毕业设计OFDM系统峰均比抑制技术的仿真研究Word格式文档下载.docx
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摘要
正交频分复用（OFDM）作为第四代移动通信的核心技术之一，利用相互正交的多个子载波叠加来传输信息，具有较高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，具有很多其它无线传输技术所未有的优点，适合于高速的无线数字传输系统，具有广阔的市场前景。
但是，也因此带来了一些问题，例如其固有的高峰值平均功率比问题一直是该技术实用化的一大阻碍。
本论文首先介绍了OFDM技术产生的目的和意义，以及其如今的发展状况。
然后分析了OFDM系统的基本原理及其关键技术，重点分析目前用于降低OFDM信号PAPR的四种方法，即信号预畸变技术、编码类技术、概率类技术和矩阵变换法，着重分析了概率类技术中部分传输序列（PTS）和选择性映射（SLM）这两种方法。
并通过对这几种方法在MATLAB中仿真和比较，得到了PTS是一种复杂度较高的减小OFDM系统PAPR的方法的结论，为此本文了研究了一种降低PTS复杂度的方法——迭代翻转法。
本设计通过理论分析了降低OFDM系统四种方法的优缺点并用MATLAB仿真进行验证，重点研究了一种降低PTS复杂度的方法——迭代翻转法。
通过仿真证明了迭代翻转法不仅能够降低PTS的复杂度，还能减小系统的PAPR。
关键字：
正交频分复用，峰值平均功率比，部分传输序列，迭代翻转法
TheSimulationoftheReductionofPAPRinOFDMsystem
Author：
LiHuiTutor：
HuangLiqun
Abstract
OFDM（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing）isregardedasthecoretechnologyof4Gwirelesscommunicationsysteminthefuture.Ittransmitsinformationthroughorthogonalmultiplesub-carriers.Itisalsoadaptivetoandmultimediadatatransmission.However,itthispaperwhichusedtoproducethepurposeandsignificance,anditsdevelopmenttoday.FocusonanalysisofthecurrentusedtoreducethePAPRofOFDMsignalfourways,namely,thesignalpre-distortiontechnology,blockcodingtechnique,,italsoanalyzestheandcomparisonwhichthecomplexityofPTSisathispaper.
ThroughthetheoreticalanalysisandthedesignofMATLABsimulationoffourmethodstoreducetheadvantagesanddisadvantagesofOFDMsystem,FinalanalysisofaproposedreductionmethodofPTS-mcomplexsequenceofPTSmethod.SimulationresultsshowmsequencePTSmethodcannotonlyreducethecomplexity,butalsoreducethePAPRsystem.
KeyWords:
OFDM（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing）,PAPR（peak-averagepowerratio）,partialtransmitsequence,m-sequence
1绪论1
1.1课题背景1
1.2OFDM系统的主要优缺点2
1.3降低OFDM系统峰均比的研究现状3
1.4本章小结4
2OFDM系统的原理及其峰均比的定义5
2.1OFDM系统的基本原理......................................................................................5
2.2峰均比（PAPR）的定义8
2.3OFDM系统中PAPR的分布9
2.4本章小结...................................................................................................................11
3降低OFDM系统PAPR值的四种方法及其仿真12
3.1信号预畸变技术12
3.1.1限幅方法12
3.4.2变换矩阵18
3.5本章小结19
4概率类技术21
4.1选择性映射（SLM）21
4.1.1选择性映射简介21
4.1.2SLM方法性能分析22
4.2部分传输序列（PTS）23
4.4本章小结30
5一种降低复杂度的PTS方法31
5.1系统算法的基本原理31
5.2具体算法31
5.3本章小结33
结论34
致谢35
参考文献36
附录37
附录A英译汉37
附录B部分仿真程序源代码43
1绪论
1.1课题背景
随着高速移动通信技术的不断发展，人类社会正在进入一个新的信息化代，高速率的宽带移动通信已经成为全球移动通信发展的趋势。
下一代蜂窝移动通信系统的目标是实现无所不在、高质量和高速度的支持全业务的无缝覆盖全球的移动多媒体传输的功能。
但为了实现这一目标，需要克服许多技术挑战，例如：
