多载波移动通信系统中的预畸变技术研究

《多载波移动通信系统中的预畸变技术研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，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已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：加。占年石月钼关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名日期：知口3年6月名E1 第一章绪论1．1引言第一章绪论作为现代透信系统中不可缺少的组成部分，移动通信在最近的二十年闻发展迅速，经历了第一代(1G)模拟移动通信系统从萌芽到应用，第二代(2G)数字移动通信系统从发展到完善的整个过程。目前，第三代(3G)移动通信系统的开发部署已趋成熟。其中，以美国提出的CDMA2000标准的3G网络，以欧洲和圈本提出的WCDMA标准的3G网络，已经逐渐在世界范臻内推广开来。2007年1O月，WiMAX由国际电联(InternationalTelecommunicationUnion，ITU)投票成为3G标准之一。今年4月1日，我国的TD．SCDMA标准的3G网络正式放号，标志着我国的移动通信事业全面进入3G时代。然而，基于码分多蛙【H(CodeDivisionMultipleAccess，CDMA)技术的第三代移动通信系统虽然采用了众多新技术，能够支撑宽带多媒体业务，但从系统容量、频谱利用擎等角度衡量，并未能产生质的飞跃，因而难以满足未来移动通信的需求；褥次，业务的需求趋予多样化，突发式的分组数据业务传输将占据主导地位，3G新采用的直接扩频CDMA技术由于其捕获与同步方面的限制，很难直接应用于新一代的移动通信系统。因此，以新型传输技术为代表的未来移动通信系统的研究，是当今世界通信领域的热点问题。无线世界研究论坛(WirelessWorldResearchForum，WWRF)Iz】和ITU开展了西向2010年无线应用的后3G系统(Beyond3G,B3G)关键技术研究【3】，也称之为第四代(4G)移动通信系统【4】【5】'在其物理层关键技术的研究中，OFDM被广泛看好。在IEEE802．20工作组关于移动宽带无线接入的研究计划【61中，将OFDM技术列为主要内容。我国于近年启动的国家高科技技术(863)重大项目“B3G无线链路传输关键技术研究”巾，OFDM技术也是其框架技术之一【刀。对OFDM的相关研究表明，具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力的正交频分复用(OFDM)技术将是非常具有竞争力的空中接lZl技术【81。在多用户环境下，OFDM系统根据不同用户的需求和信道特点，将子载波灵活的分配给不同的用户，以满足多用户和不同通信业务的要求，形成支持多用户 电子科技大：爹硕十学位论文接入的正交频分复用多址(OFDMA)。可见OFDMA是在OFDM技术的基础上发展起来的多址技术，也是未来移动通信技术的候选技术之一【91。1．2OFDM技术1．2．1OFDM的基本原理正交频分复用f101．f弪l(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)是--种特殊的频分复用【131[14](FrequencyDi证sionMultipleAccess，FDMA)。FDMA在一个世纪前就己得到威用，比如低速率的电报业务，就是在一个宽带信道中使用不同载波频率并行传输。但是，为了在接收端能够较容易地分离这些信号，传统多载波系统中各载波频率要分隔得足够远，同时要采用保护频带，这些使得频谱利用率很低。同时，露为各载波都需要鸯已豹模拟蓠端，使得传统多载波传输方式的复杂性也很高。尽管如此，并行传输方式可有效减小融于信道时延扩展引起的符号间干扰(Inter-SymbolInterference，ISI)已引起学界的注意。OFDM技术的应用可以追溯到上世纪60年代，它主要用予军用无线高频通信系统中，但是犟期的OFDM系统由于技术限制，菲常复杂和昂贵。直到1971年，Weinstein和玛e一”]把离散傅墨时变换(DiscreteFourierTransform，DFT)应用到并行传输系统中，才不再利用带通滤波器，而是在基带实现频分复用。并且DFT可用快速傅里叶变换(FastFourierTransform，FFT)来实现(M1，大大减d,T系统的复杂度。另一个重要豹贡献是在1980年Peled和Ruiz[27】使用循环前缀或循环后缀来解决予载波间的正交性，面不是使用空的保护间隔，使其获褥最好的正交性。综上所述，一个完整的OFDM系统框图如图l，1所示。●■⋯●■⋯■■⋯●⋯●■⋯IOFDM调毒4I-============二l向～●■⋯●■⋯■■⋯●●⋯■■一●lOFDM解调l乙一图1-1OFDM系统框图 第一章绪论OFDM的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若于个子信道中进行传输，其等效基带信号可以表示为：葶o)=diexp[j2ff-嘉(t—t)】‘≤≠≤‘+r(1一1)i---O·如图1．2。在时域上，由于每个子信道中的符号周期会相应增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。图中假定轳0。_收》◆串瑶并+转i换菇1．rexp(歹2啊分exp(，2矾触=E三二(1-2)t嚣筵一蜒⋯2季渺m3，={篓《圭jq"喇2窟了i-j渺嘭一根据式(1-3)可以看到，对第歹个子载波进行解调可以恢复出原始符号弓。但是对其他子载波来说，由于在积分间隔内，频率之差(f们／r可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为零。。3． 电子科技大学硕士学位论文从频域上看，每个OFDM符号在其周期丁内包括多个非零子载波，其频谱可以看作sine函数与各子载波频率上的万函数的卷积。即将所给信道分成Ⅳ个正交的子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且这Ⅳ个正交的子载波是并行传输的，如图1．3所示。尽管总的信道是频率选择性的，但是每个子信道是相对平坦的，而且在每个子信道上进行的是窄带传输，因此，OFDM技术便可以克服信道的频率选择性衰落。图1-3OFDM系统中子信道信号的频谱图OFDM调制可用离散傅立叶逆变换(IDFT)来实现，同样在接收端，OFDM解调可以使用离散傅立叶变换(DFT)来实现。Ⅳ点的DFT／IDFT运算需要舻次的复数乘法。所以在实际运用中，采用成熟的快速傅立叶变换对(FFT／IFFT)来实现OFDM的解调、调制过程。子载波个数Ⅳ需为2的整数次幂，对于常用的基．2IFFT算法来说，复数乘法的次数仅为(N／2)l092N，这样就大大提高了运算速率，也降低了实现难度。式(1．4)给出了IFFT实现OFDM调制的表达式：沪丽1缶N-1只expJ警)_瓜·Ⅲ丌Ⅳ㈨，。≤尼<Ⅳ(1．4)此外，在实际应用中，为了最大限度地消除由多径而带来的载波间干扰(Inter-CartierInterference，ICI)，需要在OFDM符号之间插入保护间隔，且保证保护间隔大于无线信道的最大时延扩展。一般都采用循环前缀(CyclicPrefix，CP)作为保护间隔，如图1．4所示。可以看出，循环前缀中的数据是对应OFDM符号后端数据的复制【11。．．4．． 第一章绪论图l_4加入保护间隔的OFDM符号1．2．2OFDM的优缺点近年来OFDM技术受到众多研究者们的广泛兴趣，这主要是因为OFDM系统具有适合宽带传输的优点。总结起来，OFDM系统与传统的单载波或一般非交叠的多载波传输系统相比，具有以下优点【181-【211：(1)OFDM系统中由于各子载波之间存在正交性，从而允许多个子载波的频谱互相重叠的频分复用子信道并行传输，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源。(2)OFDM技术把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的符号时间大大增加，减小了信道时延扩展造成的符号间干扰，减小了接收机内均衡的复杂度，甚至可以仅通过插入循环前缀完全消除ISI的不利影响。