（通信与信息系统专业论文）基于cazac序列的预留子载波算法研究.pdf

摘要 摘要 随着人们对通信需求的不断增加，现代通信系统也在不断地革新，新的通 信技术也在不断地发展当中。正交频分复用( o f d m ) 技术以其众多的优点而被 业界认为是未来通信系统的主要技术之一。o f d m 技术非常适合在复杂的通信 环境下实现高速的数据传输，具有很好的抗多径衰落能力和抗窄带干扰能力。 它的频谱利用率高，而且胄月匕v , 1 4 区e t 好地克服符号间干扰( i s i ) 以及载波间干扰( i c i ) 。 但是同时它也存在着一些缺点，峰值平均功率比( p a p r ) 较大就是其中比较明 显的一个。峰均比过高会导致o f d m 信号通过功率放大器时因超出其线性范围 而产生失真，使得误码率升高，系统性能明显下降。这就让o f d m 技术难以继 续发展。所以，有效地降低其峰值平均功率比是o f d m 技术应用的关键所在。 本论文研究的就是这些方面的方法问题。首先，本论文介绍了o f d m 系统研究 的背景和现状及其基本原理和关键技术，并且给出了峰均比的理论说明和描述 方法。随后，对当前抑制峰均比的几类技术进行了介绍和讨论。本文着重介绍 了预留子载波( t o n er e s e r v a t i o n ，t r ) 的方法。通过分析对比各种技术，总结 了其优点和缺点。针对t r 方法的弊端，本论文在其基础上，提出了一种新的改 进方法并进行了仿真。该方法是用c a z a c 序列作为预留子载波上的发送信号， 用以生成削峰信号。利用c a z a c 序列本身所具有的优点，可以提高系统降低 p a p r 的性能。由于本方法中削峰序列的相位的寻找采用了次优的搜索，而功率 保持恒定，计算量上会有明显的降低。这样，相比于传统预留子载波算法无限 迭代的情况，改进算法在稍微损失一部分p a p r 抑制性能的代价下，大大降低了 系统的复杂度。计算机仿真结果和对复杂度的分析表明，与传统t r 算法相比较， 改进的t r 方法在降低p a p r 方面有微小的损失，但新的方法却避免了无限制的 迭代，大大降低了系统的运算量和复杂度。可以推断，这是一种可以应用于实 践的降低o f d m 系统中峰均比的方法。 关键词：正交频分复用，p a p r ，预留子载波，c a z a c 序列 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do fc o m m u n i c a t i o n ，m o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a r eu n d e rc o n t i n u o u si n n o v a t i o n ；n e wc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sa r ea l s od e v d o p e d e n d l e s s l y d u e t oag r e a td e a lo fa d v a n t a g e s ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sc o n s i d e r e da so n eo f t h ec o r et e c h n i q u e sf o rn e x t - g e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o f d mi sv e r ys u i t a b l ef o rh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o ni n t h ec o m p l i c a t e dt r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t ，a n da l s oh a st h ep r o p e r t i e so fg o o d a n t i - m u l t i p a t hf a d i n gc a p a b i l i t ya n dr o b u s t n e s st on a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e m o r e o v e r ， o f d mh a sh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , a n di tc a ne f f i c i e n t l yo v e r c o m et h ei n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) a n di n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) b u ta tt h es a m et i m e ，t h