无线通信系统在十分恶劣的环境中，由于多路径传播，或当移动终端或其周围的物体处于运动中时，终端所接收到的信号幅度都会经历很大的起伏变化。
稳健的移动无线通信系统不仅要有具备克服大的路径损耗和非常严重的信号衰落的能力，而且还要有抗大的多径时延扩展所引起的符号干扰（Inter-SymbolInterference，ISI）的能力。
即使在信道的时延扩展只有几十到几百纳秒的室内环境中，如果系统的数据速率很高，信道的冲击响应（ChannelImpulseResponse，CIR）仍可扩展到许多码元，造成严重的符号间干扰。
而在室外多变的恶劣的环境中，信道的时延扩展造成的符号间干扰更为严重，在传统的单载波（SingleCarrier，SC）通信系统中，通常是采用自适应均衡器来减小符号间的干扰，但是，由于在高速移动的无线通信环境中，系统所面临的是信道的时延扩展要远远大于码元周期，如果仍采用均衡器来处理，那么系统将变得异常复杂以至于实际中无法实现。
正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）是一种特殊的多载波（Multi-CarriersModulation，MCM）传输方案，它具有许多其它无线通信技术所无法比拟的优越性。
其中一个主要原因就在于它能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。
而且，它还是一种并行技术，它能将一个高速的数据流分割成许多低速数据流的子载波来实现一个数据速率的高速传输。
由于每个子载波的调制信号速率较低，这样码元的周期相对较长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，再加上每个码元又采用了循环前缀（CyclicPrefix，CP）作为保护间隔，所以符号间干扰就更可以得到明显的减少，从而达到克服信道时延扩展所带来的符号间的干扰。
OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间互相正交就可以从混迭的子载波上分离出数据信息，因而频谱利用率大大提高，因而它对本来无线资源就十分匮乏的无线通信来说是一种高效的传输技术[1][2]。
OFDM是一种具有相当潜力的技术，它具有很多其它无线传输技术所未有的优点，适合于高速的无线数字传输系统，具有广阔的市场前景，被广泛地应用于无线局域网（WLAN）、数字音视频广播（DABDVB）等系统中，并很有可能成为第四代移动通信的核心技术。
但是OFDM存在着一些固有的缺点需要克服，这些缺点的存在将使OFDM的优点无法充分体现出来，同步技术、抑制OFDM的峰均功率比技术均是OFDM的关键技术之一，对OFDM来说具有举足轻重的影响。
1.2OFDM的主要优缺点
目前OFDM系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于OFDM系统存在如下优点：
1．把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效的减小无线信道的时间弥散所带来的ISI，这样就减少了接收机的均衡复杂度，仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。
2．OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，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。
可以证明当子载波个数N很大时系统的频带利用率趋于Nyquist极限。
3．基于DFT、IDFT的OFDM有快速算法。
对于N很大的系统中，我们可以通过采用FFT来实现，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT、FFT都是非常容易实现的。
4．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传输量。
另一方面移动终端功率一般小于1W，在大蜂窝环境下传输速率低于10kbits~100kbits，而基站发送功率可以较大，有可能提供1Mbits以上的传输速率。
因此无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输。
而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。
5．由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统性能。
6．OFDM系统可以容易与其他多种接入方法结合使用构成OFDM系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息传输。
7．因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此OFDM系统可以从某种程度上抵抗这种窄带干扰。
但是OFDM系统内由于存在有多个正交子载波，而且其输出信号是多个子载波的叠加，因此它还存在以下主要缺点：
1.存在较高的峰值平均功率比。
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信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的Peak-to-AveragePowerRatio（PAPR）。
这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如若放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。