(3)OFDM技术可以使用基带IFF聊FT处理来实现，不需要使用多个发送和接收滤波器组，设备复杂度较传统的多载波系统大大下降。因此OFDM系统的载波数可以做到很大，这是传统的多载波系统无法实现的。(4)OFDM系统各子载波上的调制方式可以灵活控制，容易通过动态调制方式充分利用衰落小的子载波信道，避免深衰落子载波信道对系统性能带来的不利影响。(5)无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据量，OFDM系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。(6)OFDM系统容易实现多种多址接入方式，如OFDMA、OFDM．TDMA、OFDM．FH、OFDM．CDMA等等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传输。．5． 电子科技人学硕士学位论文但是，由于OFDM系统的发送信号是多个正交子载波上的发送信号的叠加而成的，所以，OFDM系统存在两大固有的缺点：(1)易受载波频率偏移(CarrierFrequencyOffset，CFO)的影响四】。由于子载波的频谱是相互交叠的，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。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号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致ICI，限制了OFDM系统在高信噪比下的性能。这种对频偏的敏感性是OFDM系统的主要缺点之一。(2)存在较高的峰值功率和平均功率的比值(Peak．to．AveragePowerRatio，PAPR，简称峰均比)【231。OFDM系统的发送信号是多个子载波上的发送信号相叠加而成的，当多个信号相位一致时，叠加信号的瞬时功率很大，远远超出信号的平均功率，导致高峰值平均功率比。输出信号的瞬时值有较大的波动，这就要求发射机的高功率放大器具有很大的线性范围，从而造成系统资源浪费和成本增加；反过来，系统部件的非线性又会造成信号的非线性失真，从而引起子信道间的相互干扰，影响了系统性能。本论文的研究工作主要是针对该问题展开的。1．3OFDMA技术1．3．1OFDMA的基本原理多址技术能够保证多个移动用户的资源共享，是无线通信系统的关键技术。由于OFDM技术一般应用于单向广播通信之中，而大多数的实际通信系统都是支持多用户并发通信的，所以可以对OFDM做进一步扩展，与FDMA相结合，形成支持多用户接入的正交频分复用多址【24】【25】(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA)。OFDMA允许多个用户共享有限的无线频谱，从而获得较高的系统容量。OFDMA类似于常规的FDMA，但由于每个用户分配OFDM系统子载波组中的一组或者几组子载波组，具有天然的正交性，因此不需要FDMA中必不可少的保护频带，从而避免了频带的浪费。同时还允许子载波间有一定重叠，提高了子载波利用率。此外，OFDMA的分配机制非常灵活，可以根据用户业务量的大小动态分配子载波的数量，并且可以在不同的子载波上使用不同的调制方式．6． 第一章绪论及发射功率来减少干扰，提高传输效率，因而可以达到很高的频谱利用率。图1-5给出了Q个用户的OFDMA系统框图：用户1l一一一一一一OF—DM一．cg]丽一一一一一．：⋯⋯⋯⋯一一向I一一一一一一OF—DM。番面一一一一一．：_I解调：—r图1．5OFDMA系统框图从图1-5中可以看出：Q个用户通过合理的信道复用方式分配子载波信道，从而体现了FDMA技术的本质；而Q个用户的数据经过复用后又采用OFDM调制方式处理，这就体现了其OFDM特性；最后经过数模变换并将信号发射出去。在接收端，收到的模拟信号先被模数变换成数字信号，接着被OFDM解调处理，此时信号是Q个用户的复用信号，对用户i而言，只需要从OFDM解调后的数据中抽取其对应位置上的信号，便可以恢复用户i所发射的信号。在OFDMA系统中，所有子载波信道通过复用模块被分配给各个用户，而子载波信道的分配方式主要有三大类【26】：连续分配、顺序交织分配和随机交织分配机制。前者又被称为集中式，后两者则被统称为分布式。在子载波分布式分配的模式中，可以利用不同子载波的频率选择性衰落的独立性而获得分集增益。为了便于描述，本文将采用这三种方式分配子载波的OFDMA系统分别称为：连续OFDMA、顺序交织OFDMA和随机交织OFDMA。在第五章中，将会对这三种分配方式进行更深入的讨论。1．3．2OFDMA的关键技术及其缺点OFDMA主要有以下关键技术【l】：(1)时间频率同步：由于OFDMA各子载波的解调是通过FFT变换来实现，为避免解调时间落入保护间隔内，FFr的时间窗必须对准信号部分，所以系统时间必须同步。此外，由于OFDMA中各子载波相互重叠，为了保证它们之间的正交性，频率也必须同步； 电子科技大学颈士学位论文(2)功率控制：上行链路的功率控制可消除基站端接收信号强度不稳定，降低总体平均功率和小区内干扰，并可提高传输性能，从而提高系统容量；(3)随机跳频：跳频是抗突发干扰和频率分集的有效手段。在OFDMA中，同-d,区内各用户的跳频图案是相互正交的，因而在同步的情况下不存在小区内干扰。基站根据不同的业务和传输需求，灵活分配跳频图案；(4)动态链路分配：毒予OFDMA是通过给不同的用户分配不同的子载波来实现多址接入，所以可根据各子载波的信号质量灵活分配用户信道，避开严重受损的信道，提高信号传输质量。在OFDMA系统中也存在一些缺点，如前面章节所描述的，OFDM系统是OFDMA系统的特例，即如果将OFDMA的所有予载波分配给一个用户，则该OFDMA系统变为OFDM系统，OFDMA系统也是一种多载波系统，幽此可见OFDMA系统也具有较高的PAPR特性，因此本文提出了一种用于降低顺序交织分配子载波的OFDMA系统中PAPR的新方法。l。4本文的主要内容及创新1．4．1课题来源本课题来源于与酲本DoCoMo公司北京实验室的两个合作项誉：◆MIMO。OFDM系统PAPR抑制新技术研究；◆上行OFDMA系统中PAPR拘利技术新技术研究；以及与美匿Intel公司的合作项黑：●TDDMIMOOFDM系统关键技术研究。在上述项遐中，作者参与了对OFDM和OFDMA甄种系统PAPR抑制技术的创新性研究。1．4．2主要内容及创新本文主要研究了OFDM／OFDMA系统中峰均比抑制的预畸变技术。并在传统算法的基础上，针对OFDM／OFDMA系统的特点，提出了用于抑制系统峰均比的新算法。．8。 第一章绪论本文的主要研究内容如下：在第二章中，对oFDM／OFDMA系统中的峰值平均功率比(PAPR)问题进行了理论分析和数学推导，包括PAPR的基本定义及表达式，现有的PAPR抑制方法，以及相关仿真结果，其中重点分析了主要的几种预畸变技术并进行了比较。在第三章中，研究了OFDM系统的PAPR抑制的加窗算法，并针对该算法误码率较高的缺点，结合传统的信号恢复算法，提出了一种加窗OFDM系统的信号恢复新算法。并通过相关建模和仿真验证了该算法的优越性。在第四章中，针对传统限幅滤波算法收敛较慢的缺点，提出了一种改进的OFDM系统迭代限幅滤波算法。首先对该算法的基本原理进行了阐述，建立了相应的系统模型；然后通过仿真证明了该算法在同样的迭代次数和计算复杂度下，可以取得更佳的PAPR抑制性能；最后对迭代的限幅门限进行了选取，进一步优化了该算法。在第五章中，分析了OFDMA系统中不同的子载波分配方式下的PAPR性能，并研究了OFDMA系统的带内噪声滤除的算法。针对交织OFDMA系统子载波分布的规律性，提出了一种新的限幅滤波算法。该算法能够得到和传统算法相同的峰平比抑制性能，且大大降低了FFT和IFFT变换计算的复杂度，是一种较优的算法。最后对全文进行了概括性的总结，明确了下一步有待进行的工作和未来的一些研究方向。在上述的三个主要研究方面，作者得到了如下几个具有创新性的成果：(1)在第三章中，对OFDM系统的PAPR抑制的加窗算法进行了研究，并联合传统的信号恢复算法，在接收端对加窗OFDM系统下的信号进行恢复，该算法能够有效地改进系统的误码率性能。(2)在第四章中，针对迭代传统限幅滤波算法收敛较慢，峰均比控制较差的缺点，提出了一种改进的迭代限幅滤波算法，将传输信号划分为并行的奇信号和偶信号，在每次迭代过程中，对偶信号和奇信号分别进行限幅滤波处理。