国防科学技术大学
硕士学位论文
OFDM系统降峰均比技术的研究与实现
姓名：李为
申请学位级别：硕士
专业：信息与通信工程
指导教师：尹浩;魏急波
20081201
一种降低OFDM信号峰均功率比的方法 ——压缩扩展变换 翁金成，车晓璇，李蔚 北京邮电大学电信工程学院，北京（100876） E-mail：jincheng.weng@https://www.doczj.com/doc/335721443.html, 摘要：正交多载波频分复用OFDM技术是因能有效克服多径衰落的，并且频谱效率高, 特别适用于高速移动通信系统，但高的峰均比是其主要缺陷。本文着重论述了使用压缩扩展变换技术来降低其PAPR，但是，牺牲了误码率性能。本文还分析了压缩变换对误码率的影响，以及如何选取参数等一系列问题。 关键词：OFDM，峰均比、压缩扩展变换 1. 引言 正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术可以有效抑制由于无线信道多径时延所引起的符号间干扰（ISI），因此它特别适于无线环境下高速数据传输，是被普遍看好的下一代移动通信系统中的关键技术。但OFDM的峰均功率（PAPR）比较高，从而对功率放大器的线性范围提出了很高的要求，这成为OFDM技术实用化的一大障碍。因而如何降低OFDM信号的峰均功率比成了目前研究的一项关键技术。 目前所存在的减少PAPR的方法大概可以分为两类：第一类是在IFFT之前，尽量避免将产生高PAPR的码子，通常的采用循环编码，或利用不同的加扰序列对OFDM符号进行加权处理，从而选择PAPR较小的OFDM符号来传输。这种方法的缺陷是通常可供使用的编码图样数量非常少[4]。第二类是在IFFT之后对高PAPR的信号加以处理，通常有限幅、峰值加窗或峰值消除等技术[2]。这种方法的好处是直观、简单，但缺点是对系统性能将造成损害。 本论文提出了一种压缩扩展变换的方法来降低OFDM信号的PAPR。它的主要思想是源于语音压缩编码技术。据分析OFDM信号幅值的概率分布与话音的概率分布相似，所以我们模仿话音信号的μ律压缩技术来对OFDM信号加以压缩，使OFDM信号的小幅度值扩大，大幅度值缩小，从而降低了OFDM系统的PAPR。本论文主要论述了该压缩扩展技术的效果，它对系统误码率的影响以及如何选取压缩系统的参数等一系列问题。 2. 压缩OFDM系统模型以及PAPR的数学表示 经过压缩变换的OFDM系统的等效简单基带框图如图1所示：
OFDM技术及降低其峰均功率比的二种 有效的方法 The Techniques and an Efficient PAPR Reduced Method of OFDM Systems 徐会彬万国金南昌大学通信系统与应用 摘要:OFDM是一种多载波调制技术,其特的这调制特性决定了它有较高的峰均功率比高峰均功率比信号会对实际放大器提出很高的线性要求,因此,它是限制OFDM技术 实用化的主要障碍.目前虽有很多降低OFDM信号的峰均功率比PAPR的方案,但大 多是以增加系统的复杂程度为代价的.本文提出了两种降低OFDM信号PAPR的方 法,可以在不过分增加系统复杂性的基础上使其PAPR在很大程度上得到降低. 关键词:OFDM(正交频分复用):多径效应;峰均功率比(PAPR);随机相位校正;功率差异Abstract:OFDM,a kind of Multi-carrier modulating techniques,holds a high PAPR(Peak-to-Average-Power Ratio)due to its special modulating characteristics.High PAPR signal limits this technique to be applied in practice because the strict linearity to the power amplifier is required by it .Tough, many schemes presented to reduce the PAPR,most of them are at the cost of incr easing the systems’complexity .By the method of PAPR reduced for OFDM is presented in this thesis,the PAPR,can be lowered to some degree without excessively increasing the complexity of the systems. Key words:OFDM(Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing), multi-path effect, PAPR (Peak-to Average), random phase up dating, power variance(PV) 1引言无线信道的一个重要特点是多径传播，它使接收信号相互重叠，产生符号间干扰 (ISI)。当传输速率较高时，信号持续时间越短，相应带宽越宽，若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。为解决这个问题，人们提出了多载波调制(MCM)技术。它把高速率数据流分成多个低传输比特速率的数据流，用并行数据流去调制多个载波。正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波方式。 OFDM在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱相互重番，这样减小了子信道间干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，故虽整个信道是非平坦的频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间干扰. OFDM适用于多径环境和频率选择性衰落信道中的高速数据传输。由于OFDM具有抗多径能力强、频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注.人们不但认为在宽带无线接人领域采用OFDM是发展的趋势，而且它将成为未来移动通信系统的关键技术。 正交频分复用调制是一种频谱利用率很高的调制方式，具有良好的抗衰落能力，并可以实现数据的高速传送，但由于各载波的包络值统计独立，叠加后信号的峰值功率与平均功率的比值，即峰平比(PAPR)将随着载波数的增加而增加，这就要求系统中的功放具有较大的线性放大范围，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D/A转换器具有较大的转换宽度，这样就增加了实现难度和系统成本.为了降低PAPR已经提出了多种
