值，OFDM信号包络的这种剧烈变化特性，一般采用峰值功率与平均功率的比值PAPR来衡量。高的PAPR对发送端前置功率放大器PA的线性度提出了很高的要求，如果对OFDM信号进行了非线性放大，将会使OFDM信号产生带内失真和带外失真。为减轻功率放大器非线性对OFDM信号的影响，就必须对功放的非线性进行补偿，因而功率放大器线性化技术就成为OFDM系统的核心技术之一。由此看来发展基于OFDM信号的数字预失真技术将具有相当重要的意义。5西安科技大学硕士学位论文2OFDM系统及PA的基本原理在上一章中已经提到随着通信需求的不断增长，宽带化已成为当今通信技术领域的主要发展方向之一，而网络的迅速增长使人们对无线通信提出了更高的要求。为有效解决无线信道中多径衰落和加性噪声等问题，同时降低系统成本，人们采用了OFDM技术。在并行传输体制中，OFDM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，OFDM多载波调制技术日益受到密切关注。在这一章我们主要讨论一下OFDM系统的基本原理以及功率放大器的基本原理，从而引出功放非线性对OFDM信号的影响以及使功放线性化的方法。21OFDM系统的基本原理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2W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。我们知道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F。，则定义LF。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D,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62OFDM系统及PA的基本原理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。OFDM就是采用并行传输体制，将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多经效应造成的时延扩展相对变小。当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。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，更可完全消除码间干扰的影响；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OFDM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。如图21所示，各个子载波正交性在时域的体现，图中三个子载波保持相互正交，他们之间周期相差一，在接收端通过相关解调技术分离出各子载波，同时消除码间干扰的影响。图21各个子载波正交性在时域的体现从频谱效率方面来分析一下OFDM信号。频谱效率即频带利用率，定义为单位频带内码元的传输速率。频带利用率越高，则系统的有效性就越好。OFDM信号由N个子载波信号叠加而成，。OFDM允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交7西安科技大学硕士学位论文则可以从混迭的子载波上分离出数据信息。如图22所示的OFDM信号的频谱图，由于OFDM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。每个子载波信号的频谱与相邻子载波信号的频谱有12的交叠。A单个OFDM子载波频谱BOFDM信号频谱图22OFDM信号的频谱图正如图22所示OFDM系统的各子载波频谱相互重叠，各子载波上的信号功率谱都是一样的，都为SA形函数SINFF，他们都对应于时域上的方波。图23为OFDM信号产生与接收原理图串行数据输入并IFFT串R臣至垂丑叵串行数据I输出骊II阿图23OFDM信号产生与接收原理图820FDM系统及PA的基本原理编码和交织后的数据进行串并转换为多路信号，每一路信号进行星座映射为复信号，映射可以采用MPSK、QAM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IFFT进行调制，完成多载波调制，转化成时域信号，再经过串并转换之后，插入保护间隔，它的方法是在时域内把OFDM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ISI和ICI。接下来进行及DA转换，并进行上变频，将信号进行载波调制。在接收端经历了与此对应的解调过程。OFDM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、AD转换及串并变换后，再进行FFT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QAM复数值映射为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。211OFDM信号的产生在常规的串行数据传输系统中，因为所有数据符号排成一个序列后被顺序传输，即在任一时刻，只有一个数据符号被传输，所以每个数据符号的频谱都可以覆盖整个可用频带。