【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但是同步范圍較小。 信道編碼和交織技術(shù)在OFDM系統(tǒng)中，為了抵抗突發(fā)脈沖錯(cuò)誤和多徑衰落，可以通過(guò)信道編碼和交織技術(shù)來(lái)進(jìn)一步改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集特性，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就無(wú)法再利用信道的分集特性來(lái)抵抗多徑衰落。但是，OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為各個(gè)子載波進(jìn)行編碼提供了機(jī)會(huì)。通過(guò)將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，可以使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗衰落能力。這種將信道編碼和OFDM結(jié)合起來(lái)的技術(shù)稱為信道編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)（Coded OFDM，COFDM）。COFDM是最早的OFDM技術(shù)之一，它在進(jìn)行OFDM調(diào)制之前，在子載波中引入了前向糾錯(cuò)碼（FEC），以進(jìn)一步補(bǔ)償頻率選擇性衰落信道的影響，提高了系統(tǒng)誤碼率。常用的前向糾錯(cuò)碼，有以RS（ReedSolomon）和CRC為代表的分組碼、卷積碼、網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM）以及空時(shí)編碼等。一種有效對(duì)抗衰落信道中突發(fā)錯(cuò)誤的方法是在編碼后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交織。采用交織器和去交織器，可以使突發(fā)錯(cuò)誤在時(shí)域擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，將一個(gè)有記憶的突發(fā)差錯(cuò)信道，變成了基本上無(wú)記憶的隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)信道，再利用糾隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)的糾錯(cuò)碼來(lái)糾錯(cuò)。在OFDM系統(tǒng)中，發(fā)送端編碼后的數(shù)據(jù)先經(jīng)交織器按行讀出重新排序后再進(jìn)行調(diào)制，接收端在解調(diào)后，由去交織器恢復(fù)出原始順序進(jìn)行譯碼。 信道估計(jì)技術(shù)為了恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)流，接收端必須先進(jìn)行信道估計(jì)，獲得子載波上的參考相位和幅值。信道估計(jì)的準(zhǔn)確性直接影響到整個(gè)OFDM系統(tǒng)的性能。常見(jiàn)的信道估計(jì)方法有兩類：基于導(dǎo)頻信息的信道估計(jì)和基于循環(huán)前綴的盲信道估計(jì)。其中基于導(dǎo)頻信息的信道估計(jì)方法又可分為:基于導(dǎo)頻信道和基于導(dǎo)頻符號(hào)的估計(jì)。OFDM系統(tǒng)具有時(shí)頻二維結(jié)構(gòu)，因此可以在時(shí)間軸和頻率軸同時(shí)插入導(dǎo)頻符號(hào)，使設(shè)計(jì)更加靈活。導(dǎo)頻符號(hào)估計(jì)法是在發(fā)送端信號(hào)的某些固定位置插入一些已知的符號(hào)和序列，在接收端利用這些導(dǎo)頻符號(hào)和導(dǎo)頻序列按照某些算法進(jìn)行信道估計(jì)。在OFDM系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問(wèn)題：一是導(dǎo)頻信息的選擇。由于無(wú)線信道是衰落信道，需要不斷地對(duì)信道進(jìn)行跟蹤。因此，導(dǎo)頻信息也必須不斷的傳送。二是復(fù)雜度較低且導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)。