毕业设计OFDM信号峰值窗函数限幅法模拟研究

1、西 安 邮 电 大 学毕 业 设 计（论 文）题 目：OFDM信号峰值窗函数限幅法模拟研究院 （系）： 通信与信息工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 起止时间： 2013年3月11日至2013年6月14日毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文OFDM信号峰值窗函数限幅法模拟研究是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；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注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。论文作者： （签字） 时间：2013年6月

2、14日指导教师已阅： （签字） 时间：2013年6月14日西安邮电大学  毕业设计(论文)任务书 学生姓名  指导教师  职称 教授 系别 通信与信息工程学院 专业 电子信息科学与技术 题目 OFDM信号峰值窗函数限幅法模拟研究     任务与要求1. 认真学习相关的中、英文文献； 2. 理解利用窗函数法降低OFDM信号的峰均值比问题； 3. 学习MATLAB模拟软件相关知识； 4. 完成总结利用窗函数降低OFDM信号的峰均值比问题； 5. 利用MATLAB软件实现对利用窗函数降低OFDM信号的

3、峰均值比问题的理论模拟仿真。   开始日期 2013-03-11 完成日期 2013-06-14 院长(签字)   2013 年 3 月12 日西 安 邮 电 大 学毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划 2013年 3 月 14 日 学生姓名      指导教师      职称    教授  系别 通信与信息工程学院  专业

4、 电子信息科学与技术  题目  OFDM信号峰值窗函数限幅法模拟研究                       工作进程 起止时间 工作内容 3月11日至4月10日 认真学习相关的中、英文文献 4月11日至4月20日 理解利用窗函数法降低OFDM信号的峰均值 比问题 4月21日至5月1日 学习MATLAB模拟软件相关知识5月2

5、日至5月20日 完成总结利用窗函数降低OFDM信号的峰均 值比问题 5月20日至6月1日 利用MATLAB软件实现对利用窗函数法降低 OFDM信号的峰均值比问题的理论模拟仿真 6月2日至6月9日 撰写论文，完成论文初稿6月10日至6月14日 修改论文，准备答辩 主要参考书目(资料) MIMO系统与空时编码邵朝 电子工业出版社通信原理 樊昌信 国防工业出版社Space-Time Codes and MIMO Systems Mohinder Jankiraman，Artech House主要仪器设备及材料 计算机一台论文(设计)过程中教师的指导安排 每周3早晨；每周

6、4下午在3号实验楼133办公室答疑。对计划的说明 希望同学尽量提前完成前面各项任务，为撰写论文预留时间。      西安邮电大学  毕业设计(论文)开题报告  通信与信息工程学院系电子信息科学与技术专业09级 班    课题名称：OFDM信号峰值窗函数限幅法模拟研究              学生姓名： 学号：   指导教师：   报告日期： 2013-03-15   1本课题所涉及的问题及应用现状综述 OFDM技术

7、的概念： OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是多载波调制(MCM ,Multi-Carrier Modulation)的一种。其特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减少了子载波间的相互干扰，而且大大提高了频谱利用率。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。峰值平均功率比的概念： 在OFDM系统中，峰均比（PAPR）定义为一个符号周期内的瞬时功率幅值与信号功率平均值之比，用公式表示为：式中表示经过IFFT运

8、算之后所得到的输出信号，即 限幅和峰值加窗技术分析： 峰值加窗算法就是将限幅过程看成是OFDM信号与一个矩形函数相乘的过程。当OFDM信号幅度小于给定门限时，该矩形函数值为1，而当OFDM信号幅值超过给定门限需要限幅时，该矩形函数的值小于1.限幅后OFDM信号的频谱为限幅前OFDM信号的频谱与窗函数频谱的卷积。为了减轻直接限幅带来的带外干扰问题，可以把比较大的信号峰值乘以适当的非矩形窗函数。为了降低带外辐射，理想的窗应该具有尽可能窄的带宽。另一方面，窗口在时域不能太长，因为这样就对信号采样数将增加，进而增加系统的误比特率（BER）。因此合适的窗口有cosine窗、Kaiser窗、和汉明窗。应用

