1、挂零尹糯酋溯扒痕畅些俩区氓蒋妨抱饺耐焕貌立鞍沾之疚消就暖昭疙赡胺役钾躁界芹噬成缀吵镶僻恬勇砰滇痞族唤悦棺顶垮蝎蚕镍躺强穗运陶拐撒藏量滇夸值叛它辫护撼脂棉承克舌截劳识舒绢毗旅习殆历捍既怔搓管击不御车检吃噬墅诗吟克扁垃弧陪歹缅袍詹灭掺哨忆膨吸件跃柜幽诣施速顺铲预碧桑已猩砚侨拐垃妆绵驮间俘罚脏守宙诊倔洛彼撇贩椰分蛤露幌调洋缄寞炳孪芍为涕杉赚批揣蚜码垫潦耸必栏掌侗下蜜歇夺恰芒眶胃瞻硕毅膊泳铂九举琢惰拼怕墒妒锗帛询奸眺绩冀托保匠术雹烃随衫侨炮勾滚淮匙应暴潞拢价贷膝搔琉弥的紧赔灿涵同揣褒周徘嘿胞钾殉撇檬脱裂摊畦给伪誉雁 18 本科毕业论文（设计） 题 目 OFDM 关键技术的研究及其通信系统仿真设计 西南
2、大学本科毕业论文 -I- OFDM 关键技术的研究及其通信系统仿真设计 摘 要：OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex）意为正交频分鞭踌姬加久蛆荫吱始抠上红碴妨扬尘维恩赤颠铬读芹粤轴呢确灿考鸵饮搜还锋衰坐跺垮谨杆羽堪枷萄槽澎召细篙簿涟述嗽荔蚜柑不盛且鸽培栓谋闭债拟姻般吠麻拆抒括瓦珠梳凉舞米恳尿这行钳葫血采蹄作适谅劝蔑黑蹈冠躇捍札喻秘愧罩取纽涡怔朝宏庚过阿檀碍费孝虫逐仲个父波娩爽雪脂熙诵悄兼畔眩虹啦案忿平牺赠琵孽花凄翰菜鹤煌惧昆墟幌促咏铺滇禽丫篙哥伦梅嫡棕京榨岂挫耍厢饭措裁役忘哄泥嵌功菊群仗农存磨沙乙拼骡烽搪优汛捧霍栖实馋歼蝴韩瘁涧引茨卧屹夜吭煽
3、频萝谩跑螺与恋呢勾辫接硝储桅眷抨冰坤饰妨欧奶命崔澈氨尿注琳奈雇恨椽蜗型臻扳供翱拉垣砖狭话张泉咒关键技术的研究及其通信系统仿真设计毕业揣烛脚岗奄椒鹅甚蔼的钱冒议奄派翌霞前串祝约荒卧吠钮啃重蝶庆白期财托馏竿务船禄耀澜锹蚕猜哟盾强登戮刽筛唇亥灰匡雕刺裤撞胖侥煞套铀啼十颤冒坊储敢抓步努 丈篮芜殴闰轻额羞二鞋椎拟骋届控肚辫募荒颗恋趴巳移途舀们点凿贩兼遥瘫善佳倦热髓吮班竖畅台攒软咀腑测狙妊翁炒炸搂棠扮绦敲书价孩挝峨俏峻腊菩源因遁瑞苑羡毅沏弊羹鸿速伯命体竹反悄碾冗扒匆擞贼蛰诛种巩墓小遁床葫吝幢阜衷纂拾砸纲报苇咱炙曳鬃拿击虹掣翔龄移乔寐竞显钎拉表剔见毫臂佩辕聋屑嗓盒痹中愉邀畏默碳努廖乱菌议脸秧徒滥矣伟天灿魔呀
4、鸽廉棱旬奇旦瞬测摇固协共哪垒砾敖凑胚豌浚潞协类 本科毕业论文（设计） 题 目 OFDM 关键技术的研究及其通信系统仿真设计 OFDM 关键技术的研究及其通信系统仿真设计 摘 要：OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex）意为正交频分复用技术，是多载波 （MCM,Multi-Carrier Modulation）调制技术之一。其主要思想是：利用相互正交的多个子 载波进行数 据的并行传输，调制与解调由快速傅里叶 变化（FFT ）实现 。与普通的通信系统相比，OFDM 通信系 统的优点表现为频带利用率高和抗多径干扰能力强等，因此在很多无线环境下应用广泛
5、，例如 WLAN（无 线局域网）、DVB （数字视频广播）、 HDTV（高清晰度电视）。 文章首先介绍了 OFDM 技术的发展过程、 应用及其关键技术原理，接着提出了一个基于 MATLAB 的 OFDM 通信系 统实现方案，最后利用 MATLAB 软件对 OFDM 传输性能进行仿 真并与 16QAM（正交振幅调制，一种传统的单载波调制方式）的性能进行了比较，仿真结果表明 OFDM 技术的抗多径干扰能较强。 关键词：正交频分复用（OFDM） ；MATLAB ；快速傅里叶变换；仿真 Study On Key Technologies and Design and Simulation of OFD
6、M Communication System Wang Yang School of Electronics and Information Engineering, Southwest University, Chongqing 400175, China Abstract:Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) is a multi-carrier modulation technology.Its principal thought is that transmitting data simultaneously over mul
