太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中降低峰均功率比的研究 摘要 正交頻分復(fù)用( 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 i n g ，o f d m ) 是 一種非常有效的抗信道色散的高速并行多載波傳輸方案。由于它具有極高 的頻譜利用率和優(yōu)良的抗多徑干擾能力，因此被廣泛地應(yīng)用于h d s l ， a d s l ，d a b ，h d t v 及w l a n 中。但是o f d m 技術(shù)卻存在一個不可避免 的缺點，即存在較高的峰均功率比( p e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 。 這個缺點會導(dǎo)致發(fā)送端對高功率放大器( h i g hp o w e ra m p l i f i e r ，- 0 的線 性度要求很高且發(fā)送效率極低，接收端對前端放大器的線性度要求也很高 而且還會增加模數(shù)( a n a l o g - d i g i t a l ，a d ) 及數(shù)模( d i g i t a l a n a l o g ，d a ) 轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜度。因此高的p a p r 限制了o f d m 在實際通信環(huán)境中的應(yīng)用 和推廣，本文就該問題進(jìn)行了研究，主要工作概括如下： 1 闡述了正交頻分復(fù)用o f d m 系統(tǒng)的基本原理，及其中的p a p r 問題。 研究比較了傳統(tǒng)的降低p a p r 算法如，限幅法、s l m 算法、p t s 算法與t r 算法的性能與優(yōu)缺點，并結(jié)合今后通信領(lǐng)域的發(fā)展方向選擇了適合子載波 數(shù)較大情況的t r 算法作為主要的改進(jìn)目標(biāo)。 2 利用m a t l a b 試驗仿真，詳細(xì)分析研究了o f d m 系統(tǒng)的子載波數(shù)、 調(diào)制方式，t r 算法中的期望p a p r 值、迭代步長等參數(shù)對t r 算法性能的 影響，為下一步的改進(jìn)打下基礎(chǔ)。 3 在t r 算法的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高算法在不同子載波數(shù)情況下 的性能，本文引進(jìn)了混沌變量迭代法，提出了基于混沌變量的改進(jìn)型t r l 查墾里三奎堂堡主墮壅生蘭垡堡奎 算法，包括小子載波情況下的p r t 改進(jìn)和大子載波情況下的s c r 算法中迭 代算法的改進(jìn)。通過理論分析以及m a t l a b 仿真結(jié)果表明，改進(jìn)算法用于 降低o f d m 系統(tǒng)中信號的p a p r 時，其累積互補(bǔ)分布函數(shù)c c d f 的性能曲 線均優(yōu)于原算法的c c d f 性能曲線。 關(guān)鍵字：正交頻分復(fù)用，峰值平均功率比，音頻保留法，混沌變量，混合 算法 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h er e s e a r c ho np e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i oi no r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e m s a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g i sak i n do f p a r a l l e l t r a n s m i s s i o nm e t h o dt h a to w n i n gt h eh i g hr e s i l i e n c yt oc h a n n e ld i s p e r s i o n t h e a d v a n t a g eo f i t s h i 。g hs p e c t r a le f f i d e n c y a n d r e s i l i e n c y t o i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c em a k eo f d mi sw i d e l ya d o p t e di nh d s la d s l , d a b ，h d t v a n dw l a n b u tt h eu n a v o i d a b l e d i s a d v a n t a g e 、o fo f d m - - l a r g e r p e a k - t o a v e r a g e - p o w e rr a t i o ( p a p r ) ，w h i c hc a nl e a dt oh i g hr e q u i r e m e n tf o r h i g h p o w e r a m p l i f i e r a tt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r ，l o w e f f i c i e n c y o f t r a n s m i s s i o n ，a n da l s oh i g hc o m p l e x i t yo fa n a l o g - d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d ) a n d d i g i t a l - a n a l o gc o n v e r t e r ( d a ) t h ed i s a d v a n t a g e o fp a p rl i m i t st h e a p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i t yo fo f d mi nr e a lc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t i n t h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hm a i n l yf o c u s e so nt h er e d u c t i o nm e t h o do fp a p r t h e m a j o rw o r