2.易受频率偏差的影响由于子信道的频谱相互覆盖，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，在传输过程种会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或由于发射机的载波频率与接收机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，从而导致子信道间的信号相互干扰。
1.3降低OFDM系统峰均比的研究现状
自从20世纪80年代以来，OFDM已经在数字音频广播、数字视频广播、基于IEEE802.11无线本地局域网以及有线电话往上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术（如ADSL）中得到应用。
其中大都利用了OFDM可以有效地消除信号多径传播所造成符号间干扰（ISI）的这一特征。
此外，OFDM还易于结合空时分编码、分集、干扰（包括ISI和ICI）抑制以及智能天线等技术，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。
如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可使其性能进一步得到优化。
OFDM技术的一大缺陷是：
峰值与均值功率比相对较大，比值的增大会降低射频放大器的功率效率。
目前，已经有很多技术来降低OFDM信号的PAPR值，比如限幅压扩、分组编码、选择映射（SLM）、部分传输序列（PTS），矩阵变换法等。
然而这些方法都有着各自的不足，或者不能很有效地降低信号的PAPR值，或者计算复杂度太大，或者频谱利用率太低等。
1.4本章小结
本章主要介绍了OFDM系统的发展背景，OFDM系统的优缺点以及目前OFDM的研究现状。
初步理解了OFDM系统，为本论文的设计奠定了基础。
2OFDM系统的峰均比定义及其分布
对于包含N个子载波的OFDM系统来说，当各子载波采用相同的调制方式，以相同的相位求和时，所得到的信号最大峰值功率就会是平均功率的N倍。
如图2-1所示，在这个例子里，峰均功率比是平均值的16倍，其中所有子载波都受到相同数据符号的调制。
在OFDM系统中，N通常取值为几十甚至几千，这就会产生很大的峰值，从而要求功率放大器具有很大的线性区域。
否则，当信号峰值进入放大器的非线性区域时，就会使信号产生畸变，产生子载波之间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波之间的正交性，影响系统性能。
因此，在OFDM技术日益得到广泛应用的今天，许多学者正在致力于研究如何找出一套合理的理论和方法，来降低OFDM系统中所存在的高峰均比问题，因为这是实现基于OFDM技术的无线通信所面临的最大瓶颈问题。
2.1OFDM系统的基本原理
OFDM是一种多载波调制技术，其原理是用N个子载波把整个信道分割成N个子信道，即将频率上等间隔的N个子载波信号调制并相加后同时发送，实现N个子信道并行传输信息。
这样每个符号的频谱只占用信道带宽的1N，且使各子载波在OFDM符号周期T内保持频谱的正交性。
从频域角度来解释这种正交性，图2.1给出了互相覆盖的各个子信道内经过矩形波成形得到的符号sinc函数频谱。
每个子载波频率最大值处，所有其他子信道的频谱值也恰好为零。
因为在对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，所以可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。
从图2-1中可以看出，OFDM符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰。
因此这种一个子信道频谱出现最大值而其他子信道频谱为零的特点可以避免载波间干扰（ICI）的出现。
在发送端，串行码元序列经过数字基带调制、串并转换，将整个信道分为N个子信道。
N个子信道码元分别调制在N个子载波频率，，…，，…，上，设为最低频率，相邻频率相差1N，则
，角频率为
。
图2.1OFDM信号的频谱
待发送的OFDM信号为：
（2.1）
接收端对接收到得信号进行如下解调：
（2.2）
由于OFDM符号周期T内各子载波是正交的，所以，当n=m时，调制载波与解调载波为同频载波，满足相干解调的条件，
，恢复了原始信号；
当时，接收到的不同载波之间互不干扰，无法解调出信号。
这样就在接收端完成了信号的提取，实现了信号的传输。
在式（2.1）中，设
（2.3）
若一个T内以采样频率（其中）被采样，则可得到N个采样点。
设，则
（2.4）
式（2.4）正是序列的N点离散傅里叶反变换（IDFT）的结果，这表明IDFT运算可完成OFDM基带调制过程。
而其调制过程可通过离散傅里叶变换（DFT）实现。
因此，OFDM系统的调制和解调过程等效与IDFT和DFT。
在实际应用中，一般用IFFTFFT来代替IDFTDFT，这是因为IFFTFFT变换与IDFTDFT变换的作用相同，并且有更高的计算效率，适用于所有的应用系统。
OFDM尽管还是一种频分复用（FDM），但已完全不同于过去的FDM,OFDM的接收机实际上是通过FFT来实现的一组解调器。
它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响。
OFDM的数据速率也与子载波的数量有关。
OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。
