OFDM系统峰均比抑制技术的分析与仿真.docx

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OFDM系统峰均比抑制技术的分析与仿真

南京邮电大学通达学院

毕业设计（论文）

题目

OFDM系统峰均比抑制技术的分析与仿真

专业

学生姓名

班级学号

指导教师

指导单位

日期：

年月日至年月日

毕业设计（论文）原创性声明

本人郑重声明：

所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本研究做出过重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。

论文作者签名：

日期：

年月日

摘要

21世纪以来，无线通信技术正以前所未有的速度向前进展。

正交频分复

用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM）是一种高速并行多载波传输技术，因其频谱利用率高、抗多径性能好和数据传输速度快而受到国内外无线通信研究者的广泛关注，被认为是下一代通信系统的核心技术之一，被认为是第四代移动通信系统中不可或缺的关键技术。

但是，由于输出信号是由多个子载波累加而成，所以非常简单导致信号具有很高的峰值平均功率比（PAPR），这就限制了该技术的广泛应用。

峰均比过高会对功率放大器和数模转换器的线性度提出了苛刻的要求，这将增加整个系统的运行成本和功耗。

如果峰均比过高，就会导致信号发生非线性畸变，破坏了子载波之间的正交特性，从而使接收端无法正确的恢复发送端的信号。

因此，研究降低OFDM系统的峰均功率比技术是非常有必要的。

本文主要对降低OFDM系统峰均功率比的技术进行研究，主要内容如下：

首先介绍了通信技术和OFDM技术的进展历程，同时并介绍了OFDM的技术特

点以及研究降低OFDM系统PAPR方法的研究现状；

然后阐述了OFDM技术的基本工作原理、介绍一些关键技术以及产生高PAPR的原因以及分布详情，重点分析研究了现有降低系统峰均比的算法。

目前降低OFDM系统PAPR算法可大致分为三大类：

预畸变类技术、编码类技术和概率类技术。

然后重点是对预畸变类技术中的软限幅算法、C变换和概率类技术中的SLM算法和PTS算法进行研究分析、仿真并提出改进的SLM算法以及PTS算法；

最终，在此基础上归纳总结提出了两种联合算法：

改进的C变换与次优迭代PTS联合和软限幅与改进SLM算法的联合，并用MATLAB软件仿真证明这些方法降低OFDM系统PAPR的效果。

在保证一定BER性能的同时既能够降低OFDM系统的PAPR，又能够使复杂度相对的减少。

关键词：

正交频分复用，概率类技术，信号预畸变技术，联合算法，峰均功率比

Abstract

Sincethebeginningofthe21stcentury,wirelesscommunicationtechnologyismovingforwardatanunprecedentedspeed.OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing（OFMD）isahighspeedparallelandmulti-carriertransmissiontechnologywhichhasreceivedwidespreadattentionbyresearchersofwirelesscommunicationathomeandabroad.Duetoitsadvantages,suchas,highspectrum

efficiency,goodanti-multipathperformanceandspeedydatatransmission,OFDMisconsideredtobeoneofthecoretechnologiesofcommunicationsysteminthenext-generationandanindispensablekeytechnologyinthefourthgenerationofthemobilecommunicationsystem.However,theoutputsignalisformulatedbyaccumulatinganumberofsub-carriers,soitisveryeasyfortheoutputsignaltogetahighpeak-to-averagepowerratio（PAPR）,whichlimitsthewideapplicationofthistechnology.ThehighlevelofthePAPRputsforwardrigorousdemandsforthelinearityofthepoweramplifieranddigital-to-analogconverter,andtherunningcostandpowerconsumptionoftheentiresystemwillbeincreasing.IfthePAPRistoohigh,itwillleadtoanon-lineardistortionofsignalanddestroytheorthogonalityamongsub-carriers,andthereceivingendcannotcorrectlyrestorethesignalfromthesendingend.Therefore,toresearchthetechnologyofreducingPARAisverynecessary.