该算法能够在相同的迭代次数和计算复杂度下，取得比传统方法更佳的PAPR抑制性能。(3)在第五章中，比较了OFDMA系统各种子载波分配方式下的PAPR分布，．9．． l龟子科技大学硕士学位论文并针对交织OFDMA系统子载波分配方式的信号特点，提出一种低FFT／IFFT复杂度的PAPR抑制算法，该算法在迭代限幅滤波算法下对系统复杂度的优化尤为显著。．10- 第二章多载波移动通信系统中的峰均比问题第二章多载波移动通信系统中的峰均比问题2．1多载波移动通信系统中的PAPR由于OFDM／OFDMA系统是多载波系统，相对于单载波系统而言，输出信号的瞬时值存在着较大的波动。在极端的情况下，对于一个包含^r个子信道的OFDM系统，最大峰值功率可以到达平均功率的Ⅳ倍。尽管在实际中这种情况出现的概率很低，但为了无失真地传输这些高峰均比的OFDM／OFDMA信号，要求系统的一些部件如功率放大器、数模转换器和模数转换器等具有很大的线性动态范围；否则当信号的峰值进入部件的非线性范围区域时，就会产生明显的带内失真和带外辐射，破坏子载波间的正交性，从而导致误码率的升高。因此必须采用一定的技术对信号的峰均比进行抑制。本章就OFDM／OFDMA系统的峰均比问题进行了理论分析和数学推导，阐明了造成高峰均比的原因、峰均比的定义、峰均比的分布以及相关问题，为峰均比抑制技术的研究与应用提供了理论依据，并对峰均比抑制的预畸变算法进行了仿真实现。2．1．1PAPR的定义如前所述，与单载波系统相比，由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生较大的峰值功率，从而带来较大的峰值平均功率比【231(Peak-to．Average．Power-Ratio，PAPR)，简称峰均比。峰均比可以被定义为：信号的最大峰值功率与平均功率的比值(以dB为单位)，即max{Is。12}脚R(dB)卅01。glo丽(2-1)其中巳表示经过IFFT运算之后所得到的输出信号，即毛=丽1刍N-l&蝶‘。E{·)代表数学期望。对于包含Ⅳ个子载波信道的OFDM系统来说，当这Ⅳ个子载波信号以相同的相位求和时，所得到信号的峰值功率就会是平均功率的Ⅳ倍，信号的峰均比将达．11． 电子科技大学碛士学位论文到1010910NdB。图2．1以N=16为实例，说明OFDM系统中存在的较大PAPR的现象，此时OFDM系统的PAPR=12dB。随着子载波数Ⅳ的增加，OFDM系统的PAPR问题将会更加严重。图2-lN=16麓OFDM系统中稃在较大P艘R闰题酶不慈图另外一种用于描述信号趣络交他的参数是峰值系数(CrestFactor，CF)，该参数被定义为最大信号值与均方根值之比，即(以dB为单位)maxhI洚掏酗禹。商丽。艺’在参考了大量描述峰均比的现有文献后，本文主要采用PAPR来衡量OFDM系统的峰值参数。2．1．2PAPR的概率分布对于包含Ⅳ个子载波的OFDM系统来说，其中经过IFFT计算得到的功率归一化的数字基带符号是：＆，，=丽I刍N-I鼠，，exp(j_2’矿rnk)，。≤七<Ⅳ(2·3)其中Ⅳ表示子载波的数墨，￡』表示第；个OFDM符号中第撵个子载波上传输的数．12。 第二章多载波移动通信系统中的峰均比问题据，S。，表示经过OFDM调制后的信号，下标k表示时间序号。根据信号处于OFDM调制前后位置的不同，一般将最，称为频域信号，乱，称为时域信号。根据中心极限推论可以得知，只要子载波个数Ⅳ足够大，就可以判断s。，的实部和虚部都将遵循高斯分布，其均值为零，方差为0．5(实部和虚部各占信号功率的一半)。因此可以得知，OFDM符号的幅值，．服从瑞利分布，其概率密度函数为见(，．)=2re～；而其功率分布则要服从两个自由度的中心Z2分布，其均值为零，方差为1，而且容易知道，自由度为2的中心Z2分布的概率密度函数为p～(少)=P～，因此可以计算得到其累积分布函数(CDF)为：Pr{Power≤z)=F，(z)=【exp(一y)dy=l—exp(一z)(2-4)现在计算每个OFDM符号峰值功率的累积分布函数：假设OFDM符号周期内每个采样值之间都是不相关的(在没有过采样时，是较容易实现的)，则OFDM符号周期内的Ⅳ个采样值当中的每个样值的PAPR都小于门限z的概率分布应该为：Pr{PAPR≤z)=f乙。，(z)Ⅳ=(1一P一：)川(2—5)或者，可以从另一个角度来衡量OFDM系统的PAPR分布，即计算峰均比超过某一门限值z的概率，得到互补累积分布函数(CCDF)：Pr{PAPR>z)=1-Pr{PAPR≤z)=1一(1一P。)州(2-6)在随后的讨论中，一般都采用CCDF来衡量OFDM系统的PAPR分布。图2．2给出了不同子载波个数条件下，采用16QAM调制的OFDM系统中互补累积分布函数(CCDF)的理论曲线图，其中横轴表示PAPR的门限值，纵轴表示一个OFDM符号中所有采样值的功率都大于门限值的概率，即CCDF。从图2．2中可以看出，在给定PAPR门限值的条件下，随着子载波个数Ⅳ的增加，CCDF也会相应的增加，即超过PAPRf-j限值的符号出现的概率也会增加。．13． 电子科技人学硕士!学位论文山口UPAPR(dB)图2．2不同子载波数目下OFDM系统的PAPR分布在实际中，由于过采样有助于收集到较大的峰值功率，从而可以更加准确地衡量OFDM系统内的PAPR特性。因此对OFDM符号实施过采样是非常必要的，但这样会破坏采样符号间的非相关性，即采样符号间存在一定的相关性。但是如果基于符号间的相关性来考虑峰值功率的准确表达式是比较困难的，可假定Ⅳ个子载波过采样信号的PAPR分布与aN个子载波的未过采样信号的PAPR分布大致相同，其中口>1。因此对OFDM符号实施过采样，就可以被看作添加一定数量的相互独立的样本值。则PAPR的概率分布可以表示为：Pr{PAPR>z)=1-(1一P。：)删(2-7)图2．3对不同过采样因子，下的OFDM信号的PAPR分布进行了仿真。其中子载波数N=1024，调制方式为16QAM。从图中的仿真结果可以看出，随着过采样因子的增大，信号的PAPR逐渐升高；当过采样因子，≥4时，PAPR趋于模拟信号。．14． 第二章多载波移动通信系统中的峰均比问题图2．3不同过采样因子下OFDM信号的PAPR分布2．1．3传统的PAPR抑制方法如何降低PAPR已经成为有效应用OFDM技术的关键之一，目前的OFDM系统中抑制PAPR的方法可分为三大类f27】：编码方法，概率类技术，信号预畸变方法。编码方法通过限制可用于传输的信号码字集合，来降低OFDM系统中的PAPR。其基本思想是：选择生成小峰值功率信号的编码图样，避免使用生成大峰值功率信号的编码图样。典型的码组有分组码【2引、格雷(Golay)码【2明和雷德密勒(Reed—Muller)码【301等。编码方法的缺陷主要在于：可供选择的编码图样数量非常少，当子载波数Ⅳ较大时，编码效率非常低，从而降低了其适用性。与编码方法不同，概率类方法并不避免产生大峰值功率的信号，而是降低峰值功率出现的概率。其基本思想是：通过优化子信道的载波相位的方式来寻找能得到最低PAPR的相位组合。这种方法虽然不能保证所有传输信号的PAPR都很小，却能大幅度地降低了高PAPR的出现概率，从而抑制系统的PAPR，减小放大器等非线性器件对系统带来的不利影响。该技术主要包括：子载波预留【31】(ToneReservation，TR)、子载波插入【311(Tonehajection，TI)、星座扩展【32】(ActiveConstellationExtension，ACE)、部分传输序列【331【341(PartialTransmitSequence，PTS)．1S． 电子科技大学硕士学位论文和选择性映射拶5j(SelectextMapping，SLM)等。这一类技术也可以有效抑制系统的PAPR，但由于计算复杂度较大，并带来一定的信息冗余，是其实用性的主要障碍。信号预畸变技术是最简单最常用的降低OFDM系统的PAPR的方法。其基本思想是：在信号被送到放大器之前，先经过菲线性处理，对有较大峰值功率的信号进行预畸变，使其不超出放大器的动态变化范围，避免较大PAPR的出现。最常用的信号预畸变技术包括限幅(Clipping)，压缩扩展(CompandingTransform)，峰值加窗(Windowing)等。信号预畸变技术会引入非线性失真，造成系统性能恶纯，使得其应用受到了限制；德由予其具有PAPR搀制能力强、冗余度低、使髑灵活等特点，常与其他方法结合使用，效果显著。