【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 tial Transmit Sequence， PTS)和信號(hào)空間擴(kuò)展技術(shù)等等，這些方法在一 定程度上都能降低 OFDM 系統(tǒng)中高的峰均比，但是都存在著一些缺陷。 限幅法就是信號(hào)在經(jīng)過(guò)非線性部件之前進(jìn)行限幅，硬件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但是接收端信號(hào)會(huì)有失真，誤碼率也比較高。壓縮擴(kuò)展技術(shù)需要把幅度比較小的符號(hào)進(jìn)行放大，而使大幅度的符號(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)達(dá)到降低峰均比的目的，但是符號(hào)的功率因此會(huì)更加接近高功率放大器的非線性變化區(qū)域，從而造成了信號(hào)的失真。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 較小的碼組作為 OFDM 符號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，從而避免了信號(hào)峰值，此類技術(shù)為線性過(guò)程，不會(huì)使信號(hào)產(chǎn)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，因此，只適用于子載波數(shù)比較少的情況。概率類技術(shù)不是著眼于降低信號(hào)幅度的最大值，而是降低峰值出現(xiàn)的概率，一般而言，該類技術(shù)會(huì)帶來(lái)信息冗余，缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜度太大，要進(jìn)行多次 IFFT 運(yùn)算，并且需要安全地傳送邊帶信息。 【 2】 概率類方法雖然不能完全杜絕高 PAPR 的信號(hào)的產(chǎn)生，但是它可以從概率上減小對(duì) OFDM 的高 PAPR產(chǎn)生的可能性，所以其對(duì)大多數(shù) OFDM 系統(tǒng)的 PAPR的抑 制能力還是很好的。 綜上所述，我決定將《于 SLM 算法的 PAPR 抑制方法的研究與實(shí)現(xiàn)》作為我的畢設(shè)題目。 課題研究方法 OFDM 系統(tǒng)和 PAPR 的抑制技術(shù)，對(duì) SLM 算法進(jìn)行Matlab 仿真，并將其在 FPGA 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。 ，我對(duì)畢設(shè)各相關(guān)技術(shù)有了一定了解，成功編寫(xiě)出 Matlab 代碼，對(duì) SLM 算法進(jìn)行了仿真。 件實(shí)現(xiàn)方面，我將發(fā)射端系統(tǒng)分成調(diào)制映射、子載波映射、 IFFT、峰均比抑制四個(gè)模塊，通過(guò) Quarters∥進(jìn)行模塊仿真，并下載到 FPGA 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，但是在代碼編寫(xiě)過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)每一個(gè)模塊都很復(fù)雜，不是我短期內(nèi)可以掌握的。 ，我對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了可行性研究。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 11 頁(yè) 論文的構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容 本文的篇章結(jié)構(gòu) 第 1 章簡(jiǎn)要介紹了 OFDM 技術(shù)及本課題的研究背景及意義。 第 2 章詳細(xì)介紹了 OFDM 的基本原理，包括 OFDM 的數(shù)學(xué)表示、 OFDM 多載波調(diào)制 OFDM 的循環(huán)前綴以及 OFDM 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖等。 第 3 章從理論上介紹了 OFDM 的峰均比問(wèn)題，定義了 OFDM 的峰均比，并分析了 OFDM 高 PAPR 產(chǎn)生的原因及不良影響 。 第 4 章簡(jiǎn)要介紹解決峰均比的幾類 方法 ， 討論了目前幾類方法 的可行性 ，從理論上研究了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)相關(guān)的方法給出了仿真驗(yàn)證。 第 5 章圍繞基于 SLM 方法展開(kāi)分析，分析 SLM 方法的理論和優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)相關(guān)理論給出了仿真驗(yàn)證。 第 6 章介紹了 OFDM 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)以及發(fā)射端各個(gè)模塊的功能，給出發(fā)射端模塊工作情況，討論其 FPGA 實(shí)現(xiàn)的可行性。 