OFDM通信系统中PAPR抑制技术的研究

论文摘要

随着信息社会的到来，无线通信特别是移动通信的兴起，频谱日益成为稀缺资源。为了提高频谱的利用率，人们提出了多种技术方案。其中，在面向下一代移动通信的众多多载波信号传输技术中，正交频分复用（Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM）及其相关技术以其频谱利用率高、抗多径和脉冲噪声、在高效带宽利用率情况下的高速传输能力、可根据信道条件对子载波进行灵活调制及功率分配的能力、技术实现成本低廉等优点，在众多领域得到广泛应用，已成为未来第四代多媒体移动通信系统的关键传输技术之一。但是OFDM系统的主要缺陷之一就是其时域信号的幅值波动较大，也就是出现高的峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）问题。与传统的单载波传输技术比较，较高的PAPR对放大器和数／模转换器（Digital-to-Analog converter，D／A）或模／数转换器（Analog-to-Digital converter，A／D）的线性动态范围有很高的要求，如果系统线性动态范围不能满足信号的变化，就会造成信号畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致子信道之间的正交性遭到破坏，产生严重的相互干扰，使通信系统性能严重恶化。本文针对这一关键问题，提出相应的数学模型，深入研究了OFDM技术中高PAPR问题。作为前提和基础，本文首先提出了PAPR问题的数学解决模型。按照所提模型的思路，从分量修正法、新分量注入法、运算规则变更法三个方面研究并提出自己的新算法。分量修正法通过修正参与运算的分量来改变运算结果，本文分别提出了包括预判断技术、自适应技术、码元约束技术和分块限幅算法四种新方法的分量修正法抑制PAPR。本文首先分析了现有限幅（Clipping）、压缩扩展变换（Companding）、编码（Coding）算法，指出了其存在的不足。Clipping算法对OFDM符号进行了非线性处理会带来严重的带内噪声，从而导致系统误码率（Bit Error Ratio，BER）性能降低，同时，OFDM信号的非线性畸变也会引起带外辐射，从而降低功率利用率。Companding算法是通过把大功率信号进行压缩以及小功率信号进行放大来降低系统的PAPR，同样具有高BER的问题。因此，本文提出分量修正法抑制PAPR。预判断技术可以按照预定的PAPR性能指标来确定是否需要采用降低PAPR的算法。通过将预判断技术和其它如Clipping、Companding等降低PAPR的算法结合起来，可以有效地降低PAPR，改善因降低PAPR而产生的不良影响。自适应技术根据通信系统预定的性能指标和实际的通信情况，按照自适应算法自动调整降低PAPR算法的参数，在PAPR和通信系统的其它性能之间自动实现良好折衷。预判断和自适应技术都适用于其它所有降低PAPR的算法，并可以将两种技术相结合应用。码元约束技术将限幅信号的星座点约束到一个特定区域，该区域的星座点逼近于未限幅之前信号的原始星座点。因此，码元约束技术能够在降低PAPR达到系统要求的同时改善系统的BER性能。分块限幅算法将一个OFDM符号分成若干块，然后分别对每块限幅，最后组合发送。该算法降低信号的波动范围，使其满足功率放大器线性动态范围，避免信号非线性严重失真，同时也改善了系统的BER性能。新分量注入法通过注入新的分量参与运算来抑制信号PAPR。新的分量注入会涉及到边带信息问题，本文就新分量注入法提出了新颖的边带信息传送方案和简单可靠的边带信息检测算法。现有算法主要包括部分传输序列（Partial TransmitSequences，PTS）、选择性映射（Selective Mapping，SLM）和载波预留法（ToneReservation，TR），其最主要的困难就是边带信息的传送和检测问题以及高计算复杂度问题。边带信息的传送和检测问题处理的好坏直接关系到接收端能否正确恢复出原始信息。在边带信息的传送方面，已有的算法没有考虑到边带信息插入后的峰值再生问题，本文提出新颖的边带信息传送方案，不仅解决了峰值再生问题和边带信息的统一管理问题，而且可以辅助系统实现帧同步，使PAPR问题与同步问题得以综合解决。