9、现状综述： 一个OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成，在某个时刻，若多个子载波以同一个方向进行累加时，就会产生较大的峰均功率（Peak_to_Average Power，PAP）从而要求功率放大器具有很大的线性区域。否则，当信号峰值进入放大器的非线性区域时，就会使信号产生畸变，从而产生子载波间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波间的正交性，降低系统功能。因此，必须采用一定的技术来降低信号的峰均比，使发射机中的功率放大器高效工作，并提高系统的整体性能。而降低信号PAPR值最简单、最直接的方法是信号在通过非线性部件之前对信号峰值进行直接限幅，使得峰值信号低于所期望的最大电平值。2本课

10、题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析 关键问题： 问题1 OFDM信号的产生以及实现 问题2 OFDM信号中高峰均值比的原因及其分布 问题3 常用窗函数功能原理以及如何使用窗函数对OFDM信号进行限幅 问题4 利用MATLAB软件实现对利用窗函数降低OFDM信号的峰均值比问题的理论模拟仿真。解决思路：(1) 调研收集正交频分复用（OFDM）技术的有关资料，熟悉无线局域网IEEE802.11a协议原理。熟悉MATLAB软件工具。 (2) 理解无线局域网IEEE802.11a标准的工作原理、结构及其关键技术。熟悉峰值平均功率比（PAPR）的定义以及对系统的影响。理解峰均比

11、抑制的原理和方法。 (3) 研究利用窗函数降低OFDM信号的峰均值比原理，分析其性能。 (4) 用MATLAB编程仿真，并仿真验证方法的有效性。 (5) 对仿真结果进行性能分析，完善和改进算法。  3完成本课题的工作方案  2013-3-113-18 理解任务要求，了解利用窗函数法降低OFDM信号的峰均值比问题和相关资料，完成开题报告。 2013-3-194-13 查阅资料，掌握OFDM信号的峰均值的分布以及如何通过窗函数技术降低其峰均值的相关研究，熟悉相关的仿真程序。 2013-4-145-11 学习并掌握主题和思想，编写程序进行相应仿真。 

12、2013-5-126-1 调试程序，对研究的结果进分析。 2013-6-26-14 完成论文，准备答辩。4指导教师审阅意见 从开题报告看，同学已经阅读一定量的相关文件，对课题已有了一定广度的了解，有一些自己认为可行的方案和方法。但还需深入学习理解问题本质，学习MATLAB相关知识，阅读相关外文资料，为完成毕设奠定坚实基础。         指导教师(签字)： 年 月 日  说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。  西安邮电大学

13、毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名性别学号 专 业班 级课题名称OFDM信号峰值窗函数限幅法模拟研究课题类型软件设计难度一般毕业设计（论文）时间2013 年3 月11 日6 月14 日指导教师(职称 )课题任务完成情况论文 18 (千字)； 设计、计算说明书 (千字)； 图纸 (张)；其它(含附件)：指导教师意见分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩：指导教师(签字)： 2013年 月 日评阅教师意见分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范）

14、 分； 外文翻译 分评阅成绩： 评阅教师(签字)： 2013 年 月 日验收小组意见分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分验收成绩：验收教师(组长)(签字)： 2013 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈述情况 分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 2013 年 月 日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩 20 () 评阅成绩 30 () 验收成绩 30 () 答辩成绩 20 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 院(系

15、)答辩委员会主任(签字)： 院(系) (签章) 2013 年 6 月 14 日备注西安邮电大学毕业论文（设计）成绩评定表（续表）目录摘要IAbstractII引言11 绪论21.1 移动通信的发展21.1.1 第一代移动通信21.1.2 第二代移动通信21.1.3 第三代移动通信31.1.4 第四代移动通信31.2 OFDM技术的发展历史31.3 OFDM技术综述51.3.1 关于OFDM51.3.2 OFDM的关键技术51.3.3 OFDM的优点和不足71.4课题研究的背景82 正交频分复用(OFDM)102.1 OFDM的基本原理102.2 OFDM信号的产生112.3 保护间隔和循环前缀

