（通信与信息系统专业论文）基于选择性映射的ofdm系统papr抑制技术研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho nsl m b a s e dp a p r r e du c t i o nt e c hn i q u e sf o r o f d m s y s t e m s a u t h o r sn a m e ： j i n g r uz h o u s p e c i a l i 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 u p e r v i s o r ：x u c h u d a i x i a o d o n gx u 1 1 11 ri n l s n e c lt t m e ： m a y1 0 m ，2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除邑特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字日期：趔2 ，鱼! 妄 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关l l l - j 或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 d 公开口保密( 年) 作者签名：同特如 签字日期：垫! 圣：生：堇 导师签名：鼬 签字日期：丝兰：笪! 磊 摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术可提供高速数据传输速率，能够抵抗频率选择 性衰落，具有较高的频谱利用率，因此己被诸多无线和移动通信标准所采纳。然 而，o f d m 信号的高峰值平均功率比( p a p r ) 问题是造成o f d m 系统功率效率 低、导致系统综合性能恶化的关键因素之一。因此，研究p a p r 抑制技术具有重 要的意义。 选择性映射( s l m ) 是一类典型的p a p r 抑制技术。该技术实现成本较低， 可以有效降低p a p r ，且具有较强的扩展性。针对该技术的相位序列设计方法、 p a p r 抑制性能分析以及避免边信息( s i ) 传输的策略是值得深入研究的内容。 本文从相位序列优化设计和s i 传输与估计角度研究了基于s l m 的两种改进方 法，主要工作如下： 1 基于星座图扩展的s l m 改进方法 传统s l m 方法仅依赖于对输入数据进行相位加权，以达到p a p r 抑制效果。 针对m q a m 信号，本文采用对数据的相位和幅度同时调整的策略，提出- , e e 基 于星座图扩展的s l m 改进方法。首先推导了相位序列最优化设计准则，在此基 础之上结合扩展星座图思想，给出便捷有效的设计方法及实现方案。仿真实验结 果和分析表明，改进方法能逼近最佳p a p r 抑制性能，并且避免了单独传输s i 给接收端。 2 基于循环h a d a m a r d 序列的s l m 改进方法 在比较研究两种避免s i 传输的典型s l m 改进方法基础上，研究了一种循环 h a d a m a r d 序列和s l m 有机融合的方法。该方法利用循环h a d a m a r d 序列来设计 相位序列，使接收端可以利用导频估计s i ，从而有效避免了独立传输s i ，提高 了频谱利用率。仿真实验和分析表明，基于循环h a d a m a r d 序列的相位序列设计 方法，不仅可获得逼近最佳的p a p r 抑制性能，而且也可以大幅度降低接收端估 计s i 的计算开销。 关键词：o f d mp a p r 选择性映射星座图扩展循环h a d a m a r d 序列 原书空白页 不缺内容 a b s t r a c t a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) s y s t e m sp r o v i d e h i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，h a v eg o o dr o b u s t n e s st of r e q u e n c es e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e l sa n du t i l i z et h es p e c t r a lv e r ye f f i c i e n t l y t h e r e f o r e ，i th a sb e e na d o p t e db y m a n yw i r e l e s sa n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s h o w e v e r , h i g hp e a k - t o a v e r a g e p o w e rr a t i o ( p a p r ) o fo f d ms i g i n a l si so n eo ft h ec r u c i