基于SLM降低OFDM系统均峰比技术仿真毕业论文可编辑.docx
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基于SLM降低OFDM系统均峰比技术仿真毕业论文可编辑
基于SLM降低OFDM系统均峰比技术仿真毕业论文（可编辑）
摘要
正交频分复用OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultip1exing是一种多载波调制技术,由于具有抗多径衰落能力强、频谱利用率高等优点,已广泛应用于数字音频DAB、数字视频广播DVB、无线局域网WLAN等技术领域。
此外,正交频分复用技术0FDM被认为是第四代移动通信的核心技术之一。
但是OFDM技术存在传输过程中峰均比值PAPR较高的问题,高峰均比对功率放大器、A/D变换器等前端设备的线性范围提出更高的要求,影响着整个通信系统的运行成本和效率,所以,对降低峰均功率比技术的研究对于OFDM技术的更广泛应用有着一定的现实意义。
本论文的主要工作如下,通过查资料,了解OFDM原理,及存在的问题。
介绍了OFDM高PAPR问题产生的原因和PAPR的分布,在此基础上了介绍了常用的几种限制OFDM系统高PAPR的算法如限幅法、编码法、概率类方法等,特别重点介绍了选择性映射SLM,Selectedmapping算法,在传统的SLM方法基础上给出了改进型的SLM方法,并通过改进的SLM方法与限幅法有效结合来降低OFDM系统的均峰值,并做了降低OFDM系统PAPR的技术仿真,
关键词正交频分复用;均峰比;选择性映射;
Abstract
OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingOFDMtechniqueshave
receivedagreatdealofattentionduetoitsdataratetransmissioncapabilitywithhighbandwidthefficiencyincopingwithmultipathfadingandhasbeenwidelyusedindigitalaudioDAB,DigitalVideo
BroadcastingDVB,wirelesslocalareanetworkWLANandothertechnicalfields.Asaresult,OFDMisconsideredasthekeytechnologiesofthe4Gmobilecommunication.
However,onemajordrawbackofOFDMisthehighpeak-to-averagepowerratioPAPRoftheoutputsignal.HighPAPRatthetransmittercancausethehighpoweramplifierHPAtogointonon-linearregionsandcausenonlinearoutput,anddegradetheperformanceofOFDMsystemseriously.
Themainworkofthispaperisasfollows,throughthesearchdata,understandtheOFDMprinciplesandthepaperintroducedwhythehighPAPRhappenedandHowthePAPRdistribute.Then,paperintroducedsomekindsofalgorithmstodealwiththeproblemsuchasclippingalgorithm,codingalgorithmandprobabilityalgorithm,especiallytheclippingalgorithmandSLMalgorithmamonganddothesimulationofreducingthePAPRofOFDMsystem.
