基于slm算法的papr抑制方法的研究与实现通信类毕业设计论文(编辑修改稿)

基于slm算法的papr抑制方法的研究与实现通信类毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

tial Transmit Sequence， PTS)和信号空间扩展技术等等，这些方法在一 定程度上都能降低 OFDM 系统中高的峰均比，但是都存在着一些缺陷。 限幅法就是信号在经过非线性部件之前进行限幅，硬件实现比较简单，但是接收端信号会有失真，误码率也比较高。 压缩扩展技术需要把幅度比较小的符号进行放大，而使大幅度的符号保持不变，这样就会以增加整个系统的平均功率为代价，来达到降低峰均比的目的，但是符号的功率因此会更加接近高功率放大器的非线性变化区域，从而造成了信号的失真。 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，此类技术为线性过程，不会使信号产生畸变，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，因此，只适用于子载波数比较少的情况。 概率类技术不是着眼于降低信号幅度的最大值，而是降低峰值出现的概率，一般而言，该类技术会带来信息冗余，缺点是计算复杂度太大，要进行多次 IFFT 运算，并且需要安全地传送边带信息。 【 2】 概率类方法虽然不能完全杜绝高 PAPR 的信号的产生，但是它可以从概率上减小对 OFDM 的高 PAPR产生的可能性，所以其对大多数 OFDM 系统的 PAPR的抑 制能力还是很好的。 综上所述，我决定将《于 SLM 算法的 PAPR 抑制方法的研究与实现》作为我的毕设题目。 课题研究方法 OFDM 系统和 PAPR 的抑制技术，对 SLM 算法进行Matlab 仿真，并将其在 FPGA 平台上实现。 ，我对毕设各相关技术有了一定了解，成功编写出 Matlab 代码，对 SLM 算法进行了仿真。 件实现方面，我将发射端系统分成调制映射、子载波映射、 IFFT、峰均比抑制四个模块，通过 Quartersǁ进行模块仿真，并下载到 FPGA 平台实现，但是在代码编写过程中，我发现每一个模块都很复杂，不是我短期内可以掌握的。 ，我对硬件实现进行了可行性研究。 北京航空航天大学毕业设计 (论文 ) 第 11 页 论文的构成及研究内容 本文的篇章结构 第 1 章简要介绍了 OFDM 技术及本课题的研究背景及意义。 第 2 章详细介绍了 OFDM 的基本原理，包括 OFDM 的数学表示、 OFDM 多载波调制 OFDM 的循环前缀以及 OFDM 系统的结构框图等。 第 3 章从理论上介绍了 OFDM 的峰均比问题，定义了 OFDM 的峰均比，并分析了 OFDM 高 PAPR 产生的原因及不良影响。 第 4 章简要介绍解决峰均比的几类 方法 ， 讨论了目前几类方法 的可行性 ，从理论上研究了这些方法的优缺点，对相关的方法给出了仿真验证。 第 5 章围绕基于 SLM 方法展开分析，分析 SLM 方法的理论和优缺点，并针对相关理论给出了仿真验证。 第 6 章介绍了 OFDM 数据链系统以及发射端各个模块的功能，给出发射端模块工作情况，讨论其 FPGA 实现的可行性。 论文的研究内容 ① 研究 OFDM 系统中峰均功率比（ PAPR）的产生原因与影响； ② 了解典型的降低 PAPR 的技术：信号预畸变类、编码类和概率类技术，掌握概率类技术中的 SLM 算法； ③ 建立 SLM 算法降低 PAPR 的模型，并用 Matlab 进行软件仿真； ④ 研究 DVBT2 系统中抑制 PAPR 硬件实现的可行性。 北京航空航天大学毕业设计 (论文 ) 第 12 页 第 2 章 OFDM 基本原理 移动通信的关键是解决信号在复杂的无线信道下的传输题。 信道的时变特性引起信道频率的展宽，导致多普勒效应。 信道的多径传播会引起信号在时间上展宽并导致频率选择性衰落。 我们一般用相干时间或者多普勒带宽来描述信道的时变特性，采用多径时延扩展或相干带宽来描述信道的多径特性。 在小于相干时间的时间范围内，可以将信道看成是线时不变系统。 而如果信号带宽小于相干带宽，则可以认为该信道是平衰落信道，即所有的频率分量所经历的衰落情况是一样的。 