a lf a c t o r sw h i c hr e s u l ti nl o w s y s t e mp o w e re f f i c i e n c ya n dd e g r a d a t i o no fs y s t e mc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e c o n s e q u e n t l y , i tw o u l db eq u i t es i g n i f i c a n t t or e s e a r c ht h ep a p rr e d u c t i o n t e c h n i q u e s s e l e c t e dm a p p i n g ( s l m ) t e c h n i q u ei sac l a s s i c a lp a p rr e d u c t i o nt e c h n i q u e i t h a sl o w e ri m p l e m e n t a t i o nc o s t ，c o u l de f f e c t i v e l yr e d u c ep a p ra n dm o r e o v e ri tc a nb e e x t e n d e df o ro t h e rs y s t e m s p a p rr e d u c t i o ni s s u e s l mt e c h n i q u e sp h a s es e q u e n c e s d e s i g n ，p a p rr e d u c t i o nc a p a b i l i t ya n a l y s i s a n dt r a n s m i s s i o n s t r a t e g yw i t h o u t a d d i t i o n a ls ia r es e v e r a li m p o r t a n ta s p e c t sw o r t hb e i n gd e e p l yr e s e a r c h e do na n d f u r t h e rd e v e l o p e d t h et h e s i sf o c u s e so nt w os l m b a s e di m p r o v e ds c h e m e sf r o mt h e p e r s p e c t i v eo fp h a s es e q u e n c e so p t i m a ld e s i g na n ds it r a n s m i s s i o na n de s t i m a t i o n t h em a j o rw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 ac o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o nb a s e ds l ms c h e m e c o n v e n t i o n a ls l ms c h e m er e d u c e sp a p ro n l y d e p e n d i n go nt h ep h a s e w e i g h t i n go ft h ei n p u td a t a f o rt h em q a ms i g n a l s ，t h es t r a t e g yo fs i m u l t a n e o u s l y a d j u s t i n gt h ea m p l i t u d ea n dp h a s eo ft h ei n p u td a t ai sa d o p t e d ，a n dac o n s t e l l a t i o n e x t e n s i o nb a s e ds l ms c h e m ei s p r o p o s e d f i r s t l y , t h ec o n s t r a i n tf o r t h eo p t i m a l d e s i g no fp h a s es e q u e n c e si sd e d u c e d t h e n ，b a s e do nt h ec o n s t r a i n ta n dc o m b i n e d 谢t hc o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n ，as i m p l ea n de f f e c t i v es c h e m e ，i n c l u d i n gt h ed e s i g na n d i t si m p l e m e n t a t i o n ，i sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i ss h o wt h a tt h e s c h e m ec o u l da