ofdm通信系统中papr抑制方法研究毕业论文(编辑修改稿)

ofdm通信系统中papr抑制方法研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

法对 PAPR 的抑制作用， 对其优缺点进行分析，并对整个算法系统进行仿真和性能对比。 最后，给出 本文研究工作的总结， 并 对处理 OFDM 中高 PAPR 问题的研究方向进行展望。 OFDM 通信系统中 PAPR 抑制 方法研究 5 第二章 OFDM 系统原理概述 作为 4G 和 LTEA 时代主流的无线通信技术，对 OFDM 进行必要的介绍，了解 OFDM 技术的思想和原理有助于我们对 OFDM 技术的进一步研究。 掌握 OFDM系统中使用的主要技术也是有助于我们对其进行改进的关键。 OFDM 系统基本模型 OFDM 是人们为了克服频域上出现的多径信道选择性衰落特性 而产生的，是多载波传输的典型技术。 因为多径的选择性衰落，人们很自然的就想到在信道上划分出多个子信道传输，这样每一个子信道的频谱特性就趋于平坦，用多个相互独立的子信号进行合并，以实现新号的频率分集。 每一个 OFDM 符号都是多个经过调制的子载波新号之和，其中的每一个载波的调制方式可以是 PSK（相移键控）或者 QAM（正交幅度调制） [10]。 如果用 N 表示子载波的个数， T 表示 OFDM 符号的宽度， di（ i=0,1„„， N1）是分配给每一个子信道的数据符号， fc 是载波频率，则从 t=ts开始的 OFDM 符号可以表示为式（ ） })])((2e x p [R e {)( 12/2/ 2/   NNi scNi ttTifjdts π Tttt ss  （ ） 在很多时候也会有式（ ）来表示等效基带信号   12/2/ 2/ )](2e x p [)(NNi sNi ttTijdts π Tttt ss  （ ） 其中，式（ ）的实部和虚部分别对应的是 OFDM 符号中的同相和正交分量[13]，在实际中分别和相应的子载波的余弦和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 OFDM 符号。 图 给出了 OFDM 系统的基本模型框图。 数据入口串并转换+d 0d 1d N 1信道d 0d 1d N 1积 分积 分积 分串并转换输 出 图 OFDM 系统基本模式框图 OFDM 通信系统中 PAPR 抑制 方法研究 6 OFDM 的保护间隔和循环前缀 保护间隔 OFDM 技术是之所以被人们采用，是 因为它 把输入信号分配到了 N 个并行的子信道上，从而使每一个 OFDM 符号的周期扩大为了原始符号的 N 倍，以对抗多径选择性衰落。 但与此同时，时延扩展与符号周期的比值同样降低了 N 倍 [14]。 所以在 OFDM 系统中，为了最大限度地消除 ISI（符号间干扰），在每个 OFDM 符号之间要插入 GI（保护间隔），该保护间隔的长度 Tg 一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量才不会干扰到下一个符号。 在保护间隔以内，可以不插入任何信号，即空白间隔。 但是这样的情况，由于多径传播的影响 ，会产生信道间干扰（ ICI），子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰 [15]。 循环前缀 为了消除空闲间隔由于多径传播导致的 ICI，一种方法就是将原来宽度为 T 的OFDM 符号进行周期性扩展，用扩展信号来填充保护间隔。 保护间隔内的信号称为 CP（循环前缀）。 循环前缀中的信号与 OFDM 系统中的符号尾部宽度为 Tg的部分相同。 做循环前缀即是把每一个 OFDM 符号的后 Tg 时间长度的样点复制到该OFDM 符号前，形成循环前缀。 加入循环前缀后，一 个 OFDM 符号的总长度变为 Tg+TFFT。 其中， Tg 是循环前缀的长度， TFFT为 OFDM 符号的有效长度。 假定信道的最大时延扩展为 τ m，为了消除 ICI，应满足在一个 Tgτ m。 