16、122.4 加窗技术143 OFDM系统的高峰均功率比(PAPR)问题163.1 简介163.2 OFDM系统中的峰均功率比(PAPR)及其分布173.2.1 PAPR的定义173.2.2 PAPR的分布183.3 解决峰均功率比(PAPR)问题的方法概述193.4峰值窗函数法214 MATLAB仿真及分析244.1 MATLAB简介244.2 仿真及结果254.3 仿真结果分析285 总结29致谢30参考文献31摘要正交频分复用(OFDM)技术具有抗多径时延、抗信道衰落、频谱利用率高和硬件实现相对简单的特点。基于无线通信中可靠、高速的目标和要求，OFDM技术将成为无线通信首要选择的调制技术。

17、尽管OFDM技术对于高数据率传输链路有许多的优势，但是它也有一个很大的缺陷，即由于OFDM子载波的相干相加引起的大峰均功率比(PAPR)问题。如何降低OFDM系统的PAPR成为实际应用中的一个重大问题。本文介绍了OFDM技术以及OFDM系统中的PAPR问题，然后介绍了用于降低PAPR的峰值加窗技术的基本知识。在此理论基础上，通过MATLAB软件对几种窗函数进行仿真。通过对仿真结果进行比较分析，阐述了加窗技术的必要性，及其优缺点，并且对窗函数在OFDM系统的性能影响做出分析研究。结果表明，使用峰值窗函数法能明显降低OFDM系统的PAPR，但是当设定系数不当时会影响系统的误码率(BER)性能.关键

18、字：正交频分复用，峰均功率比(PAPR)，峰值窗函数法，MATLAB,仿真IAbstractOrthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology has a lot of features that are anti-multipath delay, immunity to channel fading, high spectrum efficiency and relatively simple hardware implementation. Based on the goals and requirements of r

19、eliability and high-speed of the wireless communication , OFDM technology is becoming the first choice of modulation technique for wireless communication.Although the OFDM technique for high data rate transmission link has many advantages, but it also has a big drawback , that is the large peak to a

20、verage power ratio (PAPR) problem caused by the coherent addition of the OFDM sub-carrier. How to reduce the PAPR of OFDM system is becoming the major problems in practical application. This article describes the OFDM technology and the problem of the PAPR of OFDM system, and then introduced the ele

21、mentary knowledge of peak windowing technology to reduce the PAPR. Based on this theory, I will do the simulation of several window function through MATLAB software. Through the comparative analysis of the simulation results , I expound the necessity of windowing technology ,and its advantages and d

22、isadvantages , and I analyze the impact of the window function for the performance of the OFDM system .The results show that using peak window function method can significantly reduce the OFDM systems PAPR, but when the setting function is unsuitable it will affect the systems bit error rate (BER) p

23、erformance.Keywords: Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM),peak to average power ratio (PAPR) , peak window function method ,MATLAB, simulation IIOFDM信号峰值窗函数限幅法模拟研究引言进入21世纪以来，无线通信技术正以前所未有的速度向前发展。随着用户对各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，新一代的无线通信技术将需要更低复杂度的数据处理、更高的数据传输速率、更加未见得性能表现以及更加称心如意的服务质量来满足人们对

24、通信的需求，因此其结构也将发生根本的变化。为了能够支持更高的信息传输速率和更快的用户移动速度，因此新一代的的无线通信技术中必须采用频谱效率更高，且抗多径干扰能力更强的新型传输技术。正交频分复用(OFDM)能够有效的对抗频率选择性衰落和载波间干扰，且使用正交的子载波作为子信道，因此极大地提高了频谱利用率。因此其作为4G无线通信物理层协议的关键技术而引起人们的广泛关注并且成为当前以及今后无线通信企业界的研究热点。OFDM作为一种可以有效对抗符号间干扰(ISI)的多载波高速传输调制技术，已经应用到了很多新型的数据传输系统中，如数字广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。尽

