【正文】 8 參考文獻 ................................................................... 39 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 6 頁 第 1 章 緒論 課題的背景及目的 在過去的 20 年中，世界電信發(fā)生了巨大的變化，移動通信特別是蜂窩小區(qū)的迅速發(fā)展，使用戶徹底擺脫終端設備的束縛、實現(xiàn)完整的個人移動性、可靠的傳輸手段和接續(xù)方式。 第一代移動通信系統(tǒng) (1G)是在 20 世紀 80 年代初提出的，它完成于 20 世紀90 年代初，如 NMT 和 AMPS， NMT 于 1981 年投入運營。 IG 主要基于蜂窩結構組網(wǎng)，直接使用模擬語音調(diào)制技術，傳輸速率約 。 第二代移動通信系統(tǒng) (2G)起源于 90 年代初期。在 GSM Phase 2+階段中，采用更密集的頻率復用、多復用、多重復用結構技術，引入智能天線技術、雙頻段等技術，有效地克服了隨著業(yè)務量劇增所引發(fā)的 GSM 系統(tǒng)容量不足的缺陷 。GPRS/EDGE 技術的引入，使 GSM 與計算機通信 /Inter有機相結合，數(shù)據(jù)傳送速率可達 115/384kbit/s，從而使 GSM 功能得到不斷增強，初步具備了支持多媒體業(yè)務的能力。第三代移動通信系統(tǒng) (3G)，也稱 IMT20xx，是正在全力開發(fā)的系統(tǒng)，其最基本的特征是智能信號處理技術，智能信號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 ，例如高速數(shù)據(jù)、慢速圖像與電視圖像等。 但是，第三代移動通信系統(tǒng)的通信標準共有 WCDMA， CDM A20xx 和TDSCDMA 三大分支，共同組成一個 IMT20xx 家庭，成員間存在相互兼容的問題，因此已有的移動通信系統(tǒng)不是真正意義上的個人通信和全球通信 。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，等等。在這種高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟊尘跋?，人們開始轉(zhuǎn)向正交頻分復用技術 (OFDM， Orthogonal Frequency Divided Multiplex)。 當今社會是一個信息工 具 高 速發(fā)展的社會。第四代無線移動 的主要技術是利用OFDM 原理和 MIMO 信道進行傳輸。下面，文章主要介紹一下 OFDM 的基本原理及其的優(yōu)點與缺點，本文的重點是介紹 OFDM 的關鍵技術之一， PAPR（峰均功率比） 的產(chǎn)生原因、影響及解決該得幾種算法。以 l00Mbps 的傳輸速率為例，如果我們采用含有 256 個子載波的 OFDM 系統(tǒng)，就能使用 256 路信道對數(shù)據(jù)進行并行傳輸。同時， OFDM 技術采用了適當?shù)幕鶐?shù)字信號處 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 8 頁 理技術，能夠保證各個子載波之間的嚴格正交性，因此，各個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系統(tǒng)的頻帶占用，提高了頻率的使用效率。 OFDM 的發(fā)展 正交頻分復用技術已有近 50 年的發(fā)展歷史，早在 20 世紀 50 年代就提出了正交頻分復用的概念。 1971 年， Weinstein 和 Ebert 提出了一個完整的 OFDM 系統(tǒng)，特點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)實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，無需再使用梳狀濾波器，簡化了系統(tǒng)結構，使得 OFDM 技術更趨 實用化。 20 世紀 80 年代，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術和移動通信技術的發(fā)展，人們對多載波調(diào)制在高速 MODEM、數(shù)字移動通信等領域中的應用進行了較為深入的研究。 OFDM 技術受到廣泛的關注的原因之一是其具有良好的抗多徑能力。數(shù)字音頻廣播 (DAB)是第一個采用 OFDM 技術的標準，使用單頻網(wǎng)絡，與模擬 AM 和 FM音頻廣播相比，具有語音質(zhì)量高、數(shù)據(jù)業(yè)務新以及頻譜效率高等突出的優(yōu)點。在歐洲，采用 MEPG2 算法，基于 OFDM 的數(shù)字視頻廣播 (DVB)標準，于 1997 年批準通過。在全數(shù)字高清晰度電視 (HDTV， Highdefinition Television)傳輸系統(tǒng)中，采用編碼 OFDM(COFDM， Coded OFDM)技術，具有很 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 9 頁 高的頻譜利用率，且能夠進一步提高抗干擾能力。 