【文章內(nèi)容簡介】 簡單、易實現(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)脈沖錯誤和多徑衰落，可以通過信道編碼和交織技術(shù)來進一步改善整個系統(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，就無法再利用信道的分集特性來抵抗多徑衰落。但是，OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為各個子載波進行編碼提供了機會。通過將各個信道聯(lián)合編碼，可以使系統(tǒng)具有很強的抗衰落能力。這種將信道編碼和OFDM結(jié)合起來的技術(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，它在進行OFDM調(diào)制之前，在子載波中引入了前向糾錯碼（FEC），以進一步補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）以及空時編碼等。一種有效對抗衰落信道中突發(fā)錯誤的方法是在編碼后對數(shù)據(jù)進行交織。采用交織器和去交織器，可以使突發(fā)錯誤在時域擴展開來，將一個有記憶的突發(fā)差錯信道，變成了基本上無記憶的隨機獨立差錯信道，再利用糾隨機獨立差錯的糾錯碼來糾錯。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)出原始順序進行譯碼。 信道估計技術(shù)為了恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)流，接收端必須先進行信道估計，獲得子載波上的參考相位和幅值。信道估計的準(zhǔn)確性直接影響到整個OFDM系統(tǒng)的性能。常見的信道估計方法有兩類：基于導(dǎo)頻信息的信道估計和基于循環(huán)前綴的盲信道估計。其中基于導(dǎo)頻信息的信道估計方法又可分為:基于導(dǎo)頻信道和基于導(dǎo)頻符號的估計。OFDM系統(tǒng)具有時頻二維結(jié)構(gòu)，因此可以在時間軸和頻率軸同時插入導(dǎo)頻符號，使設(shè)計更加靈活。導(dǎo)頻符號估計法是在發(fā)送端信號的某些固定位置插入一些已知的符號和序列，在接收端利用這些導(dǎo)頻符號和導(dǎo)頻序列按照某些算法進行信道估計。在OFDM系統(tǒng)中，信道估計器的設(shè)計主要有兩個問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇。由于無線信道是衰落信道，需要不斷地對信道進行跟蹤。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器的設(shè)計。在確定導(dǎo)頻發(fā)送方式和估計準(zhǔn)則條件下，尋找最佳的信道估計器結(jié)構(gòu)。在實際設(shè)計中，估計器的性能和導(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器的設(shè)計兩者之間是相通的。 峰值平均功率比技術(shù)與單載波系統(tǒng)相比，OFDM信號在時域上表現(xiàn)為N個相互正交子載波信號的疊加。當(dāng)這N個信號恰好均以峰值點相加時，OFDM信號會產(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的最大值也會線性增大，這就對發(fā)射機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，發(fā)送端對高功率放大器（HPA）的線性度要求就很高且發(fā)送效率極低，同時接收端對前端放大器以及A/D變換器的線性度要求也會很高。因此，高峰均功率比會大大降低OFDM的系統(tǒng)性能，為OFDM技術(shù)的實用化設(shè)置了障礙[7]。國內(nèi)外對于降低OFDM信號的峰均功率比已有了深入研究。概括起來，目前降低PAPR的方法主要有三大類：信號畸變技術(shù)、信號擾碼技術(shù)和編碼技術(shù)。本論文主要是從信號擾碼技術(shù)著手，展開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)用過程要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。相對于單載波系統(tǒng)而言，OFDM發(fā)射機的輸出信號的瞬時值會有較大幅度的波動[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態(tài)范圍。而反過來，這些器件的非線性也會對動態(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的相互干擾，從而影響系統(tǒng)的性能，因此有必要對峰均功率比的問題深入研究。本章在對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信號是由N個統(tǒng)計獨立的正弦信號合成的，當(dāng)N值很大時，根據(jù)中心極限定理可知，OFDM信號的實部和虛部近視為高斯分布，振幅大小將趨于瑞利分布，也就是說其傳送的符號有較高的峰值功率比。而當(dāng)每個子載波被同相相加時，會產(chǎn)生一個比平均功率高N倍的峰值。高峰值對發(fā)送端的放大器來說，容易產(chǎn)生操作在非線性區(qū)。因此，高的PAPR對系統(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。反過來，如果在高峰值功率時出現(xiàn)了非線形，就會產(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]。國內(nèi)外對于降低OFDM信號的峰均功率比已有了一些研究。本章在對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符號是由多個獨立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號相加而成的，這樣的合成信號就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率（Peak Power），由此會帶來較大的峰值平均功率比（PeaktoAverage Power Ratio）。峰值平均功率比是指OFDM信號的峰值功率和其平均功率之比，即： ()式中表示經(jīng)過反傅立葉變換后所得到的輸出信號，即。對于包含N個子信道的OFDM系統(tǒng)來說，當(dāng)N個子信道都以相同的相位求和時，所得到的信號的峰值功率就是平均功率的N倍，因而基帶信號的峰均比可以為：，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)的峰均比通常不會達到這一數(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)制信號的峰值幅度和均方根幅度之比，在射頻載波高于OFDM信號帶寬的條件下，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的最大值也會增大。當(dāng)采用的是多相相位鍵（MPSK）時，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，峰值功率比的上限值會略大于。隨著子載波數(shù)數(shù)的增大，峰均功率比最大值出現(xiàn)的概率越來越小，甚至可以忽略不計。