k so f t h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： 1 t h eb a s i cp r i n c i p l eo fo f d ms y s t e ma n dt h ep r o b l e mo fp a p ri s r e p r e s e n t e d s o m ek i n d so fm e t h o df o rp a p rr e d u c t i o na r ed i s c u s s e di n t h i s p a p e ls u c ha sc l i p p i n g ，s e l e c t e dm a p p i n g ，p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e sa n dt o n e r e s e r v a t i o n t oc o m b i n ew i t ht h ed e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no fc o m m u n i c a t i o n ， i i i 太原理1 = 大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 t h ep a p e rf o c u s e so nt h em e t h o dt o n er e s e r v a t i o nw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h el a r g e c a r r i e rn u m b e r s y s t e m 2 t h ep e r f o r m a n c e ，m e r i t sa n dd r a w b a c k so ft o n er e s e r v a t i o nm e t h o dh a s b e e ns t u d i e du n d e rt h ed i f f e r e n ts i m u l a t i o nc o n d i t i o nv i am a t l a b ，w h i c h b u i l dt h ef o u n d a t i o nf o rt h en e x ts t e po f i m p r o v e m e n t 3 。i no r d e rt oi n c r e a s ep e r f o r m a n c eo ft h et o n er e s e r v a t i o nm e t h o d ， c h a o t i cv a r i a b l ei si n t r o d u c e di nt h ep a p e r , i n c l u d i n gp r ti m p r o v e m e n tu n d e r s m a l lc a r d e rn u m b e rs y s t e ma n di m p r o v e m e n to fs c ra l g o r i t h mu n d e rl a r g e c a r r i e rn u m b e rs y s t e m t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s a sw e l la st h em a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ec c d fc u r v eo fi m p r o v e d a l g o r i t h m s u r p a s s e st h ec c d fc u r v eo ft h eo r i g i n a la l g o r i t h mi nr e d u c t i o nf o rt h ep a p r o fo f d m s y s t e ms i g n a l k e yw o r d s ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ， p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) ，t o n er e s e r v a t i o nf i r ) ，c h a o t i cv a r i a b l e ， c o m p o u n d e da l g o r i t h m 聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下。 獨立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文 不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究 做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體。均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的 法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 墨器 日期： 關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說明 本人完全了解太原理工大學(xué)有關(guān)保管、使用學(xué)位論文的規(guī)定，其 中包括：學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印 件；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文； 學(xué)校可允許學(xué)位論文被查閱或借閱；學(xué)校可以學(xué)術(shù)交流為目的。 復(fù)制贈送和交換學(xué)位論文；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容( 保密學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定l o 簽名：墨差日期： 導(dǎo)師簽名：墜全氫! 王。 日期：導(dǎo)師簽名： 型叢五，。 日期： 太原理丁大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 第四代移動通信及關(guān)鍵技術(shù) 1 1 1 第四代移動通信系統(tǒng)概述 在過去的十年里，移動通信得到了飛速的發(fā)展，第三代移動通信( 3 g ) 的出現(xiàn)更 使移動通信前進(jìn)了一大步。