西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼量曼葛i 一 - m m 。 i i i。 m 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼 摘要 正交頻分復用( o f d m ) 憑借技術憑借其高速率數(shù)據(jù)傳輸、高帶寬效率和抗多徑時 延的能力而引起了很多關注，并已經(jīng)應用于無線局域網(wǎng)標準中。o f d m 系統(tǒng)最主要的缺 點之一是具有較大的峰均比( p a p r ) ，高p a p r 將導致o f d m 信號通過放大器時容易受 到非線性失真，破壞子載波之間的正交性，從而影響著整個系統(tǒng)的效率。本文旨在構 造一組相位序列，將o f d m 系統(tǒng)各子載波相位角按照該序列分配，使得o f d m 系統(tǒng)p a p r 盡可能的小。 論文首先介紹了o f d m 技術的基本原理與關鍵技術及其優(yōu)缺點。然后，分析了高 p a p r 產(chǎn)生的原因及高p a p r 對o f d m 系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，結合國內外抑制p a p r 技術的研 究現(xiàn)狀，詳細分析了目前各種抑制p a p r 的算法。隨后，討論了一種基于遺傳算法( g a ) 優(yōu)化o f d m 子載波相位的p a p r 抑制方法。 針對g a 收斂速度慢、對初始種群的選取較為敏感等缺點，提出種基于粒子群優(yōu) 化( p s o ) 算法的o f d m 系統(tǒng)p a p r 抑制技術。通過使用p s o 算法優(yōu)化o f d m 系統(tǒng)子載波 的相位，能夠很大程度上抑制p a p r ，與s h a p i r o r u d i n ( s r ) 、n e w m a n 、s n a r a h a s h ia n d t n o j i m a ( s nt n ) 及g a 優(yōu)化序列相比較，在子載波數(shù)較少時，p s o 序列的性能優(yōu)于 s r 、n e w m a n 、s nt n 以及g a 序列，并且p s o 算法的收斂速度快，但是在子載波數(shù)較 多時，其性能不如g a ，因此，結合p s o 收斂速度快、g a 在子載波數(shù)較多時性能較優(yōu)的 優(yōu)點，實現(xiàn)了一種p s o g a 聯(lián)合算法，即先將初始種群經(jīng)過p s o 迭代若干代，得到一個 較優(yōu)的種群，將這個種群作為g a 的初始種群，進行遺傳操作，最后選取一個最優(yōu)個體 作為最終的結果。通過仿真，得出了g a 、p s o 以及p s o g a 的性能比較，結果表明， p s o g a 聯(lián)合算法優(yōu)于p s o ，也優(yōu)于g a ，但聯(lián)合算法的復雜度也相應增加。 關鍵詞：正交頻分復用；峰均比；優(yōu)化子載波相位；粒子群與遺傳聯(lián)合算法； 西南交通大學碩士研究生學位論文 第1 i 頁 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 yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n i q u e sh a v er e c e i v e dag r e a t d e a lo fa t t e n t i o nd u et oi t sh i 曲d a t ar a t et r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t y 晰t hh i g hb a n d w i d t h e f f i c i e n c yi nc o p i n gw i t hm u l t i p a t hf a d i n ga n dh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ow l a n o n eo ft h es h o r t c o m i n g so fo f d ms y s t e mi st h eh i 曲p a p r , b e c a u s eo ft h eh i 曲p a p r o f d ms i g n a l sa r ev u l n e r a b l et on o n l i n e a rd i s t o r t i o nw h e n p a s s i n ga m p l i f i e r , r e s u l t i n gi nt h e d e s t r u c t i o no fo r t h o g o n a l i t ya m o n gs u b c a r r i e r s ，t h u sa f f e c t i n gt h eo v e r a l ls y s t e me f f i c i e n c y t h et h e s i sa i ma tc o n t r u c t i n gap h a s es e q u e n c e ，b ys e t t i n gt h ep h a s eo ft h es u b c a r r i e r s a c c o r d i n gt ot h ep h a s es e q u e n c e ，w ec a r lr e d u c ep a p r a ss o o na sp o s s i b l e t h e p r i n c i p l ea n dc r