摘 要: 正交频分复用(OFD M )作为一种高速信息传输的技术,具有很好的抗多径干扰能力,高效的频谱利用率，但它的一个主要缺点就是具有很高的峰均功率比(PAPR)。目前有许多方案用来降低OFDM 信号的峰均功率比，选择映射 (SLM) 方法就是其中一种。文章在传统的SLM 方法基础上进行改进,提出了一种新的方法，该方法在大幅度降低系统复杂度的同时，也提高了系统的性能。 关键词: 正交频分复用 峰均功率比 选择映射 互补累积分布函数 中图分类号: TN914.5 文献标识码: A 文章编号： 1673-1131(2010)01-047-03 一、引言 正交频分复用（O r t hogon a l Fr e que ncy D iv ision Multiplexing, OFD M ）是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDM 技术可以有效的对抗频率选择性衰落，充分的利用频谱资源，适用于高数率和多媒体数据传输，被认为是第四代无线移动通信中的关键技术之一。 降低OFDM系统峰均功率比的 SLM改进方法 代艳丽 武林俊/河南工业大学 信息工程学院（河南 郑州·450052） Improved SLM Ways to Reduced the PAPR of OFDM System DAI Yanli WU Linjun (Institute of Information Engineering, Henan University of Technology,Zhengzhou,450052,China) Abstract: OFDM as a high-speed information transmisson technology,has good resistance to multipath interference,ef ? cient spectrum utilization,but its main disadvantage is that high peak to average power ratio(PAPR).There are many programs to reduce the PAPR of OFDM system,SLM method is one of them.The article proposed a new method based on the traditional SLM method.The new method can signi ? cantly reduce the complexity of system while also improved the system performance. Keyword: OFDM PAPR SLM CCDF 由于OFDM 系统内存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此，OFDM 也有其自身的缺点。除了对频率偏差敏感之外，OFDM 的另一个缺点就是具有较高的峰均功率比( Peak- to- Average Power Ratio, PAPR) 。相对单载波系统而言，OFDM 发射机的输出信号的瞬时值会有较大的波动，这将要求系统内的一些部件具有很大的线性动态范围，同时也要求后继D/A 转换器具有较大的转换宽度，这样就增加了系统实现难度和成本。如果采用大动态范围的线性放大器或者对非线性的放大器进行补偿，将会使功率放大器的效率大大降低，绝大部分能量都会转化为热能被浪费掉，这对于移动通信中使用电池的终端设备来讲是绝对不能允许的。 本文介绍了降低OFDM 系统峰均功率比的三类方法，针对SLM 方法进行了研究。 二、OFDM 系统的峰均比的定义及分布 信号的峰均比是指信号的最大峰值功率与平均功率的比值。假设 表示在 系统中经过 运算之后所得到的输出信号, 即有 47
移动通信的关键技术 21世纪是移动信息社会，21世纪的社会和经济信息主要以数字和数据格式描述，信息的交流主要依赖于计算机通信，通信发展的趋势是消除人类活动受通信设备的空间和时间的束缚，新的一代移动通信系统即人们称之第三代的核心特征是宽带寻址接入到固定网和众多不同通信系统间的无隙缝漫游，获取多媒体通信业务。 回顾历史，差不多每隔十年移动通信系统就发生一次变革性换代，移动通信系统的发展趋势如图1所示。20世纪80年代的1G的AMPS和90 年代的2G 的GSM，IS-95主要应用于话音业务和电路交换业务，20世纪90年代开始研制的3G即全球移动通信系统IMT-2000。 图1移动通信技术的演进 ITU-R的WP8F工作组研究3G和B3G未来发展，WP8F第六次会议通过“IMT2000未来发展和超IMT2000的远景框架及总目标”（IMT-VIS），见图2。B3G系统在高速移动环境中，可支持100 Mbit/s数据传输，在低速移动环境中，可支持1 Gbit/s数据传输。