由于循环前缀没有任何有效信息，所以加入循环前缀带来的是功率和信息速率的损失，其中功率的损失为： )(l og10)(log101010 FFT gFFTFFTsp T TTT T  （ ） 信息速率的损失为： FFTggsgp TT TTT  （ ） 从上两式可以看出，虽然我们付出了一定的功率和信息速率的代价，但是通过采用循环前缀消除 ICI，相比之下，功率和信息速率的代价就相当值得，但是我们还是需要选择适当的保护间隔长度，一般取 TgTFFT/4。 OFDM 系统的参数选择 在 OFDM 系统中，我们需要确定各种参数。 各项参数的选择都是在要求中折 OFDM 通信系统中 PAPR 抑制 方法研究 7 中考虑的。 通常来说，我们需要确定：符号周期、保护间隔、子载波的数量。 这些 参数的选择取决于给定的信道带宽、时延扩展以及所要求的信息传输速率 [16]。 一般情况下，保护间隔是无线信道的扩展均方根的 24 倍。 确定保护间隔以后就可以确定 OFDM 符号周期。 为了很好的减小由于插入保护间隔带来的功率损失，OFDM 的符号周期要远远的大于保护间隔的长度。 但是符号周期的增大，必然会增加系统实现的复杂度、 OFDM 系统需要包括更多的子载波， PAPR 增大。 通常情况下信号周期选取为保护间隔的 5 倍左右即可。 之后，子载波数量就可以由信道带宽、数据吞吐量和有效的 符号周期所决定 [17]。 子载波数可以设置为有效符号周期的倒数，即 N=1/T，其数值与 FFT 处理过的点数对应 [18]。 OFDM 系统的中的关键技术 OFDM 系统的中的同步技术 同步是数字通信系统中的关键技术。 对于无线通信来说，信道存在时变性，传输中存在的频率偏移会使 OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的影响。 与单载波相比， OFDM 系统对同步精准的要求更高，同步的偏差会在 OFDM 系统中引起 ISI 和 ICI。 OFDM 系统中的同步包括载波同步、样值同步和符号同步三个部分 [19]。 OFDM 系统的中的信道估计 无线信道系统的性能主要受到无线信道的制约 [20]。 发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，而且和有线信道不同 [21]。 无线信道不是固定的可见的，具有很大的随机复杂性。 OFDM 系统可以等效为 N 个独立的并行子信道，如果不考虑噪声， N 个子信道上 的接受信号等于各自子信道上的发送信号与信道的频谱特性的频率卷积。 如果我们通过估计的方法预先知道了信道的频谱特性，将各自子信道上的接收信号与信道的频率特性相除，即可实现接受信号的正确解调。 由于多载波系统的信号是分布在时域和频域内的，所以二维信道估计成了信道估计的主要方法，即时域估计的方法和频域估计的方法。 OFDM 系统的中的信道编码 为了提高数字通信系统性能，我们常采用信道编码的方式。 信道编码可以显著的提高数字通信系统的抗干扰能力。 在 OFDM 系统中可以使用任意的传统信道编码，如分组码、卷积 码等。 随着移动通信和多媒体业务的发展，采用空时编码的方法已经成为社会趋向。 空时编码可以在没有增加发生功率和信道带宽的情况下，极大的提高信道的容量，显著提高 OFDM 系统性能，已经成为下一代通信系统的热点技术。 OFDM 通信系统中 PAPR 抑制 方法研究 8 OFDM 系统的中的峰均比 PAPR 是指发射机输出信号为非恒定包络时，其峰值功率与平均功率的比值。 当 OFDM 信号的 N 个正交子载波信号在其峰值处叠加时，就会产生最大峰值，其功率会是信号平均功率的 N 倍，相应的要求功率放大器具有很大的线性区域对信号进行处理。 否则，当信号峰值进入放大器的非线性 区域时，信号就会产生畸变，引起子载波之间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波间的正交性，降低系统性能。 因此，我们必须采用一定的技术来降低信号的峰均功率比，使发射机中的功率放大器能够高效工作，提高系统的整体性能。 OFDM 系统的主要优缺点 如今， OFDM 技术活跃在无线通信系统中。 