u c i a lt e c h n i q u eo f0 f d m i si n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n g a f t e rt h a t ，w e p r o b ei n t oh o wt oc h o o s et h ep a r a m e t e r so fo f d ms y s t e ma n ds h o wi t sm e r i t sa n d d r a w b a c k s t h e n , w ea n a l y z et h er e a s o na n di n f l u e n c eo fh i g hr a p ri no f d ms y s t e m s b a s e do na n a l y z i n gt h ep r e v i o u sw o r k so nr e d u c i n gp a p rh o m ea n da b r o a d ，w es i m u l a t e s e v e r a lm e t h o d sf o rr e d u c i n gp a p r ，a n dan e wp h a s i n gs c h e m eu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t oa c h i e v et h el o w e rp a p ro fo f d ms y s t e mi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a f t e rt h a t ，w e a n a l y z eh o wg ap a r a m e t e r sa f f e c tt h ep a p r an e w p h a s i n gs c h e m eu s i n gp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) t oa c h i e v et h el o w e r p a p ro fo f d ms y m b o l si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rb a s e do nt h es l o wc o n v e r g e n c eo fg a a n ds e n s i t i v i t yt ot h ei n i t i a lp o p u l a t i o n t h en e wp h a s i n gs c h e m eu s e sp s ot oo p t i m i z et h e p h a s e so ft h es u b c a r r i e r st om i n i m i z et h ep a p ro fo f d ms y m b o l s c o m p a r e dt oo t h e rp h a s e s e q u e n c e ，s u c h a sn e w m a n 、s n a r a h a s h ia n dt n o j i m a ( s nt n ) p h a s es e q u e n c e ，t h ep s o o p t i m i z e d s e q u e n c ec a l l a c h i e v et h el o w e rp a p r ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp s o c o n v e r g ev e r y q u i c k l y ，b u tt h ed e r i v e dp a p ru s i n gp s o i sb i g g e rt h a ng aw h e nt h es u b c a r r i e r si sl a r g e e n o u g h h e n c e ，w ei m p l e m e n tan e wa l g o r i t h mc o m b i n i n gt w oa l g o r i t h mu s i n gt h eq u i c k c o n v e r g e n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg o o dp e r f o r m a n c eo fp s ow h e ns u b c a r r i e r si sl a r g e e n o u g h ，s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h en e wa l g o r i t h mi sm o r ee f f e c t i v ea n de f f i c i e n tt h a n p s oa n dg a ，b u tc o m p l e x i t yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi ss l i g h t l yl a r g e rt h a ng a k e y w o r d ：o f d m ；p a p r ；o p t i m i z es u b c a r r i e r sp h a s e s ；g a p s oa l g o r i t h m 西南交通大學 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授 權西南交通大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用 影印、縮印或掃描等復印手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 1 保密口，在年解密后適用本授權書； 2 不保密彤使用本授權書。 ( 請在以上方框內打“寸) 學位論文作者簽名：l 晦耷 指導老師簽名： 日期：fo s 多黔 j 日期：厶伽、分 西南交通大學碩士學位論文主要工作( 貢獻) 聲明 本人在學位論文中所做的主要工作或貢獻如下： 提出一種基于p s o 抑制o f d m 系統(tǒng)p a p r 技術 提出基于p s o g a 聯(lián)合算法抑制o f d m 系統(tǒng)p a p r 技術 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是在導師指導下獨立進行研究工作所得的成 果。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰 寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明。 本人完全了解違反上述聲明所引起的一切法律責任將由本人承擔。 學位論文作者簽名：王l ；弗 日期：hf o 乃 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 第一章緒論 1 1 課題研究背景與意義 自從馬可尼在一個世紀前發(fā)明無線電報以來，無線傳輸技術允許人們可以不使用 任何物理連接而進行通信。近幾十年，無線通信技術得到了空前發(fā)展，由最初的第一 代( 1g e n e r a t i o n ，1g ) 模擬移動通信系統(tǒng)，經(jīng)第二代( 2g e n e r a t i o n ，2 g ) 數(shù)字移動 通信系統(tǒng)，逐漸發(fā)展到了目前正在商用化的第三代( 3g e n e r a t i o n ，3 g ) 寬帶數(shù)字移動 通信系統(tǒng)。目前，三代后( b e y o n d3g e n e r a t i o n ，b 3 g ) 移動通信系統(tǒng)的研究工作已經(jīng) 已經(jīng)成為熱點。第一代移動通信系統(tǒng)是模擬系統(tǒng)，以北美的a m p s 和歐洲的t a c s 為 代表。第二代移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)了從模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的過渡，主要提供語音業(yè)務 和低速數(shù)據(jù)業(yè)務。2 0 0 2 年1 0 月，第三代移動通信系統(tǒng)在日本正式運作，然而，第三 代移動通信系統(tǒng)在通信的容量與質量等方面仍不能滿足多媒體業(yè)務和高速業(yè)務的要 求，世界各國已經(jīng)把研究重點轉入b 3 g 移動通信系統(tǒng)研究中，目的是使移動通信系統(tǒng) 的容量和速率有數(shù)十倍甚至數(shù)百倍的提甜1 3 】。 正交頻分復用( 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 ) 是一種特殊的 多載波調制技術，它既是一種復用技術，也是一種并行傳輸技術，其數(shù)據(jù)傳輸速率可 以達到1 0 2 0 m b i t s 。o f d m 原理是將高速串行數(shù)據(jù)流變換成多個低速并行數(shù)據(jù)流進行 數(shù)據(jù)傳輸，從而將頻率選擇性衰落信道劃分為多個平坦衰落信道，很大程度上降低子 數(shù)據(jù)流的符號速率，單個符號周期相應變長，因此具有良好的抗多徑時延和頻率選擇 性衰落的能力。o f d m 技術不同于一般的多載波傳輸技術，它允許子載波的頻譜可以 部分重疊，但是必須要滿足子載波間的相互正交，這樣才能從重疊的子載波上準確的 分離出原始數(shù)據(jù)信息，使得o f d m 系統(tǒng)的頻譜利用率很高。因此，在頻譜資源有限的 高速無線通信環(huán)境中，o f d m 技術更顯示出其優(yōu)越性。 由于o f d m 信號是由多個子信道信號疊加而成，當多個同向的子載波相互疊加在 一起的時候，不可避免的產(chǎn)生很大的峰均比( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 【4 j ， 而且隨著子載波數(shù)目的增加，p a p r 越來越大，相對單載波系統(tǒng)，高p a p r 使得o f d m 技術面臨些問題： ( 1 ) o f d m 發(fā)射機輸出信號的瞬時幅值的較大波動，要求功率放大器、a d 、d a 轉換器等要具有較大的線性動態(tài)范圍，反過來，由于這些器件的非線性特性，使得動 態(tài)范圍較大的信號產(chǎn)生非線性失真，所產(chǎn)生的諧波會造成子信道間的相互干擾，從而 影響o f d m 系統(tǒng)的性能。 ( 2 ) 高p a p r 會對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的影響，對于數(shù)字部分( 如i f f t f f t 、d s p 、 a d 及d a 轉換器) ，就需要大的字長以滿足量化噪聲及精度的要求。當信號通過非線 性設備時，會增加帶內失真，從而增加誤碼率，同時產(chǎn)生的帶外噪聲也會引起相鄰信 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 頁 蔓曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼曼舅i i i i 一一 iii i i i i i 一一曼i 道干擾，降低頻譜效率1 5 j 。 