（通信与信息系统专业论文）dftsofdm系统降低峰平比技术的研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho np 陋rr e d u c t i o n m e t h o d sf o rd f t s 0 f d m c a n d i d a t e ：y uh o n g x u e s u p e r v i s o r ：p r o f h ez h o n g q i u a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s d a t eo fs u b m is s i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y |!|，-，j ， 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：j 僻、簪 日期：够f 9 年3 月fs 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 雉授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：j 谚、，哮 导师( 签字) ： - l - z g f f 日期：，l 口1 口年? 月j g 日1 一、o 年了月”日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 在l t e 的上行链路中，较高的p a p r 将会使放大器浪费过多的能量， 使用户终端设备硬件的成本变高；并且由于电池容量有限，限制了终端设 备的使用时间；而且较高的p a p r 还会严重影响到系统的其它方面的性能。 由于倍受关注的l t e 选择了d f t - s o f d m 作为上行链路的基本传输方案， 所以本文主要对降低d f t - s o f d m 系统p a p r 的技术进行了研究。 论文研究了降低p a p r 的预畸变类技术和概率类技术。预畸变类技术 主要有i 配f 方法和p 律压扩方法，这两种方法降低d f t - s o f d m 系统的 p a p r 效果明显，但是同时牺牲了系统其它方面的性能( 如：存在带外辐射 问题、系统b e r 性能下降等) 。概率类技术主要包括s l m 方法和p t s 方法， 在相同的d f t - s o f d m 系统中对s l m 和p t s 两种方法进行比较，经过仿 真分析，在同等复杂度的条件下p t s 方法改善p a p r 性能要明显优于s l m 方法。 论文提出了一种基于单预留子载波方法的改进方法。改进的单预留子 载波方法通过修改原方法中削峰信号的固定的幅值，根据实际数据信号的 幅值和相位寻找到比原方法更加合适的削峰信号幅值，进一步地降低了最 大峰值信号的幅值。该改进方法能够在改善系统的p a p r 性能的同时，既不 用发送边带信息，又不影响系统的误比特率性能。经过在d f t - s o f d m 系 统中的仿真分析，改进的单预留子载波方法能够比原方法更进一步地降低 p a p r 。 关键词td f t - s o f d m ；峰值平均功率比；预留子载波 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h eu p l i n ko fl t e ，t h eh i 曲e rp a p rm a k e st h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h e a m p l i f i e rh i g h e r , a n dr e s u l t si nt h eh i g h e rc o s to ft h eu s e rt e r m i n a le q u i p m e n t , a n dt h eb a t t e r yc a p a c i t yl i m i t si t ss e r v i c et i m e o t h e r w i s e ，t h eh i g h e rp a p r s e r i o u s l ya f f e c t so t h e rp e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m b e c a u s ew e l l - f o c u s e dl t e h a ds e l e c t e dd f t - s o f d ma st h eb a s i cu p l i n kt r a n s m i s s i o ns c h e m e ，p a p r r e d u c t i o nm e t h o d sf o rd f t - s o f d m s y s t e mw e r es t u d i e di nt h i st h e s i s t h ep r e - d i s t o r t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ep r o b a b i l i t yt e c h n o l o g yo fp a p r r e d u c t i o nw e r em a i n l yr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s r c fm e t h o da n d “- l a w c o m p a n d i n gm e t h o db e l o n gt ot h ep r e - d i s t o r t i o nt e c h n o l o g yo f p a p rr e d u c t i o n t h e yr e d u c ep a p