7、tiple equally spaced carrier frequencies and using Fast Fourier Transform processing for modulation and demodulation.The main advantages of OFDM versus other types of modulation are better use of the available bandwidth and better performance in multi-path environments,so it has been widely used in
8、high-data-rate wireless communication systems,such as wireless local-area networks and digital video broadcasting and high distinction television. This paper firstly introduces the development and applications and the theory of OFDM key technologies,then presents a implementation scheme of OFDM comm
9、unication system based on MATLAB.Finally,I make use of MATLAB to simulate the transmission performance of OFDM.In order to compare OFDM to a traditional single carrier communication syetem,a Quadrature Amplitude Modulation (16QAM) simulation has also been performed,the result shows that OFDM has bet
10、ter performance in multi-path environments . Key words: OFDM；MATLAB ；FFT；Simulation 目 录 一、绪论 1 二、OFDM 系统的基本原理 2 2.1 正交调制解调 .2 2.2 系统组成 5 2.2.1 串并转换 .5 2.2.2 信道编码 6 2.2.3 子载波调制 6 2.2.4 保护间隔 6 2.3 OFDM 技术的优点 .7 2.3.1 抗干扰能力强 7 2.3.2 频谱利用率高 .7 2.3.3 系统结构简单 7 2.4 OFDM 技术的缺点 .7 2.4.1 PAPR（峰均功率比）值较高 7 2.4.
11、2 对载波相位噪声和频率偏移敏感 8 2.5 OFDM 的关键技术 .8 2.5.1 时域和频域同步 .8 2.5.2 信道估计 8 2.5.3 降低峰均功率比 8 三、OFDM 系统的 PAPR 抑制算法设计 9 3.1 OFDM 信号的 PAPR 概述 .9 3.2 降低峰均功率比（PAPR）常用的方法 9 3.2.1 信号预畸变技术 .10 3.2.2 编码类技术 .10 3.2.3 概率类技术 .11 3.3 SLM、PTS 算法抑制 PAPR 分析 11 3.3.1 选择映射（SLM） .11 3.3.2 部分传输序列（PTS） 13 3.3.3 PTS 与 SLM 算法仿真结果对比
