1、 毕 业 设 计 （ 论 文 ）OFDM 系统峰均比抑制技术的仿真研究院 别 计 算 机 与 通 信 工 程 学 院专业名称 通 信 工 程班级学号学生姓名指导教师东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签
2、名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的
3、成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 I 页 OFDM 系统峰均比抑制技术的仿真研
4、究摘 要正交频分复用（OFDM ）作为第四代移动通信的核心技术之一，利用相互正交的多个子载波叠加来传输信息，具有较高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，具有很多其它无线传输技术所未有的优点，适合于高速的无线数字传输系统，具有广阔的市场前景。但是，也因此带来了一些问题，例如其固有的高峰值平均功率比问题一直是该技术实用化的一大阻碍。本论文首先介绍了 OFDM 技术产生的目的和意义，以及其如今的发展状况。然后分析了 OFDM 系统的基本原理及其关键技术，重点分析目前用于降低 OFDM 信号PAPR 的四种方法，即信号预畸变技术、编码类技术、概率类技术和矩阵变换法，着重分析了概率类技术中部分传输序列(
5、PTS)和选择性映射 (SLM)这两种方法。并通过对这几种方法在 MATLAB 中仿真和比较，得到了 PTS 是一种复杂度较高的减小 OFDM 系统 PAPR 的方法的结论，为此本文了研究了一种降低 PTS 复杂度的方法迭代翻转法。本设计通过理论分析了降低 OFDM 系统四种方法的优缺点并用 MATLAB 仿真进行验证，重点研究了一种降低 PTS 复杂度的方法 迭代翻转法。通过仿真证明了迭代翻转法不仅能够降低 PTS 的复杂度，还能减小系统的 PAPR。关键字：正交频分复用，峰值平均功率比，部分传输序列，迭代翻转法东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页 The Simulation
6、of the Reduction of PAPR in OFDM systemAuthor：Li Hui Tutor：Huang LiqunAbstractOFDM (orthogonal frequency division multiplexing) is regarded as the core technology of 4G wireless communication system in the future. It transmits information through orthogonal multiple sub-carriers. It is also adaptive
7、 to high-rate data transmission and multimedia data transmission. However, it has high peak-to-average power ratio (PAPR), which is its inherent disadvantage.OFDM technique is introduced in this paper which used to produce the purpose and significance, and its development today. Focus on analysis of
8、 the current used to reduce the PAPR of OFDM signal four ways, namely, the signal pre-distortion technology, block coding technique, high-speed coding and matrix transformation, it also analyzes the high-rate coding method, partial transmit sequence (PTS) and selective mapping (SLM) these two method
9、s. Through its simulation and comparison which has been the complexity of PTS is a high PAPR reduced OFDM system, the conclusions of the method. A method of reducing the complexity of PTS-m sequence of PTS method is presented in this paper. Through the theoretical analysis and the design of MATLAB s
10、imulation of four methods to reduce the advantages and disadvantages of OFDM system, Final analysis of a proposed reduction method of PTS-m complex sequence of PTS method. Simulation results show m sequence PTS method can not only reduce the complexity, but also reduce the PAPR system.Key Words: OFD
11、M (orthogonal frequency division multiplexing), PAPR (peak-average power ratio), partial transmit sequence, m-sequence东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页 目 录1 绪 论.11.1 课题背景 .11.2 OFDM 系统的主要优缺点 .21.3 降低 OFDM 系统峰均比的研究现状 .31.4 本章小结 .42 OFDM 系统 的原理及其峰均比的定义 .52.1 OFDM 系统的基本原理 .52.2 峰均比（PAPR）的定义 .82.3 OFDM 系统中 PAPR
12、 的分布 .92.4 本章小结 .113 降低 OFDM 系统 PAPR 值的四种方法 及其仿真 .123.1 信号预畸变技术 .123.1.1 限幅方法 .123.1.2 压扩变换 .133.2 编码类技术 .143.2.1 编码效率 .143.2.2 格雷互补序列降低 PAPR 的方法 .153.3 概率类技术 .173.4 矩阵变换方法 .173.4.1 系统模型 .173.4.2 变换矩阵 .183.5 本章小结 .194 概率类技术 .214.1 选择性映射（SLM） .214.1.1 选择性映射简介 .214.1.2 SLM 方法性能分析 .224.2 部分传输序列（PTS） .2
13、34.2.1 PTS 方法原理 .234.2.2 子序列分割方法 .254.2.3 PTS 方法性能分析 .264.3 PTS 与 SLM 的性能比较 .284.4 本章小结 .305 一种降低复杂度的 PTS 方法 .315.1 系统算法的基本原理 .31东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 IV 页 5.2 具体算法 .315.3 本章小结 .33结 论 .34致 谢 .35参考文献 .36附 录 .37附录 A 英译汉 .37附录 B 部分仿真程序源代码 .43东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 页 11 绪论1.1 课题背景随着高速移动通信技术的不断发展，人类社会正在进入一个新的