在確定導(dǎo)頻發(fā)送方式和估計(jì)準(zhǔn)則條件下，尋找最佳的信道估計(jì)器結(jié)構(gòu)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，估計(jì)器的性能和導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)，所以導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)兩者之間是相通的。 峰值平均功率比技術(shù)與單載波系統(tǒng)相比，OFDM信號(hào)在時(shí)域上表現(xiàn)為N個(gè)相互正交子載波信號(hào)的疊加。當(dāng)這N個(gè)信號(hào)恰好均以峰值點(diǎn)相加時(shí)，OFDM信號(hào)會(huì)產(chǎn)生最大的峰值，該峰值功率是平均功率的N倍，峰均功率比（PeaktoAverage Power Ratio，PAPR）也相應(yīng)比較大。隨著子載波數(shù)N的增加，PAPR的最大值也會(huì)線性增大，這就對(duì)發(fā)射機(jī)前端放大器的線性范圍提出了很高的要求。盡管出現(xiàn)最大PAPR的概率很低，但為了不失真地傳輸這些高峰均功率比的OFDM信號(hào)，發(fā)送端對(duì)高功率放大器（HPA）的線性度要求就很高且發(fā)送效率極低，同時(shí)接收端對(duì)前端放大器以及A/D變換器的線性度要求也會(huì)很高。因此，高峰均功率比會(huì)大大降低OFDM的系統(tǒng)性能，為OFDM技術(shù)的實(shí)用化設(shè)置了障礙[7]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于降低OFDM信號(hào)的峰均功率比已有了深入研究。概括起來(lái)，目前降低PAPR的方法主要有三大類：信號(hào)畸變技術(shù)、信號(hào)擾碼技術(shù)和編碼技術(shù)。本論文主要是從信號(hào)擾碼技術(shù)著手，展開(kāi)降低峰均功率比技術(shù)的研究與仿真。除了上述四種關(guān)鍵技術(shù)外，均衡、智能天線等技術(shù)也是OFDM系統(tǒng)中重要的相關(guān)技術(shù)。3 OFDM系統(tǒng)中的峰值平均功率比高峰值功率比（PAPR）的存在，是OFDM系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。相對(duì)于單載波系統(tǒng)而言，OFDM發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)的瞬時(shí)值會(huì)有較大幅度的波動(dòng)[8]。這就要求系統(tǒng)內(nèi)的一些器件，例如功率放大器、A/D，D/A轉(zhuǎn)換器等具有很大線性動(dòng)態(tài)范圍。而反過(guò)來(lái)，這些器件的非線性也會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍較大的信號(hào)產(chǎn)生非線性失真，所產(chǎn)生的諧波會(huì)造成子信道的相互干擾，從而影響系統(tǒng)的性能，因此有必要對(duì)峰均功率比的問(wèn)題深入研究。本章在對(duì)OFDM系統(tǒng)中高峰值產(chǎn)生原理分析的基礎(chǔ)上，闡述了峰均功率比的定義，并詳細(xì)介紹了當(dāng)前研究降低峰均功率比的幾類主要方法。 高峰值產(chǎn)生的原因OFDM信號(hào)是由N個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的正弦信號(hào)合成的，當(dāng)N值很大時(shí)，根據(jù)中心極限定理可知，OFDM信號(hào)的實(shí)部和虛部近視為高斯分布，振幅大小將趨于瑞利分布，也就是說(shuō)其傳送的符號(hào)有較高的峰值功率比。而當(dāng)每個(gè)子載波被同相相加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比平均功率高N倍的峰值。高峰值對(duì)發(fā)送端的放大器來(lái)說(shuō)，容易產(chǎn)生操作在非線性區(qū)。因此，高的PAPR對(duì)系統(tǒng)高功率放大器和A/D，D/A變換器的線形度提出了很高的要求。反過(guò)來(lái)，如果在高峰值功率時(shí)出現(xiàn)了非線形，就會(huì)產(chǎn)生子載波間的干擾和帶外輻射，從而大大降低了OFDM系統(tǒng)的性能，影響了OFDM技術(shù)的廣泛應(yīng)用[9]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于降低OFDM信號(hào)的峰均功率比已有了一些研究。