p p r o a c ht h eo p t i m a lp a p rr e d u c t i o np e r f o r m a n c ea n dc o u l da v o i d t r a n s m i t t i n gt h ea d d i t i o n a ls i 2 ac y c l i ch a d a m a r ds e q u e n c eb a s e ds l ms c h e m e f i r s t l y , t w oc l a s s i c a ls l m s c h e m e s 、航ma v o i d i n gs it r a n s m i s s i o na r ec o m p a r e d a n da n a l y z e d t h e n ，t h em e t h o df o rc o m b i n i n gt h ec y c l i ch a d a m a r ds e q u e n c ew i t h t h es l ms c h e m ei si n v e s t i g a t e d t h eb a s i ci d e ab e h i n dt h ep r o p o s e dm e t h o di st h a t i i i a b s t r a c t t h ec y c l i ch a d a r n a r ds e q u e n c ei se x p l o i t e dt od e s i g np h a s es e q u e n c e s ，a n dt h a tt h es i c a nb ee s t i m a t e da tt h er e c e i v e rt h r o u g hu t i l i z i n gp i l o t s t h e r e f o r e ，t h es it r a n s m i t t i o n i sa v o i d e d ，a n dt h es p e c t r u me f f i c i e n c yi si m p r o v e d s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s s h o wt h a tt h ep h a s es e q u e n c e sd e s i g nb a s e do nt h ec y c l i ch a d a m a r ds e q u e n c e ，n o t o n l ym a k e st h es y s t e ma t t a i na p p r o x i m a t e l yo p t i m a lp a p rr e d u c t i o np e r f o r m a n c e ， b u ta l s od r a m a s t i c a l l yd e c r e a s e st h ec o m p u t a t i o n a lc o s tf o rt h es ie s t i m a t i o na tt h e r e c e i v e r k e y w o r d ：o f d m ，p a p r ，s l m ，c o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n ，c y c l i ch a d a m a r ds e q u e n c e i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1o f d m 系统简介1 1 2o f d m 系统的p a p r 问题一3 1 2 1 o f d m 信号的p a p r 3 1 2 2p a p r 问题造成的影响4 1 3p a p r 抑制技术研究现状分析5 1 3 1典型p a p r 抑制技术研究现状5 1 3 2 概率类技术改进方法研究现状5 1 3 3 j 、结7 1 。4 本文工作及内容安排一7 第2 章p a p r 基本理论及典型抑制技术9 2 1p a p r 统计特性9 2 1 1 p a p r 理论门限9 2 。1 2p a p r 概率分布9 2 2 非概率类p a p r 抑制技术1 2 2 2 1 限幅技术1 2 2 2 2 编码技术1 3 2 2 3t r 技术1 4 2 2 4t i 技术15 2 3 概率类p a p r 抑制技术一t s 技术1 5 2 3 1 p t s 技术基本原理：15 v 目录 2 3 2p t s 技术参数设置1 6 2 3 3p t s 技术性能1 7 2 3 4p t s 技术性能改进2 0 2 4 概率类p a p r 抑制技术s l m 技术2 3 2 4 1 s l m 技术基本原理2 3 2 4 2s l m 技术参数设置2 4 2 4 3 s l m 技术性能2 4 2 4 4s l m 技术性能改进2 7 2 5 p t s 技术和s l m 技术的比较一2 7 2 5 1 p a p r 抑制性能2 7 2 5 2 计算复杂度2 8 2 5 3s i 问题2 8 2 6 本章小结2 9 第3 章基于星座图扩展的s l m 改进方法3 1 3 。