【正文】 轉(zhuǎn)換 并串轉(zhuǎn)換 插入 CP 多徑傳輸 數(shù)模轉(zhuǎn) 換 (DAC) ? ? 信道解碼 數(shù)字解調(diào) 并串轉(zhuǎn)換 串并轉(zhuǎn)換 去除 CP 模數(shù)轉(zhuǎn) 換 (ADC) ? ? }{ns }{nR }{vx }{vy )(tn )(tx )(tyIDFT DFT 第 2 章 OFDM 系統(tǒng)基本原理及 PAPR 問題 15 經(jīng)過信道 ),( th? 和加性白高斯噪聲的作用后的接收信號為： )(),()()( m a x0 tndthtty ??? ? ???? (28) 接收信號 )(ty 經(jīng)過模 /數(shù) (A/D)變換后得到接收序 }{vy , 1, ??? NLv g ?為對 ty 按 NT/ 的抽樣速率得到的數(shù)字抽樣。由于每個(gè) OFDM 符號中都包括所有的非零子載波信號，而且同時(shí)會出現(xiàn)該 OFDM 符號的時(shí)延信號，所以在 FFT 運(yùn)算時(shí)間長度內(nèi)，第一子載波與帶有時(shí)延的第二子載波之間的周期個(gè)數(shù)之差不再是整數(shù)，這樣當(dāng)接收機(jī)試圖對第一子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，第二子載波會對此造成干擾。 此外，以 T 為采樣間隔得到的時(shí)域采用信號的傅里葉變換是由時(shí)域連續(xù)信號的傅里葉變換周期重復(fù)構(gòu)成的，其重復(fù)周期為 T/1 。因此這種一個(gè)子信道頻譜的最大值對應(yīng)于其他子信道頻譜的零點(diǎn)的設(shè)置可以避免子信道間干擾的出現(xiàn)。 串并轉(zhuǎn)換+01D1?ND? ?? ?tje 0?tj 1 tjNe 1??? 信 道 并串轉(zhuǎn)換tje 0?? tje 1??tj Ne 1?? ?? 積 分積 分積 分0?D1?1? ?ND 圖 21 OFDM 的系統(tǒng)模型框圖 圖 22 OFDM 符號子載波關(guān)系圖 由圖可見，每個(gè)子載波在一個(gè) OFDM 符號周期內(nèi)都包含整數(shù)倍個(gè)周期，且相鄰子載波間相差 1 個(gè)周期，這一特性可用來解釋子載波之間的正交性，即： ???? ???T mn nm nmdttjtjT 0 01)e xp()e xp(1 ?? (23) 如對式 (22)中的第 j 個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，然后在時(shí)間長度 T 內(nèi)積分，即： 第 2 章 OFDM 系統(tǒng)基本原理及 PAPR 問題 11 jNiTtt siTttNisJDdtttTjijDTdtttTijttTjjTDssss?????????? ?? ????? ??10100))(2e x p (1))(2e x p ())(2e x p (1???? (24) 由上式可以看到，對第 j 個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出期望信號 jD ，而對于其他載波來說，由于在積分間隔內(nèi)，頻率差別 )/( Tji? 可以產(chǎn)生整數(shù)倍個(gè)周期，所以其積分結(jié)果為零。 高峰均比 (PAPR)問題一直是 OFDM 技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵問題所在，也是 OFDM 技術(shù)走向?qū)嵱没闹饕系K。 本論文 的 主要工作 本論文對 OFDM 系統(tǒng)存在高 PAPR 的問題進(jìn)行了分析研究。因此， SLM 技術(shù)是以高計(jì)算復(fù)雜度為代價(jià)的。 編碼類技術(shù)主要是利用不同編碼所產(chǎn)生不同的碼組而選擇 PAPR 較小第一章 緒論 7 的碼組作為 OFDM 符號進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，從而避免了信號峰值，該技術(shù)為線性過程，不會使信號發(fā)生畸變，但其計(jì)算復(fù)雜度非常高，編解碼都比較復(fù)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。盡管這種方法比較簡單，但是它也會為OFDM 系統(tǒng)帶來相關(guān)的問題。因?yàn)?OFDM 信號是非恒定的包絡(luò)，任何非線性的 RF 放大都會導(dǎo)致產(chǎn)生互調(diào)成分，從而影響鄰 近帶寬的信號和系統(tǒng)的性能。 任何事物都存在兩面性， OFDM 技術(shù)也存在著許多不足之處， OFDM系統(tǒng) 內(nèi)由于存在多個(gè)正交子載波，而且其輸出信號是多個(gè)子信道 的疊加，與單載波系統(tǒng)相比，存在如下主要缺點(diǎn) 。 總的來說，基于 OFDM 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 [8]，它具有抗衰落能力強(qiáng)、頻譜利用率高、傳輸速率高，抗符號間干擾 (ISI， Intersymbol interference)和載波間干擾 (ICI, InterCarrier interference)能 力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 ETSI 的寬帶無線接入網(wǎng)項(xiàng)目 — 第二類高性能局域網(wǎng)(HIPERLAN/2, HighPerformance LAN type 2)也把 OFDM定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù) [12]。