本文的主要研究方向即为信号预畸变技术，因此，接下来的这一节将对主要的预畸变技术做简要的介绍。2．2PAPR抑制的预畸变技术2．2．1限幅算法限幅法【36】是一种抑制OFDM系统中PAPR的有效方法。在信号经过非线性部件之煮萋对其进行限幅，就可以使得信号峰值低于所期望的最大电平值【翊。其基本思想是：给定～个门限值，对时域OFDM信号中包络超过门限值的部分进行直接削除，保持削除前信号的相位；对于时域OFDM信号中包络来超过门限值的部分则鲞接输出，不做任何处理。图2-4为限幅原理示意图，图中磊是限幅门限，当OFDM时域信号＆．，的幅度|&．；|大于门限Th时，直接将其幅度值置为Th，相位保持不变；其他信号则保持不变，从而得到限幅后的信号瓯J。可见，经过限幅处理后的时域信号五J与原信号&．，有如下关系：最，，：．Sk,l，[SkJj≤'，z。o，1，⋯，Ⅳ一1(2。8)3江，；f=2‘l工^。2一，，，，|歌，f|>乏’。==o，1'⋯'。V—’1‘2⋯8’其中霸表示限幅门限，l屯』l表示&，，的幅度，氟，，表示&’，的相往。．16． 第二章多载波移动通信系统中的峰均比问题JIImJk,I‘户厂态一＼爿而图2_4限幅原理示意图图2．5给出了限幅方法的实现框图：先将输入数据调制成最．『，常用的调制方式有BPSK，QPSK，16QAM等，如在QPSK调制下，￡．，∈{1，-1，J，一J)。然后进行IFFT，从而变成时域信号&。，最后对该时域信号进行限幅处理，得瓦．fo图2—5限幅方法实现框图限幅过程是由限幅比(ClippingRatio，简称CR)来决定的，而限幅比定义为限幅门限与OFDM信号的方均根值的比值。CR：善(2-9)E{sk』)其中E{o)代表数学期望。显然，限幅后的系统PAPR(dB)=lOlog。。CR2。限幅法虽然可以有效抑制峰均比，但由于所进行的是非线性的处理过程，因而会引起信号失真，恶化传输性能。限幅对误码率(Bit．Error-Ratio，BER)的影响和PAPR抑制效果与限幅门限值死的选取直接相关：在不考虑功率放大器等器件的前提下，门限值死越小，输出信号的PAPR越小，但BER越高；反之，门限值死越大，输出信号峰的PAPR越大，但BER越低。因此，限幅门限值应根据系统峰均比和误码率要求谨慎选取。图2-6和图2．7分别给出了在调制方式分别为BPSK和16QAM，子载波数为N=1024的条件下，采用限幅方法的OFDM系统的BER性能，其中假设信道为高斯白噪声(AWGN)信道，当信号功率归一化后，．17． 电子科技犬学颈士学位论文限幅}]限值霸分别为2．239、1．778和1．413，对应的淞P哭值分别为7dB、5dB和3dB。配∞蕊笛∞Eb／N0(dB)图2．6BPSK调制方式下不同门限的BER性能Eb／N0(dB)图2．716QAM调制方式下不同门限的BER性能．18． 第二章多载波移动通信系统中的峰均比问题综合图2-6和图2．7可知：在给定SNR的条件下，门限值越小，BER越高，可见门限值的选取与系统的BER有着直接的关系。如前所述，由于限幅是一个非线性过程，它将导致严重的带内干扰和带外噪声，从而降低整个系统的误码率性能和频谱效率‘381。其原因在于限幅操作可以被认为是OFDM采样符号与矩形窗函数相乘，如果OFDM信号的幅值小于门限值时，则该矩形窗函数的幅值为1；如果信号幅值需要被限幅时，则该矩形窗函数的幅值应该小于1。根据时域相乘等效于频域卷积的原理，经过限幅的OFDM符号的频谱等于原始OFDM符号频谱与窗函数频谱的卷积，因此其带外频谱特性主要由两者之间频谱宽度较大的信号来决定，也就是矩形窗函数的频谱来决定。综上，限幅方法的优点主要在于：(1)简单，引入的计算复杂度很低；(2)抑制峰均比的效果明显。虽然限幅方法有以上优点，但也会给OFDM系统带来相关的问题：(1)对OFDM符号幅度进行畸变，会对系统造成自身干扰，从而导致系统的BER性能降低，且限幅门限值越低，系统BER性能越差；(2)OFDM信号的非线性畸变会导致带外辐射功率值的增加，其原因在于限幅操作可以被认为是OFDM采样符号与矩形窗函数相乘。2．2．2压缩扩展算法除了限幅法之外，另一种信号预畸变技术就是对信号实施压缩扩展【39】【删(CompandingTransform，简称C变换)。其基本思想是：将大功率信号压缩，小功率信号放大，从而使得整个发射信号的平均功率保持相对不变。由于峰值功率被压缩，因此可以有效地减小系统的PAPR，同时可以使得小功率信号的抗干扰能力有所增强。常用的压缩扩展算法有A律，∥律等。在现有的压缩扩展算法中，以口律压缩扩展算法最为简单有效，可以采用如下公式来描述：五．，：=．：：!!．!!!!一，，：=。，。，⋯，Ⅳ-1一(2-10)&．，5——面昔广√刮，l，⋯∥’．19． 电子科技大学硕士学位论文其中A可以看作是C变换的转折点，当k√≤彳时，则五，，>sk．『，反之则耳，，≤&’』．∥为一给定值，图2-8为∥律压缩扩展示意图。以A=I为分界点，小信号增大，大信号减小，呈现出向A=I点靠拢的趋势；且∥越大，这种趋势越明显，信号的峰值也越小；但是信号的分辨率也会随着∥的增大而降低，从而影响系统的BER性能，因此∥不宜取得过大，一般取／．t≤5。压扩后图2-8∥律压缩扩展示意图扩前通常取彳=E{k』I}或A=max{ls“1)。当彳为&，，的平均幅值时，可以保证变换前后的平均功率大致相等；当A为&．，的最大幅值时，则可以更好的增强小信号的抗干扰能力。本文在实际仿真中取彳=ma)【《&'，I)，可以使系统获得更好的BER性能，但需要在C变换后对信号进行功率归一化，保证平均功率不变。被∥律压缩扩展算法畸变的信号可以通过逆运算进行恢复，其表达式为：《J=一彳’A’exp∥s印(《』)Ⅵ～州，+∥)．s印(夏，)∥，l=0，1，．．．，N-1(2-11)其中彳’=maX《《，小，∥与发射机一致。式(2一11)实际是由式(2-10)反解出&，，得来的，因此当信噪比足够大时，可以完全恢复出原始的数据信号。图2-9给出了∥律压缩扩展算法的收发机框图。．20． 第二章多载波移动通信系统中的峰均比问题刊凄裂H脚FTH压笳雾展H盏信道计算最大幅值图2．9Ⅳ律压缩扩展算法的收发机框图通过仿真，本文将／．t律压缩扩展算法与传统的限幅方法进行了比较。系统的仿真参数为：OFDM子载波数N=64，传统限幅方法中限幅比例CR=2，∥律压缩扩展算法中,／1=8，分别在QPSK和16PSK两种调制方式下实现。PAPR性能如表2．1所示，两种方法的PAPR性能相似；BER性能如图2一lO所示，其中在QPSK调制下，限幅方法的BER性能优于∥律压缩扩展算法，但是在大星座图(16PSK)调制下，随着系统信噪比的增加，∥律压缩扩展算法的BER性能将更好。由此我们可以得出，压缩扩展算法同样能有效抑制OFDM系统的PAPR。与限幅算法相比，同样的PAPR抑制性能下，压缩扩展算法在高信噪比信道中的BER性能优于限幅算法。但由于其实现计算复杂度较高，不利于与其他方法结合使用，且在低信噪比信道中无明显优势，因此在实际应用中较少涉及该算法。表2．1压扩方法与限幅算法的最大PAPR比较最大PAPR(dB)映射方式原始OFDM符号限幅方法压扩方法QPSK12．09656。92057。098416PSK11．73866．88626．8631．21． 电子科技火学硕士学位论文图2．10∥律压缩扩展下的OFDM系统BER性能2．2．3加窗算法如前所述，在限幅算法中，经过限幅的OFDM符号的频谱等于原始OFDM符号频谱与矩形窗函数频谱的卷积，因此其带外频谱特性主要由两者之间频谱宽度较大的信号来决定，也即是由矩形窗函数的频谱来决定。为了克服矩形窗函数所造成的带外辐射过大的问题，引入一种新的加窗(Windowing)算法【4l】【421，采用其他非矩形窗来代替矩形窗，可以有效降低带外频谱的干扰。选择窗函数的原则是：频谱特性比较好，具有尽可能窄的带宽；同时在时域内不能过长，避免对更多的时域采样信号造成影响。常用的窗函数有高斯(Gaussian)窗、余弦(Cosine)窗、汉明(Hamming)窗、凯撒尔(Kaiser)窗等等【43】。在本文的第三章中，将对OFDM系统抑制PAPR的加窗算法进行详细讨论。本文选择sinc窗函数，其带宽与OFDM符号带宽相同，理论上没有带外辐射的影响。并针对该算法误码率较高的缺点，结合传统的信号恢复算法，提出了一种加窗OFDM系统的信号恢复新算法。．22． 第二章多载波移动通信系统中的峰均比问题2．