而对于高速数据传输，难以满足信号带宽小于相干带宽，从而引起频率选择性衰落，造成码间干扰 (ICI)。 正交频分复用 (OFDM)把高速数据流转换成多个低速子载波上的并行数据传输，并使用循环前缀，经过多径信道时延传输后接收端经过简单的的一阶频域均衡即可实现无 ISI 接收。 因此， OFDM 在克服码间干扰的有效性因而得到很多的关注。 本章介绍正交频分复用系统的基本原理。 OFDM 的基本思想就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干个子信道中进行传输。 由于每个子信道的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延所产生的时间弥散性对系统的影响，并且还可以在 OFDM 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度的消除由于多径而带来的符号间干扰（ ISI）。 一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰（ ICI）。 系统的基本模型 我们知道，最简单的频分复用方式是将并行传输数据分别调制到有一定频率间隔的载波上，这些载波的间隔应该能够保证没有频谱混叠 出现。 从频谱资源利用的角度上看，这种实现方式无疑是很不经济的。 为了提高信道利用率，可将各子信道的频谱部分重叠，接收端用相关滤波器在码元期间接收相应的子信道信号，只要其它子信道信号与这个本地相关信号在码元期间正交即可排除其它子信道的影响。 北京航空航天大学毕业设计 (论文 ) 第 13 页 典型正交信号，如： {1,cosΩ t ,cos2Ω t ,cos mΩ t …sin Ω t ,sin2Ω t ,sinnΩ t}，它们在 [0,T]， T=2π /Ω内组成正交函数集。 OFDM 所发送的信号就是由这样一组正交信号作为子载波码元周期为 T 的不归零方波作为基带码型调制而成的。 接收机解调器也可以由这样一组正交信号在 [0,T]内分别与发送信号进行相关运算而实现解调。 【 3】【 7】 如图 所示：在调制端，要发送的串行二进制数据经过数据编码器（如16QAM）形成了 M 个复数序列： D (m )=A( m )jB (m)。 此复数序列经串 /并变换器变换后得到码元周期为 T 的 M 路并行码（一帧），码型选用不归零方波。 用这M 路并行码调制 M 个子载波来实现频分复用。 所得到的波形可由式（ ）表示： 10( ) [ ( ) c o s 2 ( ) s in 2 ]Mmmmd t A m f t B m f t （ ） 式中： 0。 1 / ,mf f m f f T    ，Δ f 为各频率子载波间的频率间隔； 0f 为1/T 的整数倍。 设倍数为 c，则 ( ) /mf c m T ，各载波相互正交；在解调端对 d (t)用频率为 f(m)的正弦或余弦信号在 [0,T]内进行相关运算即可得到 A( m)， B (m)，然后经过并 /串变换和数据解码后复原与发送端相同的数据序列。 北京航空航天大学毕业设计 (论文 ) 第 14 页 图 给出了一个 OFDM 符号内包括 4 个子载波的实例，其中所有的子载波都具有相同的幅值和相位，但在实际应用中根据数据符号的调制方式，每个子载波的幅值相位都可能是不同的。 从图 看出每个子载波之间相差一个周期，这一特性可以用来解释子载波之间的正交性。 【 4】 北京航空航天大学毕业设计 (论文 ) 第 15 页 这种正交性还可以从频域角度来理解，根据式（ ）每个 OFDM 符号在其周期 T 内包括多个非零的子载波。 因此其频谱可以看作是周期为 T 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的函数的δ卷积。 矩形脉冲的频谱幅值为sinc (fT)函数，这种函数的零点出现在频率为 1/T 整数倍的位置上。 在每一子载波频率的最大值处所有其他子信道的频谱值恰好为零。 由于在对 OFDM 符号进行解调过程中需要计算这些点上所对应的每一子载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不受到其他子信道的干扰。 