OFDM系统中的峰均比抑制技术研究与实现.pdf

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.50M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 OFDM技术的演进历史及应用

1.2 OFDM技术的主要优缺点

1.3论文研究内容

2 OFDM的基本原理与PAPR问题

2.1 OFDM的基本原理

2.1.1 OFDM系统的基本模型

2.1.2快速傅立叶变换在OFDM系统中的应用

2.1.3保护间隔和循环前缀

2.1.4傅立叶变换的过采样

2.2 OFDM系统峰值平均功率比及其分布

2.2.1峰值平均功率比的定义

2.2.2高PAPR产生的原因及其带来的问题

2.2.3离散信号与连续信号的峰均比差异

2.2.4.OFDM系统PAPR分布

2.3 PAPR抑制算法概述

2.3.1信号预畸变法

2.3.2编码方法

2.3.3概率类方法

2.4各种PAPR抑制算法小结

2.5本章小结

3 OFDM系统中PAPR预畸变抑制算法

3.1限幅法

3.1.1迭代限幅滤波算法

3.1.2迭代限幅与限幅噪声估计联合算法

3.2压扩算法

3.2.1μ律压扩算法的基本原理

3.2.2仿真结果分析

3.2.3改进的压扩变换算法

3.3星座图扩展法

3.3.1 ACE算法概述

3.3.2 ACE基本原理

3.3.3 ACE具体实现算法

3.4本章小结

4 OFDM系统中PAPR概率类抑制算法

4.1概率类算法

4.2选择性映射法

4.2.1选择性映射法基本原理

4.2.2 SLM仿真结果分析

4.3预留子载波法

4.4本章小结

5 OFDM系统中峰值比抑制方案设计与实现

5.1数据链系统简介

5.2峰值比抑制方案设计

5.3峰值比抑制方案实现

5.4本章小结

6总结与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

致谢

参考文献

附录

重庆大学硕士学位论文OFDM系统中的峰均比抑制技术研究与实现姓名：李志鹍申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：刘晓明20090525

中文摘要摘要正交频分复用(OrthogonalFrequencyDiVisionMultiplex通g，OFDM)是一种并行的多载波传输技术，它利用相互正交的多个子载波来传输信息，具有非常高的频谱利用率和很好的抗多径干扰能力，适合于高速率宽带传输系统。但高峰均功率比(Pea|【．t0．AveragePowerRatio，PAPR)问题是制约OFDM技术发展的瓶颈之一。论文针对这个问题，深入研究了几种典型的降低OFDM信号PAPR的算法，包括RcF算法、ACE算法、压扩算法、SLM算法和TR算法。根据Matlab仿真结果结合OFDM数据链系统的参数指标要求，设计峰均比抑制方案并将其在FPGA中加以实现。论文首先介绍了OFDM系统基本原理，介绍了OFDM系统高峰均比产生的原因及其对系统性能的影响，简要介绍了现有三大类峰均比抑制算法，包括预畸变算法、概率类算法和编码算法，并对其性能进行了简要对比。论文研究了预畸变算法中的迭代限幅滤波(RepeatedC1ippingandFilte血培，RCF)算法。为了降低限幅过程带来的限幅噪声对系统误码性能的影响，论文对两种限幅噪声估计算法(NoiseCallcellation，NC)和(DecisionAidedReconstruction，DAR)进行了研究，Matlab仿真结果表明在接收端实行限幅噪声估计可以使系统误码性能有所提高。在分析预畸变算法中的星座图扩展算法(ActiveConstellationExtension，ACE)时，论文着重研究了ACE的两种实现算法(ProjectionOmoConvexSets，POCS)和(Sm砒研adientProiection，SGP)的性能，Matlab仿真结果表明ACE算法PAPR抑制性能和误码性能均较好，但实现复杂度较高。论文研究了预畸变算法中的压缩扩展算法以及一种压扩改进算法，对其性能进行了仿真分析。Matlab仿真结果表明，传统及改进压扩算法均能有效抑制高PAPR，但误码性能相对较差，且实现复杂度较高。论文还对概率类算法中的选择性映射(SelectedM印ping，SLM)算法和预留子载波(ToneReservation，TR)算法进行了研究分析。Matlab仿真结果表明，概率类算法能有效对抗高PAPR并具有良好的误码性能，但过高的实现复杂度是概率类算法走向实用的一大障碍。论文最后简要介绍了数据链系统，对OFDM数据链系统总体及发射端各模块进行了介绍，在充分考虑算法性能和实现复杂度的基础上设计了峰均比抑制方案，将其在FPGA中加以实现，给出系统实验结果。关键词：正交频分复用，峰均功率比，预畸变类算法，概率类算法，FPGA实现