KeywordsOFDM;PAPR;SLM
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摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题研究的背景与意义1
1.2OFDM的研究现状2
1.3OFDM优缺点4
1.4PAPR抑制技术的国内外现状5
1.5本论文的主要工作8
第2章OFDM系统基本原理及PAPR问题9
2.1OFDM系统的原理9
2.1.1OFDM的系统模型9
2.1.2离散傅立叶变换在OFDM系统中的应用12
2.1.3傅里叶变换的过采样12
2.1.4保护间隔和循环前缀132.2OFDM的峰均功率比及其分布15
2.2.1峰值平均功率比的定义15
2.2.2OFDM系统内PAPR的分布162.3高PAPR带来的问题17
2.4降低峰均比常用方法17
2.4.1信号预畸变类算法18
2.4.2概率类算法19
2.4.3编码类算法19
2.5本章小结20
第3章基于SLM降低OFDM系统PAPR仿真21
3.1传统的SLM算法21
3.2改进的SLM算法23
3.3改进的SLM与限幅结合方法263.4本章小结29
结论31
参考文献32
致谢34
附录135
附录239
附录343
附录449
第1章绪论
移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分,它是指通信双方至少有一方处在运动状态中进行信息传输。
从上个世纪80年代中期,第一代模拟移动通信系统1G商用开始,二十余年的时间里,移动通信系统已经历了第二代数字通信2G的萌芽到完善的过程。
至今,己实现了第三代多媒体通信系统3G的商用开发及民用。
与此同时,对第四代移动通信系统4G和长期演进LTE的研究也成为业界关注的焦点[1][2]。
随着通信技术的发展,对高速数据传输的需求与日俱增,同时,随着无线通信业务的增长,可利用的频带资源日益紧张,无线频谱资源匮乏和移动环境的多径效应成为宽带无线高速通信系统发展的主要障碍。
于是,正交频分复用OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing技术应运而生[3]。
由于它具有频谱利用率高、较强的抗时延扩展能力和频率选择性衰落能力、信道均衡实现简单、计算高效及易于和其它频谱利用率技术相结合等优点,而得到了日益广泛的应用。
1.1课题研究的背景与意义
近年来,无线通信应用产品正迅速渗透到人们日常生活中的各个领域,给人们的生产和生活带来了强大的冲击力。
基于Internet语音、视频及数据通信业务的蓬勃发展使得人们对无线通信提出了更高的要求。
现有的移动通信网络已经无法满足人们日益提升的消费需求,就要求未来的移动通信必须给人们提供更加优质的服务:
从高质量的语音业务到高清晰的图像业务,从蜂窝电话到宽带无线接入系统、无线局域网、智能交通系统,这都要求高速的传输速率。
因此,如何保证在恶劣的无线信道中传送高速率的数据流演变为移动通信的首要问题。
无线通信最重要的特点就是无线信道环境。
无线信道是一个全开放的环境,由于不同的通信系统之间存在干扰,因此频谱成为一种不可再生的资源。
为了有效地利用有限的频率资源,以满足高速率,大容量的业务需求,必须采用专门的技术,以克服无线信道多径衰落,降低对均衡器的依赖,降低噪声,从而达到改善系统性能的目的。
在众多技术中,正交频分复用OFDM,OrthogonalFrequency
DivisionMultiplexing技术显出了其优越的性能。
OFDM是一种多载波数字调制技术,其基本原理是把一个高速数据流分成若干个在正交的子信道上并行传输的低速数据流,这样,多径衰落的时间弥散相对减少,频率选择性衰落信道转化成若干平坦衰落子信道,大大减小了符号间的干扰ISI。
OFDM技术不同于一般的多载波传输技术,它利用信号的频谱正交性,容许子信道频谱互相重叠,因此与常规频分复用系统相比,OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源
1.2OFDM的研究现状
OFDM技术最早起源于20世纪50年代中期,当时主要是美国国防部用于军事上的无线通信系统。
OFDM技术的雏形是频分复用技术FDM,Frequency
DivisionMultiplexing,当时许多低速率信号,就是用不同的载波频率在同一个宽带信道中进行并行传输。