迄今為止，第三代移動通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已經(jīng)完成，并 在國內(nèi)外部分地區(qū)開始進(jìn)入商業(yè)化階段。但是，這些系統(tǒng)仍然有許多需要改進(jìn)的地方， 如第三代移動通信缺乏全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；3 g 所采用的語音交換架構(gòu)仍不能很好地用純口 方式取代；流媒體的應(yīng)用效果不佳；數(shù)據(jù)傳輸速率不高等等。因此，在第三代通信距離 完全實用化還有一段時間的時候，已經(jīng)有不少國家和地區(qū)開始了對下一代移動通信 ( b 3 g ) 的研究。在u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，國際電信聯(lián)盟) ，有 關(guān)b e y o n di t m 一2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e p h o n e 一2 0 0 0 ，2 0 0 0 年全球移動電話) 的概 念與需求研究于1 9 9 9 年被酋次列入議事日程，2 0 0 1 年1 0 月在東京舉行的i t u - r w p 8 f 會議上，初步明確了b e y o n di t m 一2 0 0 0 研究的基本框架。b e y o n di t m 2 0 0 0 是指，廣泛 用于各種電信環(huán)境的無線系統(tǒng)的總和，包括蜂窩、固定無線接入、游牧接入系統(tǒng)等。 b e y o n dr i m 一2 0 0 0 的能力將涵蓋并超出i t m 一2 0 0 0 系統(tǒng)及與其互聯(lián)的無線系統(tǒng)的能力， 涵蓋了目前i t m 2 0 0 0 、無線接入、數(shù)字廣播等系統(tǒng)的能力，并將新增兩個部分，即支 持約1 0 0 m b i t s 的蜂窩系統(tǒng)和支持高達(dá)1 g b i v s 速率的游牧，本地?zé)o線接入系統(tǒng)等。 到目前為止，第四代移動通信系統(tǒng)技術(shù)還只是一個主題概念，即無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。 l t u 對b e y o n di t m 2 0 0 0 制定的標(biāo)準(zhǔn)是“在任何時間、任何地點最佳接入系統(tǒng)”，該目 標(biāo)要求b e y o n di t m 2 0 0 0 是一個無縫的網(wǎng)絡(luò)，即各種接入系統(tǒng)都能通過媒體接入系統(tǒng)接 入同一個基于m 或分組的核心網(wǎng)。根據(jù)不同的應(yīng)用、小區(qū)范圍、無線環(huán)境、不同的接 入系統(tǒng)，按照分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，各種接入技術(shù)的關(guān)系是一個在同一平臺上互補(bǔ)的關(guān)系。 1 ，1 2 第四代移動通信關(guān)鍵技術(shù) b e y o n d1 t m 2 0 0 0 的無線技術(shù)與i t m 一2 0 0 0 相比，有很大的不同，主要有兩方面的 1 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 問題1 1 l ： 一、由于b e y o n di t m 2 0 0 0 系統(tǒng)的峰值傳輸速率為i t m 2 0 0 0 系統(tǒng)的1 0 - - 5 0 倍， 達(dá)到2 0 m b i t s 一1 0 0 m b i t s ，如果簡單地使i t m 一2 0 0 0 的c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，碼分多址) 技術(shù)，則其發(fā)射功率同樣需要增加1 0 - - 5 0 倍，從而使電磁干擾問題 達(dá)到無法忍受的地步。 二、由于帶寬的增加，造成多徑信號的增加，如果仍使用t m 2 0 0 0 系統(tǒng)所采用的 時域均衡的信號處理辦法，將造成算法的復(fù)雜度大大提高，提高了系統(tǒng)的成本，降低了 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 上述兩個問題是解決b e y o n di t m 2 0 0 0 無線技術(shù)的關(guān)鍵。對于第一個問題，一個 重要的解決方案是，根據(jù)信息論原來，引入多天線環(huán)境及其相關(guān)的新型空時信號處理方 法，從而達(dá)到大幅度降低發(fā)射功率，提高頻譜利用率的目的。理論研究結(jié)果表明，當(dāng)接 收機(jī)的天線數(shù)目多于發(fā)射機(jī)的天線數(shù)目時，也將使一些較為復(fù)雜的技術(shù)，如聯(lián)合發(fā)送、 聯(lián)合檢測、t u r b o 接收等，在實現(xiàn)上成為可能。 對于第二個問題，目前研究的頻域均衡技術(shù)可以較好地解決。采用頻域均衡技術(shù) 的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定，在多徑處理上比時域均衡技術(shù)優(yōu)越。目前，使 用采用頻域均衡技術(shù)的正交頻分復(fù)用( 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 i n g ， o f d m ) 技術(shù)成為b e y o n di t m 2 0 0 0 系統(tǒng)的首選無線技術(shù)。 1 。2o f d m 的發(fā)展歷史 o f d m 技術(shù)最早起源于2 0 世紀(jì)5 0 年代中期，其雛形是頻分復(fù)用技術(shù)( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f d m ) ，當(dāng)時許多低速率信號，如電報，就是用不同的載波頻率 在同一個寬帶信道中進(jìn)行并行傳輸，但是，為了在接收端能夠較容易地實現(xiàn)用簡單的濾 波器來分離這些信號，這樣各子載波頻率就要相距足夠的遠(yuǎn)，并采用保護(hù)頻帶來使各子 載波的信號頻譜互不影響，因而其頻譜的利用率是非常低。