1 引言3 1 3 2 基于星座图扩展的改进方法3 1 3 2 ，1 各选序列之间的相关性3 2 3 2 2c e s l m 方法的设计与实现3 3 3 3 仿真实验与分析3 5 3 3 1p a p r 抑制性能3 6 3 3 2s i 问题3 8 3 。4 本章小结3 8 第4 章基于循环h a d a m a r d 序列的s l m 改进方法4 1 4 1引言4 1 4 2 避免传输s i 的典型s l m 改进方法4 1 4 2 1m l 译码方法4 2 4 2 ，2 导频辅助方法。4 3 4 2 3 计算复杂度分析4 5 4 。3 基于循环h a d a m a r d 序列的改进方法4 6 4 3 1相位序列设计约束条件4 6 v j 目录 一一 4 3 2c h s s l m 方法的原理和实现过程4 9 4 4 仿真实验与分析5 1 4 4 1c h s s l m 方法的p a p r 抑制性能51 4 4 2c h s s l m 方法的系统b e r 性能和s i 估计性能5 2 4 5 本章小结5 3 第5 章全文总结与工作展望一5 5 5 1 本文工作总结5 5 5 2 工作展望5 5 参考文献一5 7 致谢6 1 在读期间发表的学术论文和取得的研究成果6 3 v i i 第1 章绪论 第1 章绪论 随着宽带业务的快速发展，数据传输速率逐渐提高。显然，若在宽带系统中 仍然采用单载波传输，较大的信道时延扩展将导致接收信号中相邻符号间产生严 重的符号间干扰( 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 ) 。为了解决这一问题，接收端需 要引入复杂的时域均衡算法，通常带来极高的系统开销。相比于单载波传输，多 载波传输技术能够将宽带数据流分解为若干个低速子数据流，然后用这些子数据 流去调制相应的子载波并进行并行传输，有效地降低了子载波符号间干扰。作为 一种典型的多载波传输技术，正交频分复用( 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 ) 具有高数据传输速率，可以较好地抵抗频率选择性衰落， 不需要复杂的均衡器，因此被很多无线通信系统和标准所采用，如i e e e8 0 2 1 1 ， i e e e8 0 2 1 6 等 1 】o 1 1 o f d m 系统简介 o f d m 作为一种多载波传输系统，也可以看作是一种调制技术，或是一种 复用技术，它的基本模型如图1 1 所示。 羔杏一 + 积分卜竺卜 e - j + 0 4 寓 l x i 3 -姻卜i 积分卜：i 一- - 并 - ( x ) - | + 。要塑，厂磊磊订一一| ? 并 1 、j 串 !； e - j n - ! 一当= ! - 晶 卜 _ 一积分f 图1 1o f d m 系统基本模型 一个o f d m 符号包含了多个经过调制的子载波的叠加。设表示子载波数， 丁表示o f d m 符号周期，置( 扛o ，1 ，n 一1 ) 表示分配给每个子载波的数据符号， w i ( i = o ，1 ，。，n 一1 ) 表示每个子载波的频率，为起始时刻( 根据需要设定) ，则 第1 章绪论 o f d m 符号可以表示为 fn 一1 x ( f ) - i = 0 五咧f 一一丁2 ) e x p ( j w ，( t - t a ) ，t f + t ( 1 1 ) 【0 ，f 其中， f 1 1f 隧t 2 比甜( 垆憾筇，2 ( 1 2 ) 令w ，= 2 z i 丁，可以得到各个子载波之间是相互正交的，即 l i ：e x p ( j w , 珍e x p ( 哦f ) d t = 悟篙 ( 1 3 ) 在接收端，第f 个子载波接收到的数据为： 五= 素i ，3 e x p ( 一j w , ( t t ) 弦( f ) 衍= ( 1 4 ) 可见，只要子载波的间隔等于o f d m 符号宽度f 的倒数，接收端对第i 个子载波 进行解调便可恢复出符号置。对其它子载波而言，在积分间隔内，频率差 ( i 一，) 丁可以产生整数倍个周期，其积分结果为零。从而，有效减小了子载波间 的干扰。此外，利用子载波间的正交性，调制后的子载波数据频谱可以重叠，这 就提高了频谱利用率。 为了尽可能的消除i s i ，o f d m 系统在每个符号周期中加入保护间隔。该保 护间隔的长度大于无线信道的最大时延扩展。此外，信号的多径传播会造成子信 道数据存在时延扩展，从而接收端对子载波进行解调时，子载波的波形周期个数 不再是整数，产生载波间干扰( 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 ) 。为解决这一问题， o f d m 系统在保护间隔内放入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，即把o f d m 符号 末尾保护间隔长度的子载波调制数据，复制到保护间隔内。使得o f d m 符号的 时延副本所包含的波形周期个数是整数，从而消除了i c i 。 