但是,为了在接收端能够较容易地实现用简单的滤波器来分离这些信号,这样各子载波就要相距足够远,并采用保护频带来使各子载波的信号频谱互不影响,因而其频谱利用率非常低。
当然,各子载波除了传输来自不同信号源的信号外,也可以传输来自同一个信号源的信号,这样就是用许多低速率的子载波来实现一个高速率的数据传输。
受当时硬件技术的限制,各子载波都需要有自己的模拟前端,再加上OFDM系统的传输方式是非常复杂的,从而限制
了其进一步推广。
最早实现频谱高效率多载波通信的是20世纪50年代的CollinsKineplex系统,其设计目标是在严重多径衰落效应的高频无线信道中实现无线传输。
该系统虽然仍是沿用传统的多载波系统的实现方式,但是它允许相邻子载波的频谱可相互重叠,只是要求相邻子载波之间的间隔等于或近似等于各子载波上的符号率,这样就在保证了各子载波之间的正交性的前提下,频谱效率大幅度提高。
随后的多载波系统多是利用类似的技术来提高频谱的利用率。
1966年,//.ng博士首次阐明了OFDM的概念和技术[10],提出把高速串行数据分割成多路并行低速数据,并分别调制到正交的子载波上,通过延长并行数据的传输周期,达到消除码间干扰的目的。
1971年,//.stein和//.rt等人应用离散傅里叶变换DFT,DiscreteFourierTransform及离散傅里叶逆变换IDFT,InverseDiscreteFourier
Transform来实现多载波系统基带的调制和解调[8],产生了第一个“Modem”的“OFDM”系统。
这样就可以用一个模拟前端来代替N个子载波各自所需的模拟前端,大大降低了系统的复杂度。
现在OFDM系统主要是利用快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换来对信息数据进行调制和解调。
1998年,AT&TLabs-Research提出了一个称为高度蜂窝网络服务ACIS,AdvancedCellularInternetService的概念[11],目的在于提供更高的数据速率和更加人性化的服务以满足高质量、高移动性、高速率、大容量和低费用的通信服务瓶颈。
ACIS的主要思想是基于OFDM将动态分组分配DPA,DynamicPacketAssignment、分集Diversity和信道编码CC,ChannelCoding结合起来达到高速率数据传输的目的。
ACIS的性能评估表明,它比第三代移动通信系统的
传输速率2~5Mbps还要高,可以减少有线无线通信系统间的传输速率和应用的差距。
在无线局域网领域IEEE802.11a于1999年通过了一个5GHz的无线局域网标准,选择OFDM技术作为其物理层的接入方案,这是OFDM第一次被用于分组业务通信当中。
2000年11月,OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE802.16.3的无线城域网委员会建议采用OFDM技术作为城域网的物理层标准。
ETSI的宽带无线接入网项目?
第二类高性能局域网HIPERLAN/2,High-PerformanceLANtype
2也把OFDM定为它的调制标准技术[12]。
2004年11月,3GPP通过被称为LongTermEvolutionLTE即“3G长期演进”的立项工作。
3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合,在2005年12月选定了LTE的基本传输技术,即下行OFDM,上行SC-FDMA。
0FDM由于技术的成熟性,被选用为下行标准很快就达成了共识。
而上行技术的选择上,由于OFDM的高峰均比PAPR使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗,限制终端的使用时间,一些则认为可以通过滤波,削峰等方法限制峰均比。
不过,经过讨论后,最后上行还是采用了SC-FDMA方式。
我国拥有自主知识产权的3G标准TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD-CDM-OFDM的方案。
OFDM技术势必将在3G/4G中扮演重要的角色。
总的来说,基于OFDM技术的无线通信系统具有许多其它技术所无法超越的优越性[8],它具有抗衰落能力强、频谱利用率高、传输速率高,抗符号间干扰ISI,Inter-symbolinterference和载波间干扰ICI,Inter-Carrierinterference能力强等优点。