ThispaperfocusesontheresearchofthetechnologyofreducingthePAPRinOFDMsystems.Themaincontentsarelistedasfollows:

Firstofall,thethesisintroducesthedevelopmentcourseofthecommunicationtechnologyandtheOFDMtechnology,thetechnicalcharacteristicsofOFDMandthecurrentresearchstatusofthemethodsofreducingthePAPRinOFDMsystem.

Secondly,thepaperexpoundsthebasicworkingprinciplesandkeytechnologiesoftheOFDMtechnology.Andthen,thethesisintroducesthedistributiondetailsofPARAandexplainswhatleadtothehighPAPR,inparticular,analyzingtheexistingalgorithmsofreducingthePAPRintheOFDMsystems.Currently,thealgorithmcanbedividedintothreecategories:

probabilityclasstechniques,codingtechniquesandpre-distortiontechniques.Andtheauthorwillfocusonanalyzingandsimulatingtheclippingtechnology,Ctransformationcommandingalgorithm,SLMalgorithmandPTSalgorithmofthepre-distortiontechnology,thenproposestwoimprovedmethods:

SLMalgorithmandPTSalgorithm.

Finally,onthebasisoftheSLMandPTSalgorithm,theauthorsummarizestwojointalgorithms:

oneistheimprovedSLMalgorithmbasedoninhibitsoftclipping,andtheotheristhesub-optimaliterativePTSoptimizebasedonamelioratedCtransformationcommandingalgorithm.BothofthetwoalgorithmsareconfirmedthattheycaneffectivelyreducethePAPRinOFDMsystemsunderthesimulationofMATLABsoftware.Thetwoalgorithms,onthebasisofguaranteeingBERperformance,cannotonlyreducethePAPRoftheOFDMsystems,butalsolowerthecomplexityofalgorithm.

KeyWords：

OFDM,ProbabilityClasstechniques,Pre-distortiontechniquesofsignals,Unitedtechnologies,PAPR