ro b v i o u s l y , a n ds a c r i f i c eo t h e ra s p e c t so fp e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m ( s u c ha so u t b a n dr a d i a t i o na n db e rp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n ) t h e p r o b a b i l i t yt e c h n o l o g yo fp a p r r e d u c t i o nm a i n l yi n c l u d e ss l mm e t h o do rp t s m e t h o d s l mm e t h o dw a s c o m p a r e d 、 ，i n l p t sm e t h o di nt h es a m e d f t - s o f d ms y s t e m a f t e rs i m u l a t i n ga n da n a l y z i n g ，t h ep e r f o r m a n c eo f p a p rr e d u c t i o no fp t sm e t h o di sb e t t e rt h a nt h a to fs l mm e t h o di nt h es a m e c o m p l e x i t y a ni m p r o v e dm e t h o db a s e do ns i n g l et o n er e s e r v a t i o nm e t h o dw a s p r o p o s e di nt h et h e s i s t oi m p r o v ep a p rr e d u c t i o np e r f o r m a n c eo fo r i g i n a l m e t h o da n dr e d u c ep a p ro ft h es y s t e m ，t h ef i x e dm a g n i t u d eo ft h et i m ed o m a i n p a p rr e d u c t i o ns i g n a l so fo r i g i n a lm e t h o dw a sc h a n g e db yt h ep r o p o s e d m e t h o d ，a n dt h em o r ea p p r o p r i a t em a g n i t u d eo ft h et i m ed o m a i np a p r r e d u c t i o ns i g n a l sb a s e do nm a g n i t u d e sa n dp h a s e so fa c t u a ld a t aw a sf o u n db y t h ep r o p o s e dm e t h o d w h e nt h ep r o p o s e dm e t h o dw a sb e i n gu s e d ，t h e r ei s n o n - a f f e c t i o no fb e rp e r f o r m a n c ea n dn o n s i d e i n f o r m a t i o n s i m u l a t i o ni i l 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d f t - s o f d ms y s t e md e m o n s t r a t e dt h a tp a p rr e d u c t i o np e r f o r m a n c eo ft h e p r o p o s e dm e t h o dw a sb e t t e rt h a nt h a to f t h eo r i g i n a ia p p r o a c h k e yw o r d s ：d f t - s - o f d m ；p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ；t o n e r e s e r v a t i o n 一 气 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 研究背景一1 1 1 1 移动通信技术的发展1 1 1 23 g p pl 1 甩。2 1 1 3 s c f d 【a 3 1 2 研究意义4 1 3 研究现状。5 1 4 论文的主要内容7 第2 章d f t - s o f d m 系统的原理8 2 1d f t - s o f d m 系统的基本结构8 2 2d f t s o f d m 系统的子载波映射方式l o 2 3d f t s o f d m 系统的p a p r 分析。l l 2 3 1d f d m a 方式的时域信号1 2 2 3 2l f d m a 方式的时域信号1 4 2 3 3p a p r 的定义。1 5 2 4 d 、结1 6 第3 章基于信号预畸变的p a p r 抑制技术1 7 3 1 限幅类方法1 7 3 1 1重复限幅滤波方法( r c f ) 。1 8 3 1 2 r c f 方法在d f t - s o f d m 系统中的应用一1 9 3 2 压扩类方法2 2 3 2 1律压扩方法2 2 3 2 2律压扩方法在d f t - s o f d m 系统中的应用2 4 3 3 小结。