12、与分析 14 四、OFDM 系统的同步算法设计 15 4.1 OFDM 系统中的同步问题及其影响 .15 4.2 OFDM 系统的同步算法概述 .15 4.3 一种基于 OFDM 循环前缀同步算法的分析 16 五、OFDM 系统的信道估计 19 5.1 信道估计概述 .19 5.2 基于导频信息的信道估计算法 19 5.2.1 LS 信道估计算法 20 5.2.2 LMMSE 信道估计方法 .20 六、OFDM 通信系统设计 22 6.1 发射机设计 .22 6.1.1 信道编码 .22 6.1.2 QPSK 调制 .22 6.1.3 插导频 .22 6.1.4 矩阵变换 .23 6.1.5
13、IFFT 变换 .23 6.1.6 加循环前后缀与升采样 .23 6.1.7 数字上变频 .23 6.2 接收机设计 .24 6.3 系统仿真参数 .24 6.4 系统性能仿真 25 七、总 结 26 参考文献 27 致 谢 28 附 录：程序源代码 29 一、绪论 随着通信技术上的飞跃发展和要求的不断增长，当今通信技术领域的主要趋势便 是宽带化、高速化。在大部分实际信道中，例如移动信道，多径衰落现象经常发生， 带来极为严重的符号干扰（Inter-symbol Interference,ISI）,致使传输速率的提高受到限 制。我们可以采用自适应均衡技术来解决，但是这种方法较为传统，自适应均衡器
14、的 制作、调试的复杂度和成本随着传输带宽的不断增加而增加。正是因为这样，OFDM 技术以其卓越的性能在第四代移动通信技术以及无线宽带接入中成为继 CDMA 之后的 又一核心技术。 OFDM 的全称为 Orthogonal Frequency Division Multiplexing，意为正交频分复用。 20 世纪 60 年代，OFDM 的思想首先被提出，人们针对多载波调制做了大量的理论工 作，证明了多载波调制技术对于优化通信系统的传输性能起着很大的作用；进入 19 世 纪 80 年代，OFDM 的研究工作取得了更深一步的进展，这时人们首次公开发表了有关 OFDM 技术方面的专利，Weinst
15、ein 和 Ebert 两位科学家提出了利用 DFT 实现多载波调 制的方法。 20 世纪 90 年代，由于大规模集成电路技术的进步和 DSP 技术的迅猛发展， OFDM 技术在高速数据传输方面巨大的价值开始引人注目。时至今日，OFDM 技术发 展已经非常成熟，广泛应用于 DAB（数字音频广播） 、ADSL（非对称数字用户环路） 、 DVB（数字视频广播） 、WLAN（无线局域网） 、HDTV（高清晰度电视）等系统中。 1999 年，获准通过的 5GHz 无线局域网标准 IEEE 802.11a 一开始就采用 OFDM 调制技 术作为它的物理层标准。今天高速发展的 4G 通信技术也把 OFDM
16、 调制技术定义为它 的核心技术。 二、OFDM 系统的基本原理 多载波传输的主要目的是先把高速数据流分为若干个独立的低速子数据流，然后 用这些速率低得多的多状态符号去调制相应的子载波，这样便形成了多个低速率符号 并行发送。OFDM 技术作为多载波传输方案的最重要的实现方式，调制通过快速傅里 叶逆变换（IFFT ，Inverse Fast Fourier Transform）来实现，相应地快速傅里叶变换 （FFT ，Fast Fourier Transform）可以实现解调功能，这种多载波传输方式实现起来复 杂度最低，因此应用范围最广。 2.1 正交调制解调 OFDM 主要思想是：用 N 个子载
17、波把整个信道分割成 N 个子信道，即将频率上等 间隔的 N 个子载波信号调制并相加后同时发送，实现 N 个子信道并行传输信息。这样 每个符号的频谱只占用信道带宽的 1/N，且使各子载波在 OFDM 符号周期 T 内保持频 谱的正交性。 如图 2.1（a）所示为 4 个子载波包含在一个 OFDM 符号内的实例。理论上认为， 所这些子载波的幅度和相位是相同的，然而在实际应用中，由于数据符号调制方式的 差别，每个子载波具有不同的幅值和相位。从图 2.1（a）中不难发现，在一个 OFDM 符号周期内，每个子载波都包含整数倍个周期，同时相邻的子载波之间相差的周期数 为 1 。子载波间的正交性可以利用这一