3本章小结PAPR是OFDM／0FDMA系统中必须解决的问题之一，也是影响OFDM／OFDMA技术实用化的关键因素之一。本章对OFDM信号的PAPR问题进行了理论分析和数学推导，阐明了PAPR的定义、分布以及相关问题，介绍了几种传统的PAPR抑制方法，为以后章节所涉及的PAPR抑制技术及相关分析提供了理论依据。然后重点分类阐述了现有OFDM系统PAPR抑制的预畸变技术方案。其中限幅算法以其突出的优点成为目前PAPR抑制技术中最为广泛使用的技术；压缩扩展算法由于其自身的缺陷性，只在理论中出现，并未在实际中得到推广，但其具有的特点对我们在系统设计中仍具有一定的借鉴意义；加窗算法可以看作对限幅算法的优化，也有比较重要的研究意义。．23． 电子科技大学硕士学位论文第三章加窗OFDM系统联合信号恢复算法研究3．1OFDM系统加窗技术研究3．1．1引言限幅后的OFDM信号的频谱是原信号频谱和矩形窗频谱的卷积，带外辐射特性主要是由这二者中频谱较宽的矩形窗所决定。由于矩形窗在频域的响应是一个sine函数，因此限幅OFDM信号在频谱上具有无限响应，从而带来严重的带外辐射问题，将对相邻频段产生干扰。为了克服矩形窗函数所造成的带外辐射过大的问题，可以利用其它的非矩形窗函数对OFDM时域信号进行削减，这类方法统称为加窗算法【41】【421。同限幅法相比，由于加窗算法是OFDM信号与频谱有限的窗函数相叠加，因而带外辐射较低。然而，加窗算法所选用的窗函数在时域上所影响的信号点要比限幅法多，也就增加了带内失真的影响，导致传输性能下降。sine窗的优点在于，从理论上讲，它在时域是一个sine函数，对应的频域信号为一个矩形窗函数，当矩形窗函数的带宽与OFDM符号带宽一致的时候，则完全没有带外辐射问题，如图3．1所示。JI双U石．＼＼dFF＼N一J循f＼J循／、^八√U厂＼^^～一一VVV、，rf图3．1sine窗的时域信号和频域信号但是由于sine窗在时域具有无限响应，对整个OFDM时域信号都会造成影响，从而就加剧了带内失真，也引入了更大的计算复杂度，造成系统冗余。因此在实．24． 第三章加窗OFDM系统联合信号恢复算法研究际应用中，需要对sine窗作适当的截断处理，在带内失真和带外辐射上寻求一个折衷。3．1．2系统模型如前所述，加窗算法的关键在于对窗函数的选取。其选取准则为：在时域和频域均具有有限响应，从而在带外辐射和带内失真间取得平衡。加窗算法的基本思想是：预定一个门限死，当OFDM时域信号毛的幅度hI大于门限死时，则在信号对应位置减去一个窗函数，该窗函数应具有较好的频谱特性，且在时域范围内不能对原时域信号造成太大的影响；窗函数的幅度与(kI-r。)相关。为了便于描述，本章用连续的时域信号来对系统进行分析，在实际仿真过程中，只要对连续信号作奈奎斯特(Nyquist)采样，即可得离散的数字信号。设原始的OFDM信号为s(f)，则通过加窗算法后的信号；(f)可以表示为j(f)=s(f)+后(f)(3-1)其中七(f)为一个加权后的参考函数，它是所有超过门限死的值其超出部分与sine函数相乘后的集合。若s(‘)满足Is(‘)I>瓦，为超出门限的采样点，令4一啦㈤心)罱(3-2)则有后(f)=∑49(f一‘)(3-3)其中g(t)为所选的参考函数，在本文描述的算法中，g(f)为sine窗函数g(f)=sinc(n'Bt)(3_4)B为OFDM信号的带宽。图3．2给出加窗算法的示意图。．25． 电子科技久学硕士学位论文图3-2加翁算法示意图如图3．2所示，在‘和乞时刻，OFDM信号的峰值大于门限死，因此生成两个分别以‘和乞为对称点的sine函数49(t一‘)和A29(t-t2)，二者的相加即为参考函数东(f)；将露(￡)与原信号s∞相叠加，即得加窗信号；∞。此时；(￡)的峰值已经降到了门限以下，但由于尼(f)对峰值信号周围的点也会造成影响，因此会影响到系统的BER性能，甚至造成其他点的峰值回升到门限以上。图3．3是加窗算法的原理框图。把图中的sine窗换成矩形窗即为传统的限幅算法。在输出端检测；7dB)条件下，本文提出的联合加窗的信号恢复算法的BER性能更优。Eb／N0(dB)图3—14QPSK调制下联合加窗的信号恢复算法的BER性能．36． 第三章加窗OFDM系统联合信号恢复算法研究如图3．15，在16QAM调制下，同样在大信噪比(Eb／N0>10dB)条件下，本文提出的联合加窗的信号恢复算法的BER性能优于限幅算法。同时在接收端做三次迭代的BER性能明显优于一次迭代的情况，但五次迭代对系统的BER改善已无明显影响，并且还会使其在低信噪比情况下的BER性能恶化。这是因为在低信噪比的情况下，信道噪声占主导地位，当接收端做信号恢复时，也把信道噪声也作为加窗噪声处理了，从而使得系统的BER性能受到了影响。随着系统信噪比的增大，加窗噪声逐渐占据主导地位，多次迭代后能有效消除残留加窗噪声，使系统的BER性能更加接近原始信号。Eb／N0(dB)图3·1516QAM调制。f=联合加窗的信号恢复算法的BER性能图3．16验证了联合迭代加窗的信号恢复算法的性能。系统在上述仿真参数的基础上，对发射端的加窗模块作3次迭代(Iterr=3)，同时接受端信号恢复处理的迭代次数(Itern)为1、3、5次，而每次信号恢复处理中也连续作3次加窗处理，系统采用16QAM的调制方式。通过仿真可以看出，本文提出的信号恢复算法对迭代加窗OFDM系统同样适用。3次迭代时，消除了BER性能上的平台；5次迭代情况下进一步还有3dB的Eb／N0增益。但是随着发射端加窗的迭代次数以及接收端信号恢复处理的迭代次数的增加，系统的计算复杂度将大大增加，给系统带来了大量的冗余，因此在实际应用中，需要在系统的PAPR性能、BER性能、发射．37． 电子科技大学硕士学位论文端加窗的迭代次数以及接收端信号恢复处理的迭代次数上求得平衡。Eb／N0(dB)图3．16联合迭代加窗的信号恢复算法的BER性能综上，本文所提出的联合加窗的信号恢复算法，能够有效的提高OFDM系统的BER性能，但是由于该算法需要在接收端做多次迭代，必然会引入较大的计算复杂度，因此需要在迭代次数和BER性能上作一个折衷。3．3本章小结峰值加窗算法能有效克服OFDM系统下限幅法所采用的矩形窗函数所造成的带外辐射过大的问题。本章首先对传统的加窗算法作了理论分析，通过对系统模型的描述和仿真验证，说明加窗算法能有效降低系统的带外辐射问题。但由于加窗算法中每次加窗都会对多个时域信号点产生影响，因此造成了系统BER性能的恶化。针对这个问题，本章提出了一种加窗OFDM系统下的信号恢复算法，该算法通过在接收端重构加窗噪声，并将其从接收信号中减去，以达到恢复原始信号的目的。通过仿真验证，经过多次迭代，该算法能有效提高加窗OFDM系统的BER性能。但由于迭代会造成系统计算复杂度增加，因此需要在迭代次数和BER性能上作一个折衷。．38． 第四章OFDM系统改进的迭代限幅滤波算法研究[S3]第四章OFDM系统改进的迭代限幅滤波算法研刭83】4．1OFDM系统改进的迭代限幅滤波算法4．1．1引言限幅法的基本思想是：给定一个门限值，对OFDM信号包络超过门限的部分直接进行削波处理。限幅法简单可行，具有较低的计算复杂度和明显的PAPR抑制效果，是目前应用最广泛的PAPR抑制方案之一。但是，由于限幅法是一个非线性过程，因此会给系统带来严重的带内失真和带外辐射，从而使系统的传输性能恶化。带外辐射问题会造成相邻通信频段的干扰，针对这个问题，本文的上一章所讨论的加窗算法用非矩形窗代替矩形窗削除峰值，虽然对带外辐射的降低效果明显，但却加重了系统的带内失真，同时计算复杂度较大。传统方法中，文献[45][46】提出对限幅信号进行滤波来抑制带外辐射，但滤波后带外限幅噪声又回到带内，从而导致系统的PAPR的回升【461。文献[471提出利用迭代限幅滤波来抑制PAPR的回升，然而迭代中需要将OFDM信号在时域和频域间反复转换，从而引入了较高的计算复杂度。文献[48】提出一种简化算法，通过计算迭代限幅滤波的噪声，用一次迭代来近似传统方法中的多次迭代，但其PAPR抑制性能与传统的迭代限幅滤波方法还有一定差距，且该方法会造成系统BER性能恶化。针对上述问题，本章提出了一种改进的迭代限幅滤波算法。该算法将OFDM信号分成偶信号和奇信号分别进行限幅滤波处理，该算法在与传统迭代限幅滤波算法具有相同的迭代次数和计算复杂度下，PAPR性能收敛更快，而对BER性能影响不大，是一种更佳的算法。4．1．2传统迭代限幅滤波算法限幅法是最简单的OFDM系统PAPR抑制方法，但由于限幅是一个非线性过程，因此将给系统带来带内失真和带外辐射。