各子載波除了傳輸來自不同 信號源的信號外，也可傳輸來自同一個信號源的信號，這樣就是用許多低速率的子載波 來實現(xiàn)一個高速率的數(shù)據(jù)傳輸。受當(dāng)時硬件技術(shù)的限制，各子載波都需要有自己的模擬 前端，再加上o f d m 系統(tǒng)的傳輸方式是非常復(fù)雜的，從而限制了其進(jìn)一步推廣。但是， 這種信號碼元周期很長并可遠(yuǎn)大于信道的最大附加延時( m a x i m u me x c e s sd e l a y ， 2 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 m e d ) ，已經(jīng)引起了人們的足夠重視并被用來有效地減小符號間干擾( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。在均衡器被應(yīng)用之前，就是用這種技術(shù)在時間色散信道( t i m e d e p r e s s i v ec h a n n e l ，t d c ) 中實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。 1 9 6 8 年，r w c h a n g 博士發(fā)表了一篇論文 2 1 ，首次闡明了我們現(xiàn)在稱之為o f d m 的概念和技術(shù)。r w c h a n g 對其基本原理進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述，主要實現(xiàn)了在沒有 信道間干擾( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，l c i ) 和符間干擾的一個線性帶寬受限的信道上 同時傳輸多個消息。由c h a n g 博士提出的多信道o f d m 系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的多載波調(diào)制 技術(shù)的方面在于子載波的頻譜可以進(jìn)行疊加，其條件是它們都必須是相互正交的。 o f d m 系統(tǒng)的這種特征要求放棄在老式的多載波調(diào)制系統(tǒng)中使用的分離單個副載波頻 譜的陡峭的帶通濾波器。之后，s h n i d m a n 分析了在此通信系統(tǒng)中如何使得經(jīng)過濾波和 頻帶受限的各子載波維持正交1 3 1 ，s a l t z b e r g 則對o f d m 進(jìn)行了性能分析，并認(rèn)為在 o f d m 系統(tǒng)中主要的限制是信道間干擾1 4 】。 1 9 7 1 年，s b w e i n s t e n 和p m e b e r t 提出了應(yīng)用離散傅立葉變換( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，d f t ) 和離散傅立葉逆變換( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，m f r ) 來 實現(xiàn)多載波系統(tǒng)基帶的調(diào)制和解調(diào)1 5 1 。這樣就可用一個模擬前端來代替n 個子載波各自一 所需的模擬前端，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度?，F(xiàn)在o f d m 系統(tǒng)主要是利用快速傅立葉 變換( f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 和快速傅立葉逆變換( i n v e r s e f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m s ， i f f r ) 來對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 引入了循環(huán)前綴( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 的概念1 6 】，來提高o f d m 系統(tǒng)抗i c i 和l s i 這兩種干擾的能力，使用o f d m 碼的周期擴(kuò)展，而不是使用空的保護(hù)空間，只要循環(huán)周期前綴長于該信道的沖擊響應(yīng)， 就能有效地模擬實現(xiàn)周期卷積的信道。引入循環(huán)前綴的代價是要喪失部分信號的能量， 但是系統(tǒng)所獲彳導(dǎo)的增益均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各種信號能量的損失。 早在2 0 世紀(jì)6 0 年代，o f d m 技術(shù)就已經(jīng)被應(yīng)用到多種高頻軍事系統(tǒng)中，其中包 括k i n e p l e x 、a n d e f f 以及k n t h r y n 等。以k n t h r y n 為例，其中的可變速率的 數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器可以最多使用3 4 條并行低速調(diào)相子信道，每個子信道之間的問隔為 8 2 h z 。自從2 0 世紀(jì)8 0 年代以來，o f d m 已經(jīng)在數(shù)字音頻廣播( d a b ) 、數(shù)字視頻廣播 ( d v b ) 、高速數(shù)字用戶環(huán)路( h d s l ) 、高清晰度數(shù)字電視( h d t v ) 、基于i e e e 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)的無線本地局域網(wǎng)( w l a n ) 以及有線電話網(wǎng)上基于現(xiàn)有銅雙絞線的非對稱高比特 率數(shù)字用戶線技術(shù)( 例如a d s l ) 中得到應(yīng)用。其中大都利用了o f d m 可以有效的消 3 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 除信號多徑傳播所造成的符號間干擾的這一特征。d a b 是在a m 和f m 等模擬廣播基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其中可以提供與c d 相媲美的音質(zhì)以及其他的新型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。