o f d m 系統(tǒng)p a p r 抑制技術一直是學術界研究的難點也是熱點問題之一。 1 2o f d m 技術的發(fā)展與現(xiàn)狀 近年來，隨著無線通信的迅猛發(fā)展，對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笈c日俱增，o f d m 技 術就應運而生。o f d m 的概念可追溯到上世紀6 0 年代，c h a n g 最早提出把高速串行數(shù) 據(jù)分割成多路并行低速數(shù)據(jù)，并分別調制到正交的子載波上，通過延長并行數(shù)據(jù)的傳 輸周期，達到消除碼間干擾的目的1 6 1 。在o f d m 的概念提出后不久，s a l t z b e r g 、c h a n g 和g i b b y 設計了一個基于q a m 調制的o f d m 系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的性能進行分析1 7 兒引， 該系統(tǒng)是最早的o f d m 系統(tǒng)原型。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e l b e r t 把離散傅里葉變換及 其逆變換作為調制解調的一部分應用到并行傳輸系統(tǒng)中1 9 】，這樣就不再需要帶通濾波 器，而是經(jīng)過基帶處理就可以實現(xiàn)f d m 。1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 提出：在o f d m 幀 的最前面插入循環(huán)前綴( c y c l ep r e f i x ，c p ) 信號，將多徑衰落信道的線性卷積變換成 循環(huán)卷積，使用離散傅里葉變換及其逆變換矩陣可以將循環(huán)卷積矩陣變換成對角矩陣， 從而達到將寬帶頻率選擇性衰落信道轉換成多個窄帶平坦衰落信道的目的【1 0 j 。這樣， 不但克服了相鄰o f d m 符號間的符號間干擾，還保證了接收信號的正交性。 隨著人們對通信數(shù)字化、寬帶化、個人化和移動化的需求的飛速增長，o f d m 技 術在實際中得到了日益廣泛的應用，如非對稱數(shù)字用戶環(huán)路( a s y m m e t r i c a ld i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 1 1 】、數(shù)字音頻廣播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 1 1 2 】、 數(shù)字視頻廣播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) 1 1 3 】，無線局域網(wǎng)【1 4 】和h i p e r l a n 2 1 1 5 】 等，o f d m 技術也成為第四代( 4g e n e r a t i o n ，4 g ) 蜂窩移動通信技術研究中的熱點i l 州， 并被公認為4 g 核心技術之一。 1 3p a p r 抑制技術及相位序列抑制p a p r 技術的國內外研究現(xiàn)狀 高p a j ，r 是o f d m 系統(tǒng)固有的問題之一，也一直是學術界研究o f d m 技術的熱點 問題之一。目前提出的抑制o f d m 信號n 心r 的方法大體可以分成三大類【1 7 】：信號預 畸變類技術、編碼類技術和概率類技術。 l 、信號預畸變技術 信號預畸變技術直接對信號的峰值進行非線性操作，優(yōu)點是直接、簡單，但會帶 來帶內噪聲和帶外干擾，降低系統(tǒng)的誤比特率性能和頻譜效率，該類技術包括限幅法 和壓縮擴展法。限幅法【1 8 】中心思想是：在信號被送到放大器之前，先經(jīng)過非線性處理， 對有較大峰值功率的信號進行限幅處理，將其限制在放大器的動態(tài)變化范圍之內，從 而避免高p a p r 的出現(xiàn)。限幅法是一種簡單有效的方法，但是會不可避免地產(chǎn)生信號 畸變，引入一種自干擾，從而必然降低系統(tǒng)的誤比特率性能。其次，由于信號的非線 性畸變性，導致頻譜泄露( 帶外輻射功率的增大) 。壓縮擴展澍1 9 】是種通過非均勻量 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 頁 化來抑制p a p r 的方法，即，在發(fā)射端對小幅值信號的功率進行放大，而保持大幅值 信號的功率不變，以增大整個系統(tǒng)的平均功率為代價達到抑制p a p r 的目的。壓縮擴 展法的實現(xiàn)也非常簡單，計算復雜度也不會隨著子載波數(shù)的增加而增加，其弊端在于： 方面要增大系統(tǒng)的平均發(fā)射功率；另一方面使得符號的功率值更加接近高功率放大 器的非線性變化區(qū)域，造成了信號的失真。 2 、編碼類技術 編碼類技術主要是利用不同編碼所產(chǎn)生不同的碼組而選擇p a p r 較小的碼組作為 o f d m 符號進行數(shù)據(jù)信息的傳輸，從而避免了信號峰值，該技術為線性過程，不會使 信號發(fā)生畸變，但其計算復雜度非常高，編解碼都比較復雜，而且信息速率降低很快， 只適用于子載波數(shù)比較少的情況。其主要方法有：分組編碼法( b l o c kc o d i n g ) 2 0 1 1 2 1 1 、 格雷補碼序列( g o l a yc o m p l e m e n t a r ys e q u e n c e s ，g c s ) 田】和雷德密勒( r e e d m u l l e r ) 碼【2 3 】等。 