但是OFDM技术也存在许多不足之处,其中最主要的缺点之一是信号呈现很大的峰值平均功率比PAPR,Peak-to-AveragePower
Ratio。
1.3OFDM优缺点
在现有的正在商用化的通信系统中,OFDM技术扮演了重要的角色,也已经越来越得到人们的关注。
总的来说,基于OFDM技术的无线通信系统具有许多其它技术所无法超越的优越性,主要体现在以下几点[6]:
抗衰落能力强,可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输,因为当信道中因多径传输而出现频率选择性衰落时只有落在频带凹陷处的子载波及其携带的信息受到影响,而其它子载波不会受到干扰,因此系统总的误码率性能要好得多;另外,还可以通过各子载波的信源信道联合编码使得系统性能得到进一步提高;对于多用户系统来说,一个用户不适用的子信道对其他用户来说可能是性能比较好的子信道,因此除非一个子信道对所有用户来说都不适用,该子信道才会被关闭,但发生这种情况的概率非常小。
频谱利用率高,传统的频分多路传输方法中,将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行的数据流,在接收端用一组滤波器来分离各个子信道,这种方法的优点是简单、直接、缺点是频谱的利用率低,子信道之间要留有足够的保护频带,而且多个滤波器的实现也有不少困难,而OFDM技术基本思路就是利用多个子载波的频谱相互重叠的频分复用子信道并行地传输数据,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系统可以最大限度地利用频谱资源。
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,从而可以有效地减小无线信道的时间弥散带来的ISI,这样就减小了接收机内均衡的复杂度,有时甚至可以不采用均衡器,仅通过采用插入循环前缀的方
法来消除ISI的不利影响。
OFDM系统可以很容易与其他多种接入方法相结合使用,构成OFDMA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技术进行通信的传输。
因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波,因此OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。
任何事物都存在两面性,OFDM技术也存在着许多不足之处,OFDM系统内由于存在多个正交子载波,而且其输出信号是多个子信道的叠加,与单载波系统相比,存在如下主要缺点。
对相位噪声、定时和频率漂移特别敏感。
精确定时,除去噪声和减少频偏对OFDM尤为重要,如果做不到这点,就无法保证OFDM各子载波之间的正交性,就会不可避免的引起各子载波之间的ICI和ISI;针对这些不足之处,衍生了许多关键性的技术研究,主要包括OFDM系统的同步研究包括时间同步、频域同步和载波同步,信道估计包括信道检测技术。
存在高的峰值平均功率比Peak-to-AveragePowerRatio,PAPR,高PAPR问题一直是OFDM技术的难点和关键问题所在,也是OFDM技术走向实用化的主要障碍。
因为OFDM信号是非恒定的包络,任何非线性的RF放大都会导致产生互调成分,从而影响邻近带宽的信号和系统的性能。
为了提高传输效率和系统性能,在发送端必须考虑到信号的峰值和均值。
若将功放输入信号的最大幅度控制在功放的线性范围内,则对于输入信号的平均幅度,功放级就不能输出较高功率,这对传输是非常不利的。
1.4PAPR抑制技术的国内外现状
高峰均比PAPR问题一直是OFDM技术的难点和关键问题所在[3],也是
OFDM技术走向实用化的主要障碍。
因为OFDM信号是非恒定的包络,任何非线性的RF放大都会导致产生互调成分,从而影响邻近带宽的信号和系统的性能。
为了提高传输效率和系统性能,在发送端必须考虑到信号的峰值和均值因子。
若将功放输入信号的最大幅度控制在功放的线性范围内,则对输入信号的平均幅度,功放级就不能输出较高功率,这对传输是非常不利的。
峰均比较高是0FDM系统的固有问题之一,也一直是学术界研究OFDM技术的热点问题。
移动通信业务和OFDM技术的发展令PAPR的研究热潮也随之兴起,近年来,有大量的学者针对这一问题提出了各种各样的解决方案与相关算法,其中比较有代表性的有三类算法,分别是信号预畸变类技术、编码类技术和概率类技术[3-7]。
信号预畸变技术直接对信号的峰值进行非线性操作,优点是直接、简单,但会带来带内噪声和带外干扰,降低系统的误比特率性能和频谱效率,该类技术包括限幅法和压缩扩展法。