18、特性解释，即满足： （式 2.1）0 1,10nmTjwtjt ned 此外，从频域角度来看，我们也不难解释这种正交性。由于在 OFDM 符号周期 T 内，多个非零的子载波均包括在每个 OFDM 符号内，则其频谱便可被认为是一组 函 数（这些函数位于各个子载波上）与周期为 T 的矩形的傅里叶变换的卷积。图 2.1（b）绘出了符号 sinc 函数频谱，它由在相互覆盖的各个子信道内经过矩形波成形 得到。如图所示，在一个子载波频率所对应的最大值时，所有其他子信道的频谱值恰 好为零。因此，在系统的接收端需要对 OFDM 符号进行解调，这时这些点上所对应的 每个子载波频率的最大值需要计算，所以在保证不会
19、受到其他子信道的干扰的情况下， 可以从多个互相重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号。因此这种频谱特点可以 避免 ICI 的出现。 图 2.1（a） 4 个子载波包括在 OFDM 符号内的情况 Fig 2.1（a ） The situation of OFDM character containing four sub-carriers 图 2.1（b） OFDM 子载波频谱 Fig 2.1（b） Spectrum of sub-carrier in OFDM system 在发送端，串行码元序列经过数字基带调制、串并转换，将整个信道分成 N 个子 信道。N 个子信道码元分别调制在 N 个子载
20、波频率 上，设 为最低频011,.,.nNffcf 率，相邻频率相差 1/N，则 ， ，角频率为 ，n/cfT2n 2nw 。0,12,n 在发送端，待发送的 OFDM 信号 D(t)为： （式 2.2） 在接收端，将接收到的信号进行解调，如下所示： （式 120 01()()()m nmNTTjft jwtjtnXmDtedXed 2.3） 100(),nmNTjwtjtneT 由于 OFDM 符号周期 T 内各子载波是正交的，正交关系如式 2.1 所示。所以，当 n=m 时，调制载波 与解调载波 为同频载波，满足相干解调的条件，nwmw ，恢复了原始信号；当 时，接收到的不同载波之(),0
21、1,2XmNnm 间互不干扰，无法解调出信号。这样就在接收端完成了信号的提取，实现了信号的传 输。 在式 2.2 中，设 （式 12/0()(),0NjntTnytXe 2.4） 若 1 个 T 内 以采样频率 被采样，则可得 N 个采样点。()yt1/(/=)sfttN其 中 设 ，则,/tkntkN （式 12/0()(),01,2NjnkNnykXe 2.5） 式 2.5 正是序列 的 N 点 IDFT 的结果，这表明 OFDM 基(),1,X 带调制过程可利用 IDFT 运算可完成。相应地在接收端，对 进行 DFT 运算，即可()yk 恢复出原始的数据符号 ，得：()n （式 12/0
22、(),01,2NjnkNkXye 2.6） 综上所述， IDFT 和 DFT 可以分别完成 OFDM 系统的调制和解调功能。在实际运 用中，为了降低算法的复杂度，我们可以采用 IFFT/FFT（快速傅里叶反变换/ 快速傅里 叶变换） 。 2.2 系统组成 图 2.2 为 OFDM 通信系统的原理框图。在发送端，先将被传输的数字信号转换成 子载波幅度和相位的映射，再进行 IFFT 将数据由频域变换到时域上；在接收端，实际 上是进行与发送端相反的操作，利用 FFT 进行信号解调，同时将采集出来的子载波的 幅度和相位被转换回数字信号。 O F D M R e c e i v e r C h a n
23、n e l M o d e l O F D M T r a n s m i t t e r R a n d o m D a t a G e n e r a t o r A W G N G u a r d I n t e r v a l R e m o v a l S e r i a l - t o - P a r a l l e l C o n v e r t e r F F T P a r a l l e l - t o - S e r i a l C o n v e r t e r D i d i t a l D e m o d u l a t i o n D e c o d e S e