3 、概率類技術 概率類技術的出發(fā)點不在于如何降低信號幅度的最大值，而在于降低峰值出現(xiàn)的 概率。o f d m 系統(tǒng)中出現(xiàn)大峰值功率信號的原因在于多個子載波信號相互疊加，如果 可以利用多個序列來表示同一組信息的傳輸，在確定的p a p r 門限下，可以從中選擇 具有最小p a p r 的一組用于傳輸，這樣就會有效地減小大峰值功率信號出現(xiàn)的概率。 該類技術主要包括選擇性映射( s e l e c t e dm a p p i n g ，s l m ) 1 2 4 j 和部分傳輸序y u ( p a r t i a l t r a n s m i ts e q u e n c e ，p t s ) t 2 s j 。s l m 技術的基本思想是對給定用來傳輸相同信息的m 個 統(tǒng)計獨立的o f d m 符號，選擇其中具有最小p a p r 的o f d m 符號來傳輸，s l m 技術 是以高計算復雜度為代價的。p t s 技術的基本思想是將輸入數(shù)據(jù)符號分割為若干不重 疊的分組，再對這些分組加權合并，抑制p a p r 。文獻【2 6 在p t s o f d m 系統(tǒng)中，使 用g a 優(yōu)化分組中子載波的相位，從而達到抑制p a p r 的目的，并取得了較好的結果。 基于相位序列抑制o f d m 系統(tǒng)p a p r 技術是針對p a j p r 產(chǎn)生的原因，即，多個同 向的子載波相互疊加，因此，可以將o f d m 系統(tǒng)子載波相位按照某種給定的相位分配 機制進行定相位處理，能夠有效的抑制p a p r 。1 9 5 4 年，s h a p i r o 和r u d i n 提出了一種 相位序列，稱為s r 序列，當子載波數(shù)為2 的冪次時，p a p r 降至3 d b 左右1 2 。1 9 6 5 年，n e w m a n 提出了一種相位序列，當子載波數(shù)為3 時，其性能最差，p a p r 達到3 6 d b ， 但是隨著子載波數(shù)的不斷增加，其p a p r 逐漸收斂于2 6 d b f 2 s l 。1 9 9 4 年，s n a r a h a s h i 和t n o j i m a 提出了一種相位序列，其性能與n e w m a n 序列接近，只是當子載波數(shù)小于 6 時，其性能稍優(yōu)于n e w m a n 序列1 2 引。1 9 9 5 年，s n a r a h a s h i 利用最陡下降法優(yōu)化相位 序列，p a p r 降至約1 2 d b l 3 0 】。2 0 0 1 年，e l a w r e y 博士在其博士論文中首次使用遺 傳算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 優(yōu)化o f d m 系統(tǒng)子載波的相位的方法來抑制p a p r t 3 1 】， 當子載波數(shù)為6 4 時，p a p r 降至0 6 5 d b ，但由于g a 收斂速度慢，需要經(jīng)過多次迭代 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 頁 曼曼! 曼曼量舅i i l l 一一- - i l li_ _ _ _ - - i i 寡m , 皇曼曼鼉皇曼曼量暑璺曼皇曼 才能得到較優(yōu)的結果，每次迭代都要計算個體的r 心r ，因此復雜度相應變的很大。 近些年來，隨著o f d m 技術的不斷發(fā)展，p a p r 問題受到越來越多的關注，國際 上一些知名大學和研究機構開始研究p a p r 問題，相比而言，我國在這方面的研究還 是比較滯后，不過近些年來，國家已經(jīng)認識到這方面的不足，已經(jīng)開始慢慢重視起來。 1 4 論文主要研究內容 本論文對o f d m 系統(tǒng)存在高p a p r 的問題進行了分析研究。首先介紹了o f d m 的 基本原理，并分析了o f d m 技術的優(yōu)缺點及關鍵技術，重點研究o f d m 系統(tǒng)p a p r 抑制技術，在閱讀大量國內外文獻的基礎上，針對o f d m 系統(tǒng)存在高p a p r 問題，總 結了國內外各種抑制p a p r 的方法，詳細分析了基于g a 優(yōu)化o f d m 子載波的相位， 從而抑制o f d m 系統(tǒng)p a p r 的方法。利用m a t l a b 程序語言進行系統(tǒng)仿真證明了提 出的算法的有效性與可行性，由于g a 收斂速度慢，而且g a 對初始種群的選擇較為 敏感，初始種群選擇不當，會對結果產(chǎn)生很大的影響，基于這個原因，提出了基于粒 子群優(yōu)化( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 算法抑制o f d m 系統(tǒng)p a p r 的算法， 在此基礎上，結合p s o 與g a 的優(yōu)點，實現(xiàn)了基于p s o g a 聯(lián)合算法抑制p a p r 技術， 仿真結果驗證了提出算法的有效性。 文章主要內容如下： 第一章緒論，簡單介紹了o f d m 技術原理以及p a p r 抑制技術及其發(fā)展現(xiàn)狀，接 著對本文的研究內容和章節(jié)安排進行了簡述。 第二章首先介紹了o f d m 系統(tǒng)的基本原理、關鍵技術以及優(yōu)缺點。然后分析了 o f d m 系統(tǒng)中存在的高p a p r 問題，接著仿真分析了當前抑制o f d m 系統(tǒng)p a p r 的三 大類方法，信號預畸變類、概率類、編碼類技術，最后介紹了三種基于相位序列抑制 o f d m 系統(tǒng)p a p r 的技術。 