各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK,QPSK,8PSK,16QAM,64QAM等，以取得频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。
无线多径信道的频率选择性衰落会导致接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。
为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。
可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比满足要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。
OFDM技术使用了自适应调制，可以根据信道条件来选择使用不同的调制方式。
比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK（频谱效率1bit（s.Hz）转换成16～64QAM（频谱效率4～6bit（s.Hz），整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的改善。
自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必需包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。
终端还须定期更新调制信息，这也会增加开销比特。
OFDM还采用了功率控制与自适应调制相协调的工作方式。
信道条件好的时候，发射功率不变就可以采用高调制方式（如64QAM），或者在低调制方式（如QPSK）时降低发射功率。
如果在差的信道上使用较高的调制方式，就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。
自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和准确的了解，OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏，发送一个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。
实现OFDM的关键技术包括：
同步技术、降低PAPR（功率峰均值比）技术、信道估计与均衡、信道编码与交织等。
2.2峰均比（PAPR）的定义
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，这样的合成信号就有可能产生较大的峰值功率（PeakPower），由此带来较大的峰值平均功率比（PAPR）。
峰均比指信号峰值功率与平均功率的比值，可以定义为：
（2.5）
其中，表示经过IFFT运算之后所得到的输出信号，即，E[.]代表数学期望。
N点M进制的输入序列{X0，X1...，XN-1}，经过相位键控或正交幅度调制后，对幅度进行归一化，可得，其中ω=exp（j2πM）。
将星座映射后的数据序列分别调制在N个子载波上，得到一个基带OFDM符号，可表示为:
（2.6）
经过射频端后，OFDM符号可以表示为:
π,其中为射频的载波频率。
在无线通信领域中，射频信号的峰值功率近似于复基带信号的峰值功率。
因此，这里只对复基带信号s（t）的峰值功率进行讨论。
对连续时域信号s（t）以TN的速率进行抽样，即令t=kTN（k=0,1,…,N-1），可以得到离散的时域信号s（k）：
（2.7）
OFDM符号的功率为：
（2.8）
式中，R（u）为有限长复值序列的自相关函数，即：
由式（2.8）可以得到：
（2.9）
对所有的子载波幅度进行归一化，可得：
（2.10）
根据峰值平均功率比得定义式（2.5），可得：
（2.11）
图2.2N=16的OFDM系统中存在较大PAPR问题的示意图
对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都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N倍，因而基带信号的峰均比[3]可以为10log10N。
当N=256时，PAPR=24dB，当然这只是一种极端情况，对于输入信号是随机信号的情况，出现这一高峰值的可能性很小，但也说明OFDM系统的峰均比很高。
2.3OFDM系统中PAPR的分布
峰均功率比与子载波数N成正比，随着N的增大，PAPR的最大值也会增大。
当采用的是多相相位键控（MPSK）时，峰均功率比理论上的上限值为N；
若采用的是正交幅度调制（QAM）时，峰均功率比的上限值会略微大于N。
随着子载波数的增大，峰均功率比最大值出现的概率越来越小，甚至可以忽略不计。
N个子载波的OFDM系统，若采用的时MPSK星座映射，那么PAPR最大值出现的概率可表示为：
（2.12）
当子载波数N为32时，采用QPSK调制（M=4），那么PAPR最大值出现的概率仅为8.7×
10-19。
对于包含N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复基带符号是：
（2.13）
其中，表示第k个子载波上的调制符号。
对于QPSK来说，。
当子载波数N足够大时，根据中心极限定义，可得:
（2.14）
（2.15）
（2.16）
其中，，分别为x（n）的实部和虚部。
x（n）的实部和虚部都服从高斯分布，均值为零，方差为0.5。
因此可以得知，OF
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