這樣就可以用一個(gè)模擬前端來代替 N 個(gè)子載波各自所需的模擬前端，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。但是，為了在接收 端能夠較容易地實(shí)現(xiàn)用簡單的濾波器來分離這些信號，這樣各子載波就要相距足夠遠(yuǎn)，并采用保護(hù)頻帶來使各子載波的信號頻譜互不影響，因而其頻譜利用率非常低。因此，如何保證在惡劣的無線信道中傳送高速率的數(shù)據(jù)流演變?yōu)橐苿油ㄐ诺氖滓獑栴}。至今，己實(shí)現(xiàn)了第三代多媒體通信系統(tǒng) (3G)的商用開發(fā)及民用。 但是 OFDM 技術(shù)存在傳輸過程中峰均比值 (PAPR)較高的問題，高峰均比對功率放大器、 A/D 變換器等前端設(shè)備的線性范圍提出更高的要求，影響著整個(gè)通信系統(tǒng)的運(yùn)行成本和效 率，所以，對降低峰均功率比技術(shù)的研究對于 OFDM 技術(shù)的更廣泛應(yīng)用有著一定的現(xiàn)實(shí)意義。 附錄 2 .................................................................................. 錯誤 !未定義書簽。于是，正交頻分復(fù)用 (OFDM， Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生 [3]。為了有效地利用有限的頻率資源，以滿足高速率，大容量的業(yè)務(wù)需求，必須采用專門的技術(shù)，以克服無線信道多徑衰落，降低對均衡器的依賴，降低噪燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 聲，從而達(dá)到改善系統(tǒng)性能的目的。 最早實(shí)現(xiàn)頻譜高效率多載波通信的是 20世紀(jì) 50年代的 Collins Kineplex系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在嚴(yán)重多 徑衰落效應(yīng)的高頻無線信道中實(shí)現(xiàn)無線傳輸。T LabsResearch 提出了一個(gè)稱為高度蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(ACIS， Advanced Cellular Inter Service)的概念 [11]，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)以滿足高質(zhì)量、高移動性、高速率、大容量和低費(fèi)用的通信服務(wù)瓶頸。 0FDM 由于技術(shù)的成熟性，被選用為下行標(biāo)準(zhǔn)很快就達(dá)成了共識?？偟膩碚f，基于 OFDM 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，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn) [6]： 抗衰落能力強(qiáng)， 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?yàn)楫?dāng)信道中因多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇 性衰落時(shí)只有落在頻帶凹陷處的子載波及其攜帶的信息受到影響，而其它子載波不會受到干擾，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多；另外，還可以通過各子載波的信源信道聯(lián)合編碼使得系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步提高；對于多用戶系統(tǒng)來說，一個(gè)用戶不適用的子信道對其他用戶來說可能是性能比較好的子信道，因此除非一個(gè)子信道對所有用戶來說都不適用，該子信道才會被關(guān)閉，但發(fā)生這種情況的概率非常小。 存在高的峰值平均功率比 (PeaktoAverage Power Ratio， PAPR), 高PAPR 問題一直是 OFDM 技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵問題所在，也是 OFDM 技術(shù)走向?qū)嵱没闹饕系K。 峰均比較高是 0FDM系統(tǒng)的固有問題之一，也一直是學(xué)術(shù)界研究 OFDM技術(shù)的熱點(diǎn)問題。 2021年， ARMSTRONG .，在離散的頻域點(diǎn)上進(jìn)行濾波，所以不會造成帶內(nèi)信號的畸變，因此不會造成 ISI(符號間干擾 )。 OFDM 系統(tǒng)中出現(xiàn)大峰值功率信號的原因在于多個(gè)子載波信號相互疊加，如果可以利用多個(gè)序列來表示同一組信息的傳輸，在確定的PAPR 門限下，可以從中選擇具有最小 PAPR 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。 2021 年，斯坦福大學(xué)的 Tellado 教授提出了子載波保留法 (Tone Reservation， TR)，它是降低多載波信號 PAPR 的一種有效方法 [10]，該方法可以在不引入附加失真和邊帶信息的前提下有效地降低峰均比，但是在尋找最優(yōu)削減信號時(shí)需要較大的計(jì)算復(fù)雜度。 