1 9 9 5 年由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會( e r s i ) 制定了d a b 標(biāo)準(zhǔn)這是第一個使用o f d m 的標(biāo)準(zhǔn)。接著 在1 9 9 7 年，基于o f d m 的d v b 標(biāo)準(zhǔn)也開始投入使用。在a d s l 應(yīng)用中o f d m 被當(dāng)作 離散多音調(diào)制( d m t m o d u l a t i o n ) ，成功的用于有線環(huán)境中，可以在1 m h z 帶寬內(nèi)提供 高達(dá)8 m b i t s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。1 9 9 8 年，a t & t l a b s r e s e a r c h 提出了一個稱為高度蜂窩 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)( a d v a n c e dc e l l u l a ri n t e m e ts e r v i c e ，a c i s ) 的概念，目的在于提供更高的數(shù) 據(jù)速率和更加人性化的服務(wù)以滿足日益所需的高質(zhì)量、高移動性、高速率、大容量和低 費用的通信服務(wù)瓶頸1 7 1 。a c i s 的主要思想是基于o f d m ，將動態(tài)分組分配( d y n a m i c p a c k e t a s s i g n m e n t ，d p a ) 、分集( d i v e r s i t y ) 和信道編碼( c h a n n e lc o d i n g ，c c ) 結(jié)合 起來達(dá)到高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。a c i s 的性能評估表明，它比第三代移動通信系統(tǒng)的 傳輸速率( 2 5 m b p s ) 還要高，可以減少有線無線通信系統(tǒng)問的傳輸速率和應(yīng)用的差 距。1 9 9 8 年7 月經(jīng)過多次修改之后，l e e e 8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)組決定選擇o f d m 為w l a n 的物理層接入方案，目標(biāo)提供6 m b i t s 一5 4 m b i t s 數(shù)據(jù)速率，這是o f d m 第 一次用到分組業(yè)務(wù)通信中，而且此后，e t s i 、b r a n 以及m m a c 也紛紛采用o f d m 作 為其物理層的標(biāo)準(zhǔn)。1 9 9 9 年1 2 月，包括e r i c s s o n ，n o k i a 和w i l a n 在內(nèi)的7 家公司 發(fā)起了國際o f d m 論壇，致力于策劃一個基于o f d m 技術(shù)的全球性單一標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在 o f d m 論壇的成員已增加到4 6 個會員，其中1 5 個為主要會員。我國的信息產(chǎn)業(yè)部也 己參加了o f d m 論壇，可見o f d m 在無線通信的應(yīng)用己引起國內(nèi)通信界的重視。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 論壇的固定無線接入工作組向i e e e 8 0 2 1 6 3 的無線城域網(wǎng)委員會提交 了一份建議書，提議采用o f d m 技術(shù)作為i e e e 8 0 2 1 6 3 城域網(wǎng)的物理層( p i 捫0 標(biāo)準(zhǔn)。 隨著i e e e 8 0 2 1 1a 和b r a n h y p e r l a n 2 該兩個標(biāo)準(zhǔn)在局域網(wǎng)的普及應(yīng)用，o f d m 技術(shù)將 會進(jìn)一步在無線數(shù)據(jù)本地環(huán)路的廣域網(wǎng)領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)。 此外，o f d m 技術(shù)還易于與空時編碼、分集、干擾( 包括i s i 和i c i ) 抑制以及 智能天線、c d m a 、小波變換、載波干涉測量等技術(shù)相結(jié)合，最大程度的提高物理層信 息傳輸?shù)目煽啃?，如果再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制，自適應(yīng)編碼以及動態(tài)子載波分配、動態(tài)比特 分配算法等技術(shù)，可以使其性能進(jìn)一步得到優(yōu)化。 1 3o f d m 技術(shù)的優(yōu)缺點 4 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 眾所周知，無線通信系統(tǒng)中由于多徑傳播，當(dāng)移動終端或其周圍物體處于運動中 時，終端所接收到的信號幅度會經(jīng)歷很大的起伏變化。穩(wěn)健的移動通信系統(tǒng)不僅要具有 克服大的路徑損耗和非常嚴(yán)重的信號衰落的能力，而且還要具有抗大的多徑時延擴(kuò)展所 引起的符間干擾的能力。即使在信道的時延擴(kuò)展只有幾十到幾百納秒的室內(nèi)環(huán)境中，如 果系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率很高，信道的沖擊響應(yīng)仍可擴(kuò)展到許多碼元，造成嚴(yán)重的符間干擾。 而在室外多邊的惡劣環(huán)境中，信道的時延擴(kuò)展造成的符間干擾更為嚴(yán)重。在單載波通信 系統(tǒng)( s i n g l e c a l t i c r ，s c ) 中，通常采用自適應(yīng)均衡器來減小符間干擾，但在高速移動 的無線通信環(huán)境中，系統(tǒng)的信道的時延擴(kuò)展要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碼元周期，此時，如果仍采用均 衡器來處理，那么系統(tǒng)將變得異常復(fù)雜以至于實際中無法實現(xiàn)。這使得正交頻分復(fù)用 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技術(shù)成為最主要的解決方法之一。 