第一章绪论

1.1引言

1.2研究现状

1.3研究背景

1.4研究意义

1.5章节安排

第二章OFDM系统基本原理知识理论

2.1OFDM基本原理

2.2OFDM的关键技术

2.3OFDM系统的峰均比

第三章峰均比抑制法

3.1算法研究

3.2算法的思想和原理

3.3算法的流程

第四章OFDM系统峰均比抑制技术的仿真

4.1仿真比较、仿真图以及分析

4.2仿真参数

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

第一章绪论

1.1引言

信息传递进入21世纪以来，信息界处在革命快速进展的时代，信息技术革命在世界上静静地席卷着。

影响正在逐步改变全球的进展。

移动通信是现代通信系统的非常重要的部分。

如名称所指，移动通信参考信息的传输和接收。

另一方面，通信系统的两个当事者中的至少一个处于移动状态。

例如，移动站（由飞机、车辆、船舶或行人运送）和固定点或移动设备之间的通信在移动通信的范围内。

民用飞机和地面机场的通讯是高速移动通信。

是最典型的例子。

无论是什么样的设施，无论是什么样的设施，无线通信装置都可以提供便捷、快速、稳定的高品质通信服务，这是用于将来的移动通信的最终要求。

1.2研究现状

为了解决高paprOFDM系统中的一些性能，在国内外实现。

一般来说，有两种解决方法：

一是提高性能的支持者在发送器和发送信号的高papr无vervor明，好大的一个备份离线备份关闭）和高线性度要求的支持者。

在实践中，如此高的效率，他所拥有的东西却很低。

使用这种他所拥有的东西，不仅降低了系统的能量效率，但也增加了复杂性，实现V一个系统。

因此，这种技术可以在高papr问题的解决提出的放大器的基本算法。

其次，利用OFDM系统的papr减少的主要算法，以减少papr主要可分为三类：

coderingstechnologie，kanstechnologie和信号干扰技术。

编码技术的主要实现过程在于，通过不同的编码方法生成的代码组也不同。

选择低PAPR码组，作为从这些生成的码发送的OFDM信号的数据信息，以幸免高峰发生。

在编码方案中使用的码字具有以下效果：

（1）码字形成的信号PAPR值低；

（2）没有顺序、子载波数、编码模式、调制模式的特别要求，并且通常可以应用，并且可以检测和纠正错误。

该方法以信息传输速度为代价减少了papr值，但可用于编码的模式数目较少。

在需要格外多的子载波的情况下，编码效率非常低，增加了系统的发送机和接收机的复杂度。

在编码技术中使用的主码是块编码和灰色相辅序列。

概率类技术实现降低PAPR主要利用不同的加扰序列对传输符号加权处理，这样就改变了其统计特性从而达到降低OFDM系统PAPR的效果。

高PAPR信号出现在OFDM系统中主要是因为多个子载波信号相叠加时各个子载波所处的相位是一致的，使得峰值的总和值相对来说很大。

利用多个序列来表示同一组传输信号的信息，这样就不会产生子载波叠加时相位一致的情况，同时给定峰均比的门限值，就可以选出一组PAPR最小的序列用作数据传输。

至此，高PAPR信号出现的概率就大大降低了。

但是，此类技术会带来负面影响就是产生更多的信息冗余，IFFT运算的次数也就得相应增多，计算法复杂度就变大了，同时还需要正确无误的传输边带信息。

经常使用的概率类技术主要有：

选择性映射（SelectedMapping，SLM）技术和部分传输序列（PartialTransmitSequences，PTS）技术等。

最直接最简洁的降低OFDM系统PAPR的方法非信号预畸变类技术莫属，其主要实现过程是在信号进入放大器之前，设一定门限的功率值，对超出门限值的信号进行非线性畸变，这样一来就不会超出放大器的动态改变范围之外了，从而就不会出现高PAPR信号了。

此类方法主要含括：

限幅技术、峰值加窗技术、压缩扩展技术以及峰值抵消技术等。

由于各种方法都存在一定的缺陷，目前研究降低PAPR的趋势是对现有的技术进行改进和综合应用。

所以我们就可以提出级联的方法，即联合两种技术。

级联的两种技术一定在功能是互补的，这样就能最大限度的平衡PAPR、误码率、计算量等这些性能。

1.3研究背景

近40年来，OFDM技术进展迅速。

1960年代初期，最初提出了窄带正交分解的概念和多通道传输的合成，对作为ofdm而知名的技术进行了解说。

实际这个技术最初的应用，是象Kineplex，Knthryn等一样的军事无线高频通信链接[4]。

同时，ofdm系统的结构非常复杂。

在实施困难等技术课题上，进一步推进和开发是很困难的。

在1966年首先提出创意场正交的子载波，用于在多频带subkanäle分摊。

此后，saltzberg证明具有modulationsmethode，当它消逝，mehrpfadigen，窄带impulsgeräusche和改善防止葡萄酒的频率资源。

Ebert）和提出的建议首先，相对复杂的模拟调制的离散傅里叶变换（DFT）及其反变换（IDFT）在1971年达到了调制与解调的OFDM实现的可行性和basisbandsignals证明该技术简化了工艺的复杂性。

OFDM调制解调的概率很大。

OFDM通信系统的实际应用中得到了很大的提高。

为了幸免的载波间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI），由多径引起的，在1980年击败Ruiz和爬zyk的使用方法英国前缀（CP）作为爱护间隔（GI），以维持之间的正交性subbarriern。

