【文章內(nèi)容簡介】 法對 PAPR 的抑制作用， 對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并對整個(gè)算法系統(tǒng)進(jìn)行仿真和性能對比。 最后，給出 本文研究工作的總結(jié)， 并 對處理 OFDM 中高 PAPR 問題的研究方向進(jìn)行展望。 OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 5 第二章 OFDM 系統(tǒng)原理概述 作為 4G 和 LTEA 時(shí)代主流的無線通信技術(shù)，對 OFDM 進(jìn)行必要的介紹，了解 OFDM 技術(shù)的思想和原理有助于我們對 OFDM 技術(shù)的進(jìn)一步研究。掌握 OFDM系統(tǒng)中使用的主要技術(shù)也是有助于我們對其進(jìn)行改進(jìn)的關(guān)鍵。 OFDM 系統(tǒng)基本模型 OFDM 是人們?yōu)榱丝朔l域上出現(xiàn)的多徑信道選擇性衰落特性 而產(chǎn)生的，是多載波傳輸?shù)牡湫图夹g(shù)。因?yàn)槎鄰降倪x擇性衰落，人們很自然的就想到在信道上劃分出多個(gè)子信道傳輸，這樣每一個(gè)子信道的頻譜特性就趨于平坦，用多個(gè)相互獨(dú)立的子信號進(jìn)行合并，以實(shí)現(xiàn)新號的頻率分集。每一個(gè) OFDM 符號都是多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波新號之和，其中的每一個(gè)載波的調(diào)制方式可以是 PSK（相移鍵控）或者 QAM（正交幅度調(diào)制） [10]。如果用 N 表示子載波的個(gè)數(shù)， T 表示 OFDM 符號的寬度， di（ i=0,1??， N1）是分配給每一個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號， fc 是載波頻率，則從 t=ts開始的 OFDM 符號可以表示為式（ ） })])((2e x p [R e {)( 12/2/ 2/???? ? ???? NNi scNi ttTifjdts π Tttt ss ??? （ ） 在很多時(shí)候也會有式（ ）來表示等效基帶信號 ???? ? ??12/2/ 2/ )](2e x p [)(NNi sNi ttTijdts π Tttt ss ??? （ ） 其中，式（ ）的實(shí)部和虛部分別對應(yīng)的是 OFDM 符號中的同相和正交分量[13]，在實(shí)際中分別和相應(yīng)的子載波的余弦和正弦分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號和合成的 OFDM 符號。圖 給出了 OFDM 系統(tǒng)的基本模型框圖。 數(shù)據(jù)入口串并轉(zhuǎn)換+d 0d 1d N 1信道d 0d 1d N 1積 分積 分積 分串并轉(zhuǎn)換輸 出 圖 OFDM 系統(tǒng)基本模式框圖 OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 6 OFDM 的保護(hù)間隔和循環(huán)前綴 保護(hù)間隔 OFDM 技術(shù)是之所以被人們采用，是 因?yàn)樗?把輸入信號分配到了 N 個(gè)并行的子信道上，從而使每一個(gè) OFDM 符號的周期擴(kuò)大為了原始符號的 N 倍，以對抗多徑選擇性衰落。但與此同時(shí)，時(shí)延擴(kuò)展與符號周期的比值同樣降低了 N 倍 [14]。所以在 OFDM 系統(tǒng)中，為了最大限度地消除 ISI（符號間干擾），在每個(gè) OFDM 符號之間要插入 GI（保護(hù)間隔），該保護(hù)間隔的長度 Tg 一般要大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號的多徑分量才不會干擾到下一個(gè)符號。在保護(hù)間隔以內(nèi)，可以不插入任何信號，即空白間隔。但是這樣的情況，由于多徑傳播的影響 ，會產(chǎn)生信道間干擾（ ICI），子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間產(chǎn)生干擾 [15]。 