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。并行噢数据传输系统则同时传输几个数据流部分，在任一时刻有多个数据流传输，每个数据流的频谱只能占用可用频带的一小部分，系统有许多载波组成，这些数据流之间经过编码、交织，具有一定相关性。并行传输的优势有将频率选择性衰落展宽到多个数据符号上，由衰落和脉冲干扰导致的突发性错误被充分随机化不会使相邻数据符号被完全破坏，只是使多个符号受到轻微的干扰，这样就可以用前向纠错使其恢复，即使不采用纠错编码，也仍能成功恢复大部分信号。并行传输系统将整个信道带宽分为很多窄的子带，每个子带上的频率响应相对平坦。每个子信道只覆盖原始带宽的一小部分，所以并行系统的均衡要比串行系统简单的多，简单的均衡算法就可以将子信道的失真降低到最小，如果使用差分编码，甚至可以不用均衡器。图24是OFDM系统基本原理框图，如图所示，OFDM符号是多个经过调制的并行正交子载波的合成信号。9西安科技大学硕士学位论文上夫R磊Z_蜘一毯广叫望竺P审J小母并出E，打一L并EJT母N0罐矗，陬押亟，图24OFDM系统基本原理框图图中各个子载波可以独立的采用不同的调制方式。我们用D艇0,1，N1来表示OFDM子载波上的调制数据符号，子载波一般采用PSK或QAM调制，如果以N代表子载波数，T代表符号持续时间，Z代表第I个子载波上的载波频率，相邻子载波的间隔为；，则起始时间为OFDM符号可表示为SORE善N1么阳C，TT,T2EXPD2须。一气】，R气RSO0，TT。R2122其中矩形函数阳甜O1，KF。丁24SO的实部和虚部分别对应与OFDM符号的同相INPHASE和正交QUADRATUREPHASE分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的COS分量和SILL分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。在OFDM系统中，每一个子载波在一个OFDM周期T内包含若干整数倍个周期，而且各子载波之间相差一个周期。由于其周期的不同，那么其频率也不同，那么各子载波相互就是正交的。即对于两个角频率分别为国。，国。的子载波，满足102OFDM系统及PA的基本原理F1REXP心，EXPJCO，出2瓦1F唧万争EXP甲万考触云1F唧万字触0二转们辆0FDM磊统中笔N个子巷浦的黼窒嘉呆K25无FONAF，NL，2，NL26各子载波间的频率间隔为鲈，符号周期为T，五为L厂R的整数倍，各载波之间相互正交。在各子载波正交的条件下，在接收端可以解调出各子载波上的数据符号，若对第个子载波进行解调，然后在时间长度T内进行积分，得嘭；芗一歹2万手。一F，兰10D，OXP2万；FT衍。27J；歹EXP伽孚H归一对于子载波数N较大的OFDM系统，OFDM调制需要大量的正弦波信号发生器、滤波器、调制器和相干解调器。但是如果使用离散傅立叶变换DFT及其反变换就可以简化或不使用这些设备。离散傅立叶变换及其反变换便于用DSP及其它数字电路器件实现，并且还可以使用快速傅立叶变换FFT及其反变换进一步简化运算，提高效率。利用IDFT实现OFDM调制SON。IT,T12ED,RECTTTT2EXP，2万事F一28SOEI，2万亭F一L28LOL1J令上式中正0，并对信号SO以TN的速率进行抽样，即令TKTN，K0，1，2，N一1，可以得到西安科技大学硕士学位论文71，、SKRSDFEXPLJ2RT了LG】，OKN129I0上也就是说，可以用IDFT实现OFDM正交多载波调制。对OFDM信号进行时问的离散化之后，得到的信号具有IDFT表达式的形式，所以才可以利用IFFT这样的高效算法产生OFDM的数字信号，进而通过DA转化产生连续的OFDM基带信号。同理，对接收信号，可采用DFT实现多载波解调D，P印删71，OFN一1210TO综上所述，我们可以使用IDFTDFT实现OFDM的正交多载波调制和解调。傅立叶变换将时域与频域联系在一起，信号在时域和频域都是离散的，大多数信号处理使用DFT。在OFDM系统的实际运用中，可采用更加方便快捷的IFF聊FT。N点IDFT运算需要实施2次的复数乘法，而IFFT可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基2IFFT算法来说，其复数乘法次数仅为N2L092，但是随着子载波个数N的增加，这种方法复杂度也会显著增加。对于子载波数量非常大的OFDM系统来说，可以进一步采用基4IFFT算法来实旌傅立叶变换。213保护间隔与循环前缀在OFDM系统中，通过在OFDM符号问插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，以消除OFDM符号之间的干扰。OFDM采用并行数据传输，每个调制子载波的符号周期比单载波系统符号周期长得多，因此，OFDM系统可以有效的对抗多径时延扩展。为了更好的消除符号间干扰，可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔GI，GUARDINTERVAL。保护问隔的长度疋一般大于最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。