从今以后，人们的注意力集中在研究OFDM技术。

最近这几十年来，伴随着数字信号处理技术的迅速进展，OFDM技术作为一种可以最大程度上降低ISI影响的高速传输技术，引起了研究人员和学者的广泛关注。

经历了这么多年的飞速进展，该种技术已经能够广泛地应用在广播方式下的音频和视频领域。

在实际的应用中，OFDM技术已经成功地应用到非对称用户环路（AsymmetricDigitalSubscriberLine，ADSL）、数字音频广播（DigitalAudioBroadcasting，DAB）、无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）等系统中，这方面的应用主要是得利于它可以很有效地消除信号在24年前，iee802.11a已经定义并承认5ghz无线网络的标准，其中提到的建议关于使用ofdm调制技术作为物理层的标准。

电信和欧洲标准协会在广泛的互联网无线上网标准也包括Ofdm被定义为标准技术。

此外，为了在实际一级加强信息传递的可靠性，尽可能充分利用这一系统的优势，干扰干扰我，多样性，空间编码和自适应天线阵，也很简单与offm相结合并在实践中使用。

如果结合自适应调制，适配器编码，动态分包商和动态小的安排，也可以优化和改进系统的效率。

1.4研究意义

OFDM系统具有上述优点，但也敏感于相位噪声和载波频率偏移。

如果OFDM接收的信号具有载波频率偏移，则载波频率偏移引起载波间干扰，减少子信道之间的正交性，从而降低整个系统的性能。

由于无线信道传播环境相对恶劣，地理环境复杂，多路径传播现象的存在影响通过信道传输的OFDM信号，其引起信号振幅衰减、频率偏移及相位旋转，破坏信号的正交性且破坏ISI和生产ICI。

OFDM系统本身具有抵抗多路径衰落的能力。

然而，力不足以确保移除ISI和ICI，并且可能影响接收端处的接收信号的失真、发送信号的不精确解调和OFDM系统的性能。

因此，为了改善ofdm系统的性能，消除系统中的isi和ici的影响，一般使用的方法是数据交错、信道编码和信道估量。

这些方法通常在OFDM系统中使用。

主要研究了ofdm系统的信道估量技术。

因为当那个遭遇严厉的复杂的无线传播环境时，系统的性能受到严峻的影响。

即使使用数据的交错和信道编码，也不能完全消除信道性能。

此时，可以使用信道估量技术获得信道衰落参数，并且可以提高数据传输和接收的性能。

信道估量技术是无线移动通信领域的研究热点。

信道估量的质量直接影响到整个ofdm系统的性能。

信道估量的本质是实时提取无线移动信道的特性参数，提供用于接收机的信道信息，能够正确解调原始信号，降低或减少对传播环境的传播环境和多路径信道的影响。

导频方法通常用于获得信道状态信息。

将基于导频的信道估量分成块导频和特别导频。

块导频定期地插入到时域中，梳子导频以一定的间隔插入到特定的子载波中。

本文主要研究了ofdm系统中基于导频的基本信道估量，并对基础进行了一些改进。

1.5章节安排

OFDM技术作为下一代通信系统的核心技术，不仅可以提高传输的速度及准确性，而且可以有效的对抗脉冲噪声和信道快衰落，提高频谱的利用率。

但是，OFDM系统的主要缺点之一就是具有高PAPR，所以研究降低OFDM系统的PAPR有很高的研究价值和现实意义，使其发挥出自身的优势。

本文在掌握了基本技术原理之后，首先对OFDM系统中高PAPR产生的原因以及新型协作策略进行了分析和究，然后分析研究了几种OFDM系统中降低PAPR的常用算法，并借助MATLAB软件这个仿真平台，对各种算法在理论上的性能进行了仿真和验证。

随后综合上述三大类技术各自的优缺点，引入级联技术的思想，最终提出了一种改进的SLM算法和软限幅技术相结合的算法，并通过MATLAB软件仿真验证了联合算法的优越性。

具体的研究内容如下：

第一章是绪论部分，主要阐述了下OFDM系统的研究现状，研究背景以及研究意义，并对OFDM系统中降低PAPR的方法做了简要介绍和分析。

第二章介绍了OFDM系统的基本原理及其各个部分中所用到的各种技术，如FFT/FFT运算模块、爱护间隔与循环前缀等，然后简要介绍了下OFDM的一些关键技术，并分析PAPR产生的原理、危害及其在整个OFDM系统中的分布情况。