本章在對(duì)OFDM系統(tǒng)中高峰值產(chǎn)生原理分析的基礎(chǔ)上，給出峰值功率比的定義，并介紹了當(dāng)前研究降低峰值功率比的現(xiàn)狀。 峰均功率比的定義與單載波系統(tǒng)相比，由于OFDM符號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)相加而成的，這樣的合成信號(hào)就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率（Peak Power），由此會(huì)帶來(lái)較大的峰值平均功率比（PeaktoAverage Power Ratio）。峰值平均功率比是指OFDM信號(hào)的峰值功率和其平均功率之比，即： ()式中表示經(jīng)過(guò)反傅立葉變換后所得到的輸出信號(hào)，即。對(duì)于包含N個(gè)子信道的OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)N個(gè)子信道都以相同的相位求和時(shí)，所得到的信號(hào)的峰值功率就是平均功率的N倍，因而基帶信號(hào)的峰均比可以為：，例如當(dāng)N=256的情況中，OFDM系統(tǒng)的。當(dāng)然這是一種非常極端的情況，OFDM系統(tǒng)內(nèi)的峰均比通常不會(huì)達(dá)到這一數(shù)值。另外一種用于描述包絡(luò)變化的參數(shù)是峰值系數(shù)（CF，Crest Factor），它定義為基帶調(diào)制信號(hào)的峰值幅度和均方根幅度之比，在射頻載波高于OFDM信號(hào)帶寬的條件下，該值比（）的值大。定義如下： ()在本章的討論中，采用PAPR來(lái)衡量OFDM系統(tǒng)的峰值參數(shù)。 OFDM系統(tǒng)內(nèi)PAPR的分布 OFDM系統(tǒng)的PAPR的概率分布峰均功率比與子載波數(shù)呈正比，順著的增大，PAPR的最大值也會(huì)增大。當(dāng)采用的是多相相位鍵（MPSK）時(shí)，峰均功率比理論上的上限值為；若采用的是正交幅度調(diào)制（QAM）時(shí)，峰值功率比的上限值會(huì)略大于。隨著子載波數(shù)數(shù)的增大，峰均功率比最大值出現(xiàn)的概率越來(lái)越小，甚至可以忽略不計(jì)。個(gè)子載波的OFDM系統(tǒng)，若采用的是MPSK星座映射，那么PAPR最大值出現(xiàn)的概率可表示為： ()假設(shè)一個(gè)包括個(gè)子載波的復(fù)基帶OFDM符號(hào)表示為： ()其中數(shù)據(jù)序列為獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，均值為0，方差為1。根據(jù)中心極限定理，當(dāng)子載波數(shù)較大時(shí)，的實(shí)部和需部，即和近似服從均值為0。OFDM符號(hào)的幅度：服從瑞利分布，用概率密度函數(shù)（PDF）可表示為：，其中為某個(gè)OFDM符號(hào)的包絡(luò)。而信號(hào)的功率則服從均值為0，自由度為2的的分布，其中均值為0，方差為1，而且我們很容易得出自由度為2的中心分布的概率密度函數(shù)為，因此可得其分布函數(shù)為： ()現(xiàn)在我們計(jì)算每個(gè)OFDM符號(hào)峰值功率的分布函數(shù)。對(duì)于子載波數(shù)為N的OFDM系統(tǒng)，假定OFDM符號(hào)周期內(nèi)每個(gè)采樣值之間都是不相關(guān)的，則PAPR小于某個(gè)門(mén)限的概率分布，也就是累積概率分布函數(shù)的表達(dá)式為： ()在給定PAPR門(mén)限值的條件下，隨著子載波個(gè)數(shù)N的增加，CDF也會(huì)相應(yīng)降低，也就是超過(guò)PAPR門(mén)限值的符號(hào)出現(xiàn)的概率會(huì)有所增加。或者，可以從另一個(gè)角度來(lái)衡量OFDM系統(tǒng)的PAPR的分布，即計(jì)算峰均功率比超過(guò)某個(gè)門(mén)限值的概率，得到互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF）為： ()在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用互補(bǔ)累積函數(shù)（CCDF）來(lái)衡量OFDM系統(tǒng)內(nèi)的PAPR內(nèi)分布。 