論文的研究?jī)?nèi)容 ① 研究 OFDM 系統(tǒng)中峰均功率比（ PAPR）的產(chǎn)生原因與影響； ② 了解典型的降低 PAPR 的技術(shù)：信號(hào)預(yù)畸變類、編碼類和概率類技術(shù)，掌握概率類技術(shù)中的 SLM 算法； ③ 建立 SLM 算法降低 PAPR 的模型，并用 Matlab 進(jìn)行軟件仿真； ④ 研究 DVBT2 系統(tǒng)中抑制 PAPR 硬件實(shí)現(xiàn)的可行性 。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 12 頁(yè) 第 2 章 OFDM 基本原理 移動(dòng)通信的關(guān)鍵是解決信號(hào)在復(fù)雜的無(wú)線信道下的傳輸題。信道的時(shí)變特性引起信道頻率的展寬，導(dǎo)致多普勒效應(yīng)。信道的多徑傳播會(huì)引起信號(hào)在時(shí)間上展寬并導(dǎo)致頻率選擇性衰落。我們一般用相干時(shí)間或者多普勒帶寬來(lái)描述信道的時(shí)變特性，采用多徑時(shí)延擴(kuò)展或相干帶寬來(lái)描述信道的多徑特性。在小于相干時(shí)間的時(shí)間范圍內(nèi)，可以將信道看成是線時(shí)不變系統(tǒng) 。而如果信號(hào)帶寬小于相干帶寬，則可以認(rèn)為該信道是平衰落信道，即所有的頻率分量所經(jīng)歷的衰落情況是一樣的。而對(duì)于高速數(shù)據(jù)傳輸，難以滿足信號(hào)帶寬小于相干帶寬，從而引起頻率選擇性衰落，造成碼間干擾 (ICI)。正交頻分復(fù)用 (OFDM)把高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成多個(gè)低速子載波上的并行數(shù)據(jù)傳輸，并使用循環(huán)前綴，經(jīng)過(guò)多徑信道時(shí)延傳輸后接收端經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的的一階頻域均衡即可實(shí)現(xiàn)無(wú) ISI 接收。因此， OFDM 在克服碼間干擾的有效性因而得到很多的關(guān)注。本章介紹正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的基本原理。 OFDM 的基本思想就是把高速的數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分配到 傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)子信道的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，因此可以減輕由無(wú)線信道的多徑時(shí)延所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)的影響，并且還可以在 OFDM 符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，令保護(hù)間隔大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣就可以最大限度的消除由于多徑而帶來(lái)的符號(hào)間干擾（ ISI）。一般都采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，從而可以避免由多徑帶來(lái)的信道間干擾（ ICI）。 系統(tǒng)的基本模型 我們知道，最簡(jiǎn)單的頻分復(fù)用方式是將并行傳輸數(shù)據(jù)分別調(diào)制到有一定頻率間隔的載波上，這些載波的間隔應(yīng)該能夠保證沒(méi)有頻譜混疊 出現(xiàn)。從頻譜資源利用的角度上看，這種實(shí)現(xiàn)方式無(wú)疑是很不經(jīng)濟(jì)的。為了提高信道利用率，可將各子信道的頻譜部分重疊，接收端用相關(guān)濾波器在碼元期間接收相應(yīng)的子信道信號(hào)，只要其它子信道信號(hào)與這個(gè)本地相關(guān)信號(hào)在碼元期間正交即可排除其它子信道的影響。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 13 頁(yè) 典型正交信號(hào)，如： {1,cosΩ t ,cos2Ω t ,cos mΩ t …sin Ω t ,sin2Ω t ,sinnΩ t}，它們?cè)?[0,T]， T=2π /Ω內(nèi)組成正交函數(shù)集。 OFDM 所發(fā)送的信號(hào)就是由這樣一組正交信號(hào)作為子載波碼元周期為 T 的不歸零方波作為基帶碼型調(diào)制而成的。接收機(jī)解調(diào)器也可以由這樣一組正交信號(hào)在 [0,T]內(nèi)分別與發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算而實(shí)現(xiàn)解調(diào)。 【 3】【 7】 如圖 所示：在調(diào)制端，要發(fā)送的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編碼器（如16QAM）形成了 M 個(gè)復(fù)數(shù)序列： D (m )=A( m )jB (m)。此復(fù)數(shù)序列經(jīng)串 /并變換器變換后得到碼元周期為 T 的 M 路并行碼（一幀），碼型選用不歸零方波。用這M 路并行碼調(diào)制 M 個(gè)子載波來(lái)實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用。