第三章针对OFDM系统具有高PAPR这个缺点，分析研究了降低PAPR的技术算法。

并且对算法的思想和原理进行推导并且列出是两种算法的流程代码。

第四章，本章是在第三章的基础上进行的仿真比较，仿真图以及分析，还有仿真参数的计算。

第五章，对全文进行总结，并对OFDM技术未来研究方向提出展望。

第二章OFDM系统基本原理知识理论

由上面的第一章介绍可知OFDM技术有许多其他调制技没有的优点，但主

要缺点就是存在高PAPR问题，这就大大影响了OFDM技术在实际应用中的推广。

本章首先从今系统的工作原理入手，然后分析OFDM技术中的各个重要关键技术，最终分析下PAPR产生的原因及其分布。

2.1OFDM基本原理

正交频分复用技术（OFDM）是近来发展较为迅速的一种多载波调制（MulticarrierModulation，简称MCM）技术。

多载波调制技术是先经串并变换把原始的数据流变换成N路不同的低速率的子载波数据流，用N个子载波来对转换成的N路低速率子载波来进行调制，然后将调制后数据流放入信道中进行传输。

经过变换之后的子数据流在信道中的传输速率就变为了原的1N，符号周期也就扩大为原来的N倍，远远的超过了信道的最大延迟扩展—maxS，经过这样的操作变换就能够把一个宽带频率选择性的信道分成为N个窄带平坦衰落的子信道，这样就使得系统本身能够对多径衰落和脉冲干扰有很强抗性，完全满足了高速无线数据传输的要求。

OFDM的实质是一种子载波相互混的MCM，所以它应具有MCM的全部优势，并且OFDM还有的优点是具有高频谱利率

。

OFDM所选择的时域相互正交子载波，就能够很好地抵抗由多径衰落造成的ICI和ISI，虽然在频域上它们是有混叠的，但是在接收端仍然能够很简单地被完分离出来。

另外，在OFDM系统中还融入了循环前缀技术，这样就更好的消除了ICI和ISI带来的影响。

2.1.1OFDM系统的基本模型

多个经调制的子载波的信号相互叠加之后就形成了一个OFDM符号，假设N表示子载波的个数，T表示OFDM符号的宽带，则一个OFDM符号可以用公式（2-1）表示为：

其中式中安排给任一子载波的数据符号用

表示，第零个子载波的载波频率用f0表示，

。

如果要在各个子载波上安排得到要传输的比特，OFDM的输出信号通常是采纳复等效基带信号的形式来表示的，如式（2-2）所示：

通过上式不难发觉，式（2-2）中的s（t）的实部代表了OFDM富豪的同相重量，虚部则相应的代表了OFDM符号中的正交重量，实际应用系统中对应了子载波cos重量和sin重量的乘积，就形成了合成的OFDM信号和子信道的最终传输信号。

图2-1为完整的OFDM系统基本模型框图，其中

从图2-1表示的是OFDM系统的模型框图，一个完整的OFDM符号周期内，

每个子载波的周期都是整倍数，相邻子载波间相差的也是一个整周期。

同时也证

明白各个子载波间是具有正交特性，即：

式（2-3）所表示的是对（2-2）式中的第j个子载波进行解调操作，对解调后的信号进行积分，这里设置积分的时间长度为T，积分结果如下式结果：

从式（2-4）可以看出，第j个子载波进行解调之后可以很快的恢复子载波的数据符号

。

对于其他不同的子载波，由于积分期间都是在积分的间隔之内，（i-j）/T是频率之间的差别，它能够产生整数倍个周期，所以由此得出积分之后的结果都是0。

图2-2描述的是OFDM符号的波形示意