OFDM系统中峰均比抑制技术研究

面向OFDM系统的信道参数估计与峰均比抑制技术

面向OFDM系统的信道参数估计与峰均比抑制技术

随着无线通信技术的不断发展，正交频分复用（OFDM）系统在现代通信系统中被广泛应用。然而，OFDM系统的性能受到信道参数估计和峰均比抑制技术的影响。本文将针对OFDM系统的信道参数估计和峰均比抑制技术进行详细的讨论。

首先，我们需要了解什么是OFDM系统。OFDM系统是一种把高速数据分成若干低速子载波进行并行传输的技术。OFDM系统具有高频谱利用率和抗多径衰落的特点，因此被广泛应用于3G、4G和5G等通信系统中，如LTE、WiMAX和无线局域网等。

然而，OFDM系统的性能受到信道的影响。信道是指从发送端到接收端之间的传输媒介，如空气、水、光等。由于信道的不确定性和时变性，OFDM系统的性能可能会受到干扰、多径衰落和噪声等因素的影响。因此，进行准确的信道参数估计是提高OFDM系统性能的关键。

信道参数估计是通过对接收信号进行观测和分析，来估计信道的特性和参数。常用的信道参数估计方法包括最小均方误差（MMSE）估计、最大后验概率（MAP）估计和最大似然（ML）估计等。这些方法可以通过对接收信号的统计特性进行建模和估计来获取信道参数。

对于OFDM系统而言，信道参数估计方法需要考虑多径信道中的时延扩展和频率选择性衰落等问题。时延扩展是指由于信号传播路径不同而导致的多个符号间的时间延迟差异。频率选择性衰落是指不同子载波上信道响应的衰落深度和相位变化不同。为了准确估计信道响应的时延和频率选择性，可以采用导频序列和导频信息来辅助信道估计。

除了信道参数估计外，峰均比（PAPR）是OFDM系统中一个重要的技术问题。PAPR是指OFDM信号中峰值功率与平均功率的比值。由于OFDM信号的构成子载波数量较大，存在相位相加的问题，因此在OFDM系统中，PAPR问题容易出现。当PAPR过大时，会导致系统的非线性失真、功率放大器的效率下降和动态范围受限等问题。

光OFDM峰均比抑制算法的研究

作为一种正交的多载波调制技术-正交频分复用技术(Orthogonal

Frequency Division Multiplexing,OFDM),被认为是实现下一代移动通信系统的关键技术之一,一直是广大学者的研究热点,已经被应用到了多种领域。光OFDM通信系统具有很多优势,结合了射频通信系统中的OFDM技术和光纤通信的优点,因此,光OFDM技术的研究具有重要意义。

然而,光OFDM系统存在高峰值平均功率比(PAPR)的问题。高PAPR不仅会加剧了光纤自身的非线性效应,而且会致使光放大器、调制器、光电检测器等光电器件超过其线性限度,所以降低光OFDM系统的PAPR是必要的。

因此本文主要研究降低OFDM的PAPR的方法,建立光OFDM仿真平台,详细介绍压缩扩展法和选择性映射法,实现光OFDM信号PAPR的降低。主要成果如下:首先,对OFDM系统的基本原理进行了研究和分析,包括OFDM调制解调技术、保护间隔和循环前缀及子载波正交、IFFT和FFT等关键技术。

对几种经典的抑制OFDM峰均比的方法进行了分析比较。通过分析比较本文重点研究了压缩扩展算法(C变换)和选择性映射算法(SLM)。

对于压缩扩展法,实现较为简单、抑制PAPR效果明显但会影响系统的误码性能,仿真表明μ值越大降低峰均比的效果越好但系统的误码性能更差,综合考虑这些因素,本文选择μ=2。对于选择性映射法,是一种线性操作不会带来系统噪声但计算量比较大,折衷考虑选择M=4。

其次,将两种算法进行联合仿真,仿真表明,对于降低峰均比的效果,联合算法要优于单独使用压扩算法和算法选择性映射算法。联合算法比压缩扩展算法PAPR降低了约1.8dB,比SLM算法PAPR降低了约1.2dB。 通过分析也可得知联合算法对误码率的影响不太,因此联合算法对于降低OFDM的PAPR更为实用。最后,由于直接检测光正交频分复用(DDO-OFDM)系统实现简单,成本较低,目前应用最为广泛,因此本文采用DDO-OFDM系统。

