【正文】 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 36 頁(yè) （ 2）信道編碼和交織模塊：信道編碼使用 Turbo 碼。 20xx 年 8 月中國(guó)也發(fā)布了數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) —— DTMB 標(biāo)準(zhǔn)，并于 20xx 年 8 月正式實(shí)施。歐洲地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn) (Digital Video 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 35 頁(yè) BroadcastingTerrestrial， DVBT 是最早獲得國(guó)際認(rèn)可的數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)，也是各國(guó)地面數(shù)字電視接收測(cè)試中評(píng)價(jià)最高的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)也是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。在上文中，我們對(duì)一些典型的峰均比抑制算法進(jìn)行了分析研究與仿真?？梢耘c D=1 也就是沒(méi)有采用 SLM 的原始 OFDM 信號(hào)相比較。其中 P(4)∈ (177。 SLM 的原理框圖如圖 所示。接收端為了恢復(fù)原信息，必須知道是哪個(gè)序列被發(fā)送。 SLM 法首先產(chǎn)生包含相同信息的 D 個(gè) OFDM 幀，然后選擇其中 PAPR 最小的一幀發(fā)送，最小峰均比大于給定門(mén)限的概率就由式（ ）給出。由于 SLM 方法是線性變換，因而信號(hào)沒(méi)有產(chǎn)生畸變，因此 SLM 方法能產(chǎn)生比較好的 OFDM 的 PAPR 減小效果。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 29 頁(yè) 圖 PTS 算法的互補(bǔ)累積分布函數(shù) CCDF of PTS algorithm 由圖 可知采用 PTS 算法與未采用任何算法的 OFDM 系統(tǒng)相比，提高了 性能，信號(hào)峰值出現(xiàn)的概率明顯降低，但是算法的引入使整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度極大得提高，特別是想進(jìn)一步增強(qiáng) PAPR 抑制能力時(shí)，一般可行的辦法就是增大原始數(shù)據(jù)分段數(shù) N，那么計(jì)算量會(huì)成指數(shù)倍增長(zhǎng)，同時(shí)收端也需要邊帶信息。 PTS 方法 PTS 方法的原理是首先將進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)向量 X 劃分成 V 組互不重 疊的子向 量Xv，則每個(gè)子向量的長(zhǎng)度編程 N/V,由于它們互不重疊， 因此有 : 1VvVXX??? （ ） PTS 算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下圖 所示 ： 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 28 頁(yè) 圖 PTS 算法原理框圖 PTS algorithm block diagram 在保證 N 個(gè)子向量組合后幅度因數(shù)最小為目標(biāo)的前提下，每個(gè)子向量分別乘以不同的相位旋轉(zhuǎn)因子 Ri，則： 接著對(duì) X39。 概率類(lèi)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(lèi)技術(shù)會(huì)帶來(lái)信息冗余，但是計(jì)算復(fù)雜度有點(diǎn)大，要進(jìn)行多次 IFFT運(yùn)算，并且需要安全地傳送邊帶信息。 不僅如此，對(duì)于子載波數(shù)目較大的情況，搜索峰均比低的碼字組也是一件困難的事情。對(duì)于所有可能的 16 種 4 比特碼字 (即從 0000 到 1111)來(lái)說(shuō)，有 8 組碼字的峰均比值是很低的，只有 。此種方法是通過(guò)信息的冗余來(lái)達(dá)到降低 PAPR 的目的。 雖然限幅方法有以上優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)給 OFDM 系統(tǒng)帶來(lái)相關(guān)的問(wèn)題 : (l) 對(duì) OFDM 符號(hào)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)的誤比特率 (BER)性能降低，且限幅門(mén)限值越低，系統(tǒng) BER 性 能越差 。隨機(jī)產(chǎn)生 10000 個(gè)消息序列，采用 16QAM 調(diào)制方法， 128 個(gè)子載波，限幅比 CR 為 4，加性高斯白噪聲信道，所得到的仿真結(jié)果圖如下 : 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 25 頁(yè) 圖 限幅法降低 PAPR 仿真圖 可以明顯看到，相比較未經(jīng)過(guò)處理的原始 OFDM 信號(hào)，經(jīng)過(guò)限幅處理后，在 CCDF 為 410? 的地方， PAPR 相比減小了約 5dB 之多。