当保护间隔内没有任何信号时，由于传输信道带来的损耗会造成载波间干扰ICI，OFDM的子载波的正交性就会遭到破坏，这样，我们就不能用FFT在接受端正确的恢复出传输信号。这时，我们可以将一个OFDM符号的最后长为疋的数据复制，填充到保护间隔的位置，称为循环前缀CP，CYCLICPREFIX，如图25所示，这样就形成了一个循环拓展的OFDM信息码字。1220FDM系统及PA的基本原理图25OFDM信号循环前缀示意图图25中，疋表示CP的长度，与保护间隔长度相等；T表示进行正交变换的窗口长度，一个OFDM符号的长度由疋和T两部分组成。添加循环前缀技术利用的是离散线性系统原理中的一个概念。我们知道，在连续时间域，两个时域信号的卷积就等于这两个信号频域形式的乘积。但是，这在离散时域的情况下般是不成立的，除非使用无限大的样值点N或者至少一个卷积信号是周期性的在该情况下，信号可以被圆周卷积。因为我们只能使用有限的样值点N，所以只能利用循环前缀使OFDM信息码在我们感兴趣的时问区内呈现周期性。在传输过程中，信道的冲击响应对时域信号造成了干扰。由于循环前缀使所传输的OFDM信号表现出周期性，这种卷积就成了一种圆周卷积。根据离散时间线性系统原理，这种圆周卷积就相当于OFDM信号的频率响应和信道频率响应的乘积。清除循环前缀并没有删掉任何信息。循环前缀中的信息是冗余的。使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。循环前缀的另外个好处是可以消除符号间干扰。多径信号引起先发OFDM符号滞后到达而影响当前OFDM符号，从而产生符号间干扰。我们要求循环IJ缀的长度疋比最大多径时延F。更大一些。于是，符号间干扰仅仅会干扰当前信息码的循环前缀，如图25所示。因此，在接收端去掉循环前缀的同时也就消除了信道带来的符号问干扰和载波间干扰。214OFDM信号的峰值平均功率比峰值平均功率比PEAKTOAVERAGEPOWERRATIO，PAPR就是峰值功率与平均功率的比值，当它过高时，即相对单载波系统而言，OFDM发射机的输出信号的瞬时值会有较大的波动，这将要求系统内的一些部件，例如功率放大器、AD、DA转换器等具有13西安科技大学硕士学位论文很大的线性动态范围。而反过来，这些部件的非线性也会对动态范围较大的信号产生非线性失真，会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，从而影响系统的性能。OFDM符号与单载波系统相比，它是由多个独立的经过调制的N个子载波信号相加而成的，当这N个信号恰好都以峰值相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，由此会带来较大的峰值平均功率比，简称峰均比PAR。单载波已调制信号的包络值是恒定。但是在OFDM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。如下图所示的子载波采用QPSK调制的OFDM符号的16个子载波在时域的波形叠加，很明显的可以看出其产生的峰均比问题。峰均比可以被定义为脚C毋。谢其中XN表示经过IFFT运算之后所得到的输出信号，也就是X。寺托嘭，VKO对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信号都以相同的相位求和时，所得到信号的峰值就是平均功率的N倍。因而基带信号的峰均比可以为PAR10LOG。N。正因为OFDM调制的信号瞬时值会有较大的波动，这将要求系统内的一些部件，例如142OFDM系统及PA的基本原理功率放大器具有很大的线性动态范围IOJ。而反过来，这些部件的非线性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间的相互干扰，从而影响OFDM系统的性能。例如当N256的情况下，OFDM系统的PAR24DB，当然这是一种非常极端的情况，OFDM的峰均比通常不会达到这一数值。对于未经过调制的载波来说，其PARODB。下表具体表示了不同N值情况下，其最大的PAPR值的大小。表21不同N值下的最大PAPR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PAR的OFDM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PAR使得OFDM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OFDM系统高PAR对系统实现和性能的影响，人们做了大量的研究和试验，现在已经有的减小PAR的方法大概能够分为三种U儿削第一种是信号预畸变技术，就是说在信号经过放大之前，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，消峰以及本文中重点研究的预失真等技术，这些信号畸变技术在于直观而且简单。第二种是编码方法，也就是避免使用那些会生成高峰值功率信号的编码图样，比如说采用循环编码方法，但是这种编码方法的缺陷在于，可以供使用的编码图样非常少，特别是当子载波数量N较大的时候，编码效率会变的非常的低，就会导致这一矛盾更加突出。第三种就是利用不同的加扰序列对OFDM符号进行加权处理，可以选择PAR较小的OFDM符号来传输。