25、管OFDM技术有很多的优势，但是它也有很大的缺陷。OFDM通信系统使用具有正交关系的一组子载波来调制信号，在二进制比特映射到复信号后使用离散傅里叶反变换(IDFT)进行调制，虽然个子载波的包络值统计独立，但其缺点是当子载波数增加时，如果把每个子载波信号看做是相位随机的余弦信号，则所有的子载波信号叠加后合成的OFDM信号包络起伏不定，并且不可避免的出现许多较高的峰值，从而导致多载波信号峰均功率比(PAPR)较高。最简单的降低PAPR的方法是信号在经过非线性部件之前进行限幅(Clipping),使得峰值信号低于多期望的最大电平值。限幅的过程是将OFDM信号乘以一个矩形框，将高于某个幅度的波形削平，

26、但这种方法会带来许多问题：对OFDM信号进行预畸变，会对系统造成自身干扰，从而造成系统的误码率(BER)性能降低；其次，OFDM信号的畸变会导致带外辐射功率的增加。为了减少带外辐射，可以使用非矩形的窗函数。本文采用非矩形窗对OFDM信号进行限幅，通过对比来分析不同窗函数对OFDM信号系统的影响。1 绪论正交频分复用（Orthogonal frequency division multiplexing ，OFDM）是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当做一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，因此每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的的低比特率形成的

27、低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。而OFDM技术的基本思想是将高速传输的数据流经过串并转换，变成在若干个正交的窄带子信道上并行传输的低速数据流。在OFDM技术中，通过对高速率数据流进行串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少各子信道间的符号间干扰(ISI)。同时由于OFDM系统中各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源。同时OFDM技术将传输的数据信息分散到每个子载波上，使得符号周期长于多径时延，从而能有效对抗多径衰落。由于OFDM技术有上述的优点，OFDM技术越来越受

28、到人们的重视。1.1 移动通信的发展自从1897年马可尼的实验证明了无线通信的可行性，人们对移动通信的探索和在发展中不断产生的需求推动了移动通信技术的飞速发展，无可置疑，移动通信越来越广泛地渗透进每个人的日常生活中。1.1.1 第一代移动通信1978年底，美国贝尔试验室研制成功了先进的移动电话系统(AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网，从而大大提高了系统容量。该阶段称为1G（第一代移动通讯技术），主要采用的技术是模拟技术和频分多址(FDMA)技术。Nordic移动电话（NMT）就是这样一种标准，该标准应用于Nordic国家、东欧以及俄罗斯。其它的一些标准还包括美国的高级移动电话系统（AMPS），

29、英国的总访问通信系统（TACS）以及日本的JTAGS，西德的 C-Net-z，法国的Radio-com 2000和意大利的RTMI。这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并且在世界各地得到迅速发展。然而虽然以AMPS和TACS为代表的第一代移动通信模拟蜂窝网取得了很大成功，但同时也暴露了一些问题，比如容量有限、制式太多、互不兼容、话音质量不高、不能提供数据业务、频谱利用率低、移动设备复杂、费用较贵以及通话易被窃听等，其中最主要的问题是其容量已经不能满足日益增长的移动用户需求。1.1.2 第二代移动通信第二代移动通信系统是数字语音通信，相对于第一代移动通信系统而言，其频率利用率和安全性都

30、有了很大的提高。第二代移动通信系统主要采用时分多址（TDMA）和码分多址(CDMA)技术，其主要制式有GSM和CDMA两种。第二代移动通信系统基本上满足了语音通信的要求，但是带宽限制了高速数据业务的应用，数据速率只有96KbS，同时由于标准不统一，因而无法进行全球漫游。在2G向3G的演变过程中，由于3G是个相当浩大的工程，因此要从2G迈向3G不可能一下就衔接得上，因此出现了介于2G和3G之间的2.5G。2.5G功能通常与GPRS技术有关，GPRS技术是在GSM技术基础上的一种过渡技术。GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步，GPRS能够在移动用户和数据网络之间提供一种

31、连接，从而给移动用户提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务。相比于2G服务，2.5G无线技术可以提供更高的速率和更多的功能。1.1.3 第三代移动通信第二代移动通信主要是为了提供语音业务和低速率数据业务，但是为了能够支持视频、互联网等更高速的数据业务，人们开始研究基于CDMA的第三代移动通信系统。与从前以模拟技术为代表的第一代和第二代移动通信技术相比，3G将拥有更宽的带宽，其传输速度最低为384K，最高为2M，带宽可达5MHz以上。不仅能够传输话音，还能够传输数据，从而能够提供快捷、方便的无线应用。其主要特点是能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务，其主要数据业务是Internet 所需的不