e r ea r e s o m es h o r t c o m i n g s o n es i g n i f i c a n tp r o b l e mi sh i 曲p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) w h e nt h eo f d ms i g n a lp a s s e st h r o u g hap o w e ra m p l i f i e r , t h eh i 曲p a p r w i l ll e a dt os i g n a ld i s t o r t i o n a n df u r t h e rb r i n go nh i g hb i te r r o rr a t e ( b e r ) a n d s y s t e mp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o ni fs i g n a lp o w e ri sb e y o n dl i n e a rr a n g eo fp o w e r a m p l i f i e r t h i sl i m i t st h ep o p u l a r i t ya n da p p l i c a t i o no fo f d mt e c h n i q u e s o ，p a p r r e d u c t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o rb r o a da p p l i c a t i o no fo f d mt e c h n i q u e t h i st h e s i s s t u d i e st h ep r o b l e mo fp a p ra n di t sr e d u c t i o nt e c h n i q u ei no f d ms y s t e m s f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds t a t u sq u o ，a n db a s i cp r i n c i p l ea n dk e y t e c h n i q u eo fo f d ms y s t e m ，a n dt h e ng i v e sd e f i n i t i o n a n dd e s c r i p t i o no fp a p r s u b s e q u e n t l y , s e v e r a lt y p e s o fp a p rr e d u c t i o nt e c h n i q u e s a r e p r e s e n t e da n d d i s c u s s e d l a t e r , t h i sa r t i c l ef o c u s e s o nt o n er e s e r v a t i o n ( t r ) m e t h o d a f t e r a n a l y z i n g a n d c o m p a r i n gv a r i o u st e c h n i q u e s ，w e s u m m a r i z e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fi n d i v i d u a l s t oo v e r c o m et h ed r a w b a c ko ft rm e t h o d ，t h i sp a p e r d e v e l o p sa ni m p r o v e dm e t h o do ft ra n dd o e ss i m u l a t i o n ，w h e r e ，c a z a cs e q u e n c e i su s e df o rt h er e s e r v e ds u b c a r r i e r st og e n e r a t eac l i p p i n gs i g n a l c a z a cs e q u e n c e h a st h ea d v a n t a g e st h a tc a ni 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 e i nt h i sm e t h o d ， b e c a u s ep h a s es e a r c h i n gp r o c e s so ft h ed i p p i n gs e q u e n c ei ss u b 。