【 1】 在無線數(shù)據(jù)通信領域中，隨著 協(xié)議、歐洲電信標準協(xié)會 (ETSI)的寬帶射頻接入網(wǎng)(BRAN， Broadband Radio Access Network)和多媒體技術應用的引入， OFDM 技術得到了廣泛的應用。預計下一代移動通信系統(tǒng) (Beyond3G 或 4G)的主流技術也將是 OFDM 技術。 在現(xiàn)有的正在商用化的通信系統(tǒng)中， OFDM 技術扮演了重要的角色，也已經(jīng)越來越得到人們的關注。 當然，任何事物都存在兩面性， OFDM 技術也存在著許多不足之處， OFDM系統(tǒng)內(nèi)由于存在多個正交子載波，而且其輸出信號是多個子信道的疊加，與單載波系統(tǒng)相比，存在如下主要缺點 : （ 1） 對相位噪聲、定時和頻率漂移特別敏感； （ 2） 存在高的峰值平均功率比 (PeaktoAverage Power Ratio，PAPR)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 OFDM 技術雖然具有高的頻譜利用率，抗干擾性能比較好等優(yōu)點，但是由于 OFDM 信號是通過多載波調(diào)制后的合成信號，所以 OFDM 信號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，信號的峰均比起伏較大，為了避免信號產(chǎn)生非線性失真，提高了對射頻線性功放的要求，因此應該盡可能降低 OFDM 系統(tǒng)中高的峰均比。 限幅法就是信號在經(jīng)過非線性部件之前進行限幅，硬件實現(xiàn)比較簡單，但是接收端信號會有失真，誤碼率也比較高。編碼類技術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 符號進行數(shù)據(jù)信息的傳輸，從而避免了信號峰值，此類技術為線性過程，不會使信號產(chǎn)生畸變，但其計算復雜度非常高，編解碼都比較復雜，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。 【 2】 概率類方法雖然不能完全杜絕高 PAPR 的信號的產(chǎn)生，但是它可以從概率上減小對 OFDM 的高 PAPR產(chǎn)生的可能性，所以其對大多數(shù) OFDM 系統(tǒng)的 PAPR的抑 制能力還是很好的。 課題研究方法 OFDM 系統(tǒng)和 PAPR 的抑制技術，對 SLM 算法進行Matlab 仿真，并將其在 FPGA 平臺上實現(xiàn)。 件實現(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、峰均比抑制四個模塊，通過 Quarters∥進行模塊仿真，并下載到 FPGA 平臺實現(xiàn)，但是在代碼編寫過程中，我發(fā)現(xiàn)每一個模塊都很復雜，不是我短期內(nèi)可以掌握的。 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 11 頁 論文的構成及研究內(nèi)容 本文的篇章結構 第 1 章簡要介紹了 OFDM 技術及本課題的研究背景及意義。 第 3 章從理論上介紹了 OFDM 的峰均比問題，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 5 章圍繞基于 SLM 方法展開分析，分析 SLM 方法的理論和優(yōu)缺點，并針對相關理論給出了仿真驗證。 論文的研究內(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：信號預畸變類、編碼類和概率類技術，掌握概率類技術中的 SLM 算法； ③ 建立 SLM 算法降低 PAPR 的模型，并用 Matlab 進行軟件仿真； ④ 研究 DVBT2 系統(tǒng)中抑制 PAPR 硬件實現(xiàn)的可行性 。信道的時變特性引起信道頻率的展寬，導致多普勒效應。我們一般用相干時間或者多普勒帶寬來描述信道的時變特性，采用多徑時延擴展或相干帶寬來描述信道的多徑特性。而如果信號帶寬小于相干帶寬，則可以認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。正交頻分復用 (OFDM)把高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成多個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)過多徑信道時延傳輸后接收端經(jīng)過簡單的的一階頻域均衡即可實現(xiàn)無 ISI 接收。本章介紹正交頻分復用系統(tǒng)的基本原理。由于每個子信道的符號周期會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時延所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)的影響，并且還可以在 OFDM 符號之間插入保護間隔，令保護間隔大于無線信道的最大時延擴展，這樣就可以最大限度的消除由于多徑而帶來的符號間干擾（ ISI）。 