第三章首先介紹了g a 的概念，接著給出了g a 的操作流程，進而介紹一種基于 g a 優(yōu)化o f d m 子載波相位的p a p r 抑制方法，通過仿真得出o a 仿真參數(shù)對p a p r 的影響。 第四章是本文的主要內容，針對g a 收斂速度慢、對初始種群的選取較為敏感等 缺點，實現(xiàn)了一種基于p s o 抑制o f d m 系統(tǒng)p a p r 的技術，仿真結果表明，當子載波 數(shù)較多時，p s o 算法性能不如g a ，因此，結合p s o 算法收斂速度快、g a 在子載波 數(shù)較多時性能較優(yōu)的優(yōu)點，實現(xiàn)了p s o g a 聯(lián)合算法，即先將初始種群經(jīng)過p s o 迭代 若干代，得到一個較優(yōu)的種群，將這個種群作為g a 的初始種群，進行遺傳操作，最 后選取一個最優(yōu)個體作為最終的結果，仿真結果表明聯(lián)合算法的有效性。 最后對全文進行總結，提出對后續(xù)工作的展望。 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 頁 第二章o f d m 系統(tǒng)基本原理與關鍵技術 為了研究o f d m 系統(tǒng)中的p a p r 問題，首先必須清楚地了解o f d m 技術的相關知 識，在此基礎上，才能對o f d m 系統(tǒng)中存在的高p a p r 問題進行分析，并尋求抑制p a p r 的方法。本章首先介紹了o f d m 技術的基本原理和相關知識，接著分析了o f d m 系 統(tǒng)中的p a p r 的問題，并通過仿真分析了現(xiàn)有的各種抑制p a p r 的算法，最后介紹了 三種相位序列，仿真結果表明這三種序列能夠有效的抑制p a p r ，為后文的研究打下了 堅實的基礎。 2 1o f d m 技術原理 o f d m 技術是一種多載波調制( m c m ) 技術，m c m 技術的基本思想是把高速串 行數(shù)據(jù)流變換為n 路速率較低的并行子數(shù)據(jù)流，用它們分別去調制n 路子載波后再進 行數(shù)據(jù)傳輸。這樣，每個子數(shù)據(jù)流的速率變?yōu)樵瓉硭俾实牡? n ，即符號周期相應擴 大為原符號周期的n 倍，使得符號周期遠大于信道的最大時延擴展，因此可以減輕由 無線信道的多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散對系統(tǒng)造成的影響，為了最大限度的消除 由多徑帶來的符號間干擾( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，可以在o f d m 符號中插入 保護間隔，并且保證保護間隔長度要大于無線信道的最大時延，保護間隔可以為一段 空白的傳輸時段，也可以為循環(huán)前綴，當采用循環(huán)前綴時，還可以有效地避免信道間 干擾( i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 的產(chǎn)生。 2 1 10 f d m 系統(tǒng)基本模型 一個o f d m 符號由多個經(jīng)過調制的子載波符號疊加而成，其中每個子載波都可以 用相移鍵控( p h a s es h i f tk e y i n g ，p s k ) 或者正交幅度調制( q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n , q a m ) 進行調制。假設n 表示并行子載波的個數(shù)，t 表示o f d m 符號的 持續(xù)時間，d i ( i = o ，1 ，n 1 ) 為分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號，毛是第i 個子載波的載波 頻率，r e c t ( t ) = l ，l t l 、 t 2 ，則o f d m 符號可以表示為1 3 2 j ： fv 一1 m ) ：jr e 萎和陽必卜氣一引2 ) e x p u 2 萬熾卜u 】) l 0 m ) ：垮i ) # - i 加似卜。坦) e x p u 2 硼卜刪g 鯫打 ( 2 _ 2 ) l 0 t 括 t + t 其中，實部對應o f d m 符號的同相分量，虛部對應o f d m 符號的正交分量，在 實際中可以分別與相應子載波的c o s 分量和s i n 分量相乘，構成o f d m 符號。圖2 一l 給出了o f d m 系統(tǒng)基本模型的框圖，其中f i = f o + i t 。、 d 一2 r r + + 丁 一 z ) = 1 一尸( 剛瑚z ) ( 2 7 ) c c d f 曲線是x 的平滑非遞增函數(shù)，體現(xiàn)了信號功率高于給定功率的統(tǒng)計情況。 它的x 坐標表示信號峰值功率高出平均功率的d b 電平值，y 坐標表示當信號峰值功 率大于或等于x 坐標所指定的某功率電平時所占用的時間比率。 2 2 2 高雕心r 產(chǎn)生的原因及問題 o f d m 系統(tǒng)中產(chǎn)生高p a p r 的主要原因是o f d m 信號在時域上表現(xiàn)為n 個正交子 載波的疊加，當子載波個數(shù)達到一定程度后，根據(jù)中心極限定理，o f d m 符號的波形 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 1 頁 將是一個高斯隨機過程，其包絡具有不穩(wěn)定性，當這n 個子載波恰好均以峰值點相加 時將產(chǎn)生最大的峰值，從而形成高p a p r 。