所以，要使OFDM技术广泛应用，首先必须解决其峰平比过高的问题。22功放的基本原理在上一节介绍了OFDM系统的基本原理，并且讨论了OFDM信号具有很高的峰均比，这就意味着其射频前端功率放大器必须有很高的线性。这一节就对功放的基本原理进行探讨。221功率放大器的非线性功率放大器对具有高峰平比的OFDM信号的影响不可忽略，因此就必须深刻理解15西安科技大学硕士学位论文功率放大器的模型以及功率放大器产生非线性的机理。功率放大器PA输入和输出之间存在非线性会使信号出现失真。所以在通信系统中功放也是最主要的非线性源，其各种失真特性如下1AMAM特性和AMPM特性AMAM特性表示输入信号幅度和输出信号幅度的关系，AMPM特性表示和输入信号幅度相关的输出信号的附加相移。如图27所示。因此一个幅度变化的调制信号通过非线性功放时将引起幅度和相位失真，失真主要体现为频谱再生和功率效率下降。图27功放的失真特性幅度失真AMAM理想情况下，功率放大器呈线性特性，其输出电压该是输入电压的线性函数，即ZOOKO212其中，K为放大器的电压增益，其值为常数。对于不带记忆效应的非线性系统，可以将输入信号通过TAYLOR多项式准确表示为输出信号的函数SOO龆。S，O口2S，20口3S，30口。S，40A，S，50213S，O和SOO分别表示非线性系统的输入和输出信号，AI是实系数，对于适度的非线性系统，当F3的时候，A。就足够的小，为简化研究的原因我们将其忽略，简化为SO0A。一O口SI2E口，S，30214相位失真AMPMAMPM失真特性的数值与AMAM失真相似，也是由输入信号的幅度决定。如果输入信号为162OFDM系统及PA的基本原理YCOS0肘F215当只考虑AMAM失真时，可表示为Y届COS9。T屈COS3RO,T4热COS5COMT216其中国。为调制信号角频率，也就是带宽的一半。加入AMPM失真后，可把信号表示为厂工1Y届COSCO肘F岛COS3TO。，尾COS5A册R。COSQF要1COS2A埘FI217LZJ2热学记忆效应由器件内部热电耦合产生，器件内部温度的变化将引起器件部分热学、电学参数的变化，从而引起器件的非线性特性的变化TZ彻R珊只掰如Z掰QOJ2置瓣彩L一彩2218L馏为环境温度，R掰脚DE为直流耗散功率导致温度变化，Z掰Q一缈易螂国。一彩是功率包络引起的温度变化很难在数字域表征，可以看出其与信号包络有关。3电学记忆效应主要指放大器在调制频率的作用下的幅度和相位失真，放大器在调制信号包络的作用下，其栅节点阻抗等特性发生了变化。一个幅度变化的调制信号通过非线性功放时将主要引起幅度和相位失真，失真主要体现为频谱再生和功率效率下降。为避免失真，使功放保持较高线性度，通常情况下，功放从其饱和功率点做较大回退来满足其线性需要，但是这样会导致功率效率下降和热扩散等问题。这就使设计人员面临两种选择或者采用以牺牲功放效率为代价的甲类功放回退方法，或者对功放进行线性化处理PJ。功率放大器通常有一定的记忆性，即输出信号不仅仅依赖于输入信号的瞬时值，还与先前输入的信号值有关。功率放大器记忆效应通常是由偏置电路的时常数或者放大器的阻抗不匹配引起的。功率放大器的记忆性导致了功率放大器的频率依赖性传输函数，但是，如果输入信号的带宽足够小，记忆的时常数小于信一号最大包络频率的倒数时，传输函数基本就可以认为是常函数，在这种情况下，我们将功率放大器认为是一个无记忆的器件。对于存在记忆的非线性功率放大器，我们利用VOLTERRA级数分析其非线性LL，VOLTERRA级数是一种描述非线性系统模型的代数方法，在本文的后面章节中对这部分内容有详细论述。222功率放大器模型由于功率放大器的非线性作用主要表现为AMAM转换和AMPM转换，我们给出两种主要比较常用的无记忆的功率放大器的模型【11J【121和SALEH模型和RAPP模型，分别表示行波管放大器TWTATRAVELINGWAVETUBEAMPLIFIER和固态功率放大器SSPASOLIDSTATEPOWERAMPLIFIER。17西安科技大学硕士学位论文1行波管功率放大器TWTATRAVELINGWAVETUBEAMPLIFIER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。TWTA的传输响应中AMAM失真和AMPM失真相对都比较明显，我们用SALEH模型来描述TWTA，令其AMAM响应函数和AMPM响应函数分别为厂和G八旬羔219口A2G锄2前220其中口。，尾，口妒，玩，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巧。21716，尾11349，口伊39864，尾88556，其归一化特性曲线如图28所示型馨卵逛磊簿图28TWTA特性曲线对SALEH模型的AMAM响应函数式求偏导我们得到当功率放大器模型输入值为放大器的饱和电压，即么删L尾时，功率放大器模型取得最大输出电压厂0一口。A删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182OFDM系统及PA的基本原理而。SALEH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用于计算机仿真。2固态功率放大器SSPASOLIDSTATEPOWERAMP