2 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章概率类p a p r 抑制技术2 7 4 1 选择映射方法( s l m ) 2 7 4 1 1s l m 方法的原理2 7 4 1 2s l m 方法在d f t - s o f d m 系统中的应用2 9 4 2 部分传输序列方法( p t s ) 31 4 2 1p t s 方法的原理3 1 4 2 2p t s 方法在d f t - s o f d m 系统中的应用3 3 4 3s l m 方法与p t s 方法改善p a p r 性能的比较。3 5 4 4 小结3 7 第5 章基于预留子载波的p a p r 抑制方法3 8 5 1 预留子载波方法( t r ) 3 8 5 2 单预留子载波方法( s t r ) 4 0 5 2 1原理分析4 0 5 2 2 在d f t s o f d m 系统中的仿真分析4 2 5 3 改进的单预留子载波方法4 6 5 3 1实现原理4 6 5 3 2 在d f t s o f d m 系统中的实现过程4 9 5 4 改进的s t r 方法与原方法对p a p r 性能改善的比较5 0 5 5 降低p a p r 方法的比较5 3 5 6d 、结5 6 结论。5 8 参考文献6 0 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 5 致谢。6 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 移动通信技术的发展 在最近几十年内，移动电话经历了从实验里昂贵的电路设备到变为现 在最普遍的电子消费产品。现在移动电话不仅仅具有通话功能，还集成了 照相机、摄像机、游戏机、音乐播放器、电子杂志和网页浏览器等具有了 多种功能。虽然有线电话从发明到现在已经有百年的历史，而且发达国家 曾大力推广应用过，但是移动电话的使用数量在近些年已经超过了有线电 话，并且这个数目还在继续增涨。此外，目前在发展中国家也有数亿人使 用上了移动电话。 虽然移动通信技术在不停地进步，并且商业化系统在频繁地更新技术， 但是移动技术从一代发展到下一代的标志主要是一些特定的优点。通常来 说，移动通信的发展分为三个阶段。第一个阶段，也称第一代( f i r s t g e n e r a t i o n ) 移动通信系统，产生于2 0 世纪8 0 年代，它的特点是用模拟信 号进行语音通信。第二代移( s e c o n dg e n e r a t i o n ) 动通信系统在2 0 世纪9 0 年代发展起来，它的特点是开始使用数字信号进行语音通信。第二代移动 通信系统较第一代移动通信系统已经有了相当成熟先进的安全技术和网络 技术，可以让接入网络的用户接收到来自全球任何一个地点的呼叫。 在第二代移动通信系统投入到市场应用之前，为了实现更快的数据速 率、更高的频谱效率和除语音通信外的更多信息服务，一些移动通信团体 就已经开始第三代( 3 g ，t h i r dg e n e r a t i o n ) 移动通信技术的研究工作。在 1 9 8 5 年，国际电信联盟( i t u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 展 开了未来陆地无线通信系统的研究工作。1 5 年后，在i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) 的带头下，i t u 发行了一系列的标准，认 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可了五种技术作为3 g 通信系统的基础。在2 0 0 8 年，一些移动通信运营公 司从商业成本考虑，选用了这些标准技术里的w c d m a ( w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和c d m a 2 0 0 0 技术。与此同时，通信行业一直在 关注b 3 g ( b e y o n d3 g ) 的发展，并且考虑单载波频分多址接入( s c f d m a ， s i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术作为长期演进计划 ( l t e ，l o n gt e r me v o l u t i o n ) 中移动电话到基站无线通信的主要技术。l t e 技术预期会在2 0 1 0 年前后商业化使用。 1 1 23 g p p m 第三代移动通信技术合作计划( 3 g p p ，t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ) 是一个在1 9 9 8 年1 2 月成立的国际的标准化组织。3 g p p 初衷只是关心 g s m 及其派生技术，现在3 g p p 推出的3 g 技术标准更多是关于w c d m a 。3 g p p 用了两组缩写字母来表示它的技术规范：u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 关于整体的蜂窝网技术规范，包含了上百篇的 3 g p p 技术规范；u t r a n ( u l l i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 是关于 网络部件及其接口技术规范，用于移动终端与网络基础设施之间的通信。 3 g p p 的合作伙伴包括：机构组织合作人、市场代表合作人和独立机构合作人。 机构组织主要是来自北美、欧洲和亚洲的地区或国家性的标准组织。市场代 表主要是那些想要促进具体某项技术发展的相关行业。独立组织主要是与机 构组织有一定关联的企业公司。截止至u 2 0 0 6 年1 0 月，3 g p p 已经有2 9 7 家独立 组织成员。 2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 开始长期演进计划( l t e ) 的研究工作，成立了r a n ( r a d i o a c c e s s n e t w o r k ) 演进工作组，确定了一系列的高标准的需求：减少 传输每比特信息的成本、灵活的利用现有和新的频谱资源、提供更多的业务、 简化系统架构、提供开放性的接口和合理的发射功率消耗。