OFDM 符号的频谱实际上是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，但这是在频域中出现的。 因此这种一个子信道频谱的最大值对应于其他子信道频谱的零点可以避免子信道间扰（ ICI）的出现。 OFDM 系统优缺点 OFDM 是对高速率的串行数据进行频分复用 ，这样来实现并行传输的一种多载波传输方式。 其基本原理与传统的频分复用技术类似。 传统的频分复用(FrequencyDivision Multiplexing， FDM)是将带宽分成几个子信道，子信道之间需要保持足够的频率间隔来作为保护频带，其各个载波的频谱是互不重叠的，因 北京航空航天大学毕业设计 (论文 ) 第 16 页 此，传统频分复用的频谱利用率较低，且在发送端和接收端都需要大量的发送滤波器和接受滤波器组，系统的复杂程度和成本也相对较高。 而 OFDM 技术则在频域内将所给信道分成许多子信道，各个子信道之间保持正交。 当子信道的符号由矩形时间脉冲组成时，每个调制载 波的频谱为 Sa(x)函数形状。 信号是由若干个等间隔并行传输的子载波构成的，其各个子载波的频谱相互重叠但又相互正交。 因此，在接收端容易通过相关解调技术分离各子载波，避免了使用滤波器组，同时又提高了频谱利用率。 图 OFDM 信号频谱 OFDM signal spectrum OFDM 技术具有以下优点： ①把高速率数据流通过串并转换，变成低速数据流，有效地减少由无线信道的多径效应所带来的 ISI，这样就减小了接收 机内均衡的复杂度，或者仅通过采用插入循环前缀的方法就可以消除 ISI 的不利影响。 ②可以有效地对付多径效应产生的那些不利影响，对于给定的时延扩展，其实现复杂度远小于具有均衡器的单载波系统。 ③在无线信道变化相对比较慢的情况下，可以根据特定载波的信噪比动态地分配每个子载波的数据速率，从而显著地提高系统容量，可以采用自适应调制技术。 北京航空航天大学毕业设计 (论文 ) 第 17 页 ④ OFDM 系统中可以利用离散傅立叶反变换和离散傅立叶变换来代替多载波调制和解调，实现各个子信道的正交调制和解调。 对于子载波数目较大的系统，还可以采用快速傅立叶变换来实现。 随着大规模集成电路技术和数字信号处理技术的发展， IFFT 是非常容易实现的。 ⑤无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要大于上行链路中传输的数据量，这就要求物理层支持非对称高速数据传输。 OFDM 系统可以通过使用不同数量的子信道数来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 ⑥ OFDM 系统较容易与其他多种接入方法结合使用，构成系统，其中包括多载 波码分多址 MCCDMA、跳频 OFDM 以及 OFDMTDMA 等，使得多个用户可以同时利用技术进行信息传输。 【 5】 OFDM 系统由于有多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点： ①易受频率偏差与相位噪声的影响。 由于子信道的频谱相互交迭，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。 通常对这种频偏敏感问题可以由载波同步和符号同步来克服。 ②存在较高的峰值平均功率比。 OFDM 系统的发送信号是多个经过调制的子载波信号的迭加信号，当多个信号同相相加时，迭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 (PAPR)，这种 PAPR 与系统的发送子载波数成正比，高的 PAPR 对发射机内线性放大器提出了很高的要求，增加了设备的成本代价。 如果放大器的线性动态范围不能满足信号的变化，则会产生信号畸变，信号频谱泄露，各子载波之间的正交性也会遭到破坏，产生干扰，系统性能下降。 本论文的研究工作主要是针对这个问题展开的。 北京航空航天大学毕业设计 (论文 ) 第 18 页 第 3 章 峰值功率比的定义与分布 OFDM 系统采用多载波传输方式，在时域上 OFDM 信号为 N 个正交子载波信号的叠加。 当 N 个子载波相位一致，以同相求和时，此时 OFDM 信号的峰值功率为信号平均功率的 N 倍。 虽然在实际中，所有子载波同相位的情况出现的。