32、对称的、基于包交换(IP)的业务。第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率，并且能够提供包括卫星在内的全球覆盖并且能够实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接，而且满足了多媒体业务的要求，从而能够为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。1.1.4 第四代移动通信对于目前高速率数据业务来说，单载波通信系统中TDMA和窄带的CDMA系统都存在很大的缺陷。由于无线信道存在时延扩展，并且由于高速信息流的符号宽度又很小，因此符号间会存在比较严重的码间干扰(ISI)。OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，而

33、且可以提供比目前无线数据技术质量更高(速率高、时延小)的服务和更好的性能价格比。基于OFDM的这些特点，人们开始关注OFDM系统，以期望能为4G无线网提供更好的方案。1.2 OFDM技术的发展历史OFDM是高速率无线通信系统中有广阔应用前景的一种特殊的多载波调制(MCM)技术。MCM技术的来源要追溯到20世纪50年代和60年代早期，涉及军事上的高频无线链路。RWChang博士在20世纪60年代中期发表的一篇论文，首次阐明了我们现在称之为OFDM的技术。1967年，BRSaltzberg对Chang提出的方法进行了性能分析，并且得出很重要的结论，即在并行传输系统中，相邻信道间的串扰将是信道畸变的

34、主要原因，因此系统设计的重点应该在于尽量减小相邻信道间的串扰，而不是简单地完善每一个单独的子信道。早期的OFDM技术主要应用于高频军事系统中，如KINEPLEX、ANDEFT以及KATHRYN等。由于在早期的OFDM系统中，发射机和接收机所需的子载波阵列是由正弦信号发生器产生的，并且在相关接收时各子载波需要精确的同步，因此当子信道数目较大时，系统就显得非常复杂和昂贵，因此限制了OFDM技术的应用和推广。直到70年代，SBWeinstein和PMEbert提出了一个较为完整的OFDM系统，包括用DFT产生信号以及在多径信道中加入空的保护间隔，不再使用子载波振荡器组和相干解调器，简化了系统的结构，

35、从而使OFDM技术更趋于实用化。80年代，如何将它用于高速MODEM是OFDM研究工作追寻的主要目标之一。为了克服信道间干扰(ICI)和ISI的影响，Peled和Ruiz于1980年引入了循环前缀(CP)的概念，用OFDM符号的周期扩展来代替空的保护间隔，只要循环前缀大于信道的最大时延扩展，则在色散信道上也能够获得较好的正交性，因而增加了OFDM系统的抗多径能力。离散傅立叶变换和循环前缀的引入，是OFDM技术发展史上的两个重要的里程碑。1985年，Cimini把OFDM的概念引入到了蜂窝移动通信系统，为无线OFDM系统的发展奠定了基础。进入90年代以后，OFDM技术的研究开始深入到无线调频信道

36、上的宽带数据传输。随着高速数字信号处理快速发展，傅立叶变换反变换、纠错编码技术、信道自适应技术、减少均衡计算量等成熟的技术逐步引入到移动通信领域中来，为OFDM在无线数据通信领域的应用提供了良好的基础。为了确保最终用户能够最大限度地从OFDM技术中获得益处，并且降低制造成本，1999年12月，包括Ericsson，Nokia和WiLAN在内的七家公司发起了国际OFDM论坛，致力于策划一个基于OFDM技术的全球性统一标准。2000年11月，OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE802163的无线城域网委员会提交了一份建议书，提议采用OFDM技术作为IEEE802163城域网的物理层标准。我国

37、的信息产业部也己参加了OFDM论坛，并于2002年4月在北京召开了由中国通信协会举办的“第四届国际正交频分复用论坛年会”(OFDM Forum 2002)。而且OFDM已经被国家863计划列入第四代移动通信系统的核心技术，并作为国家自然科学基金的重点支助项目，中国网通也建立了正交频分多址接入(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Access)实验站CelerFlex，由此可见OFDM在无线通信的应用己引起国内通信界的重视。进入21世纪以后，OFDM引起了更加广泛的关注。随着近代通信技术的迅速发展，以及日益增加的走向高速、综合、大容量业务的要求，OFDM技术的

