多载波通信系统中的峰值平均功率比抑制技术研究

论文摘要

多载波技术以其潜在的多径对抗能力、高的频谱效率、简单的信道均衡和可灵活地结合其它技术形成衍生系统的能力成为高速数据传输的有效解决方案。目前,以正交频分复用（OFDM）为代表的多载波技术已经成功应用于数字音频广播、数字视频广播、数字用户线、无线接入网、卫星通信、电力线通信等领域,并被认为是下一代无线通信系统的关键技术之一。然而,多载波通信系统存在峰值平均功率比（PAPR）较高的缺点,高PAPR容易导致信号失真、频谱扩展、系统性能下降。论文重点研究如何有效抑制多载波通信系统的高PAPR。首先,论文建立了PAPR抑制问题的理论基础。通过推导OFDM信号的包络变化、自相关和瞬时功率特性,分析了高PAPR产生的原因;从证明OFDM复信号在子载波数增大时依分布收敛于复平稳Gaussian随机过程出发,引入此条件下描述PAPR特性的统计分布函数,研究了衡量PAPR抑制效果的度量;基于高功率放大器（HPA）的模型,讨论了HPA非线性特性对OFDM信号带来的带内失真和带外噪声,阐述了高PAPR对系统的影响。其次,论文研究了基于加扰技术的PAPR抑制方法。在对基于加扰技术的PAPR抑制方法进行总结归类的基础上,重点探讨脉冲成形技术和虚拟子载波技术用于PAPR抑制,提出了基于Nyquist脉冲成形和高频虚载波技术的PAPR抑制方法。前者的研究完善了脉冲成形技术抑制PAPR的原理论证,构造了实用的成形脉冲集合,揭示了PAPR抑制性能与成形脉冲抗码间干扰（ISI）特性间的关系。后者巧妙利用了最小化多载波强度调制光信号最大平均功率的方法,证明了降低离散多音频（DMT）信号峰值功率的下界,给出了求解最优高频虚载波信号的算法。然后,论文研究了基于编码技术的PAPR抑制方法。鉴于多进制调制多载波传输能实现有限带宽内更高速率的数据传输,重点讨论M进制正交幅度调制（MQAM）OFDM信号PAPR抑制的Golay互补序列（GCS）映射方法和格状成形技术,比较了利用M进制相移键控（MPSK）互补序列合成低PAPR的MQAM序列的各算法性能,提出了部分格状成形技术。部分格状成形技术减小了格状成形技术的计算量,可采用序列译码堆栈算法的成形准则,可结合纠错编码使算法适于对误码率性能要求较高的通信系统。针对宽带卫星通信系统应用背景,构建了基于部分格状成形技术的OFDM宽带卫星通信系统模型,推导了MQAM-OFDM系统在加性高斯白噪声（AWGN）、对数正态/莱斯衰落卫星信道的误比特率性能,为多载波技术应用于宽带卫星通信系统做了一些探索性工作。最后,论文研究了基于优选扩频码的PAPR抑制方法。以多载波CDMA（MC-CDMA）系统为对象,立足MC-CDMA信号特点设计具有优良PAPR特性的扩频码。从MC-CDMA信号PAPR与扩频码特性之间的关系式入手,提出了衡量扩频码抑制MC-CDMA信号PAPR性能的两个度量,推导了基于正交互补码的MC-CDMA信号PAPR上界,提出了三类PAPR特性良好的正交互补码作为多用户MC-CDMA系统可用扩频码,采用所提度量对仿真实验结果进行了合理的解释说明。同时,利用雷达脉冲压缩相位编码信号中的多相序列设计了多相脉压扩频码集合,证明了多相脉压扩频码的性质,分析和仿真实验结果表明所设计的多相脉压扩频码不失为MC-CDMA系统扩频码的一个很好选择。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 多载波技术概述
• 1.2.1 多载波技术的发展
• 1.2.2 多载波技术的子载波设置方案
• 1.2.3 常用多载波通信系统
• 1.3 多载波通信系统的PAPR 问题
• 1.3.1 PAPR 问题的提出
• 1.3.2 PAPR 的研究方向
• 1.3.3 PAPR 抑制技术研究现状
• 1.4 论文研究意义
• 1.5 论文结构及内容安排
• 参考文献
• 第二章 OFDM 信号及其PAPR 特性
• 2.1 引言