限幅法是1997年Cimini等人提出的[9],它是最简单直接的信号预畸变技术。
限幅法中心思想是:
在信号被送到放大器之前,先经过非线性处理,对有较大峰值功率的信号进行限幅处理,将其限制在放大器的动态变化范围之内,从而避免高PAPR的出现。
尽管这种方法比较简单,但是它也会为OFDM系统带来相关的问题。
限幅法是一种简单有效的方法,但是会不可避免地产生信号畸变,引入一种自干扰,从而必然降低系统的误比特率性能。
其次,由于信号的非线性畸变性,导致频谱泄露带外辐射功率的增大。
2002年,ARMSTRONG.J.提出了重复限幅频域滤波法,在离散的频域点上进行滤波,所以不会造成带内信号的畸变,因此不会造成ISI符号间干扰。
随后,Tellambura提出一种重复滤波限幅法的改进算法,
以改善重复滤波限幅法存在的计算复杂度。
压缩扩展是新加坡国立大学WangXianbin博士于1999年提出的。
它是一种通过非均匀量化来抑制PAPR的方法,即,在发射端对小幅值信号的功率进行放大,而保持大幅值信号的功率不变,以增大整个系统的平均功率为代价达到抑制PAPR的目的。
压缩扩展法的实现也非常简单,计算复杂度也不会随着子载波数的增加而增加,其弊端在于:
一方面要增大系统的平均发射功率;另一方面使得符号的功率值更加接近高功率放大器的非线性变化区域,造成了信号的失真。
编码类技术主要是利用不同编码所产生不同的码组而选择PAPR较小的码组作为OFDM符号进行数据信息的传输,从而避免了信号峰值,该技术为线性过程,不会使信号发生畸变,但其计算复杂度非常高,编解码都比较复杂,而且信息速率降低很快,只适用于子载波数比较少的情况。
其主要方法有:
分组编码法BlockCoding、格雷补码序列（GolayComplementarySequences,GCS）和雷德米勒Reed-Muller码等。
概率类技术的出发点不在于如何降低信号幅度的最大值,而在于降低峰值出现的概率。
OFDM系统中出现大峰值功率信号的原因在于多个子载波信号相互叠加,如果可以利用多个序列来表示同一组信息的传输,在确定的PAPR门限下,可以从中选择具有最小PAPR的一组用于传输,这样就会有效地减小大峰值功率信号出现的概率。
该类技术典型的几种方法为:
选择性映射法SLM,SelectedMapping,部分传输序列法PTS,PartialTransmitsequence和子载波保留法TR,ToneReservation。
其中,SLM技术是1996年Bauml等人提出的,其基本思想是对给定用来传输相同信息的M个统计独立的OFDM符号,选择其中具有最小PAPR的OFDM符号来
传输,SLM方法可以显著地改善OFDM系统的PAPR性能,大峰值信号出现的概率被很好的控制。
M值越大,性能的改善越明显,但随着M的增大,改善程度的增加量减小。
另外,进行SLM操作的运算复杂度较大,需要计算额外的M-1组信号的IFFT运算,这将导致硬件的复杂度增加。
因此,SLM技术是以高计算复杂度为代价的。
针对SLM方法边带信息带来的冗余,2004年,Abdulla等人提出了编码方法与SLM方法的结合。
1997年Muller等人提出部分传输序列PTS,PartialTransmitSequence
技术,其方法是将输入的数据符号分为若干分组,在对这些分组进行加权后再合并它们以减小PAPR。
2000年,斯坦福大学的Tellado教授提出了子载波保留法ToneReservation,TR,它是降低多载波信号PAPR的一种有效方法[10],该方法可以在不引入附加失真和边带信息的前提下有效地降低峰均比,但是在寻找最优削减信号时需要较大的计算复杂度。
所以,之后的研究主要致力与降低TR方法的计算复杂度。
2007年,GangYang等人提出了基于FFT/IFFT的子载波保留方法[13],利用限幅寻找合适的削减信号。
2007年,CaroleA.Devlin等人提出了基于子载波保留的高斯脉冲法降低峰均比。
2008年S.Janathanan等人提出了一种基于梯度的子载波保留算法。
1.5本论文的主要工作
本论文对OFDM系统存在高PAPR的问题进行了分析研究。
首先介绍了OFDM的基本原理,并分析了OFDM技术的优缺点及关键技术,重点研究OFDM系统PAPR抑制技术,针对OFDM系统存在高PAPR问题,总结了国内外各种抑制PAPR的
方法
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