o p t i m a la n dt h e i i a b s t r a c t p o w e r so ft h ec l i p p i n gs e q u e n c es e ta sc o n s t a n t ，t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi s r e d u c e ds i g n i f i c a n t l y i nt h i sw a y , a tt h ec o s to fs l i g h tp a p rr e d u c t i o np e r f o r m a n c e l o s s ，c o m p l e x i t yo ft h es y s t e mw a sg r e a t l yr e d u c e d t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t s a n dc o m p l e x i t ya n a l y s i ss h o w , c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt ra l g o r i t h m ，t h ei m p r o v e d t rm e t h o dg r e a t l yr e d u c e st h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo ft h es y s t e mb ya v o i d i n g u n l i m i t e ds e a r c h i n gi t e r a t i o n i tc a nb ei n f e r r e dt h a t ，t h i si sab e t t e rm e t h o dt or e d u c e p a p ri no f d ms y s t e m s w h i c hc a nb eu s e di np r a c t i c e k e yw o r d s ：o f d m ；p a p r ；t o n er e s e r v a t i o n ；c a z a c i i i 第一章绪论 第一章绪论 第一节现代移动通信系统发展概述 从二十世纪中叶开始，随着时代的进步，通信系统的更新非常迅速。为了 满足人们日益高涨的通信需求，通信技术也是不断地更新，通信系统也经历了 从第一代到第三代移动通信系统( 3 t hg e n e r a t i o n ，3 g ) 的演变。而对于快速发 展的宽带数据及多媒体业务，第三代移动通信系统也已经不能达到人们的期望， 3 g 技术逐步朝着b 3 g ( b e y o n d3 t hg e n e r a t i o n ) 、4 g ( 4 t hg e n e r a t i o n ) 技术的方 向发展 。 每一次通信系统的革新都历经了核心技术的明显转变。最早，通信系统采 用的是以频分多址( f 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 ga c c e s s ，f d m a ) 为核心的 模拟通信。而后逐渐过渡到以码分多址( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 为核心 的数字通信。并且各种技术不断涌现，第四代移动通信就是以比当前通信技术 更加高效的前沿技术为核心的。 第一代模拟通信系统采以f d m a 为核心的模拟调制方式，不能传输数据，只 能提供语音服务，业务种类较为单一，频谱利用率也很低，且模拟通信系统有 严重干扰的问题，信号质量较差，信息安全性不好。所以很快更加优秀的通信 系统就出现并取而代之了。 以g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) 和i s 9 5 c d m a 为代表的第二代移动通信 系统，具有很多优点，如保密性好，频谱利用率高等。但是，它在数据传输方 面的能力并不强，尤其对于速率较高的传输要求，更加地无能为力，因而无法 支持视频、互联网等业务发展。在当前的信息时代，对图像影音等大数据量处 理的业务发展迅速，需求大增，而系统远远不足以应对这些变化。 于是人们研究并使用了基于c d m a 的第三代移动通信系统。它的主要目标 是全球范围内的漫游，进一步提高频谱利用率，解决系统容量问题，满足个人 化需求，支持多媒体业务，实现与第二代移动通信系统的过渡和兼容。当前3 g 标准主要有欧洲和日本的w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ， 第一章绪论 美国的c d m a 2 0 0 0 ，我国的t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 【2 】o 但是，第三代移动通信系统并未完全解决系统容量，频谱利用率等问题， 也难以满足日益高涨的数据传输业务需求。而且由于c d m a 的扩频技术，当传 输高速的数据流时，会有非常不理想的符号间干扰存在。这种问题限制了c d m a 的抗噪能力p j 。因此人们发展第四代移动通信系统也就成为必要。