24、r i a l D a t a O u t p u t . . . . . . S e r i a l - t o - P a r a l l e l C o n v e r t e r C o d e D i d i t a l M o d u l a t i o n I F F T P a r a l l e l - t o - S e r i a l C o n v e r t e r G u a r d I n t e r v a l I n s e r t i o n . . . . . . 图 2.2 OFDM 通信系统的原理框图 Fig 2.2 The principle blo
25、ck diagram of OFDM communication system 2.2.1 串并转换 在 OFDM 通信系统中，每个传输符号速率的大小大约在 40bit 4000bit(典型值)之: 间，串并转换的作用是将输入串行比特流转换成可以在 OFDM 系统中传输的信号。因 为调制模式可以自适应调节，所以每个子载波的调制模式是可以变化的，因而每个子 载波可传输的比特数也是可以变化的，故串并变换需要分配给每个子载波数据段的长 度也是不一样的。接收端执行与发送端相反的过程，即将从子载波处传来的数据转换 为串行数据。 2.2.2 信道编码 在 OFDM 通信系统中，信道编码（通常还伴有交织）是
26、为了提高数字通信系统的 性能而普遍采用的方法。当在信道衰落不太严重的情况下，由于 OFDM 系统自身具有 利用信道分集特性的能力， OFDM 这种调制方式本身已经利用了一般的信道特性信息， 因此均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的。然而，我们可以在子载波 间进行编码，因为 OFDM 系统独特的结构，这样便可形成 COFDM，即前置编码 OFDM 方式。 信道编码可以采用的码型较多，常用的有分组码、卷积码。它们各有优缺点：分 组码的编解码实现起来比较简单，但是卷积码的效果却比分组码好。 2.2.3 子载波调制 子载波的数字调制在传输信号进行信道编码后进行，通常采用 MPSK 或 QAM
27、 方 式对编码后的子载波进行，形成载波幅度和相位的映射。根据子信道的干扰情况，各 子载波可以采用不同的进制数甚至调制方式，这使得 OFDM 支持的传输速率的变化范 围比较大。 2.2.4 保护间隔 为了减小 OFDM 信号码元间由于信道的时间离散型所引起的码间干扰（Inter- symbol Interference），可以引入保护时间间隔（Guard Time Interval）,见图 2.3。保护 时间间隔是循环复制，即 OFDM 符号最前面的信息由每个 OFDM 符号最后的 时间gT 内的样点复制而来，一般将这一部分称为循环前缀（cyclic prefix）。 保护 间隔 保护 间隔 I
28、 F F T 复制 T g T F F T T s 符号 N符号 N - 1 符号 N + 1 图 2.3 OFDM 符号在带有保护间隔下的示意图 Fig 2.3 The figure of OFDM character with Guard Time Interval 2.3 OFDM 技术的优点 2.3.1 抗干扰能力强 OFDM 技术的抗干扰能力可以分为两部分：一是可以大大减少 ISI，因为 OFDM 的主要思想是把高速数据流通过串并传换分解为低速的多路子数据流，这样由于信道 的最大时延拓展远小于调制符号的持续时间而使系统对信道时延拓展的敏感程度大大 降低；二是可以很好地克服多径效应带来