通过工作组和 3 g p p 其它成员的努力，于2 0 0 4 年1 2 月开始了l t e 的可行性研究工作。l t e 的 总体目标在于要开发出一个拥有高数据速率、低时延和最优的分组无线接入 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的无线接入技术。主要的研究工作包括：支持灵活的2 0 m h z 的传输带宽、构 造一种新的通信体制、采用先进的多天线技术、识别最优的u t r a n 网络结构 和分离无线接入网络节点的功能。l t e 为后续的工作假设，确定了如下的工 作假设：下行链路使用o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x a c c e s s ) 技术，上行链路使用s c - f d m a ( s i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 技术；支持q p s k ，1 6 q a m 和o i q a m 数据调制方式；使用4 x 4 的m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术；使用t u r b o 信道编码；传输 时间隔( t r i ，t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l ) 为1 毫秒n 1 。l t e 的研究项目逐步结 束于2 0 0 6 年9 月。在2 0 0 9 年，3 g p p 对l t e 的演进版本l t ep l u s 的研究工作已经 在进行中。 1 1 3s c f d 丛 在3 g p pl t e 标准化过程中，r a n 工作组从多种备选的多址方案中选取了 上行链路采用s c f d m a 的方案作为后续的研究工作假设。s c f d m a 是在蜂 窝式移动通信系统的未来发展中的一种新颖的无线通信技术，s c f d m a 技术 的发展代表了蜂窝技术快速演进中的关键一步。 单载波频分多址( s c f d m a ) 技术联合了传统的频分多址技术( f d m a ， f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和单载波传输方案，并且具有动态的带 宽分配功能。l t e 确定上行链路采用s c f d m a 技术主要是因为，s c f d m a 技术与o f d m a 等多载波传输技术相比具有较低的发射信号的峰值平均功率 比( p a p r ，p c a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ) ，因而可以降低移动端设备的成本， 提高小区的覆盖面积。 s c f d m a 信号的产生方式分时域和频域上的产生方案，离散傅里叶变换 扩频的正交频分复用多址接入( d f t - s o f d m ，d f ts p r e a do f d m ) 系统是 在频域上产生的s c f d m a 信号。从l t e 具体参数设定的角度来看，部分传输 参数非常适合用于d f t s o f d m 。d f t s o f d m 的子载波映射方式可分为集 中式和分散式。对于采用集中式子载波映射的d f t - s o f d m 系统中的用户间 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 干扰较轻，它的p a p r 性能比o f d m a 好，缺点是频率分集差；对于采用分散 式子载波映射的d f t s o f d m 系统的频率分集好，对频偏敏感瞄3 1 。 1 2 研究意义 理想的功率放大器都是无记忆的放大输入信号，但现实中的功率放大器 都仅有一小部分线性工作区间，功率放大器的输出需要限制在某一值上，称 作饱和度。图1 1 是一个典型的高功率放大器( h p a ，h i g hp o w e r a m p l i f i e r ) 的输入与输出功率的示意图。为了无失真地传输信号，功率放大器需要工作 在线性区间内。若信号有较高的峰值平均功率比( p a p r ，p e a kt oa v e r a g e p o w e rr a t i o ) ，幅值的变化范围会超出功率放大器的线性工作区间，那么信 号会产生明显的带内失真和带外辐射，导致了接收端误码率的升高，恶化了 通信系统性能州。 图1 1高功率放大器的功率输入输出示意图 另外，功率放大器的效率对大多数无线通信系统也是非常重要的因素。 功率放大器的效率过低将会导致大量的能量浪费，不仅仅使系统的效率恶化， 还会加大设备的散热量。p a p r 也是对发射机的功率效率性能测量的一个标 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 准。若发送的信号有较高的p a p r ，则意味着需要较大的功率回馈才能使功率 放大器工作在线性区间内，较高的p a p r 会严重降低发射功率的效率。 特别是在移动通信系统的上行链路中，用户终端设备( 大部分是手机) 的成本要求尽可能的低，使用时间尽可能的长。如果用户终端设备传输信号 具有较高的p a p r ，那么功率放大器、数模转换器等硬件成本将会变高，并且 由于用户终端设备的电池容量有限，使用时间也受到了限制，还会因为误码 率的上升，减小小区的有效覆盖面积。 综上所述，信号p a p r 的高低对整个通信系统性能有着重要的影响。为避 免因信号的p a p r 过高引起上述缺点，l t e 上行链路中的d f t - s o f d m 系统必 须要降低p a p r 。 