具有频谱利用 率高和抗多径干扰能力强的优点的正交频分复厍j ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) h j 技术是一种高效的无线传输技术，能够满足未来通信系 统的诸多要求，实现通信系统的全面革新。可以预见，在将来的移动通信系统 中，o f d m 必将占据非常重要的位置。所以，人们开始关注o f d m 技术。 第二节o f d m 技术的发展及研究现状 1 2 1o f d m 发展及应用 o f d m 很早就被人们所提及，它的思想来自多载波调制( m u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o n ，m c m ) 技术1 5 j 。多载波调制的实际系统出现在上世纪五六十年代。 它是由美国的军方研制和建立的。而七十年代则出现了基于此系统的o f d m 系 统。但是在接下来的几年当中，o f d m 的研究和实践没有太大的进展。虽然理论 上o f d m 系统可以使用傅里叶变换来代替实现，但是实际上实现傅里叶变换是很 困难和复杂的，这成了o f d m 技术实现的瓶颈。到了八十年代，随着d s p ( d i 西t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术的发展以及大规模集成电路的使用，f f t 的快速实现成为 了现实。而且，通信系统收发两端振荡器的稳定性有了大幅提升，系统对功率 放大器的线性要求也得到了解决【6 1 。这样，o f d m 逐步进入人们的视野，并成功 应用于实际的通信领域。而且随着d s p 技术的进一步研究和改进，o f d m 技术的 完善和发展将更趋于完美。 o f d m 技术在实践方面已经有了很大的发展。它的主要应用领域包括广播信 道的宽带数据通信，数字音频广播( d a b ，d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 、数字视 频广播( d v b ，d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 、无线局域网( 北美标准i e e e8 0 2 1 1 a ， 欧洲高性能本地局域网络h i p e r l a n 2 ) 、数字电视( d t v , d i g i t a l t e l e v i s i o n ) 陆 地广播标准以及x d s l 等标准【7 】。1 9 9 9 年，世界著名的通信公司e r i c s s o n 、n o k i a 2 第一章绪论 等推动建立了国际的o f d m 论坛，我国的信息产业部也是4 6 个会员之一【8 1 。而随 着对o f d m 技术的不断研究，它必将在全世界范围内引起强烈的改革风暴，推动 通信的全面演进。 1 2 2 o f d m 关键技术和主要问题 o f d m 技术传输数据的主要方法就是将速率较高的信息流分成若干并行的 速率较低的子信息流，分别在不同的子信道中进行传输。这样，每个子信息流 的速率降了下来，符号持续时间较长，远远大于信号的延迟扩展，子信道就变 得平坦了许多，于是抑制了多径衰落和频率选择性衰落的产生。o f d m 技术具有 很多的优点：由于系统中并行子载波之间是相互正交的，频谱可以相互重叠， 使得宝贵的频谱得到充分地利用：并且系统性能好，抗多径衰落能力强，能够 适用于传输速率较高的系统。o f d m 中的关键技术包括同步技术、信道估计技术、 调制解调、循环前缀、信道编码与交织、信道分配、抑制峰均比等【9 】。在o f d m 系统中，各个子载波在频谱上是叠加在一块的，只能通过子载波之间的正交性 来严格标明彼此，保证各个子载波间不会产生干扰。所以说载波同步就成为其 中最为核心的指标之一。o f d m 系统要求严格保证子信道的相互正交性，所以对 频率偏移非常敏感。 o f d m 技术里面还存在着其他非常严重的问题峰均比太大。o f d m 信号 是各个子信道中信息的总和，这种叠加在某种情况下会引起某些问题，比如， 当子载波上的符号相位不是随机均匀的，而是比较接近甚至一致的时候，总体 信号的峰值将会非常大，但是总信号的平均功率与原来相比变化不大，这就是 峰均比太大的原因所在。而这些较高的功率只占整个系统符号的很少一部分。 这样，当系统使用功率放大器时，就会出现带内失真以及带外噪声，而且功率 效率非常低。p a p r 问题的存在使得整个系统在误码率等方面的表现非常的差， 且对功率放大器要求非常高，这也限制了o f d m 技术的推广。因此，抑制峰均比 也就成为完善o f d m 技术的过程中非常重要的环节和当前研究的热点。本论文也 正是对此问题的研究成果。 1 2 3 抑制p a p r 的方法的研究现状 当前存在的抑制峰均比的方法主要有以下三类信号预畸变类技术、编 第一章绪论 码类技术和非畸变的扰码技术也就是概率类技术 1 0 】。信号预畸变技术就是处理 接近峰值的信号幅度，设置峰值上限，在改变信号的代价下使信号幅度满足要 求。这类方法简单易行但是会造成信号失真而使误码率升高。编码技术，其主 要方法就是通过各种不同的编码产生和使用峰均比较小的码字符号，从而使整 个信号的峰均比都满足传输要求。