利用编码理论知识，本文提出了两种更简单可靠的边带信息检测算法。这两种算法适用于M-PSK（Phase Shift Keying）调制情况，具有较低的计算复杂度和较高的可靠性。运算规则变更法寻求从改变OFDM的正交变换对入手解决PAPR问题，本文就此做了初步研究并给出该方法的整体思路，对其进一步的深入研究是以后研究工作的重点。综上所述，论文较全面、透彻地阐述了OFDM系统中的PAPR问题，提出了解决PAPR问题的数学模型。从数学模型出发，分别提出了预判断技术、自适应技术、码元约束技术、分块限幅算法、新颖边带信息传送方案以及简单可靠的边带信息检测算法。所提算法经过MATLAB仿真验证都达到了良好的效果，且通用性较强，因此具有很高的实用价值。该算法体系的进一步完善与发展，将对PAPR问题的全面解决具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• §1.1 无线移动通信系统的发展
• §1.2 OFDM技术发展简史
• §1.3 本文的研究工作及创新点
• §1.4 本文的篇章结构
• 第二章 OFDM技术及其PAPR问题
• §2.1 OFDM技术概述和其它相关技术
• 2.1.1 OFDM的基本原理
• 2.1.2 OFDM的优缺点分析
• 2.1.3 OFDM的相关技术
• §2.2 OFDM系统中的峰均比定义及其对系统的影响
• 2.2.1 PAPR的定义
• 2.2.2 PAPR的产生、分布及其上下界分析
• 2.2.2.1 PAPR的产生及分布
• 2.2.2.2 PAPR上下界分析
• 2.2.3 高PAPR对系统的影响
• §2.3 PAPR问题的解决方法
• 2.3.1 解决PAPR问题的数学模型
• 2.3.2 研究现状
• §2.4 本章小结
• 第三章 分量修正法抑制PAPR
• §3.1 现有算法分析
• 3.1.1 限幅（Clipping）
• 3.1.2 压缩扩展变换（Companding）
• 3.1.3 编码（Coding）
• §3.2 新算法的提出
• 3.2.1 预判断技术
• 3.2.1.1 预判断技术原理
• 3.2.1.2 预判断技术和已有方法体现出的判断思想的本质区别
• 3.2.1.3 预判断技术的应用
• 3.2.1.4 预判断技术的性能评价
• 3.2.2 自适应技术
• 3.2.2.1 自适应技术原理
• 3.2.2.2 自适应技术的应用
• 3.2.2.3 自适应技术的性能评价
• 3.2.3 预判断和自适应相结合技术
• 3.2.3.1 技术结合的原理
• 3.2.3.2 技术结合的应用
• 3.2.3.3 技术结合的性能评价
• 3.2.4 码元约束技术降低Clipping噪声
• 3.2.4.1 码元约束技术思想
• 3.2.4.2 码元约束技术处理过程
• 3.2.4.3 仿真结果及分析
• 3.2.5 分块限幅算法
• 3.2.5.1 分块限幅原理
• 3.2.5.2 仿真及分析
• 3.2.5.3 性能评价
• §3.3 本章小结
• 第四章 新分量注入法及运算规则变更法抑制PAPR
• §4.1 现有算法分析
• 4.1.1 部分传输序列（PTS）和选择性映射（SLM）
• 4.1.2 载波预留法（TR）
• 4.1.3 载波插入法（TI）
• §4.2 新算法的提出
• 4.2.1 新颖边带信息传输方案
• 4.2.1.1 方案说明
• 4.2.1.2 仿真分析
• 4.2.1.3 性能评价
• 4.2.2 新边带信息检测算法
• 4.2.2.1 边带信息的嵌入和检测
• 4.2.2.2 仿真分析
• 4.2.2.3 性能评价
• §4.3 运算规则变更法抑制PAPR
• 4.3.1 总体思路
• 4.3.2 小波变换应用于多载波通信
• 4.3.3 运算规则变更法抑制PAPR小结
• §4.4 本章小结
• 第五章 总结
• §5.1 论文总结及主要贡献
• §5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 博士在读期间发表论文及其它工作