圖1 - 1o f d m 中子載渡符號的頻譜示意圖 f i g 1 1f r e q u e n c yd i a g r a mo fs u b , c a r r yi no f d m 正交頻分復(fù)用技術(shù)的基本原理就是在頻域內(nèi)將給定的信道分成許多正交的子信道， 把高速率的信息數(shù)據(jù)分割為若干路低速率的子數(shù)據(jù)流，每個碼流都用一個子信道發(fā)送， 在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，最后把所有調(diào)制后的信號疊加即得發(fā)送的信 號。在接收時，用同樣數(shù)量的子載波對發(fā)送信號進(jìn)行相干接收，獲得低速率的信息數(shù)據(jù) 后再通過并串變換得到原來的高速率信息。通過發(fā)送端的串并變換，使得每個用于調(diào)制 子載波的數(shù)據(jù)符號周期擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符合周期的n 倍，因此時延擴(kuò)展與符號周期的 比值也降低了n 倍，再加上每個碼元又采用了循環(huán)前綴( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 作為保護(hù) 間隔，從而大大提高了o f d m 系統(tǒng)抗i s i 的能力。由于o f d m 中各子載波是一組正交 5 奎墾里三奎蘭墮主墮窒生蘭垡笙奎 函數(shù)序列( 如圖1 - 1 ) ，互不相干，因此允許各子信道間可以有一部分頻譜重疊( 最多可 達(dá)1 2 ) 1 8 l ，最大限度提高了頻譜利用率，這對于緊張的通信資源來說，無疑是個很突 出的優(yōu)點。 由于采用o f d m 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)具有許多其它技術(shù)所無法超越的優(yōu)越性，在 通信資源日益緊張和人們對通信要求日益提高的今天，o f d m 技術(shù)越來越受到人們的 關(guān)注，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在如下幾點1 9 l ： ( 1 ) 可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù) 據(jù)傳輸。因為通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，從而可 以有效地減小無線信道的時間彌散所帶來的i s i 。 ( 2 ) 提高了頻譜的利用率，o f d m 系統(tǒng)中由于各個子載波之間存在正交性，允許 子信道的頻譜相互重疊，因此與普通的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，o f d m 系統(tǒng)可以最大限度 的利用頻譜資源。理論證明當(dāng)子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)的頻帶利用率趨于n y q u i s t 極限。 ( 3 ) 可以i f f t f f t 方法完成系統(tǒng)基帶的調(diào)制與解調(diào)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與 d s p 技術(shù)的發(fā)展，i f l 盯、f f t 都是非常容易實現(xiàn)的。這樣就大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度， 提高了系統(tǒng)的可實現(xiàn)性。 ( 4 ) 對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或干擾能夠?qū)?致整個通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，窄帶干擾只會影響到一個或有限的幾個子 頻帶。對于這些子信道，可以通過降低受干擾子載波的數(shù)據(jù)率或放棄受干擾的子載波， 來降低窄帶干擾對整個o f d m 系統(tǒng)性能的影響。 ( 5 ) 可以很容易地通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳 輸速率。無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上 行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量。無論從用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的使用需求，還是從移動通信系統(tǒng)自身的 要求考慮，都希望物理層支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸。 ( 6 ) 可以通過動態(tài)比特分配以及動態(tài)子信道分配的方法，充分利用信噪比較高的 子信道，從而提高系統(tǒng)性能。 ( 7 ) 可以容易與其他多種接入方法結(jié)合使用構(gòu)成o f d m a 系統(tǒng)，其中包括多載波 碼分多址m c - c d m a 、跳頻o f d m 以及o f d m - t d m a 等等，使得多個用戶可以同時 利用o f d m 技術(shù)進(jìn)行信息傳輸。 雖然o f d m 技術(shù)擁有以上諸多優(yōu)點，但同時它也存在著一些缺點和問題。主要有 6 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 以下兩點： ( 1 ) 高的峰均功率比( p e a k t o a v e r a g e p o w e r r a t i o ，p a p r 或p a r ) 。由于o f d m 信 號是由一系列的子信道信號疊加起來的，所以很容易造成較高的峰均功率比。當(dāng)子載波 數(shù)較大時，o f d m 信號具有類似高斯噪聲的特性，其p a p r 近似服從r a y l e i g h 分布， 子載波數(shù)越大，p a p r 就越高。較高的p a p r 會提高d a 和d 轉(zhuǎn)換器以及功率放大器 的復(fù)雜度。且大的p a p r 信號通過功率放大器時會有很大的頻譜擴(kuò)展和帶內(nèi)失真。 ( 2 ) 對相位噪聲、定時和頻率漂移特別敏感。精確定時，除去噪聲和減少頻偏對 0 f d m 尤為重要，因為做不到這點，就無法正確保證o f d m 各子載波之間的正交性， 從而就會不可避免的引起各子載波之間的i c i 和i s i 。 