为了降低带外频谱的干扰，需要对限幅后的信号进行滤波。图4．1描述了OFDM系统下限幅滤波算法的系统框图。．39． 电子科技大学硕士学位论文I迭代限幅滤波I(1)对调制映射后的信号s=【＆，墨，．．．，晶一。】T进行过采样，即插零处理；趾卜‰．I，黼％∥．．，乳。]T降，，∥2卜”％z-I，黼乱Ⅲ⋯A一．jH-1)(2)S’通过IFFT实现OFDM调制，得到时域信号5’；s’=厢．IFFT刷{S7)(4—2)(3)J7经过限幅处理以削减峰值，如式(2-8)，得r；(4)将限幅后的时域信号∥通过FFT转换为频域信号S7；雪，：焉1．FFk㈣(4-3)心斟一、。(5)此时§’=[磊，鼋，．．．，．％一。]T，滤波操作即人为的将带外信号置零；站卜溉中黼‰，．．岛]T件4，L(．，一1)Ⅳ个oJ再由IFFT变换到时域，就完成了一次限幅滤波过程。通过滤波可以有效滤除带外频谱的干扰，然而带内的限幅噪声是无法通过滤波操作消除的，因此仍然会对系统的误码率性能造成影响。滤波的一大缺点是会导致峰值再生，幅滤波过程【471来进一步降低信号的峰值：PAPR值为止。因此在实际应用中，一般通过多次的限重复上述步骤(1)．(5)，直到达到理想的．．40．． 第四章OFDM系统改进的迭代限幅滤波算法研究[S3】本文对迭代限幅滤波系统的PAPR分布和BER性能进行了仿真验证，如图4．2和图4．3所示。其中OFDM子载波数N=1024，过采样因子J=4，限幅比例CR=I．778，其对应的PAPR为5dB。迭代次数Iter分别取1~4。从仿真结果可知，当迭代次数Iter=l时，滤波所造成的信号PAPR回升相当严重。随着迭代次数的上升，PAPR分布也不断得到改善，逐渐趋近预定的5dB峰均比；同时，BER性能会随着迭代次数的增加而变差，但损失并不严重。可见迭代限幅滤波方法确能有效抑制OFDM系统的PAPR问题。‘QU图4．2传统迭代限幅滤波OFDM系统的PAPR性能．41． 电子科技大学硕士学位论文图4．3传统迭代限幅滤波OFDM系统的BER性能由于迭代限幅滤波算法对OFDM符号进行了过采样，所以大大增加了FFT／IFFT变换的计算复杂度。对于一次FFT／IFFT变换，在常用的基．2IFFT算法下复数乘法的次数i虫(N／2)l092N次增加为(3N／2)l0923N次：同时由于在迭代操作中需要将信号反复的在时域和频域之间转换，随着迭代次数Iter的上升，系统的计算复杂度将成倍增长。因此，迭代限幅滤波算法的性能衡量标准，主要体现在PAPR抑制效果和计算复杂度的折衷上。在下一节里，本文针对现有的迭代限幅滤波算法，提出了一种改进算法，该算法能够在同样的迭代次数的前提下，取得比传统方法更佳的PAPR抑制效果。4．1．3改进算法系统模型如前所述，迭代限幅滤波算法可以有效降低带外辐射对系统的影响，但FFT／IFFT计算复杂度会大幅增加，需要在PAPR性能和计算复杂度上作一个折衷；且随着迭代次数的增加，PAPR抑制性能的收敛速度将变慢。针对这个问题，本文提出了一种改进算法，该算法能在相同的计算复杂度下，获得由于传统算法的PAPR性能。令OFDM调制前的频域信号：．42． 多四章OFDM系统改进的迭代限幅滤波算法研究[s3】S=【&，Si，．．．，晶一。】T=sm+妒(4—5)其中So)．【氐，0，足，0，．．．，虱掣011定义为“偶信号"，即对频域信号S取偶数位置的频点所生成的划分信号；S‘2’=【o，S。，0，墨，．．．，0，晶一。】T定义为‘‘奇信号"，即对频域信号S取奇数位置的频点所生成的划分信号。则对S作OFDM调制，通过IFFT变换到时域信号时，有：瓯=届·Ⅲn㈨=打·Ⅲn㈣+删=J灿职o≤后≤Ⅳ一1(4-6)其中s‘n，s‘2’分别对应S(1’和S‘2’经过IFFT变换后的时域信号。令j(J)：【&，足，．．．，晶一：1T是一个iN维向量，为所有偶频点的集合，称为··偶频信号”，则歹(1’和S(1’的对应关系可表示为：妒：鲫，0乙时，需要对信号作限幅处理。如果在给定霹2’7的情况下，使限幅后的鳄r≤乙千霹2y，则是对偶频信号完成了一次限幅处理；同理在一H～。--。(矿的情况下，使限幅后的±；∥≤乙一霹”’，则是对奇频信号完成了一次限幅处理。由此给出改进迭代限幅滤波模块的基本原理框图如图4．5所示。以偶频信号ik‘1’’的处理为例，在自适应限幅模块中，联合给定的奇频信号霹2y的情况下，使得其满足≤1’’±霹2’’≤瓦，即应考虑到奇信号的符号转置问题。因此，首先定义函数厂(x，J，)=卜y,当，当lxl工++yl>_I瓦，七=。，1．，⋯，!笋一1．(、A、-IrW(I)t"4"，／'S,(i)t-9，：(1)’一J}一n竺一10、5。—。1乙?，。；硝，．。，、。，霹：，’)I>瓦’月’—’u’1’⋯’2‘、—’1。’’参考传统限幅滤波算法中的步骤，式(4．3)和式(4．4)，依次对限幅后的偶频信号≤妒作了JAr阶的FFT变换、滤波处理，然后再通过竿阶的IFFT变换，得到本次迭代的输出偶频信号《1)，。随后，根据输出偶频信号《D7，对奇频信号毒2y作门限为五的限幅处理，输出的限幅信号筚’’需满足矽+厂(科聊陋，尼=0,1，．．．，TJAr一1(4-20)．47．． 电子科技大学硕士学位论文同理可得奇频信号的自适应限幅门限为瓦?’=一l／(霹”，爰妒)lcos(旌1)，一旌2)7)+F而砑丽两@。21’华k．{篱-gaFg纛7-／‘黧k加叫，．．毕⋯啦，∥2弦∥，矽懈去枇加0’1’⋯，等。@乏2’对奇频信号完成自适应限幅之后，对信号依次进行竿阶的FFT变换、滤波Z处理，然后再通过了JW阶的IFFT变换，得到本次迭代的输出奇频信号≤2r。二由此完成了本算法的一次迭代过程。然后将输出偶频信号掣’和奇频信号j∥作为输入信号再次送入改进迭代限幅滤波模块进行处理，直到输出信号F的PAPR性能满足要求为止。在传统的迭代限幅滤波算法中，每次迭代处理需要进行分别一次Ⅳ阶的IFFT和FFT，在常用的基．2IFFT算法下复数乘法的次数为．fNl092JN；而在本文提出的改进限幅迭代算法中，每次迭代过程包含两次3N／2阶的IFFT和FFT变换，复数乘法的次数为JNl092(3N-1)。考虑到新算法中的相移、信号扩展和符号转置等操作，可以认为其计算复杂度与传统方法大致相当。但由于新算法在每次迭代中实际上进行了两次限幅滤波操作，因此系统的PAPR性能收敛速度更快。且在每次迭代中，限幅门限乃?’、瓦孑’可以根据各频点的位置和值作自适应的调整，也能较好的控制系统的BER性能。4．1．4仿真结果通过计算机仿真，本文验证了所提出的新方法性能如下：其中OFDM系统的参数为：子载波数N=2048，过采样因子J----4，调制方式为16QAM；限幅比例分别为CR=I．778和2．512，其对应的PAPR为5dB和8dB；限幅滤波的迭代次数为Iter--4。在计算限幅OFDM系统的BER的时候，所采用的仿真信道为高斯白噪声(AWGN)信道。．48． 第四章OFDM系统改进的迭代限幅滤波算法研究[S3]图4．7和图4．8比较了在不同门限的情况下，传统迭代限幅滤波方法、文献[48]所提出的近似方法与本文所提出的新算法的PAPR抑制性能。通过比较可以看出，文献[48】所提出的近似方法虽然只需要进行一次限幅滤波，在计算复杂度上优于传统方法；但在PAPR抑制性能上，与传统方法仍存在差距，且限幅比例CR越低，这种差距越明显。这是因为在低门限下的限幅操作将会带来更严重的带外辐射，再通过滤波操作后，信号的峰值回升会更加迅速。而本文所出的新方法可以获得比传统方法更佳的PAPR抑制性能。例如，在限幅比例CR=2．512，CCDF=104时，在相同的迭代次数和计算复杂度的前提下，本文所提出的改进算法可以比传统限幅滤波多获得0．5dB的PAPR增益。‘oUoPAPR(dB)图4．7PAPR抑制性能比较，限幅比例CR寻1．778．49- 电子科技大学硕士学位论文PAPR(dB)图4．8PAPR抑制性能比较，限幅比例CR=2．512图4-9和图4．10比较了在不同门限的情况下，传统迭代限幅滤波方法与本文所提出的新算法的BER性能。通过比较可以看出，在高限幅比例CR情况下(图4．10)，新算法的BER性能与传统方法十分相近，引入的传输性能损失非常低：在低限幅比例CR情况下(图4．9)，由于滤波后带内峰值回升对BER性能影响更大，因此不如高限幅比例CR下的BER性能理想。但在低信噪比的情况下(BEI◇lO之)稍逊于传统方法(Eb／N0z)一1一(1一e-Z)材(5·2)由式(5．