OFDM信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度OFDM系統(tǒng)的PAPR取決于序列的非周期自相關(guān)函數(shù)的旁瓣。在本節(jié)中，分析OFDM信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。假設(shè)獨(dú)立同分布，并且，求OFDM信號(hào)在任意兩個(gè)時(shí)刻，的自相關(guān)函數(shù)： () 令，則只有當(dāng)，（第k個(gè)信號(hào)周期）時(shí)為，則相關(guān)值為零。將在一個(gè)周期內(nèi)求平均，則 ()所以O(shè)FDM信號(hào)的功率譜密度為的傅立葉變換為： () 降低峰均功率比的方法為了降低OFDM信號(hào)中的峰均功率比，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，提出了很多的方法。目前所存在的減小PAPR分方法大概可以被分為三類：第一類是信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)，即在信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之前，首先對(duì)功率大于門(mén)限值的信號(hào)進(jìn)行非線性畸變，包括限幅（clipping），峰值加窗或者峰值消除等操作，這些信號(hào)畸變技術(shù)的好處在于直觀簡(jiǎn)單，但信號(hào)畸變對(duì)系統(tǒng)性能造成的系統(tǒng)性能損害是不可避免的；第二類是編碼方法，即避免使用那些會(huì)生成大峰值功率信號(hào)的編碼圖樣，例如采用循環(huán)編碼方法，這種方法的缺陷在于可供使用的編碼圖樣數(shù)量非常少，特別是當(dāng)子載波數(shù)量N較大時(shí)，編碼效率會(huì)非常低，從而導(dǎo)致這一矛盾更加突出；第三類就是信號(hào)擾碼技術(shù)，利用不同的加擾序列對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，從而選擇PAPR較小的OFDM符號(hào)來(lái)傳輸[10]。 信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)是最簡(jiǎn)單和最直接的降低OFDM系統(tǒng)的PAPR的方法。在信號(hào)被送到放大器之前，首先經(jīng)過(guò)非線形處理，對(duì)有較大峰值功率的信號(hào)進(jìn)行預(yù)畸變，使其不會(huì)超出放大器的動(dòng)態(tài)范圍，從而避免降低較大PAPR的出現(xiàn)。這一類方法主要包括：限幅和峰值窗，加權(quán)多載波，載波抑制峰值，預(yù)畸變和畸變補(bǔ)償，壓擴(kuò)技術(shù)。最常用的信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)包括限幅和壓縮擴(kuò)張方法。限幅方法是用門(mén)限值直接對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行限幅，可以對(duì)實(shí)數(shù)信號(hào)限幅，也可以對(duì)復(fù)數(shù)信號(hào)限幅。即在數(shù)模轉(zhuǎn)換之前，根據(jù)功率放大器的峰值功率確定門(mén)限，將OFDM信號(hào)的幅值截?cái)?。下面我們給出對(duì)復(fù)數(shù)信號(hào)限幅的表達(dá)式，假設(shè)時(shí)域信號(hào)為，限幅以后的信號(hào)形式為： ()這里我們將要用到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的限幅門(mén)限參數(shù)CR， ，其中表示OFDM信號(hào)的均方根功率，A為限幅門(mén)限值。假設(shè)OFDM信號(hào)的子載波個(gè)數(shù)為N，那么基信號(hào)在經(jīng)過(guò)非線形部件之前進(jìn)行限幅，就可以使得峰值信號(hào)低于所期望的帶信號(hào)的均方根功率，帶通信號(hào)的均方根功率。盡管限幅非常簡(jiǎn)單，但是它也會(huì)為OFDM系統(tǒng)帶來(lái)相關(guān)的問(wèn)題。首先，對(duì)OFDM信號(hào)的幅度進(jìn)行畸變，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成自身干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率能發(fā)生惡化；其次，OFDM信號(hào)的非線性畸變會(huì)導(dǎo)致帶外輻射功率值的增加。