英文摘要ABSTRACTonllogo砌FrequencyDiviSionMultiplex啦(OFDM)isap删lel拄ansmissionschemeofMCM(Multi-Ca玎iersModulation)．n衄lS血tsinfomation廿1rou西onhogonalsub。carriers觚dhaSver)r11i曲utiliZationof舶quencyspec仃哪趾dgoodc印abilit)rofcounteringmuni-patlliIlterfIerence．111istecllIlolog)risve巧丘tt0tlle仃ansIIlissionof11i曲ratealldbroadballddatatrans而tingsystem．However，tllelli曲peal(-to—aVeragepo、Ⅳerratioisal啪ysoneoftllemaill㈧acl【sofOFDM．7nlispapermajIllyfocusesonthe锄mysisoftllePAPRreductionalgorithms，incldiI培RCF，ACE，coIIlpanding，SLM觚dTRandthendesi舀屺daPAPRschemebasedontllealgorithms锄lalyzedabovealldmeettllerequirementsoftlleda_talinksystem，也enimplementedinFPGA．111epaperfir．stly砷∞ducesthebaSicp血cipleofOFDMsystem，allalysistllecausesofhi曲PAPRiIlOFDMsystem，anditsilIlpauctonsystempe墒彻ance．Wb嘶enyiIl仰ducesexistingPAPRreductionalgori廿111ls，妇ludingpre．distomdalgorithms，proba_bili锣algo订thms，codiIlgalgorimms，andmakeasiIllplecomparisonbe觚eent11em．Thep印erallalyzesclippir培algorithm，WhichismostcommoIllyused．Becauseofthes丽ousdcteriorationofthebite玎ormtiomducedbytheclippingnoiseiIl仃oducedby舭non-linearlyoperationof舭alg耐mm，thisp印era11alyzes撕oclipping-noiseestiIIlationalgodtlllIls，which、)l，iUiml)rovet11epe墒姗ancesiglli矗cantlywhencombined、)l，itlltlleclippingalgori衄saccordingtotheMatlabsiIIlulationresult．Secondly，吐lispaperanaJyzesareductionmethodcalledActiveConstellationExtension(ACE)．AccordingtomeMatlabsiIImlationresult，them甜lodisproventobeaperf．ectPAPRreductionscheme州chhaVegoodPAPRandBERperf．o珊aIlcewhenit印pliestllealgoriⅡunsofPOCSandSGP．Butitishardert11aIlRCFtoimplement．nlirdly，t11epaper锄alyzesnleconventiollalcompalldingmetllodandailIlprovedcompaIldingmetllod，Accordingtot11eMatlabsimulationresult，t11ecompandingme吐lodisproventobeagoodreductionschemebutBERpe墒m锄ceispoor．TlleIl，1kp印eralso删yzesttleperf．o锄aIlceofSLMandTR．AccordingtoⅡleMatlabsiIIlulationresult，廿1eyhaVepe彘ctPAPRpe墒maIlceaIldBERpe怕n11ance，butt11eiriIllplemencationcomplexit)，istoolligh．触ermeaIlalysisofthealgorimmsmentionedabove，们Ilisp印erin觚ducesnledataliI呔sygcem．&略edon廿lepar锄鼬erSofaOFDMda：talirll【system，wedesi印ed趾UI

重庆大学硕士学位论文OFDMPAPRsch锄e．TMsschemeise雒yt0iInplementillFPGA觚dhavegoodPAPRpe墒mallce．111eproposedschemeisbasedontlleRCFalgo棚髓．AtlaSt，Ⅱledesi印edsChemebaSedonmealgorithms觚alyzedabove，Ⅵ枉ch诵1lbeinlplementedi11FPGAlater’砒ld百VestllerumliI玛resultsinFPGAofthedesignedsystcm，Ⅱ圮resultSshowspIeffectperfomance．K叼words：ortllogonalFrequencyDiVisonMultiplexing，PAPRPre-distonedm90rinlIIls，Probabilityalgorimms，FPGAimplementationⅣ