2)可知，连续OFDMA系统的PAPR分布主要取决于每个用户所分配的子载波数M而不是总的子载波数Ⅳ，其分布与具有M个子载波的OFDM系统的PAPR分布相同。本文对连续OFDMA系统的PAPR性能进行了仿真，并将其与OFDM系统的PAPR性能作了比较。系统的调制方式为16QAM；连续OFDMA系统的子载波总数为N=1024，用户数9=4，则每个用户分配的子载波数为M=256；传统OFDM系统的子载波数为256；同时为了收集到较大的峰值功率，使其PAPR分布更接近于连续信号，系统的过采样因子为J=4。图5．2的仿真结果验证了式(5．2)的结论。．54． 第五章交织OFDMA系统新限幅滤波算法研究[S1][S2】图5．2连续OFDMA系统的PAPR分布B．顺序交织OFDMA系统在顺序交织分配子载波的OFDMA系统中，每个用户的子载波平均分散在整个带宽中，各用户的子载波交替排列。即将Ⅳ个子载波分均分为M个子集，每个子集中Q个用户按顺序分得1个子载波，如图5．3所示。例如，第g个用户的子载波序列为{g，Q+q，．．．，似-1)Q+q}，其中o≤q口)=1-(1一e-Ct)Ⅳ(5-6)由式(5．6)可知，随机交织OFDMA信号与具有全部Ⅳ个子载波的OFDM信号PAPR分布相同，从而与连续OFDMA、顺序交织OFDMA相比，具有更高的PAPR分布。本文对随机交织OFDMA的PAPR分布进行了仿真，并与顺序交织OFDMA、传统OFDM系统作了比较。其中系统的调制方式为16QAM；OFDMA系统子载波总数为N=1024，用户数Q--4，每个用户可用子载波数M=256：传统OFDM系统的子载波数为1024；同时为了收集到较大的峰值功率，使其PAPR分布更接近于连续信号，系统的过采样因子为J=4。图5．6的仿真结果验证了式(5．6)的结论。同时可知，随机交织OFDMA信号的PAPR高于顺序交织OFDMA信号。．57． 电子科技大学硕士学位论文PAPR(dB)图5．6随机交织OFDMA系统的PAPR分布综上所述，连续OFDMA系统和顺序交织OFDMA系统具有较优的PAPR分布特性，但连续OFDMA系统的子载波分配方式过于集中，没有充分利用频率分集，因而不利于对抗无线衰落信道所具有的频率选择性衰落；顺序交织OFDMA系统与随机交织OFDMA系统的数据子载波都在频域均匀分布，更利于频率分集和对抗无线衰落信道的频率选择性衰落，但随机交织OFDMA系统的PAPR问题比顺序交织OFDMA系统更加严重。因此，顺序交织分配是一种更佳的OFDMA系统的子载波分配方式。在本章的第二节中，将根据顺序交织OFDMA子载波分布的规律性，联合传统限幅滤波算法，提出一种简化IFFT／FFT变换计算复杂度的新算法，该算法与传统算法相同的峰平比抑制性能，且大大降低了计算复杂度，是一种较优的算法。5．1．3OFDMA系统的带内噪声滤除由上一节的推导可知，由于OFDMA系统同样采用了多载波并行传输的结构，同OFDM系统一样，高PAPR问题也存在于OFDMA系统中，成为其实用化的一个显著障碍。由于OFDMA系统沿用了OFDM的结构，因此依然可以结合传统的PAPR抑制算法f45】．f471。传统的限幅法作为最简单有效的PAPR抑制方法，在OFDMA系统．58． 第五章交织OFDMA系统新限幅滤波算法研究[s1][s2]下同样适用。如前所述，由于限幅是一个非线性过程，将会给系统带来严重带内干扰和带外辐射。其中带外辐射问题可以通过迭代限幅滤波的方法改善，但带内的限幅噪声却无法通过滤波操作消除的。如图5．7所示，子载波总数N=1024，用户数沪4，每个用户子载波数M=256，采用随机交织的子载波分配方式的OFDMA系统，采用16QAM调制，过采样因子户4，在限幅比例CR=I．778的条件下，经过4次迭代之后，限幅噪声几乎均匀的分布在整个带内频谱范围中。因此噪声不仅会对该用户自己的传输性能造成影响，还会给其他三个用户带来干扰，从而降低其他用户的BER性能。当系统处于满用户传输状态的时候，每个用户产生的带内限幅噪声将会叠加在一起，造成系统性能恶化。子载波位置№图5．7迭代限幅滤波算法引入的带内噪声为了最大限度的消除限幅噪声对其他用户BER性能的影响，本文提出一种OFDMA系统带内噪声滤除方法，其基本原理框图如图5．8所示。该方法在传统限一59． 电子科技大学硕士学位论文幅滤波算法的基础上，增加一个带内滤波模块，将带内其他用户位置上的噪声全部滤掉，则限幅噪声仅对用户自己产生影响。l一一一里全笆竖差连幽鲤塑造坠一一j图5．8OFDMA系统联合带内噪声滤除的迭代限幅滤波原理框图本文对上述算法进行了仿真验证。系统仿真参数为：子载波总数N=1024，采用随机交织的子载波分配方式，系统采用16QAM调制，过采样因子,／--4，限幅比例CR=I．778，对应的最终信号PAPR为5dB。图5-9和图5．10的用户数Q=4，则每个用户子载波数M=256，图5．11的用户数Q=16，则每个用户子载波数M=64。其中图5-9是35次迭代后的带内噪声，图5．10和图5．11是系统的PAPR分布情况。子载波位置图5．9联合带内噪声滤除的迭代限幅滤波算法引入的带内噪声．60． 第五章交织OFDMA系统新限幅滤波算法研究[S1][S2】山口U【■QUPAPR(dB)图5．104用户OFDMA系统带内噪声滤除的PAPR性能PAPR(dB)图5．1l16用户OFDMA系统带内噪声滤除的PAPR性能由仿真结果可以看出，联合带内噪声滤除的迭代限幅滤波算法，对其他用户．61． 电子科技大学硕士学位论文位簧上的噪声为0，即对其他用户的BER性能不造成影响；但该算法需要很高的迭代次数才能明显改善系统的PAPR性能。例如，在4用户的情况下，35次迭代后的系统PAPR值约为5．4dB(CCDF=Io-'情况下)：两在16用户的情况下，为了使系统的PAPR值降低到5．9dB(CCDploq情况下)，需要的迭代次数高达75次。这是因为和传统的仅带外滤波的算法相比，增加了带内滤波之后，每次迭代中滤除的限幅嗓声将更多，所以峰值回升将更加迅速，从而大大降低了PAPR的收敛速度；同理，对4用户的OFDMA系统，可以滤掉3／4的带内限幅噪声，而对16用户的OFDMA系统，则滤掉了15／16的带内限幅噪声，因此，随着用户数的增加，PAPR的收敛速度也将逐渐降低。根据上述分析和仿真结果，联合带内噪声滤除的迭代限幅滤波，能在抑制OFDMA系统PAPR问题的同时，有效消除限幅噪声对其他用户的干扰，但由于迭代次数较高，引入了巨大的计算复杂度，从丽会降低系统的传输速度和整体性能，因此该算法只在理论中讨论，实用性不大。5．2交织OFDMA系统中的简化限幅算法5．2．1引言如前所述，OFDMA是以OFDM为基础的一种新颖的多址方式，通过必每个用户提供部分可用予载波的方法来实现多用户接入。在传统的FDMA系统中i不同用户的频谱相重叠会弓|入多址干扰；而在OFDMA中，予载波的正交性保证了不存在载波间干扰，因而也就抑制了多用户的多址干扰。OFDMA可以采用正交子频段去区分不同用户，频谱效率优于FDMA[491。网前，OFDMA信号PAPR抑制研究的文献还不多见；文献[261提出了利用OFDM峰均比抑制的传统方法来降低OFDMA信号的峰均比，但并没有结合OFDMA信号本身的特性。本节针对顺序交织OFDMA系统子载波分布的规律性，提出了一种具有低复杂度的弹心R抑制方法，该算法与传统方法具有相同的PAPR抑制性能，但计算复杂度将减少75％(4用户情况下)左右，是一种较优的算法。5．2．2系统模型由于顺序交织OFDMA子载波分布的规律性，在文献【50】中介绍了一种简化发射机。首先重写顺序交织OFDMA信号的等效数字基带信号如下：．62． 第五章交织OFDMA系统新限幅滤波算法研究[s1][s2】其中M-1，，”晕)_∑黠’exp[_，等(mQ+g)后]m=O』V=M薹-I驰Xp(．『学)eX町等)(5-7)=p?’g≯’，o≤k<Ⅳp：q)=exp(／警)站’=M萎-I鼯’e冲(_『专笋)站’=∑鼯’eXp(_『等’(5—8)(5-9)显然，式(5．8)是相位因子序列，式(5—9)可以看作是一个M阶的IFFT。将肘阶的IFFT代替传统的方法中的Ⅳ阶IFFr，计算复杂度大大的降低了。考查s勉圳a=o，．．．，Q，b=o，．．．，Ⅳ的值：号。‰=舭拙a=eXp(／警彬∥(5-lo)设计一个简化交织OFDMA信号发射机，通过以下步骤得到交织OFDMA信(1)信源通过一个肘阶的IFFT，得到一个OFDM符号序列g∽=[酣’，g‰．．