循環(huán)前綴 為了消除空閑間隔由于多徑傳播導(dǎo)致的 ICI，一種方法就是將原來寬度為 T 的OFDM 符號進(jìn)行周期性擴(kuò)展，用擴(kuò)展信號來填充保護(hù)間隔。保護(hù)間隔內(nèi)的信號稱為 CP（循環(huán)前綴）。循環(huán)前綴中的信號與 OFDM 系統(tǒng)中的符號尾部寬度為 Tg的部分相同。做循環(huán)前綴即是把每一個(gè) OFDM 符號的后 Tg 時(shí)間長度的樣點(diǎn)復(fù)制到該OFDM 符號前，形成循環(huán)前綴。 加入循環(huán)前綴后，一 個(gè) OFDM 符號的總長度變?yōu)?Tg+TFFT。其中， Tg 是循環(huán)前綴的長度， TFFT為 OFDM 符號的有效長度。假定信道的最大時(shí)延擴(kuò)展為 τ m，為了消除 ICI，應(yīng)滿足在一個(gè) Tgτ m。由于循環(huán)前綴沒有任何有效信息，所以加入循環(huán)前綴帶來的是功率和信息速率的損失，其中功率的損失為： )(l og10)(log101010 FFT gFFTFFTsp T TTT T ???? （ ） 信息速率的損失為： FFTggsgp TT TTT ???? （ ） 從上兩式可以看出，雖然我們付出了一定的功率和信息速率的代價(jià)，但是通過采用循環(huán)前綴消除 ICI，相比之下，功率和信息速率的代價(jià)就相當(dāng)值得，但是我們還是需要選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)間隔長度，一般取 TgTFFT/4。 OFDM 系統(tǒng)的參數(shù)選擇 在 OFDM 系統(tǒng)中，我們需要確定各種參數(shù)。各項(xiàng)參數(shù)的選擇都是在要求中折 OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 7 中考慮的。通常來說，我們需要確定：符號周期、保護(hù)間隔、子載波的數(shù)量。這些 參數(shù)的選擇取決于給定的信道帶寬、時(shí)延擴(kuò)展以及所要求的信息傳輸速率 [16]。 一般情況下，保護(hù)間隔是無線信道的擴(kuò)展均方根的 24 倍。確定保護(hù)間隔以后就可以確定 OFDM 符號周期。為了很好的減小由于插入保護(hù)間隔帶來的功率損失，OFDM 的符號周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于保護(hù)間隔的長度。但是符號周期的增大，必然會增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度、 OFDM 系統(tǒng)需要包括更多的子載波， PAPR 增大。通常情況下信號周期選取為保護(hù)間隔的 5 倍左右即可。之后，子載波數(shù)量就可以由信道帶寬、數(shù)據(jù)吞吐量和有效的 符號周期所決定 [17]。子載波數(shù)可以設(shè)置為有效符號周期的倒數(shù)，即 N=1/T，其數(shù)值與 FFT 處理過的點(diǎn)數(shù)對應(yīng) [18]。 OFDM 系統(tǒng)的中的關(guān)鍵技術(shù) OFDM 系統(tǒng)的中的同步技術(shù) 同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。對于無線通信來說，信道存在時(shí)變性，傳輸中存在的頻率偏移會使 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的影響。與單載波相比， OFDM 系統(tǒng)對同步精準(zhǔn)的要求更高，同步的偏差會在 OFDM 系統(tǒng)中引起 ISI 和 ICI。 OFDM 系統(tǒng)中的同步包括載波同步、樣值同步和符號同步三個(gè)部分 [19]。 OFDM 系統(tǒng)的中的信道估計(jì) 無線信道系統(tǒng)的性能主要受到無線信道的制約 [20]。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路徑非常復(fù)雜，而且和有線信道不同 [21]。無線信道不是固定的可見的，具有很大的隨機(jī)復(fù)雜性。 OFDM 系統(tǒng)可以等效為 N 個(gè)獨(dú)立的并行子信道，如果不考慮噪聲， N 個(gè)子信道上 的接受信號等于各自子信道上的發(fā)送信號與信道的頻譜特性的頻率卷積。