1 3 研究现状 功率放大器和数模转换器如果使传输信号发生畸变会引起误符号率的 增加，频谱的再生，功率效率的降低等一系列问题。通常来说，传输信号 必须要严格限制它的功率峰值与功率平均值之比( p a p r ，p e a kt oa v e r a g e p o w e rr a t i o ) ，否则较高的p a p r 会引起传输信号的畸变。所以控制p a p r 的目的在于是消除较高p a p r 对通信系统性能的影响。一般可以从两方面 着手控制p a p r ，一类是完全地控制信号的峰值，另一类是减少峰值的出现 概率。但是控制p a p r 或多或少都要付出降低传输效率或者使系统性能恶 化的代价。 目前已经提出很多种降低p a p r 的方法，信号畸变技术主要有限幅、重复 限幅滤波( r c f ，r e p e a t e dc l i p p i n ga n df i l t e r i n g ) 和压扩方法，概率类方法 主要有选择性映射方法( s l m ，s e l e c t i v em a p p i n g ) p 1 和部分传输序列方法 ( p t s ，p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ) 6 10 这些技术都是以牺牲某些方面的性能 作为代价，来换取较低的p a p r ，它们或是增加了信号的平均功率，或是增加 了接收端的误比特率，或是减小了数据传输速率，或是增加了计算复杂度等。 降低p a p r 最简单的方法就是限幅方法，限幅方法限制了输入信号高于门 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 限功率的部份，低于门限的部份信号允许通过p 1 。但是限幅会引起信号发生 畸变，会在带内和带外产生干扰。带外的干扰可以用滤波方法去除，但滤波 器消除不了带内的干扰，这将会导致误比特率性能的下降。限幅后再进行滤 波可以降低带外辐射，但是这将导致信号峰值的再生。为消除信号峰值的再 生，可采用重复限幅滤波的方法毋一。一般来说，可以应用重复限幅滤波来达 到理想的降低p a p r 效果。还有一种使信号发生畸变的方法叫压缩扩张方法， 也称为压扩方法【埘。这种方法分为线性压扩方澍1 和非线性压扩方法n 2 1 两类， 但都是通过将信号的小幅值扩展变大，同时把大幅值压缩变小，达到降低系 统p a p r 的目的。 概率类技术主要有s l m 和p t s 方法，它们的原理是从概率的角度出发来 降低p a p r 的，这类技术并不是追求限制信号的最大幅度，而是要降低峰值信 号出现的概率。概率类方法为了让接收端能正确恢复出信号，在发射端都需 要发送一些额外的边带信息。另外，由于概率类方法和限幅方法是基于两种 不同的原理，因此两类方法也可以适当的联合使用u 引，进一步降低p a p r 。 其它降低p a p r 的方法还有：编码方法、子载波注入方法( t i ，t o n e i n j e c t i o n ) 和有效星座扩展方法( a c e ，a c t i v ec o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n ) 等u 卅。 编码的方法主要有分组编码法、g o l a y ；i b 码序列法等，由于编码方法受到调制 方式、子载波数目和计算复杂度等多方面限制，在实际系统中编码方法带来 的收益是有限的。t i 方法的基本思想是增加星座图的尺寸，使每个数据可以 映射到星座图上的多个点上，通过选用星座图上适当的映射点来降低p a p r 。 t i 方法有时会导致发送功率的增张。a c e 是与t i 相似的一种方法，这种方法 修改了边界上的星座点，增加了它们在星座图上的范围，达到降低p ：a p r 的目 的。a c e 方法在降低p a p r 的同时，还可以轻微的改善b e r 性能，但是a c e 方 法会增加发送功率，并且需要一个巨大的严谨的星座图。 最后，还有一种新颖的降低p a p r 方法叫做预留子载波方法( t r ，t o n e r e s e r v a t i o n ) ，这种方法在发射端和接收端共同保留出一致的子载波产生用来 削减峰值的时域信号，原系统的时域信号和削峰信号叠加后降低了p a p r 再发 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 送给接收端钉；在接收端，接收的叠加信号经过f f t 运算就可以容易地分离出 这些预留子载波。预留子载波方法不用向接收端发送边带信息，簇收端能够 非常容易地分离出有用信息。 上文提到的这些降低p a p r 方法最初都是为多载波通信系统设计的，但 是，如果将它们在应用在s c f d m a 信号频域产生方式的d f t - s o f d m 系统 中，降低p a p r 的效果如何还有待进一步研究。 1 4 论文的主要内容 本文首先给出了课题的研究背景、研究意义和研究现状；接着研究了 降低d f t - s o f d m 系统p a p r 的各种技术，并对每一种降低p a p r 方法进 行了仿真和分析；最后在单预留子载波方法的基础上，提出了一种改进的 降低p a p r 方法。本文的章节安排如下： 第1 章给出了课题研究背景，包括移动通信技术的发展状况、l t e 和 s c f d m a 技术；简述了课题的研究意义，以及现有的降低p a p r 方法。 第2 章简述了d f t - s o f d m 的系统原理和结构，分析了不同子载波映 射方式下的时域信号，给出了d f t - s o f d m 系统的p a p r 定义和表达式。 第3 章研究了降低d f t - s o f d m 系统p a p r 的信号预畸变类技术。主 要分析了r c f 方法和律压扩方法，并仿真了两种方法在d f t - s o f d m 系 统中对p a p r 性能的改善情况，揭示了两种方法的优点与不足。 