降低OFDM的PAPR的方法研究

论文总字数：16488字

目 录

1 引言 3

1.1概述 3

1.2 OFDM技术的发展历史及现状 3

1.3本课题的主要工作 4

2 OFDM及PAPR介绍 5

2.1 OFDM的原理及所使用的基带调制 5

2.1.1多载波方式 5

2.1.2 正交性及IFFT/FFT 5

2.1.3 QAM基带调制 6

2.1.4 OFDM系统流程 7

2.1.5 OFDM的优缺点 8

2.2 MATLAB上OFDM的简单仿真 9

2.3 PAPR 10

2.3.1 PAPR的概念 10

2.3.2高PAPR产生的原因 10

2.3.3降低PAPR的方法 11

3 降低PAPR的方法设计 13

3.1基于线性函数的压扩方式 13

3.1.1线性函数的压缩原理 13

3.1.2影响线性函数的参数 13

3.2基于对数函数的折线压扩方式 14

3.2.1对数函数对于信号的压扩原理 14

3.2.2改变对数函数性能的方式 14

3.3综合线性和对数函数的折线压扩方式 15

3.3.1三折线的压扩原理 15

3.3.2影响三折线效果的参数 16

3.4共轭编码式方法 16

4 结果的对比与分析 17

4.1 不同斜率的线性函数的压扩效果 17

4.2不同折线数的折线的压扩效果 18

4.3不同斜率的三折线的压扩效果 19

4.4共轭编码效果 20

5 分析与总结 21

参考文献 23

致谢 24

降低OFDM的PAPR的方法研究

缪翔

，China

Abstract： OFDM is a outstanding way to modulate signal. Compared to the MCM,it can make better of frequency domain and it is easier to be realized. Also it can reduce the influence of multipath .But it also have some drawbacks, for example, the PAPR of OFDM is too high.

The theory of the OFDM will be introduced at the beginning,including the history and present situation of the OFDM and simulate it with MATLAB. Then some ways to reduce PAPR will be raised including companding and coding .I will try these ways and anaylse after the simulation.

In this theory ,two parameters will be used to measure the ways to reduce the PAPR of the OFDM ,they are CCDF and SER which decide the level of reducing of the PAPR and the cost.

Key words：MATLAB;OFDM;PAPR;CCDF;SER

1 引言

1.1OFDM的现状

在这个信息化社会，网络通信已经成为了我们生活中不可或缺的存在。并且最近几年智能手机的快速普及也无形中推动了无线网络的快速发展，从过去2G到3G数据网络，到现在的4G时代，无线设备的上网速度也变得越来越快，特别是近几年4G网络的普及给我们留下了深刻的印象，最新4G网络能够提供给我们一个极度快速的上网速度，相比于以前的3G网络，4G网络能提供相当于3G网络10倍速率的上网体验，这在之前几乎是难以置信的，这已经超过了很多的家庭固定宽带了。4G网络相比于3G网络有如此大的提升，主要是因为4G网络用了LTE的传输方式。OFDM（正交频分复用）技术和多天线技术便是LTE传输方式的两个主要技术^[1]。

OFDM技术是基于多载波调制思路的一种改良调制方式，它能提供比普通的多载波方式更高的频带利用率，从而能在有限时间内提高更高的传输速率，从3GP时代开始，它就无线通信中扮演了一个很重要的角色，包括现行的4G无线网络和未来的5G网络，以OFDM等技术为核心的LTE技术仍将在无线通信领域扮演着很重要的角色。如何更好的利用OFDM调制方式将是未来提升无线网络的效率的一个不错的途径，因为除了能提供更高的频带的利用率，OFDM也对频率选择性衰落、窄带干扰和多径效应都有很好的改善，并且通过简单的IFFT和FFT程序便可以进行实现调制和解调的过程。但同时OFDM也存在一些内在局限和需要注意的问题：子载波的排列和分配、PAPR问题、多小区、多址和干扰抑制，本此设计便是要探究如何处理OFDM调制的信号产生的PAPR过高的问题。如果能够以很小的代价解决这些缺点，无疑是能推进无线网络的发展。

1.2 OFDM的历史

传统多载波方式的通过将多个信号通过多个载波以并行的方式进行传输以达到比较高的传输速率，同时为了保证多个载波之间不进行相互干扰，通常会将每个子载波间的频域范围隔离开，以避免产生信号间的干扰。

于上世纪50年代，为了进一步的增加传输速率，便有人提出通过实现子载波间的正交性。来增加多载波技术对于有限的频域的利用率。在上个世纪70年代，韦斯坦和艾伯特等人成功的通过离散傅里叶变换完成了一个完整的多载波传输系统，那种多载波方式为正交频分复用，即OFDM^[2]。