在实际系统中，式( 1 1 ) 和式( 1 4 ) 分别是通过离散傅里叶逆变换( i n v e r s e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，i d f t ) 和离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ， d f t ) 实现的。当较大时，还可以采用快速傅里叶逆变换( i n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，i f f t ) 和快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 。图1 2 给 出了实际o f d m 系统的基带收发机结构，它清楚的展示了该系统的基本构成， 其中p a ( p o w e ra m p l i f i e r ) 代表功率放大器【2 1 。 2 第1 章绪论 _ 一 图1 。2o f d m 的基带收发机结构 1 2o f d m 系统的p a p r 问题 峰值平均功率比( p e a k t o 。a v e r a g ep o w e r ，p a p r ) 是指信号的峰值功率与它 的平均功率之比，简称峰均比。相比于单载波调制，o f d m 虽然有较高的频谱 利用率，能够很好的解决i s i 和i c i 问题，然而该信号较高的p a p r 是一个亟待 解决的问题，它严重地制约着o f d m 系统的性能。 1 2 1o f d m 信号的p a p r 在o f d m 系统中，一个o f d m 符号是多个子载波数据的叠加，当多个子载 波数据的相位一致时，或者说，当它们高度相关时，o f d m 符号的瞬时功率就 远远大于它的平均功率，造成极高的p a p r 。 1 连续g - n 信号的p a p r 连续时间o f d m 信号经过i f f t 运算之后，得到的输出信号为 m ) 2 丽1 荟五劬，o f 胛 ( 1 5 ) 其中，a f = 1 胛表示子载波间隔，胛表示数据符号周期。它的p a p r 计算表 达式为 e x p r ( x ) = 嚅辩 6 ，= 鼍署*( 1 ) 其中，e “x ( t ) 1 2 表示x ( 力的期望，也即信号x ( f ) 的平均功率，表达式为 e m f ) 1 2 】= 1 胛r ) 1 2 d t ( 1 7 ) 第1 章绪论 2 离散时间信号的p a p r 离散时间o f d m 信号经过i f f t 运算之后，得到的输出信号为 2 专荟五e 一，o 如州。 ( 1 8 ) 它的p a p r 计算表达式为 一( x ) = 错 9 ) o f d m 系统中，n 点采样往往不能很好的恢复出原始数据，为了得到较为 精确的结果，通常需要过采样。同样，为了更好的估计信号的p a p r ，也需要进 行过采样。设过采样的倍数为三，信号经过i f f t 运算后变为 2 赤荟五e 一o 如剑1 ( 1 1 0 ) 此时，p a p r 的计算表达式为 刚螂，= 秀警 根据文献 3 ，当过采样倍数l 由1 变为2 时，p a p r 有较大的增加，而从4 开始，p a p r 的变化就很微弱了。所以，l 4 时，可以得到精确的p a p r 结果。 1 2 2p a p r 问题造成的影响 当o f d m 符号具有很高的p a p r 时，为了不引起信号失真，d a ( d i g i t a l t o a n a l o g ) 转换器和p a 必须具有很大的动态范围，这就增加了收发机 的功率消耗和器件复杂度。由于高p a p r 发生的概率很小，这就一定程度上浪费 了系统资源。 当d a 转换器和p a 的动态范围不够大时，p a p r 较大的o f d m 符号就会进 入这些器件的非线性区，引起谐波失真，造成子载波间的互调干扰和带外辐射， 破坏子载波之间的正交性，增大误码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) ，降低系统性能【4 j 。 此外，对于p a p r 较大的信号，低精度的d a 转换器会带来较大的量化噪声。 如果增大d a 转换器的动态范围以支持较大的p a p r ，又会降低信号的信噪比 ( s i g n a l - t o n o i s er a t i o ，s n r ) 。当然，也可以使用高精度的d a 转换器，但这样 会增加器件复杂度，并且成本非常昂贵1 5 j 。 为了避免o f d m 符号进入器件的非线性区，可以让p a 工作在大功率补偿状 态下。然而，这会使发射机成本变得非常昂贵并且放大效率也很低。或者可以采 4 第1 章绪论 用大动态范围的线性放大器，但是这样做放大效率仍然很低。因此，有必要采取 一定的措施来克服o f d m 系统的这种缺陷，降低p a p r 和产生高p a p r 的概率， 从而改善系统性能。 1 。3 p a p r 抑制技术研究现状分析 1 3 1 典型p a p r 抑制技术研究现状 从信号处理的角度考虑如何抑制p a p r 是研究p a p r 问题的一个有效途径。 如果可以较好的解决这个问题，发送端的硬件设计将大大简化，同时也极大的促 进了o f d m 技术的推广。