学位论文独创性声明本人声明所呈交的么良士学位论文《豳盘查班生碰g塑坦趱堑丝丕望应复盘缈是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：孝寿鹏签字日期：≯护歹．罗．弓f导师签名：引蜘I签字日期：∥夕，s·，／学位论文使用授权书本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意《中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论高龛吝琴轳黜塌蔼琵》(以下简称“章程”)，愿意将本人的巫士学位论文《必：羞f丞苤2刍应笠耙放》提交中国学术期刊(光盘版)电子杂志社(渊)在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》以及《重庆大学博硕学位论文全文数据库》中全文发表。《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入CNl(I《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。作者签名：导师签名．蛐到垒砂一9年爹月岁阳备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书"，须填写以下内容：该论文属于涉密论文，其密级是——，涉密期限至年一月一日。说明：本声明及授权书!l逐装订在提交的学位论文最后一页。

1绪论1绪论无线通信系统面临的主要挑战是十分恶劣的传输环境。多径传播引起的时延扩展进而引起码间干扰(IIlter-SymbolInte疵rence，ISI)是一个十分严重的问题。即使在信道时延扩展只有几十到几百纳秒的室内环境中，如果系统数据速率很高，信道冲激响应仍可扩展到许多码元，造成严重的码间干扰。而在室外复杂多变的恶劣传输环境中，信道时延扩展造成的码间干扰更为严重。现代社会对通信系统传输速率要求越来越高，码间干扰的问题将更加突出，如果仍按传统解决办法使用均衡器来处理，那么系统将变得异常复杂甚至无法实现。正交频分复用(OrtllogonalFrequencyDivisionMultipleXing，oFDM)是一种多载波传输方案，它既可以看作一种调制技术，也可以看作是一种复用技术，它在提高数据传输速率、对抗频率选择性衰落和码间干扰等方面具有十分明显的优势。它将高速数据流分割成许多低速数据流，分配到若干正交子载波上并行高速传输。由于每个子载波的调制信号速率较低，使得码元周期相对增加，因而对时延扩展有较强抵抗力，再加上码元中增加循环前缀(CyclicPrefix，CP)作为保护间隔，码间干扰可以得到显著减少。OFDM与一般多载波传输技术的最大不同之处是它的子载波频谱正交重叠，因而频谱效率大大提高【l】。随着OFDM技术的广泛应用，人们对OFDM技术的研究也更加深入。1．1OFDM技术的演进历史及应用OFDM技术最早起源于20世纪50年代中期，在60年代就已经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。1957年，Collills＆畦。公司为美国军方开发了K．meplex通信系统i2J。该系统的设计目标是在严重多径衰落高频无线信道中实现数据传输。系统使用了20个子载波，使用差分QPSK调制，实现方式几乎和现代OFDM一样：相邻子载波间的间隔近似等于子载波的符号速率，从而保证各子载波的频谱相互重叠，但又是正交的，于是可以大大提高频谱利用率，但系统仍采用传统的多载波调制系统实现方式。1968年，R．W．ChaIlg博士首次提出了oFDM的概念和技术【3】。在早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的子载波阵列是由正弦信号发生器产生的，系统复杂且昂贵。为了减小多载波系统复杂度，S．B．w．eiIlsten和P．M．Eben作出了重要贡献。1971年，他们提出应用离散傅立叶逆变换(I|lVerseDiscreteFo嘶erTransfom，IDFT)和离散傅立叶变换(DiscreteFo面erTrallsfom，DFT)来实现多载波系统基带数据调制解调，这样不需使用带通滤波器，子载波振荡器组以及相干解调器，大大简化了OFDM系统硬件成本和实现复

