OFDM系统中基于FFT特性的峰均比降低方法研究及实现

论文摘要

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）系统中,输出信号是多个子信道信号的叠加,与单载波传输技术相比,存在着较高的峰均比（Peak-to-average Power Ratio,PAPR）,这使得OFDM的输出信号有较大的动态范围,且对放大器、模/数转换器（Analog-to-Digital Converter,A/D）和数/模转换器（Digital-to-Analog Converter,D/A）的线性动态范围要求较高,结果降低了射频放大器的功率效率,增加了系统成本；但如果放大器的线性范围不能满足信号的变化,就会产生信号畸变,从而破坏子信道之间的正交性。针对上述问题,本论文主要研究如何有效地降低OFDM通信系统中PAPR问题的方法。主要工作有：首先简介了OFDM系统的特点以及PAPR的研究现状,并概括了要进一步解决的问题和本文的主要贡献、研究内容。第二部分先详细介绍了OFDM系统模型,并阐述了过采样对OFDM系统中功率谱密度的影响；在此基础上,对PAPR进行理论分析和数学推导,阐述了峰均比的定义、统计分布以及对系统的影响,为后面的讨论提供有效的理论依据。针对部分传输序列法（Partial Transmit Sequence,PTS）的计算量随分割子序列数按指数增长。第三部分先提出了一种减少计算复杂度的改进方法：利用快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）的时域循环移位特性增加更多备选信号,且仅对IFFT和FFT循环移位后的一半备选信号进行相位优化。仿真结果显示,当使用相同的分割子序列数和相位加权因子时,提出的方法能够有效降低复杂度,但PAPR降低的性能几乎与传统方法相同。此外,第三部分提出了改善PAPR降低性能和复杂度折衷的方法：经迭代和经门限的改进方法。理论分析表明经迭代的改进方法的计算量随子序列数按线性增长；经门限的改进方法利用预先设定的门限值可以很好地降低计算复杂度。接着Matlab软件仿真,显示两种改进方法降低PAPR的性能要优于PTS方法,但计算复杂度并没有增加。在传统的选择性映射（Selected Mapping,SLM）方法中,计算复杂度随子序列数按线性增长。针对这个问题,同时又考虑到系统性能,第四部分提出了新的SLM方法。该方法利用已产生的相位序列和FFT的频域循环移位特性、线性特性及其联合特性构造出了三种不同变换以产生新的相位序列,增加更多交替的OFDM信号序列。接着分析和仿真显示,本文提出的方法能够有效提高系统性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 附表索引
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 无线移动通信系统的发展
• 1.1.2 OFDM技术的发展简介
• 1.1.3 OFDM中PAPR降低方法的研究现状
• 1.2 本论文主要内容和贡献
• 1.3 论文结构及内容安排
• 第二章 OFDM无线通信系统中的PAPR问题
• 2.1 引言
• 2.2 OFDM系统概述
• 2.2.1 OFDM的基本原理
• 2.2.2 OFDM系统的仿真模型
• 2.2.3 OFDM的优缺点
• 2.3 OFDM系统中PAPR的定义以及影响
• 2.3.1 PAPR的定义
• 2.3.2 PAPR统计分布
• 2.3.3 高的PAPR对系统的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 改进的部分传输序列方法
• 3.1 引言
• 3.2 传统的部分传输序列方法
• 3.2.1 基本思想
• 3.2.2 性能分析
• 3.2.3 复杂度分析
• 3.3 提出的复杂度简化方法
• 3.3.1 次优化循环移位序列方法
• 3.3.2 性能、运算量分析
• 3.3.2.1 冗余信息比较
• 3.3.2.2 运算量比较
• 3.3.3 仿真分析
• 3.4 提出的性能优化方法
• 3.4.1 基本思想
• 3.4.2 改进方法的系统模型
• 3.4.2.1 经迭代的IPTS方法
• 3.4.2.2 经门限的IPTS方法
• 3.4.3 复杂度分析
• 3.4.4 性能仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 降低PAPR的变换选择性映射方法
• 4.1 引言
• 4.2 传统的SLM方法
• 4.2.1 基本原理
• 4.2.2 性能仿真分析
• 4.2.3 SLM的复杂度分析
• 4.3 提出的新方法
• 4.3.1 基本思想
• 4.3.2 方法描述
• 4.3.2.1 T-SLM相位序列增加方法
• 4.3.2.2 T-SLM方法的具体步骤
• 4.3.3 复杂度和性能理论分析
• 4.3.4 性能仿真分析
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 取得的研究成果
• 5.2 未来研究的一些问题
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录