目前，人们提出了很多抑制p a p r 的技术。限幅技术， 是最简单的技术，它对输入信号的包络进行检测，把超过幅度门限的峰值包络限 制在规定范围内，未超过幅度门限的保持原状，从而消除了那些高p a p r 信号的 幅度峰值，降低了信号的p a p r 【6 1 。编码技术首先在发送端和接收端建立个码 字查找表，然后在发送端将数据映射到查找表中p a p r 较小的码字上，从而避免 使用p a p r 大的码字，而接收端可以通过查找表来恢复原始数据r 。t r ( t o n e r e s e r v a t i o n ) 技术，通过对一个o f d m 信号添加一个时域信号，来降低p a p r 【8 1 。 t i ( t o n ei n t e r j e c t i o n ) 技术，将调制符号星座图扩展到一个更大的范围上，从中 寻找可以降低p a p r 的等效调制符号。最终，通过调整信号的实部和虚部，来降 低p a p r 8 1 。 概率类技术不是以幅度峰值为目标，而是通过降低峰值出现的概率来改善系 统的p a p r 性能。两种常见的技术是p t s ( p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e ) 技术 9 1 和 s l m ( s e l e c t e dm a p p i n g ) 技术【l0 1 。p t s 技术对输入数据进行分组，不同的分组 独立的进行相位调整，调整后的各个分组恢复为一个输入序列，计算其p a p r ， 通过不同的相位调整方法，得到不同的p a p r ，选择p a p r 最小的序列来发送。 s l m 技术利用多组相位序列对输入序列进行相位调整，不同的相位序列，对应 不同的p a p r ，从调整后的序列中选择p a p r 最小的一组作为发送序列。 1 3 2 概率类技术改进方法研究现状 1 p t s 技术的改进方法 针对p t s 技术所存在的一些不足之处，近年来，人们提出了一些改进方法。 文献 1 1 利用一种固定的相位旋转方式，通过星座图扩展来重新产生调制符号， 接收端利用固定的相位旋转图样可以直接恢复出星座图扩展之前的数据，无需边 第1 章绪论 信息( s i d ei n f o r m a t i o n ，s i ) 的帮助。但是这种方法必须将调制符号集扩展到原 集合4 倍大小的调制符号集上，对b e r 性能有较大影响。文献0 2 在p t s 技术 的每个分组的最后一位各增加一个导频，利用导频信道估计数据信道，消去数据 上的相位旋转，无需s i 就可以估计出原始数据，但是该方法在数据中额外加入 了一定数量的导频，降低了频谱利用率。文献 1 3 和文献 1 4 】改进了p t s 技术中 所使用的f f t 算法，降低了计算复杂度。事实上，均匀取值的相位因子并不能 达到最好的p a p r 抑制效果l l 川。文献0 6 使用了非均匀的相位因子，并结合文献 1 3 中的f f t 算法，进一步降低了p a p r 。此外，为了降低p a p r 超过给定门限 的概率，文献 1 7 将备选信号分成多种状态，降低它们之间的相关性；而文献 1 8 将输入的数据符号分成实部和虚部来进行分组，从而获得了更多的备选信号。 2 。s l m 技术的改进方法 针对影响s l m 技术性能一些因素，人们提出了很多改进方法。首先，介绍 一些通过相位序列优化设计，进一步增大p a p r 抑制程度的改进方法。文献 1 9 1 研究在o f d m 系统子载波数较小的情况下，降低p a p r 的方法。系统采用m 进 制正交幅度调$ 1 j ( m q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，m q a m ) ，该方法通过对输 入序列进行比特位调整来降低序列的p a p r ，但是这种调整规则，取决于所使用 的m q a m 的调制阶数，即缺乏固定的映射规则，并且需要传送s i 。文献【2 0 论 证了s l m 技术中，相位序列最优化设计的充要条件，给出了一些具体实现方法， 最大程度降低了p a p r 。然而该方法的s i 较大。文献【2 1 中，s l m 使用多种状态 的相位因子序列，一定程度上削弱了分组之间的相关性，从而降低p a p r 。但是 发送端采用的多种状态策略，增大了计算复杂度。文献 2 2 利用r i e m a n n 矩阵来 设计相位序列，p a p r 抑制性能较好。然而，接收端仍然需要发送s i 。其次，为 了解决s i 传送问题，文献 2 3 1 对发送数据进行一种线性组合，重新构造发送数据， 接收端利用数据间的相关性恢复数据，从而消除了s i 传送。但是发送端对数据 重组的操作较为复杂，并且接收端也增加了很多恢复数据的器件。文献 2 4 1 在接 收端，利用最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 估计，遍历所有的相位序列， 从而译出原始数据，无需s i 辅助。显然，这种方法的计算复杂度很大。文献 2 5 】 在发送端对导频的间隔进行调整，接收端利用这种间隔特性，估计出导频信道， 利用这些信息来寻找误差最小的相位序列。