對(duì)于時(shí)域OFDM 信號(hào)中包絡(luò)未超過(guò)門(mén)限值的部分則直接輸出，不 做任何處理。根據(jù)時(shí)域相乘等效于頻域卷積的原理，經(jīng) 過(guò)限幅的 OFDM 符號(hào)的頻譜等于原始 OFDM 符號(hào)頻譜與窗函數(shù)頻譜的卷積，因此其帶外頻譜特性主要由兩者之間頻譜寬度較大的信號(hào)來(lái)決定，也就是矩形窗函數(shù)的頻譜來(lái)決定 。盡管限幅比較簡(jiǎn)單，但也會(huì)為 OFDM 系統(tǒng)帶來(lái)相關(guān)的問(wèn)題。這些信號(hào)畸變技術(shù)的好處在于簡(jiǎn)單直觀，但信號(hào)畸變對(duì)系統(tǒng)性能造成的損害是不可避免的第二類(lèi)是編碼技術(shù)，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。 圖 不同采樣點(diǎn)下的 PAPR 曲線 Different sampling points curves of the PAPR 采樣點(diǎn)分別為 128（ K=1）、 256（ K=2）、 512（ K=4）、 1024（ K=8）、 2048（ K=16）由圖可以看出，過(guò)采樣倍數(shù)越大，越能精確地反映 OFDM 信號(hào)變化的細(xì)節(jié)。實(shí)際情況中，需要對(duì) OFDM 符號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣（ oversample）：即在原有的 N 個(gè)采樣點(diǎn)之間再添加一些采樣點(diǎn)，構(gòu)成 kN 個(gè)采樣點(diǎn)值（ k 為過(guò)采樣因子，為整數(shù)）。從左到右曲線分別為 N=8， 64， 256， 1024 時(shí)的 CCDF 曲線。因此 PAPR 的概率分布可以表示為： { } (1 )zNp P A P R z e ??? ? ? () 另外， CCDF=1CDF， 后面的討論，都采用 CCDF 來(lái)衡量 OFDM 系統(tǒng)的PAPR 分布 。因此可以得知， OFDM 符號(hào)其幅值服從瑞利分布，其概率密度函數(shù)為而其功率分布則服從兩個(gè)自由度的中心χ 2 分布，其中均值為零，方差為 1，而且容易知道自由度為二的中心χ 2 分布的概率密度函數(shù)為 () ypowerp y e?? 因此可以計(jì)算得到其累積分布函數(shù) (Cumulative Distribution Function, CDF)為： (3. 3) 所以可以計(jì)算每個(gè) OFDM 符號(hào)峰值功率的累積分布函數(shù)：首先我們假設(shè)OFDM 符號(hào)周期內(nèi)，每個(gè)采樣值之間都不相關(guān)的 (在沒(méi)有過(guò)采樣時(shí)，是較容易實(shí) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 20 頁(yè) 現(xiàn)的 )，那么 OFDM 符號(hào)周期內(nèi)， N 個(gè)采樣值當(dāng)中的每個(gè)樣值的 PAPR 都小于門(mén)限 z 的概率分布應(yīng)該為： () 實(shí)際運(yùn)用中，過(guò)采樣能有助于收集到較大的峰值功率，因而可以更加準(zhǔn)確地衡量 OFDM 系統(tǒng)內(nèi)的 PAPR 特性。例如 N=512 時(shí)，這種極限的 OFDM 系統(tǒng)的 PAPR=27db。對(duì)多載波傳輸系統(tǒng)而言，峰均比主要決定于子載波的個(gè)數(shù)，隨著子載波個(gè)數(shù) 的增加而增大，而對(duì)所采用的調(diào)制方式并不敏感。 3..1 峰值功率比問(wèn)題的由來(lái) 由于 OFDM 信號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立調(diào)制的正交子載波信號(hào)疊加而成的，如果這些子載波相位一致性過(guò)高時(shí)，就會(huì)造成很大 的峰值出現(xiàn)，這正是 OFDM 系統(tǒng)具有高 PAPR 的主要原因。例如：要求功率放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等具有極大的動(dòng)態(tài)線性范圍。 本論文的研究工作主要是針對(duì)這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)的。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。 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。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)。 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。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。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)。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。 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。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。 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。 