具體的研究 內(nèi)容和組織安排如下： 第 l 章介紹了本文的課題背景、 OFDM 研究現(xiàn)狀 、 OFDM 優(yōu)缺點(diǎn)、及PAPR 抑制技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 ； 第 2 章介紹了 OFDM 技術(shù)基本原理、 OFDM 系統(tǒng)中峰均比 及其分布 、高 PAPR 帶來的問題以及 概述了降低峰均比的常用方法。由于每個(gè)子 信道的符號周期會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時(shí)延所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對系統(tǒng)的影響，并且還可以在 OFDM 符號之間插入保護(hù)間隔，令保護(hù)間隔大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣就可以最大限度地消除由于多徑而帶來的 ISI(符號間干擾 )。矩形脈沖的頻譜幅值為 )(sin fTc 函數(shù)，這種函數(shù)的零點(diǎn)出現(xiàn)在頻率為 T/1 整數(shù)倍的位置上。為了敘述的簡潔， 可以令式 (22)中的 0?st ，并且忽略矩形函數(shù)，對信號 )(ts 以 TN/ 的速率進(jìn)行抽樣，即令 )1,1,0(,/ ??? NkNkTt ?可以得到： ??? ????? 10 10)2e xp ()/( Ni ik NkN ikjDNkTss ? (25) 可以看出 ,ks 等效為對 iD 進(jìn)行 IDFT運(yùn)算。通過把輸入的數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換到 N 個(gè)并行子信道中，使得每個(gè)用于去調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符號周期可以擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號周期的 N 倍，因此時(shí)延擴(kuò)展與符號周期的比值也同樣降低 N 倍。這樣就可以保證在 FFT 周期內(nèi)， OFDM 符號的延時(shí)副本內(nèi)所包含的波形的周期個(gè)數(shù)也是整數(shù)，時(shí)延小于保護(hù)間隔的時(shí)延信號就不會再解調(diào)過程中產(chǎn)生 ICI[14]。 OFDM 的峰均功率比及其分布 峰值平均功率比的定義 與單載波系統(tǒng)相比，由于 OFDM 符號是 N 個(gè)獨(dú)立的調(diào)制子載波信號的疊加，因此當(dāng)多個(gè)信號的相位一致時(shí)，所得到的疊加信號的瞬時(shí)功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號的平均功率，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比 (PeaktoAverage Power Ratio)，簡稱峰均比 (PAPR)。所以對 OFDM 符號實(shí)施過采樣，就可以被看作添加一定數(shù)量的相互獨(dú)立的樣本值。其基本思想是在信號送到射頻功率放大器之前，首先對有較大峰值功率的信號進(jìn)行預(yù)畸變，即非線性處理，保證峰值功率在放大器的動態(tài)變化范圍之內(nèi)，從而避免較大的 PAPR 的出現(xiàn) [15]。 壓縮擴(kuò)展法實(shí)現(xiàn)簡單，計(jì)算復(fù)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；另一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。 編碼類算法 如前所述， OFDM 符號是由多個(gè)相互獨(dú)立的子載波經(jīng)過調(diào)制后得到的，其中只有很少的數(shù)據(jù)序列會產(chǎn)生高峰均比。 本章 將 著重 介 紹 概率方法 中的 SLM 算法 ，并介紹限幅與改進(jìn)后的 SLM 結(jié)合的方法降低 OFDM 系統(tǒng) PAPR。另外， SLM 方法中隨機(jī)相位 序列數(shù)目 U 的大小對 OFDM系統(tǒng)的 PAPR減小有關(guān)系， U 越大， PAPR減小效果越小。本法不需要傳輸任何附加邊帶信息，其核心思想是通過改變各組隨機(jī)相位序列特定位置的模值將輔助邊帶信息可靠地嵌入傳輸?shù)男盘栔小?)3,1(?uS 表示某個(gè)隨機(jī)相位序列的子向量的第 1 個(gè)和第 3 個(gè)位置的元素的模值小于 1。這樣的話我們在接收端將接收到的信號 y 也分為 M 個(gè)長度為 K 的子向量，則每個(gè)子向量不同位置的信號總能量平均值 kmE, 為： 210 ,2, 1][ ????Mm kmkm yMyE (34) ????102,2, 1][ Mm kmkm hMhE (35) 只要通過計(jì)算每個(gè)子向量的不同位置的總的信號能量的平均值 kmE, ，通過比較，這樣的話能找到那些模值小于 1 的特殊位置，根據(jù) 模值小于 l 的特殊位置隨機(jī)相位序列特點(diǎn)，繼而就能判斷出發(fā)送的是具體哪條隨機(jī)相位序列，從而省略了邊帶信息的發(fā)送，準(zhǔn)確的恢復(fù)出原信號。SLM 方法屬于概率類方法，本質(zhì)只是在概率上減小了 高 PAPR 信號產(chǎn)生的可能性，但從根本上說仍然有可能出現(xiàn)高 PAPR 的 OFDM 信號，并且概率類的方法如 SLM 方法對 OFDM 系統(tǒng)的高 PAPR 的抑制效果不算太好，為了達(dá)到對高 P