比较常见的码有分组码、雷德米勒码、m 序列 法和格雷码等。编码类技术能够无失真的抑制峰均比，但是却损失了整个系统 的传输速率，并且不能应用在子载波数太大的系统环境里。非畸变扰码方法就 是对于系统的输入符号，使用不同的向量( 各种类型) 进行线性的改变，在产 生的结果集中选取最符合系统要求的结果作为系统输出。这类方法的主要目的 是减少超过某设定门限值的符号在系统中的概率。这类方法主要包括部分传输 序列方法( p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s ，p t s ) 和选择性映射方法( s e l e c t i o n m a p p i n g ，s l m ) 。这两种方法可适用于任意数量的子载波情况，但是这类方法 在接收端需要额外的信息，所以频带利用率会降低，且实现复杂度也比较耐1 1 】。 第三节本论文的内容及主要工作 本文主要针对o f d m 系统的峰均比抑制技术进行了研究。首先对o f d m 系统 的原理和组成进行了介绍，并指出其优缺点和关键的核心技术。然后给出了多 载波系统d ? p a p r 的定义和描述方法，阐述了系统中产生高峰均比的原由和由此 而产生的问题。随后对当前国内外主要的峰均比抑制技术进行了介绍和比较， 着重介绍了预留子载波的方法，指出其巨大的优势及需要改进的地方。最后， 针对预留子载波方法中的不足，提出了新的算法并进行了系统仿真验证。整篇 论文的安排如下： 第一章绪论，具体介绍了现代通信系统发展的过程，o f d m 技术的历史及应 用和当前峰均比抑制技术的研究状况；第二章描述了o f d m 系统的基本原理和构 成，重点分析了其中的几项关键技术，并揭示了o f d m 系统对比其他技术所拥有 的优点和缺点；第三章对o f d m 峰均比的定义进行了分析，介绍了多载波系统峰 均比较高的主要原因和因此而产生的系统代价，然后详细地对当前所存在的各 种抑制峰均比的技术方法进行了描述和分析，并指出它们的优点和缺陷；第四 章全面详细地介绍了预留子载波方法的原理和技术特点，并针对其中的缺点进 行了讨论，提出了一种新型的算法；第五章对于提出的算法进行了仿真，分析 4 第一章绪论 并验证了改进后的新算法相对原有技术的优点：最后，总结全文，并把应继续 完善的工作明确开来，为后续的研究指明方向，对o f d m 系统在现代通信系统中 的应用打下良好的基础。 5 第二章o f d m 系统基本原理 第二章o f d m 系统基本原理 在现代信息社会的不断进步中，数据传输的业务要求也在不断地增加。高 速率的数据传输和系统的可靠性能成为未来通信系统发展的主要指标。正交频 分复用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 ) 技术便成为了业界 关注的焦点。它能够很好地对抗多径衰落，充分地利用频谱，且随着信号处理 技术的不断发展，在实现上也不再困难。因此，业界一致看好它成为未来移动 通信系统的骨干技术和未来实现高速数据传输的方式之一。对于o f d m 技术的 研究将是未来通信业内最为热门的课题。 o f d m 技术的思想是来自于多载波调制技术的。因此，本章的内容就包括 了多载波调制的简单介绍，然后再阐述o f d m 系统的基本原理和结构，最后总 结一下其中的关键技术及优点和缺点等。 第一节o f d m 基本原理 2 1 1多载波调制系统简介 当通信系统中传输的信号的速率非常高的时候，每个数据的持续时间相对 来讲非常短暂，当处于存在时延扩展的情况下时，数据之间就会相互的交叠， 干扰就产生了。宽带移动通信业务不能容忍这种干扰所造成的损失。要解决这 个问题，就需要更加复杂的均衡算法，而同时还要保证这种算法的收敛速度。 从无线信道的角度来讲，如果信号带宽超过或接近信道的相干带宽，信道的时 间弥散就会对信号中的不同频率成分造成不同程度的衰落。这就是频率选择性 衰落。 因此，在宽带通信系统中，经常使用并行的传输方式，也就是多载波技术。 多载波系统把原来的高速的信息符号分成若干路并行的子流，分别在不同的子 信道中进行传输，每个子信道中的传输速率就明显地降低了许多。这样，在这 种低速率并行系统中，子信道的传输速率变小，符号持续时间则变长，远远大 6 第二章o f d m 系统基本原理 于信道的最大延迟扩展，在这种情况下每个子信道的衰落特性可以近似认为是 非频率选择性的，于是就克服了频率选择性衰落。 正交频分复用则是由多载波调制技术演化而来的，是其中一种比较特殊的 调制方式，满足许多特有的性质，如它的子信道之间都满足相互正交性。所以， 子信道之间在频谱上可以相互重叠在一起，中间没有保护带，这样就使得宝贵 的频谱得以更好地利用。一般来讲，o f d m 系统在频谱利用率方面相对于传统 的频分复用系统可以提高近一倍l l2 1 。 2 1 20 f d m 系统基本原理与结构 下图为o f d m 收发机的基本框图，其中的几个主要问题将在本节中讨论。 图2 1o f d m 系统发送与接收框图 7 第二章o f d m 系统基本原理 2 1 2 1 0 f d m 信号的产生与基本模型 根据o f d m 技术的定义和基本原理，o f d m 系统的基本框图如下图所示。 