這種現(xiàn)象將導致o f d m 信號通過放大器時 容易受到非線性失真，破壞子載波之間的正交性，從而惡化系統(tǒng)的傳輸性能。對多載 波系統(tǒng)而言，p a p r 主要取決于子載波的個數(shù)，隨著子載波個數(shù)的增加而增加，高p a p r 帶來最嚴重的影響體現(xiàn)在發(fā)射端和接收端的功率放大器上。由于一般的功率放大器都 是非線性的，且動態(tài)范圍也是有限的，所以當o f d m 系統(tǒng)內這種變化范圍較大的信號 通過非線性部件( 例如進入放大器的非線性區(qū)域) 時，信號會產(chǎn)生非線性失真，導致 信號畸變，從而使整個系統(tǒng)的性能下降，同時還會增加a d 和d a 轉換器的復雜度。 a m a m 放大器的一般模型表示為： 嘶) 2 雨爺 ( 2 8 ) 在現(xiàn)有的實用放大器中，p 的取值范圍一般介于2 到3 之間。當p 值較大時，可 以近似地被看作限幅器，即只要小于最大輸出值，該放大器就是線性的，一旦超過了 最大輸出門限值，則對該峰值信號進行限幅處理，這會極大影響放大器的工作效率。 關于放大器的非線性特性對o f d m 信號的影響的詳細理論分析和數(shù)學推導可參看文獻 【4 0 4 1 】。 2 3 抑制o f d m 系統(tǒng)p a p r 技術研究 目前，抑制o f d m 信號p a p r 的方法很多，大體可以分成三大類：信號預畸變技 術、概率類技術和編碼類技術。信號預畸變技術最直接，但它是非線性過程，不可避 免的帶來內噪聲和帶外干擾，從而降低系統(tǒng)的誤比特率性能和頻譜效率。概率類技術 著眼于減小峰值信號的出現(xiàn)，此過程為線性過程，不會對信號產(chǎn)生畸變，該技術能夠 很有效地抑制信號的p a p r ，它的缺點在于計算復雜度太大。編碼類技術利用編碼將原 來的信息碼字映射到一個具有較好p a p r 特性的傳輸碼集上，從而避開了那些會出現(xiàn) 信號峰值的碼字，該類技術為線性過程，它不會使信號產(chǎn)生畸變。但是，編碼類技術 的技術復雜度非常高，編解碼都比較麻煩。而基于相位序列抑制p a p r 的方法是將 o f d m 系統(tǒng)的子載波相位角按照某種相位分配機制進行定相處理，從而避免同向子載 波的出現(xiàn)，從根本上抑制高p a p r 的出現(xiàn)，然而，各種相位分配機制的性能效果都不 盡相同，因此，如何構造適合的相位序列也是一個個值得考慮的問題。 2 3 1 信號預畸變類方法 2 3 1 1 限幅法 限幅法是最簡單、最直接抑制o f d m 系統(tǒng)p a p r 的方法。在信號被送到放大器之 前，首先經(jīng)過非線性處理，即對大峰值功率信號進行限幅處理，使其不會超出放大器 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 2 頁 的動態(tài)變化范圍，圖2 _ 4 為限幅原理示意圖，限幅使得信號幅度限制在a 內。 a 。 一 。 a - a 2 - 4 限幅法原理圖 雖然限幅類技術非常簡單，但它會為o f d m 系統(tǒng)帶來其它的問題：首先，對o f d m 符號幅度進行畸變，會對系統(tǒng)造成自身干擾，從而導致系統(tǒng)的b e r 性能降低；其次， o f d m 信號的非線性畸變會導致帶外輻射功率的增加。圖2 5 展示了限幅后的符號， 由此可見，大峰值消失了。 圖2 5 限幅后的信號 如圖2 - 6 所示，在不同的p a p r 限幅門限值下，o f d m 系統(tǒng)的b e r 相對于s n r 的仿真曲線圖，其中分別為6 d b ，5 d b ，4 d b 和沒有門限情況下的仿真結果。從圖中可 以看出，所允許的p a p rf - j 限值越低，對系統(tǒng)b e r 造成的影響就會越大。 里室圣塑鑾莖至圭至塞蘭蘭篁堡圣塞! ：至 e n n 。( d b ) “e 4 d b 有n 蚓2 - 6 不同p a p r 門限f 對o f d m b e r 的影響 2 3 12 壓縮擴展法 壓縮擴展法的思想是在發(fā)射端增大小幅值信號的功率，而保持大幅值信號的功率 不變，以增大整個系統(tǒng)的平均功率來抑制p a p r 。壓縮擴展法實現(xiàn)簡單，計算復雜度也 不會隨著子載波數(shù)的增加而增加，并且是線性過程，其弊端在于：一方面系統(tǒng)的平均 發(fā)射功率要增大；另方面符號的功率值更加接近高功率放大器的非線性變化區(qū)域， 造成了信號的失真。圖2 7 展示了采用u 律壓擴傳輸函數(shù)得到的限幅后的符號。 2 。_ = = 習麗：百1 r i _ 面茜畝布廣一面弓。 時域采樣點 圈2 7 壓擴后的信弓 如圖2 - 8 所示，在不同的u 值情況r ，0 f d m 信號的p a p r 的c c d f 仿真曲線。 鏟 釅 鏟 鏟 1 o 2 5 1 5 0 型瓷畫姬 耋蜜鑾鎏奎莖塑圭墼蠶耋耋堡堡三矍! ! 至 其中子載波采用5 1 2 ，采用q p s k 調制。 l o 2 岜 。1 盯3 。i 真 a 論計算 c 換u 。1 c # “= 3 1 0 5 r i _ 廣百、_ 石一i ： p a p r 圖2 - 8 不同u 值下c c d f 仿真國 由圖2 8 可知，與原始o f d m 系統(tǒng)相比，利用曠1 和3 的c 變換后，o f d m 系 統(tǒng)的p a p r 分別得到了約1 4 d b 和3 d b 的改善，較好地抑制了p a p r 。 2 32 概率類方法 概率類技術并不是著眼于降低信號幅度的最大值，而是降低峰值出現(xiàn)的概率。 o f d m 系統(tǒng)中出現(xiàn)較大峰值功率信號的原困在于多個子載波信號的疊加。如果可以利 用多個序列來表示同一組信息的傳輸，這樣在給定p a p r 門限值的情況下，可以從中 選擇具有最小p a p r 的一組用于傳輸，那么就會顯著地減小大峰值功率信號出現(xiàn)的概 率。