正如上文提及，OFDM系统是基于DFT和FFT的一种调制方式，在当时，就实际应用中，实现OFDM所需要的傅里叶变化的的设备的复杂程度和发射OFDM信号所需的射频放大器的线性范围等问题，导致OFDM技术在刚提出时并没有受到很高的重视。

直到上世纪80年代，大规模集成电路的出现，数字计算能力的大幅度提升，让OFDM调制有可能实现。于1981年，Hirosaki利用DFT，完成了16QAM多路并行传输19.2kbit/s的电话线MODEM，在当时这样的传输速率可以说是相当快的^[3]。

进入90年代后，OFDM被应用到了各种通信系统之中，比如高速通信，陆地移动通信，高速用户环路，非对称数字用户环路，高清数字电视，广播等。时至今日，OFDM技术的应用已有近50年，高速计算的电脑，完善的射频技术，让当初阻拦OFDM使用的障碍不复存在，哪怕是每个人的智能手机也很轻易的实现OFDM调制，并且有理由相信，如今的4G技术实现与如今便携式设备的高计算能力是息息相关的。很有可能当手机能提供越来越高的计算能力时，运营商能提供的传输速度也将越来越高。在这个信息社会，能够快速的传输大量信息将是很重要的一环，现在的4K视频，高清3D游戏等等方面都能很大的受益于更加快速的网络。

1.3本课题主要工作

这篇文章将着重于研究如何有效的降低OFDM调制的PAPR，以压缩扩展类方法为主，通过尝试现有的压缩扩张方式，并再此基础上提出自己的观点，通过在MATLAB上仿真，对多种方式进行对比，从而来得出较为合理的方案。此外由于是针对于计算量较低的方法的验证，本次课题中也会对编码方式有一定提及。本课题的主要内容共分为五章

第一章为引言，简略的介绍关于OFDM的信息和论文结构的安排。

第二章为知识基础，介绍主要的调制基础OFDM、QAM和研究的主要参数PAPR，通过简单的图，公式等介绍OFDM调制的流程，并在MATLAB上仿真，提供一个直观的关于OFDM的介绍。此外，本章节还将介绍有关于高PAPR产生的过程主要是介绍本课题中所使用的知识基础。

第三章为设计思路，提出三种压缩扩张方式，并对其所使用的函数形式进行介绍，并且通过修改其中的部分参数，调制压缩扩张的效果，并将调整参数后的图形放至同一图中进行对比，通过图形的比对，可以更加直观了解压缩的原理和压缩程度。最后将提出一种自己尝试编写QAM的共轭编码方式，并且也对之进行分析。

第四章为实验结果和分析，通过表格和图像，进行横向和纵向对比分析，比较几种的相同和不同之处，分析各自的优点和缺点，选出不同方法的适合的参数，并对之作出简单评价。

第五章为总结，总结成果及仍存在的不足，以及对进一步研究的展望，对如何进一步研究提供方向和方案，并进一步提出多种方法结合的思路。

2 OFDM及PAPR介绍

2.1 OFDM原理及所使用的基带调制

2.1.1多载波传输方式

多载波调制即使用多个载波信号用于基带调制，它将整个的数据流分解为多个子数据流，将其用不同的载波进行调制，将多个信号进行并行传输。这种方法的能够很大的提升信号的传输速率，并且能够降低信号的速率，减小多径效应多于信号的影响。多载波的方式可以用以下的方式来实现，首先通过某种基带调制方式将多个信号列，用几组相互不干扰的数据段进行调制，将调制后的数据合并到一起后进行传输，同时在接受端，通过滤波器，过滤出需要的频率段信号，再通过对应的基带解调方式进行解调^[4]。

2.1.2正交性及IFFT/FFT

OFDM是基于多载波调制的一种调制方式，先将高速的数据流进行串并变换，将其变为多个低速数据流分配到若干个正交的子载波上，进行并行传输，如果保持高速信号的速率，并分在n个子信道上传输，其信号能提供地带宽也将直接增加n倍。不过原始的多载波方式通过把数据分派在几个相互不重合且保持一定距离的子信道上，可以直观的了解到信道的频域的使用率不是很高。但相比于原始的多载波方式，OFDM的子载波是相互正交的，这样正交的载波间便可以保证在重合的情况下仍可以保持互相不干涉，这样哪怕将各个子信道的频域范围拉近，只要各个信道之间是相互正交的关系，就可以保证能够正常的解调出来，如此一来就可以在同样的频域范围内承载更多的子载波数，提供更高的传输速率，同时如果通过OFDM将高速的数据流拆分为多个低速数据流，无线信道的多径衰落造成的时延扩展的影响也能相对减轻一些^[5]。

OFDM基本调制方式可以用下面的来表示：

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