已经成为了 4G 的主流技术，人们开始集中越来越多的去把 OFDM 技术运用到无线通信领域的每一个角落。 总结起来 OFDM 系统有以下优点： （ 1）抗符号间干扰能力强。 只要通信系统的频带是一定的，就会受到 ISI（符号间干扰）的 影响。 OFDM 系统将高速数据流通过串并转换，使得每一个子载波上的符号周期相对增大，从而可以有效的降低 ISI（符号间干扰）。 间接的就减小了接收机的复杂度，甚至可以不采用均衡器，仅仅插入循环前缀就可以消除 ISI 的影响，提高系统的总体性能。 （ 2）抗多径能力强。 在单载波的系统中，由于多径的影响，通信系统会受到很严重的干扰，甚至会导致通信失败。 而由于无线信道存在频率选择性，不可能所有子载波在同一时刻都会处于比较深的衰落中。 而且，就算处于比较深的衰落中，子信道也可以通过自适应调制的方式，降低传输速率来避免严重 的误码，如果衰落严重，可以选择直接放弃掉受干扰严重的子载波，整个系统依然可以保持高效的传输性能。 （ 3）较高的频谱利用率。 在频谱资源日益紧张的今天，节约频谱成了新兴技术所考虑的一个很重要的因素。 传统的单载波传输，是将频带分成若干个不想交的子频带来传输数据，每一个子信道之间都需要保留一定的频隙作为保护频带，将各个子载波的频谱分离，这样接收端才可以对信号做准确的接受和解调。 而OFDM 系统由于各个子载波之间存在正交性，而且每一个子信道的频谱可以相互叠加，且不需要频隙来作为保护间隔，因此和常规的单载波频分复 用系统相比，OFDM 系统可以最大限度的利用频谱资源。 当子载波数比较大时， OFDM 系统的频谱利用率几乎是单载波系统频谱利用率的两倍。 （ 4）调制过程实现简单。 OFDM 每一个子载波都可以使用 IFFT（快速傅里叶反变换）和 FFT（快速傅里叶变换）来实现。 随着集成电路的发展以及数字信号处理技术的大幅度提升，使得 OFDM 的调制模块的实现变得非常容易，为以后 OFDM 通信系统中 PAPR 抑制 方法研究 9 大规模使用 OFDM 技术提供了有力的支持。 （ 5）具有很强的兼容性。 OFDM 系统易于和其他多种接入方式、技术结合使用。 其中包括 MCCDMA（多载波码 分多址）、跳频 OFDM、空时编码、分集、智能天线等。 可以使得多个用户可以通过 OFDM 系统进行传输，提高了其物理层传输的可靠性。 任何技术都不可能做到完美， OFDM 系统有很多优点，必然也会有很多缺点，与传统单载波相比， OFDM 系统主要有以下两个缺点： （ 1）对于频率偏移和相位噪声比较敏感。 与单载波相比， OFDM 系统对子载波之间的正交性有着严格的要求，然后由于无线信道的时变性，在传输的过程中会产生频率偏移，或者发射机载波频率和接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会破坏到 OFDM 系统子载波之间的正 交性。 而且只有 OFDM 各个子载波的信号频谱保持正交性，接收端才可以正确的接受解调信号，所以，任何形式的频率偏移都会严重的影响到 OFDM 系统性能。 （ 2）存在较高的 PAPR。 由于 OFDM 的时域信号是由多路独立的调制信号叠加而成的，在极端的情况下，甚至会出现最高峰值为各路最高峰值之和。 当然虽然这种情况基本不会出现，但是小概率出现远远大于信号均值的幅度是肯定的。 过高的 PAPR 对系统的影响是非常大的。 出现高 PAPR 就要求发射机内的一些部件具有很大的线性动态范围以适应高 PAPR 的 OFDM 系统，大大增加了设备成 本。 反过来，这些部件的非线性也会使动态范围较大的信号产生非线性失真，所产生的谐波会造成子信道间的干扰，影响 OFDM 系统性能。 OFDM 系统的 PAPR 信号的 PAPR（峰均功率比）过大会引起很多问题，如降低发射机和接收机功率放大器的有效性，增加了部分设备的复杂度，导致整个系统性能下降，成本提高等等。 如果想要很好的运用 OFDM 系统，必须采用一定的方法降低 OFDM 系统中的 PAPR。 OFDM 系统的 PAPR 的定义 OFDM 系统中，信号是由多个独立的经过调制的子载波信号叠加而成的，这样的合 成信号就会有可能。