系統(tǒng)的基本模型 我們知道，最簡單的頻分復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，這些載波的間隔應該能夠保證沒有頻譜混疊 出現(xiàn)。為了提高信道利用率，可將各子信道的頻譜部分重疊，接收端用相關濾波器在碼元期間接收相應的子信道信號，只要其它子信道信號與這個本地相關信號在碼元期間正交即可排除其它子信道的影響。 OFDM 所發(fā)送的信號就是由這樣一組正交信號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。 【 3】【 7】 如圖 所示：在調(diào)制端，要發(fā)送的串行二進制數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼器（如16QAM）形成了 M 個復數(shù)序列： D (m )=A( m )jB (m)。用這M 路并行碼調(diào)制 M 個子載波來實現(xiàn)頻分復用。 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。 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 14 頁 圖 給出了一個 OFDM 符號內(nèi)包括 4 個子載波的實例，其中所有的子載波都具有相同的幅值和相位，但在實際應用中根據(jù)數(shù)據(jù)符號的調(diào)制方式，每個子載波的幅值相位都可能是不同的?！?4】 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 15 頁 這種正交性還可以從頻域角度來理解，根據(jù)式（ ）每個 OFDM 符號在其周期 T 內(nèi)包括多個非零的子載波。矩形脈沖的頻譜幅值為sinc (fT)函數(shù)，這種函數(shù)的零點出現(xiàn)在頻率為 1/T 整數(shù)倍的位置上。由于在對 OFDM 符號進行解調(diào)過程中需要計算這些點上所對應的每一子載波頻率的最大值，因此可以從多個相互重疊的子信道符號頻譜中提取出每個子信道符號，而不受到其他子信道的干擾。因此這種一個子信道頻譜的最大值對應于其他子信道頻譜的零點可以避免子信道間擾（ ICI）的出現(xiàn)。其基本原理與傳統(tǒng)的頻分復用技術類似。而 OFDM 技術則在頻域內(nèi)將所給信道分成許多子信道，各個子信道之間保持正交。 信號是由若干個等間隔并行傳輸?shù)淖虞d波構成的，其各個子載波的頻譜相互重疊但又相互正交。 圖 OFDM 信號頻譜 OFDM signal spectrum OFDM 技術具有以下優(yōu)點： ①把高速率數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，變成低速數(shù)據(jù)流，有效地減少由無線信道的多徑效應所帶來的 ISI，這樣就減小了接收 機內(nèi)均衡的復雜度，或者僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法就可以消除 ISI 的不利影響。 ③在無線信道變化相對比較慢的情況下，可以根據(jù)特定載波的信噪比動態(tài)地分配每個子載波的數(shù)據(jù)速率，從而顯著地提高系統(tǒng)容量，可以采用自適應調(diào)制技術。對于子載波數(shù)目較大的系統(tǒng)，還可以采用快速傅立葉變換來實現(xiàn)。 ⑤無線數(shù)據(jù)業(yè)務一般存在非對稱性，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稱高速數(shù)據(jù)傳輸。 ⑥ OFDM 系統(tǒng)較容易與其他多種接入方法結合使用，構成系統(tǒng)，其中包括多載 波碼分多址 MCCDMA、跳頻 OFDM 以及 OFDMTDMA 等，使得多個用戶可以同時利用技術進行信息傳輸。由于子信道的頻譜相互交迭，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。通常對這種頻偏敏感問題可以由載波同步和符號同步來克服。 OFDM 系統(tǒng)的發(fā)送信號是多個經(jīng)過調(diào)制的子載波信號的迭加信號，當多個信號同相相加時，迭加信號的瞬時功率很大，遠遠超出信號的平均功率，導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 對發(fā)射機內(nèi)線性放大器提出了很高的要求，增加了設備的成本代價。 本論文的研究工作主要是針對這個問題展開的。當 N 個子載波相位一致，以同相求和時，此時 OFDM 信號的峰值功率為信號平均功率的 N 倍。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態(tài)線性范圍。所以， OFDM 信號的峰值平均功率比的大小，對 OFDM 系統(tǒng)性能產(chǎn)生直接的影響。 3..1 峰值功率比問題的由來 由于 OFDM 信號是由多個獨立調(diào)制的正交子載波信號疊加而成的，如果這些子載波相位一致性過高時，就會造成很大 的峰值出現(xiàn)，這正是 OFDM 系統(tǒng)具有