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)。本章介紹正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的基本原理。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。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)。 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。 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。 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)。編碼類(lèi)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(lèi)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。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 OFDM 技術(shù)雖然具有高的頻譜利用率，抗干擾性能比較好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于 OFDM 信號(hào)是通過(guò)多載波調(diào)制后的合成信號(hào)，所以 OFDM 信號(hào)的峰均比有可能出現(xiàn)很高的情況，其峰均比的極限值等于載波數(shù)，在 OFDM 系統(tǒng)中，信號(hào)的峰均比起伏較大，為了避免信號(hào)產(chǎn)生非線性失真，提高了對(duì)射頻線性功放的要求，因此應(yīng)該盡可能降低 OFDM 系統(tǒng)中高的峰均比。 在現(xiàn)有的正在商用化的通信系統(tǒng)中， OFDM 技術(shù)扮演了重要的角色，也已經(jīng)越來(lái)越得到人們的關(guān)注。 【 1】 在無(wú)線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中，隨著 協(xié)議、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ETSI)的寬帶射頻接入網(wǎng)(BRAN， Broadband Radio Access Network)和多媒體技術(shù)應(yīng)用的引入， OFDM 技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。在歐洲，采用 MEPG2 算法，基于 OFDM 的數(shù)字視頻廣播 (DVB)標(biāo)準(zhǔn)，于 1997 年批準(zhǔn)通過(guò)。 OFDM 技術(shù)受到廣泛的關(guān)注的原因之一是其具有良好的抗多徑能力。 1971 年， Weinstein 和 Ebert 提出了一個(gè)完整的 OFDM 系統(tǒng)，特點(diǎn)是利用離散傅立葉反變換 (IDFT， Inverse Discrete Fourier Transform)和離散傅立葉變換 (DFT， Discrete Fourier Transform)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，無(wú)需再使用梳狀濾波器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得 OFDM 技術(shù)更趨 實(shí)用化。同時(shí)， OFDM 技術(shù)采用了適當(dāng)?shù)幕鶐?shù)字信號(hào)處 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁(yè) 理技術(shù)，能夠保證各個(gè)子載波之間的嚴(yán)格正交性，因此，各個(gè)子載波所占用的頻帶可以疊加而不產(chǎn)生干擾，這就大大減少了整個(gè)系統(tǒng)的頻帶占用，提高了頻率的使用效率。下面，文章主要介紹一下 OFDM 的基本原理及其的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，本文的重點(diǎn)是介紹 OFDM 的關(guān)鍵技術(shù)之一， PAPR（峰均功率比） 的產(chǎn)生原因、影響及解決該得幾種算法。 當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)信息工 具 高 速發(fā)展的社會(huì)。第三， 3G 支持的速率還不夠高，如單載波只支持最大 2Mbps 的業(yè)務(wù)，等等。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) (3G)，也稱(chēng) IMT20xx，是正在全力開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，其最基本的特征是智能信號(hào)處理技術(shù)，智能信號(hào)處理單元將成為基本功能模塊，支持話音和多體數(shù)據(jù)通信，它可以提供前兩代產(chǎn)品不能提供的各種寬帶信息業(yè)務(wù) ，例如高速數(shù)據(jù)、慢速圖像與電視圖像等。在 GSM Phase 2+階段中，采用更密集的頻率復(fù)用、多復(fù)用、多重復(fù)用結(jié)構(gòu)技術(shù)，引入智能天線技術(shù)、雙頻段等技術(shù)，有效地克服了隨著業(yè)務(wù)量劇增所引發(fā)的 GSM 系統(tǒng)容量不足