1 4 本論文的結(jié)構(gòu)安排 本論文重點研究了o f d m 中關(guān)鍵的技術(shù)問題峰均功率比的問題。在參閱大量 文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，選擇了就音頻保留法進(jìn)行改進(jìn)。本論文的各章內(nèi)容安排如下： 第一章：主要闡述了o f d m 技術(shù)提出的背景、o f d m 技術(shù)的發(fā)展歷史、o f d m 技 術(shù)的優(yōu)缺點和本文所做的主要工作。 第二章：首先分析了多載波調(diào)制的基本原理，從理想的o f d m 信號模型出發(fā)詳細(xì) 介紹了o f d m 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，基于i f f t f f t 的o f d m 系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，最后介紹 了o f d m 系統(tǒng)中的p a p r 問題。 第三章：介紹了各種降低p a p r 方法的原理，并通過仿真分析其優(yōu)缺點，結(jié)合通 信領(lǐng)域的發(fā)展方向，選擇適合多種調(diào)制方式且子載波數(shù)不受限制的音頻保留算法作為本 文的主要改進(jìn)目標(biāo)。 第四章：在音頻保留算法的基礎(chǔ)上，為了迸一步提高算法在不同子載波數(shù)情況下的 性能，本文運用了混沌變量迭代法，提出了基于混沌變量的改進(jìn)型音頻保留算法，包括 小子載波情況下的關(guān)于降峰核的改進(jìn)和大子載波情況下的迭代算法的改進(jìn)。通過理論分 析以及m a t l a b 仿真結(jié)果表明，改進(jìn)算法用于降低o f d m 系統(tǒng)中信號的p a p r 時，其 累積互補(bǔ)分布函數(shù)的性能曲線均優(yōu)于原算法的性能曲線。 第五章：對全文所做工作進(jìn)行總結(jié)，并提出了今后進(jìn)一步研究的方向。 7 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章o f d m 的基本原理及p a p r 問題 2 1 多載波調(diào)制技術(shù)與信道分割 在以往的通信系統(tǒng)中，通常我們采用的通信系統(tǒng)是單載波方案，如圖2 - i 所示，其 中g(shù) ( t ) 是匹配濾波器，n ( t ) 為加性噪聲，單載波系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸速率不太高的情況下， 出 圖2 - 1 單載波通信系統(tǒng)框圖 f i g 2 - 1b l o c kd i a 蘆a mo fs i n g l e - c a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 多徑效應(yīng)對信號符號之間造成的干擾不是特別嚴(yán)重，可以通過使用合適的均衡算法使系 統(tǒng)能夠正常工作，但是對于寬帶業(yè)務(wù)來說，由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾瘦^高，時延擴(kuò)展造成數(shù) 據(jù)符號之間的相互交疊，從而產(chǎn)生了符號之間的干擾，這對均衡提出了更高的要求，需 要引入復(fù)雜的均衡算法，還要考慮到算法的可實現(xiàn)性和收斂速度。從另一個角度看，當(dāng) 信號的帶寬超過和接近信道的相干帶寬時，信道的時間彌散將會造成頻率選擇性衰落， 使得同個信號中不同的頻率成分體現(xiàn)出不同的衰落特性，這在通信中是不希望看到 的。因此多載波傳輸技術(shù)的運用就是必然的趨勢。 所有的多載波調(diào)制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技術(shù)都是基于信道分割的概 念。信道分割技術(shù)【1 0 l 把一個寬的傳輸信道分成一系列平行的、在理論上獨立的窄帶子信 道。圖2 2 為多載波系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。在連續(xù)時間情況下，最佳的信道分割基本函數(shù) 是信道自相關(guān)函數(shù)的正交特征函數(shù)集。這些特征函數(shù)對于有限符號周期來說通常不易計 算，并且在實際應(yīng)用中并不使用。在離散時間信道分割情況下，假設(shè)把發(fā)射端濾波器、 傳輸信道、接收端濾波器的效果近似為有限脈沖響應(yīng)濾波器，那么在計算時就比較簡單。 這樣的等效雖然不是很準(zhǔn)確，但在采樣數(shù)據(jù)量比較大、時間和頻率同步非常好的情況下， 8 太原理j 大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 可以取得很好的效果。 圖2 - 2 多載波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 f i g 2 - 2b l o c kd i a g r a mo fm u l t i - c a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 對于離散數(shù)據(jù)情況，設(shè)x f f i k _ 而鈾】r 為輸入信號， y 一【) ，。) ，。r 為發(fā)送信號，hf f i h o k 】為信道沖擊響應(yīng)，nf f i n o 一。r 為 信道噪聲，則 阱 啊 v 000 0 h o 啊 v 00 ； 000h o 啊k f n 一1 + l ； i ( 2 1 ) 【j 用矩陣表示，即 y = h x - i - i i ( 2 2 ) 在實際的通信系統(tǒng)中，信號是被連續(xù)地發(fā)送的，則式( 2 2 ) 變?yōu)?y ”= h 礦4 - n ” ( 2 3 ) 其中m 代表第冊個數(shù)據(jù)塊。 在有限長的多載波系統(tǒng)中，輸入數(shù)據(jù)通常被分成塊，然后通過映射成一個復(fù)合矢量 x m = 【x 7 x t , ?！浚瑒t發(fā)送信號為 k ；五而；h 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 礦= m t x i = m x “ ( 2 4 ) 崗 其中 m 。，k = 0 ，一1 ) 表示發(fā)送基本矢量集，m 是以這些基本矢量作為列向量的矩 陣。在接收端，所接收到矢量y ”可以通過式( 2 5 ) 進(jìn)行解調(diào)。 