所得到的波形可由式（ ）表示： 10( ) [ ( ) c o s 2 ( ) s in 2 ]Mmmmd t A m f t B m f t??????? （ ） 式中： 0 。 1 / ,mf f m f f T? ? ? ? ?，Δ f 為各頻率子載波間的頻率間隔； 0f 為1/T 的整數(shù)倍。設(shè)倍數(shù)為 c，則 ( ) /mf c m T?? ，各載波相互正交；在解調(diào)端對(duì) d (t)用頻率為 f(m)的正弦或余弦信號(hào)在 [0,T]內(nèi)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算即可得到 A( m)， B (m)，然后經(jīng)過(guò)并 /串變換和數(shù)據(jù)解碼后復(fù)原與發(fā)送端相同的數(shù)據(jù)序列。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 14 頁(yè) 圖 給出了一個(gè) OFDM 符號(hào)內(nèi)包括 4 個(gè)子載波的實(shí)例，其中所有的子載波都具有相同的幅值和相位，但在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)數(shù)據(jù)符號(hào)的調(diào)制方式，每個(gè)子載波的幅值相位都可能是不同的。從圖 看出每個(gè)子載波之間相差一個(gè)周期，這一特性可以用來(lái)解釋子載波之間的正交性 。【 4】 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 15 頁(yè) 這種正交性還可以從頻域角度來(lái)理解，根據(jù)式（ ）每個(gè) OFDM 符號(hào)在其周期 T 內(nèi)包括多個(gè)非零的子載波。因此其頻譜可以看作是周期為 T 的矩形脈沖的頻譜與一組位于各個(gè)子載波頻率上的函數(shù)的δ卷積。矩形脈沖的頻譜幅值為sinc (fT)函數(shù)，這種函數(shù)的零點(diǎn)出現(xiàn)在頻率為 1/T 整數(shù)倍的位置上。在每一子載波頻率的最大值處所有其他子信道的頻譜值恰好為零。由于在對(duì) OFDM 符號(hào)進(jìn)行解調(diào)過(guò)程中需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的每一子載波頻率的最大值，因此可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號(hào)頻譜中提取出每個(gè)子信道符號(hào)，而不受到其他子信道的干擾。 OFDM 符號(hào)的頻譜實(shí)際上是可以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，即多個(gè)子信道頻譜之間不存在相互干擾，但這是在頻域中出現(xiàn)的。因此這種一個(gè)子信道頻譜的最大值對(duì)應(yīng)于其他子信道頻譜的零點(diǎn)可以避免子信道間擾（ ICI）的出現(xiàn)。 OFDM 系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn) OFDM 是對(duì)高速率的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行頻分復(fù)用 ，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)并行傳輸?shù)囊环N多載波傳輸方式。其基本原理與傳統(tǒng)的頻分復(fù)用技術(shù)類似。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用(FrequencyDivision Multiplexing， FDM)是將帶寬分成幾個(gè)子信道，子信道之間需要保持足夠的頻率間隔來(lái)作為保護(hù)頻帶，其各個(gè)載波的頻譜是互不重疊的，因 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 16 頁(yè) 此，傳統(tǒng)頻分復(fù)用的頻譜利用率較低，且在發(fā)送端和接收端都需要大量的發(fā)送濾波器和接受濾波器組，系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本也相對(duì)較高。而 OFDM 技術(shù)則在頻域內(nèi)將所給信道分成許多子信道，各個(gè)子信道之間保持正交。當(dāng)子信道的符號(hào)由矩形時(shí)間脈沖組成時(shí)，每個(gè)調(diào)制載 波的頻譜為 Sa(x)函數(shù)形狀。 信號(hào)是由若干個(gè)等間隔并行傳輸?shù)淖虞d波構(gòu)成的，其各個(gè)子載波的頻譜相互重疊但又相互正交。因此，在接收端容易通過(guò)相關(guān)解調(diào)技術(shù)分離各子載波，避免了使用濾波器組，同時(shí)又提高了頻譜利用率。 圖 OFDM 信號(hào)頻譜 OFDM signal spectrum OFDM 技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①把高速率數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換，變成低速數(shù)據(jù)流，有效地減少由無(wú)線信道的多徑效應(yīng)所帶來(lái)的 ISI，這樣就減小了接收 機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，或者僅通過(guò)采用插入循環(huán)前綴的方法就可以消除 ISI 的不利影響。 ②可以有效地對(duì)付多徑效應(yīng)產(chǎn)生的那些不利影響，對(duì)于給定的時(shí)延擴(kuò)展，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度遠(yuǎn)小于具有均衡器的單載波系統(tǒng)。 ③在無(wú)線信道變化相對(duì)比較慢的情況下，可以根據(jù)特定載波的信噪比動(dòng)態(tài)地分配每個(gè)子載波的數(shù)據(jù)速率，從而顯著地提高系統(tǒng)容量，可以采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 17 頁(yè) ④ OFDM 系統(tǒng)中可以利用離散傅立葉反變換和離散傅立葉變換來(lái)代替多載波調(diào)制和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子信道的正交調(diào)制和解調(diào)。對(duì)于子載波數(shù)目較大的系統(tǒng)，還可以采用快速傅立葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展， IFFT 是非常容易實(shí)現(xiàn)的。 ⑤無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般存在非對(duì)稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要大于上行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，這就要求物理層支持非對(duì)稱高速數(shù)據(jù)傳輸。 OFDM 系統(tǒng)可以通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。 ⑥ OFDM 系統(tǒng)較容易與其他多種接入方法結(jié)合使用，構(gòu)成系統(tǒng)，其中包括多載 波碼分多址 MCCDMA、跳頻 OFDM 以及 OFDMTDMA 等，使得多個(gè)用戶可以同時(shí)利用技術(shù)進(jìn)行信息傳輸。 【 5】 OFDM 系統(tǒng)由于有多個(gè)正交子載波，而且其輸出信號(hào)是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在如下主要缺點(diǎn)： ①易受頻率偏差與相位噪聲的影響。由于子信道的頻譜相互交迭，這就對(duì)它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求。然而由于無(wú)線信道存在時(shí)變性，在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的頻率偏移，例如多普勒頻移，或者由于發(fā)射機(jī)載波頻率與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)使得 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破 壞，從而導(dǎo)致 ICI。通常對(duì)這種頻偏敏感問(wèn)題可以由載波同步和符號(hào)同步來(lái)克服。 ②存在較高的峰值平均功率比。 OFDM 系統(tǒng)的發(fā)送信號(hào)是多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)的迭加信號(hào)，當(dāng)多個(gè)信號(hào)同相相加時(shí)，迭加信號(hào)的瞬時(shí)功率很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致高峰值平均功率比 (PAPR)，這種 PAPR 與系統(tǒng)的發(fā)送子載波數(shù)成正比，高的 PAPR 對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)線性放大器提出了很高的要求，增加了設(shè)備的成本代價(jià)。如果放大器的線性動(dòng)態(tài)范圍不能滿足信號(hào)的變化，則會(huì)產(chǎn)生信號(hào)畸變，信號(hào)頻譜泄露，各子載波之間的正交性也會(huì)遭到破壞，產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)性能下降 。 本論文的研究工作主要是針對(duì)這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)的。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 18 頁(yè) 第 3 章 峰值功率比的定義與分布 OFDM 系統(tǒng)采用多載波傳輸方式，在時(shí)域上 OFDM 信號(hào)為 N 個(gè)正交子載波信號(hào)的疊加。當(dāng) N 個(gè)子載波相位一致，以同相求和時(shí)，此時(shí) OFDM 信號(hào)的峰值功率為信號(hào)平均功率的 N 倍。雖然在實(shí)際中，所有子載波同相位的情況出現(xiàn)的