個子載波的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)一個包括個子載波的復(fù)基帶OFDM符號表示為： ()其中數(shù)據(jù)序列為獨立同分布的隨機變量，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，的實部和需部，即和近似服從均值為0。OFDM符號的幅度：服從瑞利分布，用概率密度函數(shù)（PDF）可表示為：，其中為某個OFDM符號的包絡(luò)。而信號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)在我們計算每個OFDM符號峰值功率的分布函數(shù)。對于子載波數(shù)為N的OFDM系統(tǒng)，假定OFDM符號周期內(nèi)每個采樣值之間都是不相關(guān)的，則PAPR小于某個門限的概率分布，也就是累積概率分布函數(shù)的表達式為： ()在給定PAPR門限值的條件下，隨著子載波個數(shù)N的增加，CDF也會相應(yīng)降低，也就是超過PAPR門限值的符號出現(xiàn)的概率會有所增加。或者，可以從另一個角度來衡量OFDM系統(tǒng)的PAPR的分布，即計算峰均功率比超過某個門限值的概率，得到互補累積分布函數(shù)（CCDF）為： ()在實際應(yīng)用中，一般都采用互補累積函數(shù)（CCDF）來衡量OFDM系統(tǒng)內(nèi)的PAPR內(nèi)分布。 OFDM信號的自相關(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信號的自相關(guān)函數(shù)。假設(shè)獨立同分布，并且，求OFDM信號在任意兩個時刻，的自相關(guān)函數(shù)： () 令，則只有當(dāng)，（第k個信號周期）時為，則相關(guān)值為零。將在一個周期內(nèi)求平均，則 ()所以O(shè)FDM信號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信號中的峰均功率比，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，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：第一類是信號預(yù)畸變技術(shù)，即在信號經(jīng)過放大之前，首先對功率大于門限值的信號進行非線性畸變，包括限幅（clipping），峰值加窗或者峰值消除等操作，這些信號畸變技術(shù)的好處在于直觀簡單，但信號畸變對系統(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，即避免使用那些會生成大峰值功率信號的編碼圖樣，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，編碼效率會非常低，從而導(dǎo)致這一矛盾更加突出；第三類就是信號擾碼技術(shù)，利用不同的加擾序列對OFDM符號進行加權(quán)處理，從而選擇PAPR較小的OFDM符號來傳輸[10]。 信號預(yù)畸變技術(shù)信號預(yù)畸變技術(shù)是最簡單和最直接的降低OFDM系統(tǒng)的PAPR的方法。在信號被送到放大器之前，首先經(jīng)過非線形處理，對有較大峰值功率的信號進行預(yù)畸變，使其不會超出放大器的動態(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)畸變和畸變補償，壓擴技術(shù)。最常用的信號預(yù)畸變技術(shù)包括限幅和壓縮擴張方法。限幅方法是用門限值直接對時域信號進行限幅，可以對實數(shù)信號限幅，也可以對復(fù)數(shù)信號限幅。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限，將OFDM信號的幅值截斷。下面我們給出對復(fù)數(shù)信號限幅的表達式，假設(shè)時域信號為，限幅以后的信號形式為： ()這里我們將要用到一個標(biāo)準(zhǔn)化的限幅門限參數(shù)CR， ，其中表示OFDM信號的均方根功率，A為限幅門限值。假設(shè)OFDM信號的子載波個數(shù)為N，那么基信號在經(jīng)過非線形部件之前進行限幅，就可以使得峰值信號低于所期望的帶信號的均方根功率，帶通信號的均方根功率。盡管限幅非常簡單，但是它也會為OFDM系統(tǒng)帶來相關(guān)的問題。首先，對OFDM信號的幅度進行畸變，會對系統(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信號的非線性畸變會導(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)在時域上不能太長。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，也具有較大的研究價值。其中，x為限幅前的信號幅度，y為限幅后的信號幅度。由圖可見，限幅后的信號幅度將限制在內(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，還有一種信號預(yù)畸變方法就是對信號實施壓縮擴展。信號壓縮能簡單有效的降低OFDM信號的峰均功率比，可看作是一種特殊的預(yù)畸變方法，它根據(jù)信號的功率分別對其進行適當(dāng)?shù)淖儞Q。在傳統(tǒng)的擴張方法中，需要把幅度比較小的符號進行放大，而大幅度信號保持不變，這樣就會以增加整個系統(tǒng)的平均功率為代價，來降低峰值平均比。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，另一方面會使符號的功率值更加接近功率放大器的非線形變化區(qū)，容易造成信號的失真。因此給出一種改進的壓縮擴展變換（panding transform）方法。在這種方法中，把大功率發(fā)射信號壓縮，而把小功率信號放大，從而可以使得小功率信號抗干擾的能力有所增強。功率壓縮擴展算法可以用于這種方法中，在發(fā)射端對信號實施壓縮擴展操作，而在接收端實施逆操作，就可以恢復(fù)原始信號[12]。預(yù)畸變方法簡單易行，對特定的放大器能收到較好的效果。但放大器特性會隨時間和環(huán)境溫度而改變，因此這種方法要求對放大器的傳輸函數(shù)進行可靠的實時估計。現(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立地減小OFDM信號的PAPR，它們也可以與預(yù)畸變技術(shù)結(jié)合使用。 信號擾碼技術(shù)信號擾碼技術(shù)的基本思想是對輸入的信號進行多種擾碼處理，選擇PAPR最小的信號發(fā)送出去。信號擾碼技術(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）。選擇映射法是對所有的子載波進行獨立地擾碼處理，部分發(fā)送序列法僅對子載波組進行擾碼處理。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產(chǎn)生PAPR較小的OFDM符號。其核心是運用一種特殊的前向糾錯技術(shù)除掉高PAPR的OFDM信號。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，因此實用性不強。ReedMuller碼是一種高效的編碼方案，它通過將二階ReedMuller碼分成若干陪集，來把PAPR較大的碼字分開，從而降低了PAPR。運用ReedMuller碼可將PAPR降至以內(nèi)，并且具有良好的糾錯檢錯性能[14]。但該編碼方法對星座種類有限制，具有一定的局限性。編碼類