第4 章研究了降低d f t - s o f d m 系统p a p r 的概率类技术( s l m 方法 和p t s 方法) 。并在d f t - s o f d m 系统中分别对两种方法进行了仿真分析。 经过比较，p t s 方法比s l m 方法更适用于d f t - s o f d m 系统中。 第5 章研究了降低d f t - s o f d m 系统p a p r 的单预留子载波方法。并 基于单预留子载波方法提出了一种改进的方法。该改进的方法较原方法能 更进一步降低d f t - s o f d m 系统的p a p r 。论文最后对r c f 方法、律压 扩方法、s l m 方法、p t s 方法和改进的单预留子载波方法进行了比较。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章d f t s o f d m 系统的原理 2 1d f t - s o f d m 系统的基本结构 d f t - s o f d m 是l t e 上行链路s c - f d m a 技术的频域产生方式。为了 进一步了解d f t - s o f d m 系统，首先要介绍正交频分多址接入( o f d m a ， o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 系统，两者的结构有些众多 的相似处：一样的数据块调制和处理，一样的把传输带宽分割成多个子带， 一样的加入了循环前缀。 图2 1o f d m a 系统结构框图 图2 1 是o f d m a 的系统结构框图。o f d m a 是正交频分复用技术 ( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 与频分多址接入 ( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术的结合。o f d m 技术把 信道中的可用带宽分割为许多个平坦衰落的子载波，并且用这些子载波并 行传输数据。由于o f d m 的子载波是部份重叠的，因而o f d m 有着很高的 频谱效率和较高的数据传输速掣1 6 1 。o f d m a 通过o f d m 技术为不同的用 户分配不同的相互正交的子载波，避免了不同用户间需要较大的保护带宽， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 提供了一种天然的多址接入方式。由于不同用户的子载波间是彼此正交的， 因而o f d m a 不会发生用户间的干扰。同时，o f d m a 还为用户提供了两 种子载波分配方式：离散式子载波分配和集中式子载波分配。 图2 2d f t s o f d m 系统结构框图 图2 2 是d f t - s o f d m 系统的原理框图，当一组经过星座映射后的个 数据符号串行输入d f t - s o f d m 的发射端时，首先，经过串并转换变为并 行数据符号进行点d f t 运算变换成频域上的数据。然后，再经过子载波 映射把经点d f t 运算得到的频域数据映射到m ( m n ) 个子载波上。如 果= m q ，并且每个用户发送的数据块正好是个符号，那么系统可以 在没有信道间干扰的情况下，同时传递q 个用户的信息数据。这里q 代表 符号序列的带宽扩展因子。最后，同o f d m a 系统一样，再经过m 点i d f t 运算变换成为复时域信号。 在发送机发射信号之前一定要对信号进行插入循环前缀( c p ，c y c l i c p r e f i x ) 处理。加入循环前缀的作用是提供一个保护时间间隔，用来抑制由 径信道产生的数据块间干扰( i b i ，i n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e ) 。通常加在数据 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 块前的循环前缀可以是数据块最后一部份的复制。这种做法有两个优点： 第一，循环前缀作为块与块间的保护时间间隔。如果循环前缀的长度大于 信道最大时延扩展长度，或者大于信道的冲击响应长度，那么就不会发生 i b i 。第二，循环前缀是数据块最后一部份的复制，因此可以把离散时间的 线性卷积运算可以转化为离散时间的循环卷积运算，所以信号通过信道的 模型就可以看作为信道冲击响应与数据块的循环卷积运算，简化了运算量。 通过图2 1 与图2 2 的比较，d f t - s o f d m 系统与o f d m a 有着相似的 结构，d f t - s o f d m 系统中的子载波也都是相互正交的，所以d f t - s - o f d m 系统中的用户不会相互干扰。两者之间的不同点就是d f t - s o f d m 系统在 发射端多出d f t 模块，在接收端多出i d f t 模块。正是这结构上的差异使 得两个系统有着不同的性能。最显著的差异是：由于d f t - s o f d m 系统的 输出是单载波信号，所以与o f d m a 系统输出的多载波信号相比有着较低 的峰均功率比。 2 2d f t - s o f d m 系统的子载波映射方式 子载波映射的方式有分散式映射( d f d m a ，d i s t r i b u t e df d m a ) 和集 中式映射( l f d m a ，l o c a l i z e df d m a ) 两种。如图2 3 所示，分散式映射 方式是把d f t 的输出数据被分配到整个频带上，没有被使用的子载波的数 据为零。然而，集中式映射方式是让d f t 的输出数据分配到连续的子载波 上。如果在分散式映射方式中，每一个被分配的子载波都是等间距的，那 么这么情况被称作交织频分多址接入( i f d m a ，i n t e r l e a v e df d m a ) n 7 ，埘。 i f d m a 可以看作是d f t - s o f d m 系统的一个特例。 集中式映射方式因为用