图2IMT-2000和超IMT-2000 3G系统的主要参数有：在宏蜂窝环境下，数据传输率为144～384 kbit/s。在微蜂窝环境下，移动速率3 km/h时数据传输率为100 Mbit/s，移动速率60 km/h 时数据传输率为20 Mbit/s，移动速率250 km/h时数据传输率为2 Mbit/s。以IP 为基础的无线接续，支持QoS，支持系统间无缝业务和全球漫游。支持多重模式，支持系统对称和非对称业务。 B3G系统的发展趋势是在固定或游牧移动覆盖区下，数据传输率为 1 Gbit/s，高速移动覆盖区下，数据传输率为100 Mbit/s。信号频谱带宽为100 MHz，频谱利用率为5～20 bit/s/Hz。采取协同分布式无线网络结构，传输制式为宽带多载波的GMC/OFDM/MIMO，接收制式采取迭代并行处理。 3GPP组织确定Evolved UTRA and UTRAN研究计划，研究UMTS的无线接入和网络长期演进（LTE，Long Term Evolution）和发展。3GPP2组织研究空中接口演进（AIE，Air Interface Evolution）。美国启动GENI计划，在全球网络环境中，研究提供“无所不在服务”的下一代互联网。欧洲设置IST （Information Society Technology）计划，研究Winner（Wireless World Initiative New Radio）的泛在无线通信系统。日本有e-Japan计划，采取可变扩频因子—频码正交复用（VSF-OFCDM）技术，下行链路传输速率达到300 Mbit/s。而我
基于序列构造降低OFDM的峰均包络功率比的研究因其能对抗多径衰落效应的特性，正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)技术在许多无线通信标准中得到了广泛的应用，例如，IEEE802.11、IEEE802.16Mobile和3GPP-LTE。但是，这样的新应用也带来新的问题，比如系统传输信号的高峰均包络功率比（Peak-to-mean envelope powerratio，PMEPR）的问题。 由于OFDM的传输信号有高PMEPR的问题，为了尽量避免信号的失真问题，需要采用具有大线性区间的功率放大器（High powerAmplifiers，HPA）和高复杂度的数模转换器（Digital-to-analog converters，DAC），但是无疑这会提高系统造价并使得能效降低。因此，一个稳定的OFDM系统应尽量使其PMEPR较低。 一种有效地降低OFDM系统PMEPR的方法是使用Golay互补序列（Golaycomplementary sequences）作为码本的编码方法，该码字可通过经典Reed-Muller码的陪集构造获得。虽然，通过这种编码方法，OFDM系统的PMEPR 最多只有2，但是随着码字长度的增加，它会造成码率上令人无法接受的性能损失。 随着研究的深入，人们开始研究另外一种类型的序列来提高码率，称为近似互补序列（Near-complementary sequences），这种序列是以Golay互补序列为基础生成，其PMEPR的性能会略微降低。在过去的几年中，人们也在研究基于16-QAM（Quadrature amplitudemodulation，正交幅度调）和64-QAM的Golay 互补序列和近似互补序列。 但是为了更好地提高码率，更多的16-QAM近似互补序列需要构造。特别地，64-QAM近似互补序列的结构还是未知的。
对峰均比的一些理解 峰均比，或称峰值因数(crest factor)，简称PAR （peak-to-average ratio ），或叫峰均功率比(简称PARR,peak-to-average power ratio)。 先说定义：峰均比是一种对波形的测量参数,等于波形的振幅除以有效值(RMS)所得到的一个比值。C=rms peak x x || 对这个定义还有一种理解：峰值的功率和平均功率之比。 这里先了解峰值功率：很多信号从时域观测并不是恒定的包络，而是如下面图所示： 峰值功率既是只以某种概率出现的肩峰的瞬时功率。通常概率取为0.01%。 平均功率是系统输出的实际功率。 在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为某个概率下的峰均比，比如PAR=9.1@0.1%,各种概率的峰均比就形成了CCDF 曲线（互补累积分布函数）。 在概率为0.01%处的PAR,一般称为CREST 因子。
我的认识，峰均比的应用有两种： 1、在射频中用来评价器件非理想线性带来的影响。 2、在调整方式上的不同，这里基本的先了解单载波和多载波。 （1）峰均比可以用来评价器件(基带DAC和RF的HPA)非理想线性带来的影响，所以在实际中峰均比越大的信号，在应用相同非线性器件时需要引入越大的功率回退。但在实际中信号中可能有很多小于峰值的次峰，峰均比不能表示出来，但是略小于峰值的次峰，那么非线性对信号的畸变影响并不大。当然，PAPR只是一个简单的指标，并不能完全确定信号受非线性的影响。逻辑上用幅度的概率分布应该会更精确一些，但是实际应用会很麻烦。 （2）对于单载波和多载波的峰均比是有些不同的： 正弦波（单载波）有峰均比一说。这个比值是峰值功率跟均值功率的一个比，是时间域测量结果。既然是时域的结果，就一定要附上采样时间。比如正弦波，你关心它的一个周期内的特性，在一个周期采很多点，那得到数据就会有峰均比。如果关心几个周期，每个周期只有一个点，那么结果就是没有峰均比。平时在通信里面的峰均比都是取宽带信号，也就是关心多个周期的数据。那么在多个正弦波（多载波）时候，由于相位影响，周期与周期间功率是不一样的，也就会出现峰均比。一般不太关心一个周期内的信号功率变化。 对于IQ调制信号，我们通常测一个或几个slot的能量，多个chip的数据，也是时域测量。这是在一定采样时间上面得到的，不太关心，某个chip的电压变化。 这是一些其他的理解： 信号峰均比是时域测量的结果,在一个宽带信号里存在多个周期的时域信号,那么不论是恒包络信号还是非恒包络信号,在一个甚至多少周期之内由于相位变化而引起功率输出变化.根据各种调制信号的特征其输出峰值功率跟均值功率的比值也不一样.