图2 2o f d m 系统基本模型框图 由上图可以看出，o f d m 信号可以看作是系统内子信道上传输的信息叠加 而形成的合成信号。对于子载波来说，调制都可以独立进行，即子载波的调制 方式可以不同。从t = f 。开始的o f d m 符号可以用下式表示1 3 】： j 。，：jr e 篓吐陀c r ( ，一一三) e x p 2 万( z + ；) c r 一， r + r 。2 ， 【0 p l s e 表示子载波个数，t 为o f d m 符号的宽度，d i 为在各个子信道内传输的 数据信息，z 第0 个子载波的频率，r e c t ( t ) = 1 ，i t i i 2 是矩形函数。 通常，我们可以利用复等效基带信号来表示o f d m 符号，如式( 2 2 ) 所示： s ( ，) ： 篓d 。旭c r ( t 一。一吾) e x p ，2 万事( r 一) r + 丁 。2 2 ， 【0 e l s e 式中z = z + 丁。上式的实部表示o f d m 符号的同相分量，而虚部则对应于 o f d m 符号的正交分量。在实际中可以用其分别和子载波的同相分量和正交分 量相乘，得到各个子载波上的信号和最后的发送信号。 从式( 2 2 ) 可以观察到，在一个o f d m 符号周期内，每个子载波分量恰好 8 第二章o f d m 系统基本原理 都包含整数个波形，即周期数都是整数 1 4 】。由这一点也可以看出“正交”的含 义，根据调制解调的数学原理，有如下积分，即： 土广8 川哪e ，2 砥以：j1 聊一( 2 3 ) t d o 【0 m n 例如现在要解调第，个子载波，获得该子信道上的数据，则需要以下操作， 即： 弓= 刍f + r e x p ( 一2 _ 事( ，一) ) o d ie x p ( 2 万事( r 一) ) 打 。2 4 ， = 当篓巧卜冲( 伽字卜t ) 户= 乃 根据式( 2 4 ) 的描述，当解调第，个子载波时，获得了该子信道上的理想 的数据d ；，而在这一操作过程中，其余的子载波在所取的积分间隔内正好有整 数个周期差别，其积分后为零，即不会破坏到目标子载波上的数据接收。 o f d m 所谓的“正交 在频域内也有明显的体现。一个o f d m 符号是由n 个子载波叠加而形成的，所以它的频谱可以等价为矩形脉冲函数的频谱与一系 列6 函数( 6 函数表示单位冲激函数) 的卷积。其中脉冲函数的周期为丁，所有 6 函数都位于各个子载波的中心频率上。而矩形脉冲函数的频谱幅值为s i n c ( ) 函数，这种频谱函数在频率取值为1 丁的整数倍数的点上值为零。如下图所示。 澄d 汗裁漩期 誉 捌 馨 绷塞f z ) 9 第二章o f d m 系统基本原理 图2 3o f d m 系统中各个子载波频谱 如图2 3 所示，对整个o f d m 系统中来讲，所有子载波的频谱函数都相互 的重叠在一起【1 5 】。但是，当某一个子载波其频谱函数取峰值时，其余的予信道 的频谱函数则取值是零。根据奈奎斯特采样定理，想要在接收端得到某一子载 波上的数据，只需要获得抽样点上的值也就是频谱函数的峰值即可。而o f d m 系统中，其他子载波对目标子载波在某峰值点没有干扰( 取值为零) ，完全可以 准确无误的进行解调。 2 1 2 2 0 f d m 系统的d f t 表示 上文中已经给出了o f d m 信号的模拟表达方式，为得到其数字表达方式，令式 中f ，= 0 ，并对信号s ( f ) 进行抽样，采样速率为r ，也就是令 t = k r l v ( k = o ，1 ，一1 ) ，可得： s k ：s ( k t n ) ：芝岫p f ，等 ( 嘁- 1 ) ( 2 5 ) 而上式又恰好是i d f t 的表达式1 6 】。同样，要想再接收端通过解调得到初始的发 送信号，就可以做d f t 运算。如下式： 4 = 奈e 坤( 一，百2 z i k ) ( 一，) ( 2 6 ) 这说明，用d f t 和i d f t 可以代替o f d m 系统中的调制解调，等价而且简单地 实现系统。而由于数字信号处理技术的快速发展，i d f t 和d f t 都有了比较成熟 和快速的运算方法，因而可大大提高o f d m 系统的处理速度和应用普及。实际 应用中，就是利用更加快速便捷的快速傅里叶变换来实现的，这样就运算的复 杂度可以明显的降低，有利于系统的实现。 2 1 2 3 保护间隔与循环前缀 o f d m 技术的非常显著的一个优点就是它能够非常好地消除多径时延所带 来的各种问题。根据o f d m 的基本原理可知，通过串并转换，系统把原来输入 的高速传输的信号变为个相对低速的并行信息流，在多个子信道中传输。这样， 数据符号的就变长了，时延扩展的影响就降低了。为了更有效地消除符号间干 扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，可以在o f d m 符号与符号之间插入保护 1 0 一 第二苹o f d m 系统基本原理 一一 间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) 【l7 1 。 