14、信息化代，高速率的宽带移动通信已经成为全球移动通信发展的趋势。下一代蜂窝移动通信系统的目标是实现无所不在、高质量和高速度的支持全业务的无缝覆盖全球的移动多媒体传输的功能。但为了实现这一目标，需要克服许多技术挑战，例如：无线通信系统在十分恶劣的环境中，由于多路径传播，或当移动终端或其周围的物体处于运动中时，终端所接收到的信号幅度都会经历很大的起伏变化。稳健的移动无线通信系统不仅要有具备克服大的路径损耗和非常严重的信号衰落的能力，而且还要有抗大的多径时延扩展所引起的符号干扰(Inter-Symbol Interference，ISI) 的能力。即使在信道的时延扩展只有几十到几百纳秒的室内环境中，如
15、果系统的数据速率很高，信道的冲击响应(Channel Impulse Response，CIR)仍可扩展到许多码元，造成严重的符号间干扰。而在室外多变的恶劣的环境中，信道的时延扩展造成的符号间干扰更为严重，在传统的单载波(Single Carrier，SC)通信系统中，通常是采用自适应均衡器来减小符号间的干扰，但是，由于在高速移动的无线通信环境中，系统所面临的是信道的时延扩展要远远大于码元周期，如果仍采用均衡器来处理，那么系统将变得异常复杂以至于实际中无法实现。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种特殊的多载波(Mu
16、lti-Carriers Modulation，MCM)传输方案，它具有许多其它无线通信技术所无法比拟的优越性。其中一个主要原因就在于它能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。而且，它还是一种并行技术，它能将一个高速的数据流分割成许多低速数据流的子载波来实现一个数据速率的高速传输。由于每个子载波的调制信号速率较低，这样码元的周期相对较长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，再加上每个码元又采用了循环前缀(Cyclic Prefix ，CP)作为保护间隔，所以符号间干扰就更可以得到明显的减少，从而达到克服信道时延扩展所带来的符号间的干扰。OFDM 相对于一般的多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分
17、重叠，只要满足子载波间互相正交就可以从混迭的子载波上分离出数据信息，因而频谱利用率大大提高，因而它对本来无线资源就十东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 页 2分匮乏的无线通信来说是一种高效的传输技术 12。OFDM 是一种具有相当潜力的技术，它具有很多其它无线传输技术所未有的优点，适合于高速的无线数字传输系统，具有广阔的市场前景，被广泛地应用于无线局域网(WLAN)、数字音 /视频广播 (DAB/DVB)等系统中，并很有可能成为第四代移动通信的核心技术。但是 OFDM 存在着一些固有的缺点需要克服，这些缺点的存在将使 OFDM的优点无法充分体现出来，同步技术、抑制 OFDM 的峰均功率比技
18、术均是 OFDM 的关键技术之一，对 OFDM 来说具有举足轻重的影响。1.2 OFDM 的主要优缺点目前 OFDM 系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于 OFDM 系统存在如下优点：1把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效的减小无线信道的时间弥散所带来的 ISI，这样就减少了接收机的均衡复杂度，仅通过采用插入循环前缀的方法消除 ISI 的不利影响。2OFDM 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM 系统可以最大限度的利用频谱资源。可以证明当子载波个数 N 很大时系统的频带利用率趋于
19、 Nyquist 极限。3基于 DFT、IDFT 的 OFDM 有快速算法。对于 N 很大的系统中，我们可以通过采用 FFT 来实现，随着大规模集成电路技术与 DSP 技术的发展，IFFT、FFT 都是非常容易实现的。4无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量。另一方面移动终端功率一般小于 1W，在大蜂窝环境下传输速率低于 10kbit/s100kbit/s，而基站发送功率可以较大，有可能提供 1Mbit/s 以上的传输速率。因此无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输。而 OFDM 系统
20、可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。5由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统性能。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 页 36OFDM 系统可以容易与其他多种接入方法结合使用构成 OFDM 系统，其中包括多载波码分多址 MC-CDMA、跳频 OFDM 以及 OFDM-TDMA 等等，使得多个用户可以同时利用 OFDM 技术进行信息传输。7因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此 OFDM 系统可以从某种程度上抵抗这种窄带干扰
21、。但是 OFDM 系统内由于存在有多个正交子载波，而且其输出信号是多个子载波的叠加，因此它还存在以下主要缺点：1.存在较高的峰值平均功率比。与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的 Peak-to-Average Power Ratio（ PAPR） 。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如若放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。2.易受频率偏差
22、的影响由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程种会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或由于发射机的载波频率与接收机振荡器之间存在的频率偏差，都会使得 OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰。1.3 降低 OFDM 系统峰均比的研究现状自从 20 世纪 80 年代以来，OFDM 已经在数字音频广播、数字视频广播、基于IEEE802.11 无线本地局域网以及有线电话往上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术（如 ADSL）中得到应用。其中大都利用了 OFDM 可以有效地消除信号多径传播所造成符号间干扰（ISI）的这一特征。此外， OFDM 还易于结合空时分编码、分集、干扰（包括 ISI 和 ICI）抑制以及智能天线等技术，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可使其性能进一步得到优化。OFDM 技术的一大缺陷是：峰值与均值功率比相对较大，比值的增大会降低射频放大器的功率效率。目前，已经有很多技术来降低 OFDM 信号的 PAPR 值，比如限