該類方法主要包括選擇性映射法( s e l e c t e dm a p p i n g ，s l m ) 和部分傳輸序列( p a r t i 礎 t r a n s m i ts e q u e n c e ，p t s ) 。 23 2 ls l m 技術 s l m 技術的基本思想是對給定用來傳輸相同信息的m 個統(tǒng)計獨立的o f d m 符號， 選擇其中具有最小p a p r 的o f d m 符號來傳輸。圖2 - 9 為s l m o f d m 系統(tǒng)發(fā)射機原 理框圖m i 。在s l m o f d m 系統(tǒng)中，假設存在m 個不同的、長度為n 的隨機相位序列 矢量p “= ( r 片，r 1 ”) ( = 1 2 ，) 其中掣9 = e x p ( 1 f o ，“1 ) ，許”在【o2 “) 內均 勻分布?？梢岳眠@m 個相位矢量分別與1 f f t 的輸入序列x 進行點乘，則可以得到 m 個不同的輸出序列x ，即： 石“k ( 五“x 】“”，瓦l “】_ ( p ”) = ( 爿o r 片】只”，工卜1 r1 ) ( 2 9 ) 其中，f ) 表示向量之間的點乘。然后對得到的m 個序列”分別盛施i f f t 計算， 西南交通大學碩士研究生學位論文 第1 5 頁 在給定p a p r 門限值的條件下，從這m 個時域序列內選擇p a p r 性能最好的用于傳輸。 p ( 1 l ，( 1 )( 1 ) 選 擇 最 佳 的 組 序 列 圖2 - 9s l m o f d m 系統(tǒng)發(fā)射機原理框圖 圖2 1 0 給出了m 分別為1 ，2 ，4 ，8 時，s l m o f d m 系統(tǒng)中c c d f 的仿真曲線圖， 仿真中采用的參數(shù)如下：1 0 0 0 0 個獨立隨機的o f d m 符號，q p s k 調制方式，子載波 數(shù)為1 2 8 ，隨機相位序列的取值為異 1 ，歹) ，這樣就可以避免復雜的復數(shù)乘法， 只要利用相位旋轉就可以完成矢量的點乘。 墓 耋 叁 塞 喜 圖2 1 0 不同相位矢量數(shù)m 的c c d f 仿真曲線 由圖2 1 0 上可知，s l m 可以顯著改善p a p r ，很大程度上減小峰值信號出現(xiàn)的概 率，且隨著m 值增大，獲得的p a p r 越來越小。但是其付出的代價也是十分明顯的， 即需要計算額外m 1 組i f f t 運算，接收機還需要知道所選擇的隨機相位序列矢量， 而且要嚴格確保接收機可以正確地接收到該隨機矢量信息。也可以說，s l m 是通過高 的計算復雜度來達到抑制p a p r 的效果的。 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 6 頁 2 3 3 2p t s 技術 p t s 技術的基本思想是將輸入數(shù)據(jù)符號分割為若干不重疊的分組，再對這些分組 加權合并，抑制p a p r 。圖2 1 1 給出p t s o f d m 系統(tǒng)基本框圖【4 3 】： 圖2 - 1 1p t s - o f d m 系統(tǒng)發(fā)射機基本框圖 首先利用向量來定義數(shù)據(jù)符號x = x 1 x 2 x n ，然后把向量x 分割為v 個子塊， 并且每個子塊中包括n 個子載波，在沒有數(shù)據(jù)的對應位置補零。定義分割所得子塊 的形式為x i ，1 = 1 ，2 v ，合并以后所得數(shù)據(jù)符號為： n 衛(wèi) x = 6 五 ( 2 1 0 ) _ _ 。 1 = 1 其中，島= p 砌( z = 1 ，2 ，y ) 為加權信息，紙 0 ，2 刀】，合并以后數(shù)據(jù)符號變換到時域， 我們得到信號矢量： r 礦、r x = 腳 島z = 島腳 ) ( 2 - 1 1 ) l 一l 一 、i 、 l = 1j ，t 1 圖2 1 2 給出p t s o f d m 系統(tǒng)中c c d f 的仿真曲線圖。仿真參數(shù)如下：1 0 0 0 0 個獨 立隨機的o f d m 信號，q p s k 調制，n = 1 2 8 ，過采樣率為4 ，相鄰分割，為了減小計 算復雜度，加權信息考慮 + l ，1 的取值。如圖2 1 3 所示，p t s 能顯著改善系統(tǒng)的p a p r 性能，但要得到最優(yōu)解，必須要進行2 1 步迭代，其中v 為分割的子塊數(shù)，計算復雜 度成為p t s 的關鍵問題。同時，在接收端，為了能夠通過查表或者其他方法得到所使 用的輔助加權信息矢量b ，必須引入一定的冗余信息。但是和s l m 方法相比，p t s 最 大的優(yōu)點是不需要對每一步迭代就進行一次i f f t 計算，這使得p t s 方法在子塊個數(shù) 較多的情況下具有明顯的優(yōu)勢。 西南交通大學碩士研究生學位論文 第17 頁 盆 。 叱 山 也 叱 也 正 芒 也 、一 l l o o u 圖2 1 2 不同子塊數(shù)v 的c c d f 仿真曲線 2 3 3 編碼類方法 2 3 3 1 編碼類技術的原理 編碼類技術主要是利用不同編碼所產(chǎn)生不同的碼組而選擇p a p r 較小的碼組作為 o f d m 符號進行數(shù)據(jù)信息的傳輸，從而避免了信號峰值，此類技術為線性過程，不會 使信號產(chǎn)生畸變，但其計算復雜度非常高，編解碼都比較復雜，而且信息速率降低很 快，因此，只適用于子載波數(shù)比較少的情況。其主要方法有：分組編碼法( b l o c kc o d i n g ) 、 格雷補碼序y i j ( g o l a yc o m p l e m e n t a r ys e q u e n c