设保护间隔长度为l ，通常来讲，正要比无线信道的最大时延扩展更大。 这是因为此情况下当前符号的多径分量不会串扰到另一个符号，从而降低 符号间干扰。保护间隔内可以没有任何有用信号，但是，如果保护间隔内不加 入任何适当的信息，当信号通过多径衰落环境时就会出现信道间的干扰 ( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) ，也就是某些子载波将不再保持原有的正交特 性，子载波之间会相互地串扰，如图2 4 所示的情况。 子载渡2 对子载渡1 豹i c i 子搅 图2 4 多径传播时无循环前缀的保护间隔对系统正交性的破坏 子载波1 子载渡2 由上图可知，在f f t 积分时间内，子载波之间不再相差整数个周期，在对 其中某一个子载波解调时，其余的子载波就会干扰正常的信号恢复，从而使传 输出错，严重降低系统性能。 为了在对抗多径时延，消除符号间干扰的同时，消除载波间干扰，就必须 保证，在f f t 积分时问内，所有子载波的周期数都是整数。因此，可以在空白 的传输时段做以下改变，即为维持原有的子信道中信号的积分完整，插入循环 前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 【l 引。循环前缀就是将i f f t 后的后一部分样值拷贝到 该o f d m 符号的前面。这样，在积分时，就可以保证只有单个载波的成分，保 证了各个载波间的正交性。循环前缀的基本原理如下两幅图所示。 第二章o f d m 系统基本原理 图2 5o f d m 符号的循环扩展 ft t t ； ll 1 保护 ! 绦护 i f f t f ) 、i f f t 搁隅 i f f t 输出 i 闽隅 - l | i 焉 砟。tl 时润 jl 图2 6 循环前缀的插入 综上所述，在一个傅立叶变换的积分时间内，时延了的o f d m 符号的周期 数也是整数，所以就消除了载波间干扰。由于有保护间隔，多径时延扩展在保 护间隔内完全衰减掉了，就不会产生符号间干扰。当然，插入保护间隔会使传 输效率降低，降为原来的n ( n + l 1 ，l 为保护间隔的长度。 1 2 第二章o f d m 系统基本原理 第二节0 f d m 系统的优点和缺点 2 2 1 o f d m 系统的优点 o f d m 技术被看作是未来通信领域的主要骨干技术之一，相比于其他系统， 具有明显的优势，具体的有： ( 1 ) 频谱利用率高。这一点可以跟传统的频分复用( f d m ) 技术相比较 而说明。由于o f d m 中的子载波具有相互正交性，子信道的频谱可以相互重叠 在一起而不会相互干扰，o f d m 技术可以使得宝贵的频谱得到充分合理地利用。 一般来说o f d m 系统比传统f d m 系统的频谱利用率提高近一倍，当系统中子 信道数目很多时，整个系统的频谱利用率接近2 b a n d h z 2 0 1 。二者在此方面的比 较如下图所示。 传统的、皴分艇用( f d m ) 彩载波渊糕 i e 交撅分艇f - 1 l ( o f d m ) 多栽波澜黝 图2 7o f d m 系统的频谱利用率优势 ( 2 ) 抗频率选择性衰落能力非常强。o f d m 技术传输数据的主要方法就是 将速率较高的信息流分成若干并行的速率较低的子信息流，分别在不同的子信 道中进行传输。这样，每个子信息流的速率降了下来，符号持续时间较长，远 远大于信号的延迟扩展，子信道就变得平坦了许多，于是抑制了多径衰落和频 率选择性衰落的产生。 第二章o f d m 系统基本原理 ( 3 ) 信道均衡实现简单。o f d m 系统通过保护间隔机制，基本上消除了符 号间干扰，因此信道均衡的用途是比较单一的，那就是补偿子载波的幅度和相 位失真。o f d m 系统只需要一阶均衡就可以了。 ( 4 ) 计算高效。o f d m 可以用快速傅里叶变换( i f f t 和f f t ) 来等价实现。 目前数字信号处理技术与大规模集成电路已经发展得非常成熟。这样一来，傅 里叶变换变得非常易于实际应用。这样o f d m 系统的信号处理速度十分理想， 满足实时系统的要求。 ( 5 ) 容易和其它新技术合并使用。通过串并转换，o f d m 系统中的每个子 信道都可以看作是平坦或准平坦信道，这就使许多新技术可以应用在其上，如 m i m o ，自适应调制【2 l 】等。 ( 6 ) 支持非对称性业务 2 2 1 。一般来讲，无线数据业务有一个特点，那就是 下行链路中的数据传输量要远大于上行链路，这就是所谓的数据传输的非对称 性。o f d m 系统非常容易就可以支持这种情况，只要二者的子载波数不同就可 以实现不同的传输速率了。 2 2 2 o f d m 系统的主要缺点 o f d m 系统虽然具有上述诸多优点，但是，由于o f d m 系统中的子载波在 频域内是相互重叠在一起的，所以系统也同时存在着几个缺点，比较典型的两 个就是： ( 1 ) 峰值平均功率比p a p r ( p e a k t o a v e r a g ep o w e r r a t i o ) 过高。