38、发展步伐加快，并且出现了许多新的研究领域和新的发展动向。一是OFDM技术和其它多址技术的结合，OFDMA技术给每个用户分配一定数量的子载波，这种技术与FDMA相似，但是相邻的用户不需要保护频带用以抑制信道间干扰。OFDMCDMA是将OFDM调制技术和CDMA结合在一起的多载波CDMA，并且能够提供大容量、高速率的数据通信，现己成为4G的研究热点。二是OFDM技术与多天线技术相结合，MIMOOFDM技术就是在系统中组合使用OFDM调制技术和多输入多输出(MIMO)天线技术，该技术是下一代互联网和多媒体业务的关键技术。1.3 OFDM技术综述1.3.1 关于OFDM正交频分复用(OFDM)技术的应

39、用始于20世纪60年代，主要用于军事通信。70年代，人们提出采用离散傅里叶变换实现多载波调制，使OFDM技术开始走向实用化，随着数字信号处理(DSP)技术和高速器件的发展，OFDM在高清晰度电视(HDTV)、数字音频广播(DAB)、非对称数字用户线(ADSL)、数字视频广播(DVB)等系统中得到成功应用。进入90年代以来，对OFDM技术的研究深入到无线信道的宽带传输。无线信道中存在的一个重要问题是多径传播，从而使得接收信号发生相互重叠，并因此而产生码间干扰(ISI)。当传输速率较高时，信号持续时间越短，相应的带宽越宽，当信号带宽超过信道相干带宽时，信道时间弥散特性将对接收信号产生频率选择性衰落

40、。OFDM技术作为一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交的子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。因此，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，而且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。同时OFDM在频域内将给定信道分成许多正交的子信道，各子信道的载波间保持正交，其频谱相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，同时提高了频谱利用率。1.3.2 OFDM的关键技术与新一代的移动通信系统有关的OFDM系统的关键技术有以下几个方面。l 同步技术在OFDM系

41、统中，N个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此，它对时间的偏差不敏感，然而对定时和频率偏移敏感。对于多载波系统来载波频率的便宜会导致子信道之间产生干扰，而且对于要求子载波保持严格同步的正交频分复用(OFDM)系统来说，在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏，因此实现时域和频率同步很重要。同步分为时间分布和频率同步。a. 时间同步 时间同步能够帮助找到FFT窗函数的正确起始位置。在相关系统中，通常采用信道估计的方法作为衡量顶事故记得标准之一，并从中获取含有时偏的信息，从而完成对时间偏移的估计和修正。OFDM系统中，高速数据流经串并转换后，符号的周期延长，速率较低，因

42、而系统对时间的偏差不敏感，发送子载波的正交性不受时间偏差的影响，时域同步较易实现。b. 频率同步频率同步能够尽可能的维持子载波的正交特性。OFDM对频偏很敏感，频偏不仅会破坏子载波间的正交性，而且会产生载波间干扰（ICI），因此在进行FFT解调前必须要估计出频偏，并进行校正。对于移动无线通信系统而言，信道是时变的，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，会破坏子载波间的正交性，同时相位噪声也会对系统造成影响。因此，频域的同步非常重要，实现起来更复杂。l 信道估计在无线传输环境中，信道的时域与频域响应是时变的，同时多径引起的频率选择性衰落在不同的子载波上也表现出衰落的不一致性，从而导致OFDM信号

43、各个数据子载波上出现畸变的不均匀性。为了保证系统的性能不受信道的多径和衰落效应的影响，就需要采用信道估计的方法来跟踪信道响应的变化。信道估计的目的就是估计出信道的时域或频域响应，对接受的数据进行校正与恢复，以获得相干检测的性能增益。常见的信道估计方法有两类：基于导频信息的信道估计和基于循环前缀的盲信道估计其中导频信息的信道估计方法又可分为：基于导频信道和基于导频符号的估计。由于OFDM系统具有时频二维结构，因此可以在时间轴和频率轴同时插入导频符号，使设计更加灵活。导频估计法是在发送端信号的某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计。l 降低