FRFT-OFDM系统峰均比抑制技术研究

基于分数阶Fourier变换的正交频分复用（FRFT-OFDM）系统不仅具有传统OFDM系统的优点，同时在收发双方具有较大相对运动速度，即系统中存在较大多普勒频移的情况下，FRFT-OFDM系统较传统OFDM系统的性能得到改善。但是FRFT-OFDM系统同样存在高峰均功率比（PAPR）问题，这一问题会导致信号产生非线性失真，增大通信系统的误码率。

传统解决方案是采用大线性范围的功率放大器，这严重降低发射机功率放大器的效率。本文重点围绕FRFT-OFDM系统的峰均功率比问题展开研究，理论推导了峰均功率比的分布特性。

针对现有方法运算复杂度大的问题，本文提出一种具有低复杂度的基于分数阶随机相位序列（FRPS）的算法（简称FRPS算法）来抑制高峰均比，并利用MATLAB软件建立系统模型，对研究的内容进行了仿真。本文的主要工作如下：1)阐述了FRFT-OFDM技术的基本原理与系统模型。

首先介绍了分数阶Fourier变换的定义及相关定理，接着详细地描述了FRFT-OFDM技术的原理及系统组成。2)理论推导了峰均功率比的分布特性；总结了现有的FRFT-OFDM技术的峰均功率比抑制技术，详细描述了每种方法的原理，并对每种方法进行了仿真验证，在可靠性、运算复杂度、传输效率三方面进行了对比分析。

3)介绍了传统OFDM系统峰均功率比抑制技术—基于循环移相序列（CSPS）的算法（简称CSPS算法）及其优化算法（简称OCSPS算法），借鉴CSPS及OCSPS技术的思想，结合FRFT-OFDM技术的特点，为FRFT-OFDM系统提出了具有低复杂度的抑制峰均功率比的FRPS算法。该算法通过利用分数阶随机相位序列的特点及分数阶Fourier变换的圆周卷积定理，使得该算法只需要一次N点的逆离散分数阶傅里叶变换（IDFRFT），所有的备选信号可以在时域通过简单计算获得，避免了并行进行IDFRFT。

OFDM可见光通信系统峰均比抑制方法研究

基于照明LED灯信号发射的可见光通信(VLC)技术,因为其可以兼顾照明与通信、避免因电磁辐射而造成人体健康的危害、保密性能好、传输速率快等诸多优点,近年来成了无线通信领域的研究热点之一。而正交频分复用(OFDM)调制是宽带无线通信中的关键技术之一,不仅可以避免接收端复杂的均衡运算,还可以使得多用户更加有效地共享频谱资源以及便于用FFT数字电路实现,因此被考虑用到VLC系统中。

然而,OFDM调制具有峰均比高的特性,使得信号通过非线性器件时会出现失真,因此需要考虑抑制峰均比的方法。由于VLC信号没有负值信号,使得传统的OFDM峰均比抑制技术不能直接照搬过来,需要做一些调整与改进。

本论文在分析OFDM可见光通信系统中峰均比统计特性及高峰均比对系统性能影响的基础上,对传统无线通信中的OFDM峰均比抑制技术进行了改进,具体工作如下：一、对可见光通信系统中常用的DCO-OFDM和ACO-OFDM两种OFDM调制方式,推导了奈奎斯特采样信号和连续信号峰均比互补累积分布函数的表达式。通过比较可以发现,ACO-OFDM系统中峰均比问题比DCO-OFDM更加严重。

此外,基于实际测量的数据建立了LED的非线性模型,体现抑制峰均比的必要性。二、研究了一种在时域降低OFDM信号PAPR的限幅类方法,结合ACO-OFDM系统的特点,将简单、易实现的直接限幅法推广到ACO-OFDM系统中并分析其对系统性能产生的影响。

此外,将可以有效消除限幅噪声的判决辅助信号重建方法也推广至ACO-OFDM系统中,通过两种方法联合使用可以有效降低系统的峰均比,提高LED影响下系统的BER性能。三、研究了一种在时域降低OFDM信号PAPR的压扩类方法。

针对ACO-OFDM系统提出了一种可恢复的多段线性压扩变换,该变换利用时域一半的采样信号被限幅至零的特点,将压扩因子放置在零值的采样点处发送出去,在接收端使用相应的MAP检测即可恢复发送信号,在有效降低PAPR的同时还兼顾了系统的性能。仿真结果表明,在考虑LED非线性影响的情况下,利用该方法可以有效提高系统的BER性能。