虽然这种方法不需要传送s i ，但接 收端通过遍历搜索来寻找相位序列，计算复杂度较大，并且需要使用较多导频。 文献f 2 6 中，数据上的相位改变量，通过导频上相位改变量线性内插估计出来， 虽然不需要s i 辅助，但是对p a p r 的抑制效果不佳。文献 2 7 】利用导频的插入位 置来标记所使用的相位序列序号，接收端利用导频上的功率比数据上的功率大很 6 第1 章绪论 多的特性，用盲的方法来探测导频位置，从而恢复出数据，不足之处是增大了接 受端的计算复杂度。为了避免传输s i ，除了上述的一些改进方法，还可以充分 借鉴星座图扩展( c o n s t e l l a t i o ne x t e n s i o n ) 的思想，这是近几年出现的一个新技 术。星座图扩展技术通过部分的或者全部的将原始星座图扩展到一个更大的星座 图上，来调整o f d m 符号的p a p r 。文献 2 8 和文献 2 9 】提出了一些从原始星族 图到扩展星座图的具体映射算法，虽然可以达到较好的p a p r 抑制效果，但是算 法较为复杂。进一步，人们将这种方法同概率类技术结合在一起使用，从而避免 传输s i 。文献 3 0 在原始星座图上增加一些点，即扩展了原始星座图，数据调制 到原始星座图，或者是新增加的点上，用这种选择性的调制方法，来改变数据的 相位，并且通过s l m 技术的分组步骤实现。这种数据改变方式，虽然避免了s i 传送，但是没有从理论上保证p a p r 抑制性能，并且降低了系统b e r 性能。文 献3 1 所提出的方法和文献 3 0 类似，不过为了减少对b e r 性能的影响，只对原 始星座图部分扩展。这样以来就无法达到最佳p a p r 抑制效果。最后，由于s l m 技术增加了i f f t 运算模块，并且需要搜寻合适的相位序列，这就增大系统的计 算复杂度。文献【3 2 卜文献 3 4 从计算复杂度的角度进一步改进了s l m 技术。 通过上述典型p a p r 抑制技术的简介以及一些概率类技术研究现状的分析， 可以看到，这些p a p r 抑制技术，都是以牺牲系统的其它性能，如数据传输速率， 计算复杂度等为代价，从而获得p a p r 抑制性能的提高和改善。因此，在选择合 适的p a p r 抑制技术时，除了要考虑该技术对p a p r 的降低程度，还要综合考虑 它对系统其它性能的影响。 1 4 本文工作及内容安排 本文主要基于s l m 技术研究o f d m 系统的p a p r 抑制方法，在对比分析已 有的一些典型的p a p r 抑制技术的基础上，重点分析探讨了s l m 技术中相位序 列最优化设计和s i 问题两个方面。 传统s l m 技术仅依赖于对数据进行相位加权，以达到降低p a p r 的效果。 针对m q a m 调制信号，本文通过同时调整数据的相位和幅度，研究相位序列的 最优设计策略，寻找在降低p a p r 的同时隐含传输s i 的有效方法。进一步地， 简化算法实现，提出一种基于星座图扩展的s l m 改进方法，仿真研究和对比分 析了该改进方法与传统s l m 技术的性能差异。 第1 章绪论 传统s l m 技术中，发送端需要传送s i 给接收端，以便正确的恢复数据，这 种做法降低了频谱利用率。为了解决这问题，通过分析两种避免s i 传输的典 型的s l m 改进方法，比较它们的计算复杂度等性能，研究避免s i 传输的低复杂 度实现方法。 本文的主要内容安排如下： 第l 章首先介绍了o f d m 系统的基本模型和基本原理，重点阐述了p a p r 问题产生的根源，以及对系统性能所带来的影响。进一步，通过对p a p r 抑制技 术的研究状况和发展前景的深入分析，为后续章节进一步探讨p a p r 抑制技术的 改进方法奠定基础。 第2 章从数字信号处理的角度，深入分析了p a p r 问题以及造成该问题的根 本原因。在此基础上，进一步研究p a p r 的统计特性，为分析各类抑制方法提供 理论基础。通过仿真实验，重点对比分析了两种概率类技术，即p t s 技术和s l m 技术，指出s l m 技术中存在的一些问题并提供相关解决思路。 第3 章主要研究基于s l m 技术的相位序列优化设计方法和改进措施，并提 出了一种基于星座图扩展的s l m 改进方法。该方法利用星座图扩展策略调整输 入数据幅度和相位，通过理论分析，推导出相位序列最优化设计的充分条件，最 终获得一种具有近似最优p a p r 抑制能力的低复杂度实现方法。 第4 章主要研究s l m 技术中如何避免传输s i 的问题。在分析比较两种典型 方法的基础上，研究了基于循环h a d a m a r d 序列设计相位序列的原理和方法，给 出一种避免s i 传输的s l m 改进方法。该方法具有近似最优p a p r 抑制性能，且 能够有效降低接收端进行s i 估计的计算复杂度。 第5 章总结了本文的研究工作，并指出未来可进一步开展的研究内容。 第2 章p a p r 基本理论及典型抑制技术 第2 章p a p r 基本理论及典型抑制技术 2 1 p a p r 统计特性 在介绍典型的p a p r 抑制技术之前，首先分析o f d m 信号p a p r 的一些统 计特性，如理论门限和概率分布等，从而为