如果我們通過估計(jì)的方法預(yù)先知道了信道的頻譜特性，將各自子信道上的接收信號與信道的頻率特性相除，即可實(shí)現(xiàn)接受信號的正確解調(diào)。由于多載波系統(tǒng)的信號是分布在時(shí)域和頻域內(nèi)的，所以二維信道估計(jì)成了信道估計(jì)的主要方法，即時(shí)域估計(jì)的方法和頻域估計(jì)的方法。 OFDM 系統(tǒng)的中的信道編碼 為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，我們常采用信道編碼的方式。信道編碼可以顯著的提高數(shù)字通信系統(tǒng)的抗干擾能力。在 OFDM 系統(tǒng)中可以使用任意的傳統(tǒng)信道編碼，如分組碼、卷積 碼等。隨著移動(dòng)通信和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，采用空時(shí)編碼的方法已經(jīng)成為社會趨向?？諘r(shí)編碼可以在沒有增加發(fā)生功率和信道帶寬的情況下，極大的提高信道的容量，顯著提高 OFDM 系統(tǒng)性能，已經(jīng)成為下一代通信系統(tǒng)的熱點(diǎn)技術(shù)。 OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 8 OFDM 系統(tǒng)的中的峰均比 PAPR 是指發(fā)射機(jī)輸出信號為非恒定包絡(luò)時(shí)，其峰值功率與平均功率的比值。當(dāng) OFDM 信號的 N 個(gè)正交子載波信號在其峰值處疊加時(shí)，就會產(chǎn)生最大峰值，其功率會是信號平均功率的 N 倍，相應(yīng)的要求功率放大器具有很大的線性區(qū)域?qū)π盘栠M(jìn)行處理。否則，當(dāng)信號峰值進(jìn)入放大器的非線性 區(qū)域時(shí)，信號就會產(chǎn)生畸變，引起子載波之間的互調(diào)干擾和帶外輻射，破壞子載波間的正交性，降低系統(tǒng)性能。因此，我們必須采用一定的技術(shù)來降低信號的峰均功率比，使發(fā)射機(jī)中的功率放大器能夠高效工作，提高系統(tǒng)的整體性能。 OFDM 系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn) 如今， OFDM 技術(shù)活躍在無線通信系統(tǒng)中。已經(jīng)成為了 4G 的主流技術(shù)，人們開始集中越來越多的去把 OFDM 技術(shù)運(yùn)用到無線通信領(lǐng)域的每一個(gè)角落?？偨Y(jié)起來 OFDM 系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）抗符號間干擾能力強(qiáng)。只要通信系統(tǒng)的頻帶是一定的，就會受到 ISI（符號間干擾）的 影響。 OFDM 系統(tǒng)將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使得每一個(gè)子載波上的符號周期相對增大，從而可以有效的降低 ISI（符號間干擾）。間接的就減小了接收機(jī)的復(fù)雜度，甚至可以不采用均衡器，僅僅插入循環(huán)前綴就可以消除 ISI 的影響，提高系統(tǒng)的總體性能。 （ 2）抗多徑能力強(qiáng)。在單載波的系統(tǒng)中，由于多徑的影響，通信系統(tǒng)會受到很嚴(yán)重的干擾，甚至?xí)?dǎo)致通信失敗。而由于無線信道存在頻率選擇性，不可能所有子載波在同一時(shí)刻都會處于比較深的衰落中。而且，就算處于比較深的衰落中，子信道也可以通過自適應(yīng)調(diào)制的方式，降低傳輸速率來避免嚴(yán)重 的誤碼，如果衰落嚴(yán)重，可以選擇直接放棄掉受干擾嚴(yán)重的子載波，整個(gè)系統(tǒng)依然可以保持高效的傳輸性能。 （ 3）較高的頻譜利用率。在頻譜資源日益緊張的今天，節(jié)約頻譜成了新興技術(shù)所考慮的一個(gè)很重要的因素。傳統(tǒng)的單載波傳輸，是將頻帶分成若干個(gè)不想交的子頻帶來傳輸數(shù)據(jù)，每一個(gè)子信道之間都需要保留一定的頻隙作為保護(hù)頻帶，將各個(gè)子載波的頻譜分離，這樣接收端才可以對信號做準(zhǔn)確的接受和解調(diào)。