n 階廣 其中 e ，k = 0 , - - - , n 一1 ) 為接收基本矢量集，f + 是以這些基本矢量作為行向量的矩陣。 2 2o f d m o f 的信道分割 在o f d m 系統(tǒng)中，為了分割信道，要求被調(diào)制傳輸矢量x “滿足如下條件： x 二= 工：一t ，k 一五，v v m ( 2 7 ) 為了提高o f d m 系統(tǒng)抗i c i 和i s i 這兩種干擾的能力，在符號的開始復(fù)制最后v 個抽樣 值，稱為插入循環(huán)前綴。加入循環(huán)前綴后( 2 1 ) 式變?yōu)?一 0 h o ： 0 0 0 ： 0 0 h o 0 式( 2 - 8 ) 寫為矩陣的形式即 y = 自x + n 00 0 0 h o d 0 0 ： ： 0 h o 1 0 阱引 沼s ， ( 2 9 ) 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 信道描述矩陣h 是一個x j 的循環(huán)矩陣。該情況下，日的s v d ( 奇異值分解) 比 較容易計算。 對于n 維矢量w _ 【一。】r ( 時域信號的表達(dá)式) 和w ；【矸，。l r ( 頻 域信號的表達(dá)式) ，有 = 而1 磊n - 1 p 蛐肛- 1 ( 2 - 1 0 ) = 面1 磊n - 1 噬e j 2 x ，雄= 諺，一1 ( 2 - 1 1 ) 即互為傅立葉變換，式( 2 - 1 0 ) 和式( 2 - 1 1 ) 寫成矩陣形式為 w = q w ( 2 1 2 ) 唧=qw(2-13) 其中q 是d f t 正交矩陣，即日b2 了1 萬8 i 2 x “，矩陣形式為 q = 嘉 e j 魯一l x - 1 ) e 。弘- l x e 專( - 1 ) l 1 q 是i d f l 矩陣。利用此概念，循環(huán)矩陣療的特征分解為 h = q q ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 其中對角值 為k ；h k - d f t ( h ) 。因此，選擇q + 的列作為傳輸?shù)幕臼噶浚矗?m = q ，選擇q 的行作為接收的基本矢量，即，f + = q 。輸入輸出關(guān)系可表示為 y ：。h k x ：+ n ：k q ，n 一1 ( 2 1 6 ) 1 1 1 1 ” 封 m “ h h 一 h 一 h 一 ， f e p； e l 奎墾型三奎蘭堡主嬰窒竺蘭垡堡塞 此時信道又被分割成獨立的高斯加性白噪聲信道。在o f d m 系統(tǒng)中，對于普通矩陣 可用n l o g n 級運算代替2 的d f t 計算。因此，發(fā)送端( ，= q x ”) 和接收端 ( y 4 = o y ”) 能非常有效地實現(xiàn)。 2 3o f d m 信號模型 由上述可知，一個o f d m 傳輸信號實際上是由n 個相互獨立的、具有相同帶寬和 頻率間隔l 廠r ( t 為o f d m 信號有效持續(xù)時間，也即o f d m 符號的周期) 的調(diào)制信號 ( m 元q a m 或是q p s k ) 之和，如圖2 - 3 所示。o f d m 信號連續(xù)時間的基帶模型可以 表示為 苧一， x ”( f ) 一面1 鉺x 。, , , e j 2 , , n r w ( f ) ( 2 1 7 ) 圖2 - 3o f d m 信號時域正交示意圖 f i g 2 - 3o r t h o g o n a l i t ys c h e m ao f o f d mt i m ed o m a i ns i g n a l 其中m 是符號序數(shù)，( f ) 為窗函數(shù)( 通常幅度為1 ，間隔【o ，t i ) ，j ? 為第t 個子符號的 在星座圖上的幅度值。為了簡化有限長信道多載波的均衡器，多載波系統(tǒng)在每個多載波 符號前插入一個循環(huán)前綴( c p ) 。加入c p 后的表達(dá)式為 苧一1 鋇f ) - 嘉。蔓彳f e j 2 1 t l t t i t w c p ( f ) 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 其中w c a t ) 的間隔為【一7 0 ，引。對于連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端連續(xù)發(fā)送的符號為 x c ( f ) = x ：e ( t 一腳( t ，+ 丁) ) ( 2 1 9 ) = 。 我們知道，連續(xù)時間域中的信號在實際中是無法進(jìn)行一系列操作的。因為存在兩個 問題需要解決：一是由于矩形窗函數(shù)的作用，所發(fā)送的信號不是一種帶寬受限的信號； 二是計算時需要連續(xù)時間域中的快速傅立葉變換( c o n t i n u o u sf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ， c f f t ) ，這對于模擬器件和數(shù)字硬件來說都是很難實現(xiàn)。因此，在實際應(yīng)用中，主要通 過如圖2 4 中i f f t f f l 模塊來實現(xiàn)基帶o f d m 信號的調(diào)制和傳輸。 t 半 _ - 夕0 ，= 富 星 并 座 暑 轉(zhuǎn) 映 換 射 信 道 卜_ 卜_ 富 并 解 i 轉(zhuǎn) 碼換 圖2 - 4o f d m 系統(tǒng)收發(fā)框圖 f i g 2 - 4b l o c kd i a g r a mo fo f d ms y s t e m 另外，在實際應(yīng)用中，往往要對o f d m 信號進(jìn)行過采樣，因為實施過采樣有助于 利用離散數(shù)據(jù)來更加準(zhǔn)確地反映o f d m 符號的變化情況，所以采用過采樣可以更加準(zhǔn) 確地衡量系統(tǒng)的p a p r 等特性，更加準(zhǔn)確地反映o f d m 系統(tǒng)內(nèi)p a p r 等的分布情況。 過采樣在l f f t ，h 丌中即為，實施i f f t 運算時，在原始的n 個輸入值中間后面添加( l - 1 ) n 個零，而在實施f f t 運算時，在原始的n 個輸入值后面添加( l - 1 ) n 個零。圖2 - 5 中給出n = 8 ，輸入序列為二進(jìn)制序列 1 ，一1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，一1 ，1 ) 時，實施過采樣和 】3 查星里三查蘭墮主堡壅竺堂堡堡苧 不實施過采樣情況下，i f f t 運算的輸出模值。橫坐標(biāo)表示樣值個數(shù)。其中( a ) 不實