根据o f d m 技术的基本原理，系统最终的发送信号为并行子载波的合成信号，因此当多个 子载波信号的相位不太均匀或者趋于一致的时候，发送信号的峰值功率就会非 常的大，而平均功率则变化不大，这样一来二者的比值就会非常大。峰均比过 大会使得系统对一些非线性器件，如模数数模转换器、功率放大器等的线性范 围要求很苛刻。如果瞬时功率超出功放的线性范围就会产生信号失真，子载波 问的正交性就不能保证，误码率就会上升。而且p a p r 过高使得功率效率极低。 而要保证系统性能，就需要极高的成本。 ( 2 ) 对频率偏差【2 3 】极度敏感。由于o f d m 系统中各个子载波在频谱上是 相互重叠的，只有通过它们之间的正交性才能解调出各个子载波上的信号。这 就要求子载波之间必须严格保持相互的正交性，才能使系统的性能不致恶化。 1 4 第二章o f d m 系统基本原理 但是想要信号严格保持原有的相互正交性又是十分困难的。无线信道的时变性 使得信号在传输过程中会产生频率偏移。同时，在系统的两端，频率振荡器之 间也存在着频率偏差。这些都会造成系统子载波的正交性不能维持，继而产生 载波间干扰( i c i ) ，并使得整个系统的性能严重降低。 第三节o f d m 系统中的关键技术 当前业界对于o f d m 的关键技术研究主要集中在以下三个方面。 ( 1 ) 降低峰值平均功率比的技术研究 峰值平均功率比太大是o f d m 系统中的一个相当严重的问题。它的存在使 得发射端对功率放大器要求极高，增加了实现成本。而高功率的样值出现的概 率并不高，这又使得功率效率极低。峰均比过高已经成为o f d m 技术应用的瓶 颈。为了解决这个问题，业界做出了许多深入的研究，提出了许多有效的方法。 这些方法主要包括三类：信号预畸变技术，编码技术以及非畸变降低峰值平均 功率比的技术。预畸变技术是较为简单的降低峰值平均功率比的方法，它主要 是对o f d m 的时域信号进行非线性的处理( 比如限幅) 。预畸变技术虽然实现起 来比较简单，但是它们都有一个很大的缺点，那就是会导致o f d m 信号波形失 真和频谱扩散。另一类是编码的方法，通过编码可以无失真的降低峰均比。这 些算法主要使用的编码方法有分组码，g o l a y 互补序列以及载波干涉编码【2 4 】等。 但是，编码的方法也有缺点，那就是降低了o f d m 系统的传输速率，不能体现 o f d m 技术的优势。最后一类就是非畸变降低p a p r 的技术。这类方法主要是 降低高峰值的样值点出现的概率，从而使系统性能提高。这类方法即可无失真 的降低p a p r ，也不会对子载波数有严格限制，但是实现起来有些复杂。目前， 降低p a p r 技术的研究还在不断的发展当中，成为o f d m 系统中的研究热点。 ( 2 ) 载波与定时同步 由于o f d m 系统区分子载波只能依靠它们之间严格的正交性，因此同步技 术就显得尤其重要。如果出现定时同步的误差或者载波同步的误差，载波间干 扰就会产生，造成系统性能的严重恶化。因此，o f d m 系统中非常重视同步技 术及同步参数的估计，特别是载波频偏的估计。载波同步是要使接收端与发送 端的载波频率相位相同，实现相干解调；定时同步即符号同步，要求区分o f d m 符号的边界，寻找出i f f t f f t 积分区间；采样同步则是要使得系统在接收端保 第二章o f d m 系统基本原理 持与发送端在抽样频率上相同。 ( 3 ) 信道估计 由于无线信道具有衰落特性，各个子载波上的信号在传输过程中会产生不 同程度的相位旋转和幅度变化。因此，在接收端就需要进行信道估计，得出信 道特征，然后进行相干检测。另外，如果在o f d m 系统中运用自适应比特和功 率分配( a d a p t i v eb i t p o w e rl o a d i n g ) 技术来提升系统性能，发射端就需要准 确地知道信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 。目前o f d m 技术中 的信道估计算法主要包括不需要导频或训练序列的盲估计算法、半盲c s i 估计 算法和基于导频辅助的c s i 估训2 5 1 。 第四节本章小结 本章的内容主要是针对o f d m 系统的基本原理进行安排的。首先扼要介绍 了多载波传输技术的基本思想，接着对o f d m 技术的系统模型和结构框图做了 详尽的阐述，对其中比较关键的保护间隔与循环前缀做了分析。之后对o f d m 技术的优点和缺点进行了罗列，并针对o f d m 技术的这些缺点，对业界内研究 的关键技术做了简单说明。本章是下面几章内容的基础，对峰均比抑制技术的 详细分析将在下一章中展开。 1 6 第三章降低o f d m 系统峰均比技术的综述 第三章降低o f d m 系统峰均比技术的综述 o f d m 系统在应用中最严重的问题之一就是其峰均比太大。这一问题会使 得系统对非线性器件的线性范围要求过高，造成成本的增加。如果超出线性范 围，就会有信号失真及频谱弥散，使系统性能迅速恶化。而高功率的样值比例 并不大，因而功率效率又会比较低，造成功率的浪费。这就使得o f d m 技术难 以继续在实践中发展。因此很有必要对峰均比抑制技术作深入研究，而且目前 对于此方面的研究已