重庆大学硕士学位论文杂度，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备【4】。现在OFDM系统主要应用快速傅立叶逆变换和快速傅立叶变换来对基带数据进行调制解调。为了应对信道间干扰(Intcr_Ca耐erIntIelfereIlce，ICI)和码间干扰(Inter_SymbolInte疵reIlce，ISI)，1980年，A．Peled和A．R血z引入循环前缀(CP)的概念【引。使用CP的代价是降低了系统传输速率，但保证了信号经过色散信道后仍然保持各子载波间的正交性，系统所获得的进步远大于cP带来的损失。1985年，L．J．Cim“博士将OFDM理念运用于蜂窝移动通信系统中来，为当代OFDM无线通信系统的发展奠定了坚实基础【61。随着人们对通信数字化、宽带化、个人化和移动化的需求增长，OFDM技术得到了日益广泛的应用。主要包括：非对称数字用户环路(ADSL)pJ、ETSI标准数字音频广播(DAB)【81、数字视频广播(DVB)【9】、高清电视(HDTV)【Ⅻ、无线局域网(WLAN)【1l】、无线城域网(WMAN)【12】等，OFDM技术也成为第四代蜂窝移动通信技术(4G)研究中的热点【13】，并被公认为4G核心技术之一。1．2OFDM技术的主要优缺点OFDM技术之所以备受关注，是因为与传统的单载波系统相比，OFDM技术具有众多突出的优点，归纳如下：(1)OFDM技术将高速的数据流进行串／并转换，分配到多个并行的子信道上并行传输，并采用插入循环前缀(CP)的方法，可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰，与其他实现方法相比，多载波系统实现复杂度较低；(2)OFDM技术能有效的对抗频率选择性衰落和载波间干扰，并通过将各子信道联合编码，实现子信道间的频率分集作用，从而使系统的整体性能得以提高；(3)OFDM技术使用互相正交的子载波作为子信道，具有较高的频谱利用率，且子载波数越多时，系统的频谱利用率越高；(4)oFDM系统可以根据信道环境采用自适应调制，并通过使用恰当的比特加载算法，将数据集中到信道环境好的子信道上进行传输，从而可以有效的提高系统容量；(5)无线数据传输业务一般具有非对称性，通常下行链路中传输的数据量要显著大于上行链路，OFDM系统可以通过灵活的调整子信道数来实现上、下行链路不同的传输速率；(6)oFDM技术由于其频分特性，易于与其他多种接入方式结合使用，构成oFDMA系统。此外，OFDM技术易于与空时编码、分集、智能天线、M蹦O等技术相结合，以最大限度的提高物理链路传输的鲁棒性；(7)oFDM系统中各个子信道的正交调制与解调可以采用IDFT／DFT予以实2

1绪论现。对于子信道个数很大的系统，还可以采用IFFT／FFT来实现。随着目前大规模集成电路技术的突飞猛进，系统实现的复杂度大为降低。尽管如此，OFDM技术本身也存在一些不足，归纳如下：(1)OFDM系统对频偏和相位噪声敏感。由于子信道的频谱相互重叠，这就对OFDM符号中各个子载波之间的正交性提出了严格要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信道的频率漂移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本振之间存在频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭受破坏，从而导致子信道间相互干扰。研究表明，仅1％的频偏就能使信噪比(Si龃a1NoiseRatio，sNR)下降约30dB；(2)OFDM系统存在较高的峰值平均功率比(PeaktoAVe瑚喀ePowerRatio，PAPR)。与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到叠加信号的瞬间功率会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的PAPR，这样就对发射机功率放大器(PowerAmplifier，PA)的线性度提出了更高的要求。否则可能带来信号畸变，使信号频谱发生变化，从而导致各个子信道的正交性被破坏，带来干扰，使得系统性能下降。1．3论文研究内容本文围绕如何减小OFDM系统的PAPR进行了研究，仿真分析了现有多种典型的降低PAPR的算法，在对算法分析的基础上本文根据OFDM数据链系统参数指标要求设计了峰均比抑制方案并将其在FPGA中加以实现。本论文研究内容如下：(1)对OFDM峰均比抑制预畸变类算法中的限幅法的性能进行了分析，根据传统的CF算法存在的严重峰值再增长问题介绍了RCF算法，由于这种算法会使系统的误码性能下降，论文又进一步研究了两种限幅噪声估计算法，并将这两种算法与RCF算法结合分析，得到仿真结果表明它们在有效对抗高PAPR的同时能得到较好的系统误码性能。接下来论文对星座图扩展法进行了详细的研究，包括AcE的基本原理和实现ACE算法的两种具体途径POCS算法和SGP算法，并对这两种实现算法的性能进行了分析。仿真结果表明，ACE算法具有良好的PAPR抑制性能和误码性能。对压缩扩张算法及其改进算法进行了研究，仿真结果表明，压扩算法能有效抑制高PAPR，但误码性能相对较差。(2)对OFDM峰均比抑制概率类算法中的选择性映射法(SLM)的PAPR抑制性能以及对系统误码性能的影响进行了详细的分析。对近年来兴起的子载波预留法(TR)进行了分析，给出其性能仿真结果。从仿真结果可以看出，概率类算法虽然可以获得较为满意的PAPR抑制效果同时系统误码性能也比预畸变算法要3

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