，砖汀(5-11)(2)对或引，6=0'⋯，M一1，乘以相位因子以9)=exp(／等)，新生成的序列记为h㈤=[pi9’酣’，科9)gP’，．．．，以!。以!。]T(5-12)(3)重复h‘引，并对第a(a=O，．．．，Q一1)段，成一个完整的OFDMA符号乘以相位因子ex烈．，百2’rqa)，从而构弘)=hq),exp(j2万q讪㈤，．．卿c-，警∥们]T侉∽．63． 电子科技大学硕士学位论文图5．12给出了一个简化交织OFDMA信号发射机的示意图。s扎⋯，521。心1，．．≯糌一ll⋯·ls涩胪．．，s艘匝至二二雪l信号扩展和整体相移l图5．12简化交织OFDMA发射机示意图(4)当系统有PAPR抑制要求时，对5‘9’作限幅滤波，如式(4-1)一式(4．4)，得到j(钉。但是上述方法的一个缺点是：在反复限幅滤波过程中，FFT和IFFT的阶次仍然为,FAr次，计算仍具有较高的复杂度。本文提出一种简化限幅滤波算法，由式(5-12)和式(5．13)n-丁得：J‘g’I--{h‘g’I，⋯，Ih‘口’l，⋯)=={lg‘口’l，⋯，g‘g’I，⋯)(5-14)如图5．13所示，可见相位因子并不影响信号的幅度的大小，s‘e’的PAPR值实际上可由g‘4’得到；对s‘4’限幅实际上也是对g‘9’的限幅，最终信号的PAPR值是由限幅后的g‘9’的PAPR值决定的。．．64．． 第五章交织OFDMA系统新限幅滤波算法研究[Sl儿S2](a)g‘9’限幅前后的幅度(b)J‘。’限幅前后的幅度图5‘13问化明限J瞄不葸图(9=4，胙8)因此，新的算法的具体步骤如下：(1)信源通过一个M阶的IFFT，得N-个OFDM符号序列g(，)=[g≯’，g："，⋯，g譬!。]T(5．15)(2)对g‘9’作限幅滤波，得到季‘"，式(4-1)一式(4．4)；(3)对包引，6=o，．．．，M一1，乘以相位因子背’=eX烈．．，．可2nqb，．，新生成的序列记为和=[础’酵’，硝e’卯’，．．．，砧!。础!。]T(5．16)(4)重复石阳)，并对第口。=0'⋯，Q一1)段，乘以相位因子eXp(j『垒芋)，从而构成一个完整的限幅滤波后的OFDMA符号弘)=／Tt(q),exp(j2：q№(0,．．．,exp(j2；rq(彰Q-1)疹。]Tp∽在迭代限幅滤波中，只需要重复上述方法的步骤(2)。如图5．14，传统的JN阶FFT和IFFT均用JM阶FFT和IFFT代替，对于常用的基．2IFFT算法来说，复数乘法的次数由JNlo匦脚降低为JMlogaJM，计算复杂度不及传统算法的1／Q，在迭．65． 电子科技大学硕士学位论文代限幅滤波中大大降低了FFT和IFFT的计算复杂度。I简化交织OFDMA发射机I图5．14顺序交织OFDMA系统简化迭代限幅滤波框图5．2．3仿真结果系统仿真参数为：交织OFDMA系统的子载波总数为N=2048，用户数为Q=4，从而每个用户的可用子载波数为M=512。调制方式为16QAM，过采样因子J=4，限幅比例CR=I．413，对应的最终信号PAPR为3dB。所采用的信道为高斯白噪声(AWGN)信道。图5．15给出了简化模型联合传统迭代限幅滤波的PAPR抑制性能。其中迭代次数Iter为1~4次。从仿真结果可以看出，在不同的迭代次数中，新算法与传统方法具有相同的PAPR抑制性能。但在传统方法中，FFT和IFFT的阶次为8192，对于常用的基-2IFFT算法来说，复数乘法的次数为(8192／2)lo＆8192=53248次，而简化方法中，只需要2048阶FFT和IFFT，复数乘法的次数(2048／2)10922048=11264次，复杂度降低为原先的21．2％，考虑到相移和周期扩展所带来的计算，其复杂度仍可比传统方法减少75％左右。图5．16给出了简化模型联合传统迭代限幅滤波的BER性能，其中迭代次数Iter----4。从仿真结果可以看出，简化算法与传统方法具有相同的BER性能，在降低复杂度的前提下，没有引入性能损失。因此本算法可以用于构造具有低PAPR的交织OFDMA系统。．66． 山口U幺【工】∞第五章交织OFDMA系统新限幅滤波算法研究[S11[$2】PAPR(dB)图5．15简化模型联合迭代限幅滤波的PAPR抑制性能Eb／N0(dB)图5．16简化模型联合迭代限幅滤波的BER性能，Iter---4．67． 电子科技大学硬士学位论文5．3本章小结OFDMA技术是在OFDM技术基础上发展出来的多址技术，适用于多用户并发通信的环境，高PAPR闯题同样存在于OFDMA系统中。本章首先对OFDMA系统的不同子载波分配方式进行分析，并通过理论推导和仿真验证比较了不同子载波分配方式下的PAPR。然后针对限幅法所引入的带内干扰问题，提出一种联合带内噪声滤除的迭代限幅滤波算法，并给出了该算法的系统模型分析，经过仿真，证明了该算法能有效消除限幅噪声对其他用户的BER性能影响，但该算法的一大缺点是计算复杂度过高，这也是以后的研究中需要着重改进的部分。最詹，根据顺序交织OFDMA系统的子载波分毒的特殊结构，提凄了一种适用于顺序交织OFDMA系统的简化限幅算法，文章对算法原理作了阐述，并分析了系统模型，仿真结果表明，该算法与传统算法具有相同的PAPR抑制性能，并且不引入BER性能损失，但该算法的FFT／IFFT变换的计算复杂度仅为传统算法的25％(4用户情况下)，能大大提高系统传输性能，是一种较优的算法。．68． 第六章全文总结第六章全文总结OFDM由于具有抗频率选择性衰落，频谱效率高和抗窄带干扰的优良特性，非常适应用于无线通信。正在兴起的第四代移动通信研究热潮中，OFDM是候选技术之一。OFDMA是以OFDM为基础的一种高频谱效率的多址技术，适用于多用户并发通信的环境。可见，OFDM和OFDMA技术是未来移动通信的主流技术。OFDM和OFDMA都存在PAPR较高的问题，是其实用化的主要障碍。当信号的峰值超过功率放大器的所允许的动态范围时，会引入非线性失真，从而严重影响系统的性能。因此，PAPR抑制技术是研究OFDM／OFDMA系统不能回避的主要问题。预畸变技术具有峰均比抑制能力强、冗余度低、使用灵活等优点，是目前峰均比抑制领域应用最广泛的技术。针对上述问题，本文对OFDM系统的高峰均比抑制的预畸变技术展开了研究。本文就以下几个方面对OFDM／OFDMA中PAPR进行了探讨：(1)分析了OFDM／OFDMA系统中的PAPR问题，包括PAPR的基本定义及表达式，现有的PAPR抑制方法，重点讨论了PAPR抑制的预畸变技术，并通过仿真给出了相关仿真结果；(2)研究了OFDM系统PAPR抑制的加窗算法，以sine窗为例，对加窗OFDM系统的PAPR抑制性能进行了仿真验证，该算法在对系统带外辐射的消减上有这明显的优势，但会引入较大的带内失真。针对这一问题，本文结合传统的信号恢复算法，提出一种加窗OFDM系统的信号恢复算法，通过在接收端重建加窗噪声来恢复发射数据，通过仿真验证，该算法能有效提高系统的BER性能；(3)研究了OFDM系统下传统的迭代限幅滤波算法，针对传统算法收敛较慢的缺点，提出了一种改进的OFDM系统迭代限幅滤波算法。该算法将传输信号划分为并行的奇信号和偶信号，在每次迭代过程中，对偶信号和奇信号分别进行限幅滤波处理。通过仿真验证，该算法能够在相同的迭代次数和计算复杂度下，取得比传统方法更佳的PAPR抑制性能，并对迭代的限幅门限进行了选取，进一步优化了该算法；．69． 电子科技大学硕士学位论文(4)比较了OFDMA系统各种子载波分配方式下的PAPR分布，并研究了OFDMA系统的带内噪声滤除的算法。并针对顺序交织OFDMA的子载波分配方式的信号特点，提出一种低复杂度的PAPR抑制算法。通过仿真验证，该算法与传统算法具有相同的PAPR抑制性能，且在降低FFT／IFFT计算复杂度上优势明显。由于时间和作者能力所限，本文对OFDM／OFDMA系统中的PAPR抑制技术进行了一些粗浅的研究。在以后的工作中，作者还将就以下几个方面继续探讨：(1)对于加窗OFDMA系统PAPR抑制性能的研究：本文仅就sinc窗的情况进行了研究，没有同其它窗函数进行比较分析，从中寻找具有更好的PAPR抑制性能的窗函数；同时在加窗算法中，对峰值的削除是按照子载波位置顺序进行的，计算复杂度较高，可以考虑结合一种新的峰值搜索方式，减少加窗次数以降低计算复杂度；(2)对于改进的OFDM系统迭代限幅滤波算法的研究：该算法在低门限情况下的BER性能不甚理想，目前通过对限幅门限进行选取，逐步降低到预定门限值的方法进行改进，但在门限的选择上是通过仿真求得经验值，在进一步的研究中，应从理论分析和推导入手，从理论上对该算法进行优化和验证。．70．