• 2.2 OFDM 信号特性
• 2.2.1 包络变化特性
• 2.2.2 自相关特性
• 2.2.3 瞬时功率特性
• 2.3 PAPR 统计特性
• 2.3.1 OFDM 复信号依分布收敛于复平稳Gaussian 随机过程
• 2.3.2 PAPR 及其分布函数
• 2.3.3 离散过采样信号的PAPR 分布
• 2.4 非线性HPA 和高PAPR 对系统的影响
• 2.4.1 非线性HPA 的模型
• 2.4.2 非线性HPA 的影响
• 2.4.3 高PAPR 的影响
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于加扰技术的PAPR 抑制方法
• 3.1 引言
• 3.2 加扰技术PAPR 抑制算法介绍
• 3.2.1 MSR 技术
• 3.2.2 子载波优化技术
• 3.2.3 矩阵变换技术
• 3.2.4 虚拟子载波技术
• 3.2.5 其它技术
• 3.3 基于Nyquist 脉冲成形技术的PAPR 抑制方法
• 3.3.1 系统模型
• 3.3.2 PAPR 抑制原理
• 3.3.3 Nyquist 脉冲成形
• 3.3.4 仿真实验结果
• 3.4 基于高频虚载波技术的PAPR 抑制方法
• 3.4.1 抑制PAPR 问题建模
• 3.4.2 抑制峰值功率下界
• 3.4.3 Nehari 问题的解
• 3.4.4 仿真实验结果
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于编码技术的PAPR 抑制方法
• 4.1 引言
• 4.2 基于GCS 的MPSK-OFDM 信号PAPR 抑制方法
• 4.2.1 GCS 抑制PAPR 的原理
• 4.2.2 GCS 的性质
• 4.2.3 基于RM 码的编、译码算法
• 4.3 基于GCS 的MQAM-OFDM 信号PAPR 抑制方法
• 4.3.1 GCS 构造低PAPR 的MQAM 序列
• 4.3.2 GCS 构造低PAPR 的MQAM 互补序列
• 4.3.3 GCS 构造低PAPR 的MQAM 超互补序列
• 4.3.4 方法的分析比较
• 4.4 基于星座成形技术的PAPR 抑制方法
• 4.4.1 ACE 技术
• 4.4.2 整数星座成形技术
• 4.4.3 格状成形技术
• 4.5 基于部分格状成形技术的PAPR 抑制方法
• 4.5.1 PT 成形技术
• 4.5.2 PT 成形的Viterbi 算法
• 4.5.3 PT 成形的堆栈算法
• 4.5.4 仿真实验结果
• 4.6 基于PT 成形技术的OFDM 宽带卫星通信系统
• 4.6.1 系统模型
• 4.6.2 卫星信道
• 4.6.3 误比特率性能
• 4.6.4 仿真实验结果
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于优选扩频码的PAPR 抑制方法
• 5.1 引言
• 5.2 MC-CDMA 系统模型和信号PAPR
• 5.2.1 MC-CDMA 系统模型
• 5.2.2 MC-CDMA 信号PAPR
• 5.3 MC-CDMA 系统扩频码
• 5.3.1 非正交扩频码
• 5.3.2 正交扩频码
• 5.3.3 扩频码相关特性与PAPR 性能
• 5.4 MC-CDMA 系统中的正交互补扩频码方案
• 5.4.1 互补序列集合及PAPR 特性
• 5.4.2 正交互补扩频码
• 5.4.3 仿真实验结果
• 5.5 基于正交多相脉压扩频码的MC-CDMA 系统
• 5.5.1 多相脉压序列
• 5.5.2 正交多相脉压扩频码
• 5.5.3 仿真实验结果
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 结束语
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果