而OFDM 系統(tǒng)由于各個(gè)子載波之間存在正交性，而且每一個(gè)子信道的頻譜可以相互疊加，且不需要頻隙來作為保護(hù)間隔，因此和常規(guī)的單載波頻分復(fù) 用系統(tǒng)相比，OFDM 系統(tǒng)可以最大限度的利用頻譜資源。當(dāng)子載波數(shù)比較大時(shí)， OFDM 系統(tǒng)的頻譜利用率幾乎是單載波系統(tǒng)頻譜利用率的兩倍。 （ 4）調(diào)制過程實(shí)現(xiàn)簡單。 OFDM 每一個(gè)子載波都可以使用 IFFT（快速傅里葉反變換）和 FFT（快速傅里葉變換）來實(shí)現(xiàn)。隨著集成電路的發(fā)展以及數(shù)字信號處理技術(shù)的大幅度提升，使得 OFDM 的調(diào)制模塊的實(shí)現(xiàn)變得非常容易，為以后 OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 9 大規(guī)模使用 OFDM 技術(shù)提供了有力的支持。 （ 5）具有很強(qiáng)的兼容性。 OFDM 系統(tǒng)易于和其他多種接入方式、技術(shù)結(jié)合使用。其中包括 MCCDMA（多載波碼 分多址）、跳頻 OFDM、空時(shí)編碼、分集、智能天線等。可以使得多個(gè)用戶可以通過 OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，提高了其物理層傳輸?shù)目煽啃浴? 任何技術(shù)都不可能做到完美， OFDM 系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，必然也會有很多缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)單載波相比， OFDM 系統(tǒng)主要有以下兩個(gè)缺點(diǎn)： （ 1）對于頻率偏移和相位噪聲比較敏感。與單載波相比， OFDM 系統(tǒng)對子載波之間的正交性有著嚴(yán)格的要求，然后由于無線信道的時(shí)變性，在傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生頻率偏移，或者發(fā)射機(jī)載波頻率和接收機(jī)本地振蕩器之間存在頻率偏差，都會破壞到 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正 交性。而且只有 OFDM 各個(gè)子載波的信號頻譜保持正交性，接收端才可以正確的接受解調(diào)信號，所以，任何形式的頻率偏移都會嚴(yán)重的影響到 OFDM 系統(tǒng)性能。 （ 2）存在較高的 PAPR。由于 OFDM 的時(shí)域信號是由多路獨(dú)立的調(diào)制信號疊加而成的，在極端的情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)最高峰值為各路最高峰值之和。當(dāng)然雖然這種情況基本不會出現(xiàn)，但是小概率出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號均值的幅度是肯定的。過高的 PAPR 對系統(tǒng)的影響是非常大的。出現(xiàn)高 PAPR 就要求發(fā)射機(jī)內(nèi)的一些部件具有很大的線性動(dòng)態(tài)范圍以適應(yīng)高 PAPR 的 OFDM 系統(tǒng)，大大增加了設(shè)備成 本。反過來，這些部件的非線性也會使動(dòng)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干擾，影響 OFDM 系統(tǒng)性能。 OFDM 系統(tǒng)的 PAPR 信號的 PAPR（峰均功率比）過大會引起很多問題，如降低發(fā)射機(jī)和接收機(jī)功率放大器的有效性，增加了部分設(shè)備的復(fù)雜度，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能下降，成本提高等等。如果想要很好的運(yùn)用 OFDM 系統(tǒng)，必須采用一定的方法降低 OFDM 系統(tǒng)中的 PAPR。 OFDM 系統(tǒng)的 PAPR 的定義 OFDM 系統(tǒng)中，信號是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號疊加而成的，這樣的合 成信號就會有可能