所以，限幅的關(guān)鍵是選擇合適的窗函數(shù)。所選的窗函數(shù)應(yīng)具有良好的頻譜特性，一方面為了減小帶外干擾，頻譜應(yīng)盡可能的窄；另一方面，為了避免誤碼率的增加，窗函數(shù)在時(shí)域上不能太長(zhǎng)。一般選用的窗函數(shù)有：Cosine窗，Kaiser窗和Hamming窗[11]。另外，限幅與其它方法，如編碼等結(jié)合時(shí)，也具有較大的研究?jī)r(jià)值。其中，x為限幅前的信號(hào)幅度，y為限幅后的信號(hào)幅度。由圖可見(jiàn)，限幅后的信號(hào)幅度將限制在內(nèi)。 限幅原理示意圖 利用限幅和濾波技術(shù)降低PAPR的系統(tǒng)框圖除了限幅方法之外，還有一種信號(hào)預(yù)畸變方法就是對(duì)信號(hào)實(shí)施壓縮擴(kuò)展。信號(hào)壓縮能簡(jiǎn)單有效的降低OFDM信號(hào)的峰均功率比，可看作是一種特殊的預(yù)畸變方法，它根據(jù)信號(hào)的功率分別對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q。在傳統(tǒng)的擴(kuò)張方法中，需要把幅度比較小的符號(hào)進(jìn)行放大，而大幅度信號(hào)保持不變，這樣就會(huì)以增加整個(gè)系統(tǒng)的平均功率為代價(jià)，來(lái)降低峰值平均比。這樣作的弊端在于，一方面增加了系統(tǒng)的平均發(fā)射功率，另一方面會(huì)使符號(hào)的功率值更加接近功率放大器的非線形變化區(qū)，容易造成信號(hào)的失真。因此給出一種改進(jìn)的壓縮擴(kuò)展變換（panding transform）方法。在這種方法中，把大功率發(fā)射信號(hào)壓縮，而把小功率信號(hào)放大，從而可以使得小功率信號(hào)抗干擾的能力有所增強(qiáng)。功率壓縮擴(kuò)展算法可以用于這種方法中，在發(fā)射端對(duì)信號(hào)實(shí)施壓縮擴(kuò)展操作，而在接收端實(shí)施逆操作，就可以恢復(fù)原始信號(hào)[12]。預(yù)畸變方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)特定的放大器能收到較好的效果。但放大器特性會(huì)隨時(shí)間和環(huán)境溫度而改變，因此這種方法要求對(duì)放大器的傳輸函數(shù)進(jìn)行可靠的實(shí)時(shí)估計(jì)?，F(xiàn)階段，更多的研究立足于不考慮系統(tǒng)中放大器的特性而獨(dú)立地減小OFDM信號(hào)的PAPR，它們也可以與預(yù)畸變技術(shù)結(jié)合使用。 信號(hào)擾碼技術(shù)信號(hào)擾碼技術(shù)的基本思想是對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行多種擾碼處理，選擇PAPR最小的信號(hào)發(fā)送出去。信號(hào)擾碼技術(shù)并不保證將PAPR降低到某一值以下，而是減小高PAPR出現(xiàn)的概率。這一類方法主要包括：選擇映射法（Selective Mapping，SLM）和部分發(fā)送序列法（Partial Transmit Sequences，PTS）。選擇映射法是對(duì)所有的子載波進(jìn)行獨(dú)立地?cái)_碼處理，部分發(fā)送序列法僅對(duì)子載波組進(jìn)行擾碼處理。這兩種方法可以適用于任意數(shù)量的子載波數(shù)，而且星座調(diào)制的種類也不受限制。但是由于需要傳送附加信息位，所以頻帶利用率低，硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也較高[13]。 編碼技術(shù)編碼技術(shù)的基本思想是利用編碼方法來(lái)產(chǎn)生PAPR較小的OFDM符號(hào)。其核心是運(yùn)用一種特殊的前向糾錯(cuò)技術(shù)除掉高PAPR的OFDM信號(hào)。典型的碼組有分組碼、格雷（Golay）碼和雷德密勒（ReedMuller）碼等。分組碼僅適用于子載波數(shù)很少的信道，因此實(shí)用性不強(qiáng)。ReedMuller碼是一種高效的編碼方案，它通過(guò)將二階ReedMuller碼分成若干陪集，來(lái)把PAPR較大的碼字分開(kāi)，從而降低了PAPR。運(yùn)用ReedMuller碼可將PAPR降至以內(nèi)，并且具有良好的糾錯(cuò)檢錯(cuò)性能[14]。但該編碼方法對(duì)星座種類有限制，具有一定的局限性。編碼類