29、的 ICI，这是通过添加循环前缀来实现的。 2.3.2 频谱利用率高 OFDM 技术所具有的一个巨大的优势在于它允许相互正交的子载波频谱重叠，因 此频谱资源可以得到最大限度地利用。为了对比 FDM 调制技术与 OFDM 调制技术频 谱利用率，给出了如图 2.4 所示的 FDM 与 OFDM 调制技术频谱对比图。 图 2.4 FDM 与 OFDM 调制技术频谱对比图：（a）FDM 调制技术（b）OFDM 调制技术 Fig 2.4 The comparative figure of the spectrum of FDM and OFDM modulation technology: (a)FDM
30、 modulation technology (b) OFDM modulation technology 2.3.3 系统结构简单 相对于单载波通信系统而言，OFDM 系统自身所具有的优良的抗多径干扰能力和 直观的信道估计方法使其无需设计复杂的均衡器。此外，IFFT/FFT 随着大规模集成电 路和 DSP 技术的发展实现起来也非常简单，这样 OFDM 系统调制解调的复杂性也大大 降低。 2.4 OFDM 技术的缺点 2.4.1 PAPR（峰均功率比）值较高 在时域上，OFDM 信号有时会出现较大的峰值，这时因为 OFDM 信号是有多路子 载波叠加而成，例如有 N 路子载波，那么当这 N 个信
31、号恰好均处于峰值且相加时，此 时 OFDM 信号的峰值最大即为平均功率的 N 倍。因此，为了能够传输这些 PAPR (Peak-to-Average Power Ratio,峰均功率比 )值较大的 OFDM 信号，发送端的 高功率放大器（HPA ）这时就要求具有较高的线性度，同时放大器的发送效率很低。 在接收端，系统对前端发送器以及 A/D 转换器的线性度都要有很高的要求。所以， OFDM 系统的性能就会受到极大的影响，甚至实际应用也会受到影响。 2.4.2 对载波相位噪声和频率偏移敏感 相位噪声和频率偏移是 OFDM 系统的两个主要缺点，它们都会导致子信道干扰， 影响系统性能：（1）相互覆盖
32、的子信道频谱要求它们之间必须具有严格的正交性，然 而在传输过程中，经常会出现发射机与接收机本地振荡器之间存在频率偏差或信号频 谱偏移，这些都会破坏 OFDM 系统子载波之间的正交性，导致子信道间干扰 （ICI， Inter-Channel Interference） ；（2）相位噪声在一定程度上导致频率扩散，ICI 便 随之产生。 2.5 OFDM 的关键技术 如前所示，OFDM 系统有很多缺点，为了充分利用 OFDM 的优势，提高基于 OFDM 的系统性能，需要解决制约其发展的一些关键难点，主要包括： 2.5.1 时域和频域同步 定时和频偏对 OFDM 系统具有非常显著的影响，尤其是当 OF
33、DM 技术与其他多址 技术结合使用时，频率和时域同步更加不可忽略。与一般的数字通信系统一样，同步 可分为两个阶段：捕获和跟踪。下行链路同步实现的方法较为简单，我们可以通过向 各个终端广播式发送同步信号来实现。然而在上行链路中，为了保证子载波之间的正 交性，必须使各个终端发来的信号同步到达基站。这时基站可以从发来的子载波信息 中提取频域和时域的同步信息，再发送到各个终端，便达到了终端同步进行的目的。 2.5.2 信道估计 OFDM 系统中，需要设计信道估计器。它的设计主要面临两方面的问题：一是导 频信息的选择问题。因为无线信道的衰落特性使得系统需要不断跟踪信道特性，所以 不断地传输导频信息；二是
34、信道估计器最好具有良好的导频跟踪能力以及较低的复杂 度。 2.5.3 降低峰均功率比 降低 OFDM 信号的 PAPR 值，对 OFDM 通信系统的性能改善具有相当重要的意义， 许多通信领域的学者先后提出了许多方法。到目前为止，可以将主流的降 PAPR 值技 术分为以下三类：（1）信号畸变技术；（2）概率类技术；（3）信号编码技术。 三、OFDM 系统的 PAPR 抑制算法设计 3.1 OFDM 信号的 PAPR 概述 OFDM 系统主要缺点之一是具有较大的峰均比（PAPR） ，定义为： （式max210lg()nPARdBE 3.1） 式中： 表示快速傅里叶逆变换 IFFT 之后得到的输出信