44、峰均功率比(PAPR)OFDM通信系统使用具有正交关系的一组子载波来调制信号，在二进制比特映射到复信号后使用离散傅里叶反变换（IDFT）进行调制，虽然各子载波的包络值统计独立，但是当子载波增加时，如果把每个子载波信号看做是相位随机的的余弦信号，则多有子载波信号叠加后合成的OFDM信号包络起伏不定，并且不可避免的出现许多较高的峰值，导致多载波信号峰均功率比(PAPR)较高。然而，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。其主要影响有：1 要求射频功放具有更大的线性范围，直接的后果或者是功放效率降低，或者是功放成本增加。2 要求发射端的D/A转换器具有较大的转换宽度，增大了实

45、现难度和系统成本。3 从长远看，会阻碍OFDM技术的发展。l 信道编码和交织在OFDM系统中，信号经过多径衰落信道到达接收端的所有子载波上的信号幅度可以不同，因此即使在大多数子载波上都能做到无差错检测，但整个系统的误比特率(BER)却会因为幅度很小的个别子信道的影响而很高。为了提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码，成功的编码就意味着，OFDM链路的性能应由平均接收功率来确定，而不是由最差子信道的接收功率来确定。对于信道编码中的突发错误，可以采用交织技术。交织的作用是减少信道中错误的相关性，把长的突发错误离散成短的突发错误，或随机错误

46、。在OFDM系统中，发送端编码后的数据先经交织器按行读出，重新排序后再进行调制；接收端在解调后，由去交织器恢复处原始顺序进行译码。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能1.3.3 OFDM的优点和不足OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，之所以受到人们的广泛关注是因为它有许多优点，如下：1. 通过对高速率数据流进行串/并转换，并采用插入循环前缀（CP）的方法，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的子载波间干扰（ISI），减小了接收机内均衡的复杂程度。2. OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互

47、重叠，因此与常规的频分复用（FDMA）系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源，提高了频谱利用率，且子载波个数越多，系统的频谱利用率越高。3. 各个子信道的正交调制和解调可以分别通过采用离散傅里叶反变换（IDFT）和离散傅里叶变换（DFT）的方法来实现，当子载波很多时，就可以采用快速傅里叶反变换（IFFT）和快速傅里叶变换（FFT）实现，随着现代技术的发展，这种变换很容易实现。4. 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输量，OFDM系统可以机动地调整子信道数来实现上、下行链路中不同的传输速率。5. OFDM易于和其他多种接入方法结合使用，构成O

48、FDMA系统，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传输。但是OFDM系统由于存在多个正交的子载波，因而其输出信号是多个子信道信号的叠加，因而OFDM系统也存在一些不足：1. 对频偏和相位噪声很敏感。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对其之间的正交性提出了严格的要求。无线信道的时变性在传输的过程中造成的无线信号频谱偏移，或者是发射机和接收机本地振荡器之间存在的频率偏移，都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间干扰（ICI）。2. 存在较高的峰均功率比(PAPR)。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号

49、的平均功率，导致较大的峰均功率比(PAPR)，这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，是系统性能恶化。3. 所需线性范围宽由于OFDM系统峰值平均功率比大，对非线性放大更为敏感，因此OFDM系统调制比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。1.4课题研究的背景虽然正交频分复用(OFDM)系统具有许多的优点，但是其也存在一些技术上的缺陷需要解决。其中一个主要的缺陷是峰均功率比(PAPR)过高的问题。在OFDM通信系统中采用在频率上具有同步关系的多个载波来调制信号，由于各载波的包络值统计独立，随着载波数

50、的增加，叠加后信号的峰均功率比(PAPR)较高。因此，调制信号的动态范围相当大，这就要求系统中的功率放大器具有较高的线性放大范围，以避免传输信号的频谱扩散和非线性失真，同时也要求后继的数模转换器具有较大的转换宽度，这就增加了系统的成本和实现的难度。因此使用一些方法降低OFDM系统的PAPR成为OFDM技术研究的一个重大课题。2 正交频分复用(OFDM)正交频分复用(OFDM)是一种多载波传输技术，可以被看作一种调制技术，也可以被看作一种复用技术。多载波传输是把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流将有低得多的比特速率，用这样的低比特速率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，构成了多个

51、低速率符号并行发送的传输系统。OFDM作为多载波调制（MCM）的一种改进，其特点是多载波之间相互正交以此提高频谱利用率如图2-1。频率传统的频分复用（FDM）多载波调制节省带宽资源频率正交频分复用（OFDM）多载波调制图2-1 FDM与OFDM技术频谱利用率的比较 在OFDM系统中，由于子信道的划分，使得频率选择性信道转换为平坦信道，以此克服了多径传输中频率选择性衰减的弊端，同时把高速串行传输转换为低速并行传输大大降低符号传输速率，使得符号周期远远大于信道脉冲响应的支撑集，以此消除了符号间干扰问题。加之采用强有力的时频交织纠错编码以及插入额外的保护间隔，进而产生更为稳健、有效、有力的抵御频率选

52、择性衰减和消除OFDM符号间干扰的能力。2.1 OFDM的基本原理正交频分复用(OFDM)技术是多载波传输的一种，其关键是多载波之间互相正交以此提高频谱利用率。OFDM技术将可用的频谱划分为许多子载波，每个子载波承载低速的数据流，且这些子载波之间是无间隔且相互正交的，以此克服密集分布的子载波之间的相互干扰(ICI)，如图2-2。图2-2 OFDM系统中子信道符号的频谱正交频分复用(OFDM)技术将系统的带宽资源划分为许多窄带子信道，由于每个子信道的载波是相互正交的因而不需要为形成接受匹配滤波器而在各个子信道间加保护带，这样就避免了频分多址(FDMA)系统的额外开销。子载波的正交性意味着每个子载

53、波在一个符号周期内具有整数周期，这样每个子载波在其他载波的中心频率处恰好取到零点，因而无载波间干扰(ICI)。由于正交频分复用(OFDM)系统的子载波的带宽非常窄，因而具有非常低的符号速率，因而具有很强的抗多径干扰的能力。2.2 OFDM信号的产生OFDM信号的生成链路是OFDM系统发送端链路的主要组成部分。OFDM信号的生成可以分为以下几个步骤（如图2-3）：1) 根据输入数据的调制方式选择OFDM信号的频带。2) 对输入符号做串并转换，将相应的子数据流映射到对应子信道，选择子信道的载波子载波。3) 依据调制方案(BPSK/QPSK/QAM)计算子载波的幅度和相位。4) 利用IFFT运算将计

54、算所得子载波映射到时域，同时保证各子载波间的正交性。5) 加窗和插入保护间隔和循环前缀以抑制由于多路径传输产生的符号间干扰。6) 经数模转换和上变频送入无线传输信道。图2-3 OFDM系统发送端模块图和OFDM信号生成模块图依据图2-3.可以定义起始于时刻的OFDM信号的等效低通模型为 (2-1)式中，为单位矩形脉冲函数，用它主要是为表示信号s(t)的周期特性；为调制符号星座图内的点数据；为子载波数；T为符号周期。在式2-1中，取 = 0 并忽略矩形函数，对以为间隔做等间隔采样同时综合掉因子,得 (2-2)可以看出，采样数据与调制符号星座图数据之间的关系为根据以上分析可得，OFDM系统的调制 和解调可以分别用IDFT和DFT来实现。通过N点IDFT(IFFT)运算，把频域数据符号变换成时域数据符号，经过射频载波调制后，发送到无线信道中，其中每个IDFT(IFFT)输出的数据符号都是所有子载波信号经过叠加后生成的，在接收端，对进行点DFT(FFT)运算，可以恢复出原始数据符号。2.3 保护间隔和循环前缀OFDM系统的一大优点是它能够有效地抵抗多径时延扩展，减小符号间干扰(ISI)。把输入的数据流串并转换到个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据符号周