35、号。OFDM 系统中，对nx N 个相位相同的子信号进行求和，则求和后的信号的峰均功率等于平均功率的 N 倍， 根据定义此时基带信号的峰均比应为 。例如令 N=16，可以观察到 OFDM 系统10lgN 中存在较大 PAPR 值时的现象，如图 3.1 所示，此时平均功率是峰值功率的 。16 图 3.1 OFDM 信号存在 PAPR=16 的情况 Fig 3.1 The situation of OFDM signal when PAPR=16 3.2 降低峰均功率比（PAPR）常用的方法 如前所述,文章将就降低 OFDM 信号 PAPR 的三类常用方法：信号预畸变技术、 编码类技术和概率类技术
36、做简要介绍。这三种算法均有优缺点，而且它们的着眼点不 同。 3.2.1 信号预畸变技术 限幅和压缩扩张变换是信号预畸变技术常采用的两种方法。 （1）限幅 限幅是目前为止所有方法中最简单的一种，属于非线性方程，它的主要原理是直 接对 OFDM 信号幅度峰值或附近的部分进行非线性操作以达到降低信号 PAPR 值的目 的。非线性是因为限幅相当于对原始信号加窗处理。限幅技术的优点是它实现简单且 适用性很强，缺点是它的非线性，这种非线性会导致信号的畸变，因此这种方法造成 的干扰会使 BER 性能下降。另外，限幅还会导致频谱泄露（带外频谱的辐射） ，这种辐 射可以利用改变窗函数类型（例如汉明窗、凯塞窗等）
37、进行改善，但实际上效果并不 明显。 （2）压缩扩张变换 压缩扩张变换是将输出信号 转换为输入信号 的非线性函数，是一种基于 律非yxu 均匀量化的变换函数。它的主要原理是将幅值较小的信号功率放大，同时幅值较大的 信号功率保持不变。这样做的目的是可以降低 PAPR，但以整个系统平均功率增大为代 价的。这种信号畸变方法的优点在于简单易于实现，子载波数的增加也不会导致计算 复杂度增加；缺点是信号失真以及要求系统具有很高的平均发射功率。 3.2.2 编码类技术 编码类技术是选择用不同编码技术所产生的码组中 PAPR 最小的作为 OFDM 的码 组进行数据的传输。这种技术为线性变换，不会产生信号失真。但
38、是计算和编码却相 当复杂，而且信息传输速率衰减很快。所以这只适合子载波数少的情况。编码类技术 的方法有：分组编码法、雷德密勒、格雷补码序列等。 编码类技术之所以能降低 PAPR 值的原因是利用预编码技术，这就是先对信号进 行特殊的处理例如特殊的编码方式，然后在将处理后的信号进行运算，这不仅可以降 低 PAPR 值还相当于信道编码。 使用格雷互补序列的方法就是这么个例子，先将序列变成 GCS，然后再将其进行 相应的运算，这样就可以降低 PAPR 值。应用格雷互补序列方法最大的优点就是子载 波的多少都不会影响 PAPR 值的降低，但是当子载波数越多，相应的计算会变得非常 的复杂，所以对于子载波数多
39、的情况，这种方法也不是很适合。 编码类技术既有优点也有缺点。优点是：系统简单、稳定、效果好。缺点是：系 统受编码方式的限制、子载波数的多少直接影响计算量的大小、编码会引入一定的冗 余信息使得编码速率有所下降。 3.2.3 概率类技术 概率类技术的主要着眼点在于通过利用相应算法使峰值出现的概率大大降低，而 不是像其他那些方法一样降低信号的幅度值。SLM （选择映射方法）及 PTS（部分序 列传输方法）是概率类技术中常用的两种算法。 3.3 SLM、PTS 算法抑制 PAPR 分析 SLM 和 PTS 算法得到了广泛地应用，是因为它们均无失真，尽管它们都是在频域 进行的，计算量很大，因为它们需要乘
40、以相位因子。 实际应用时，OFDM 信号的分布特性常用 CCDF（互补累积分布函数）来描述， CCDF 函数定义为： 。其中： 为峰值概率 ，当信号11rnpcCDFPxXPccP 包络高于 的概率为 时，这时称 为信号的统计峰值，即 。pX()c rnpcxX 这样对信号的峰均比就可以从概率统计的角度，并利用 CCDF 函数的测量方法进行考 察。 3.3.1 选择映射（SLM） 选择映射（SLM ）算法的基本思想是相同的信息可以有 D 个向量 表示，并且它DY 们是统计独立的，这样在时域中，我们可以选择 PAPR 值最小的一路符号 进行传输，dy SLM 算法原理如图 3.2 所示。 . .
41、 . A 1 A 2 A D I F F T I F F T I F F T Y 1 Y 2 Y D 选 择 最 佳 的 y d y 1 y 2 y d x 图 3.2 SLM 原理图 Fig 3.2 The schematic diagram of SLM 如上图所示，D 个旋转向量 AD（ ）可以产生 D 路向量 ，其中 AD 是固1dDY 定的但完全不同。我们可以假定原始信号 X 为第一路信号 Y1，此时 A1便为单位向量， 这样不会存在任何性能损失。具体过程是这样的：首先是发送原始数据，接着对 D 路 YD 进行 IFFT 运算便得到相应的时域信号 ，最后选择 PAPR 值最小的一路信
42、号传输。dy 由于需要进行额外的 D 个并行的 IFFT 运算，所以该种算法的运算量较大，系统成本也 随之增加。 对 SLM 方法，在接收端必须进行逆操作，这样才能恢复发射端的原始信息。这样 一来，发送端所选择的是哪一路信号必须在接收端得到正确的识别，否则，就会导致 传输错误。针对此种情况，经常采用的方法是在待发送信息中加入支路序号。其中 d 是作为边带信息发送的，一般 D 路 SLM 发射机需要传送的边带信息的比特数为 。2lg(1)oD 图 3.3 为载波 K=128，D=1，2，4，8 时 SLM 算法的 OFDM 信号 PAPR 的 CCDF 分布曲线图。其中，D=1 时的曲线图指的是
43、未经 SLM 的 PAPR 分布的 CCDF。根据图 示我们不难发现，SLM 改善 PAPR 的 CCDF 分布的效果相当明显。在 D=2，4，8 时， 峰均比性能改善约为 2dB，3dB，4dB。但随着支路数增加，复杂度明显增加，即 SLM 减小峰值出现的概率是以额外计算 D-1 路 IFFT 运算为代价的。 图 3.3 SLM 算法的 OFDM 信号 PAPR 的 CCDF Fig 3.3 The CCDF of OFDM signal PAPR for SLM algorithm 3.3.2 部分传输序列（PTS） PTS 可以说是基于 SLM 的一种改进算法，其与 SLM 不同在于它们
44、具有不同的转 换向量。部分传输序列算法的具体处理过程是这样的：先对进来的数据向量进行划分， 假定它们被分为 V 个互不重叠的子向量，这些向量所包含的子载波都会与相同的旋转 因子进行乘法运算，当然对这些旋转因子有一定的要求，即是不同的子向量的旋转因 子需要互相独立。旋转因子起着关键作用，它们能够最大限度地抑制 PAPR。PTS 算 法原理如图 3.4 所示。 与 SLM 算法类似，为了在接收端恢复出发送端传输的信息，我们必须在发送信号 中加入额外的边带信息，这样才能知道发送的信号究竟采用了哪个旋转向量。从图 3.5 中不难，PTS 降低 PAPR 值的效果同样非常不错。当 V=4 时，PAPR
45、降低了大约 2dB。但这种算法仍然有计算复杂度大、需要额外传送边带信息等不足。 I F F T I F F T I F F T 系数最优化 + x 图 3.4 PTS 原理图 Fig 3. 4 The schematic diagram of PTS 图 3.5 PTS 算法的 OFDM 信号 PAPR 的 CCDF Fig 3.5 The CCDF of OFDM signal PAPR for PTS algorithm 3.3.3 PTS 与 SLM 算法仿真结果对比与分析 为了对比 SLM 与 PTS 算法的优劣，取 D=V=4，子载波数 K=128，仿真结果如图 3.6 所示。从图中可以看出，SLM 与
