降低OFDM系统峰均比的方法研究及硬件平台的设计

降低OFDM系统峰均比的方法研究及硬件平台的设计 北京交通大学 硕士学位论文 降低OFDM系统峰均比的方法研究及硬件平台的设计 姓名:秦媛媛 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:谈振辉 20050301 北京交通大学硕士敞 y878252 摘要 正交频分复用 OFDlM 技术以其高频谱利用率和抗多径干扰能力，而 成为新一代移动通信的关键技术。0FDM系统的研究的重点是易受频率偏 差的影响和存在较高的峰值平均功率比 BAPR 问题，这使得OFDM通信 系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。 论文选择降低OFDM系统峰均功率比作为课题，其 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 包括介绍 OFDM产生PAPR的原因、数学描述以及几种改善EAPR的方法，包括预 畸变技术、非畸变技术 SLM和PTS 以及基于互补序列分组编码和卷积编 码的编码技术。这两种编码方法不但可以有效地降低0FDM系统的PAPR， 而且具有一定的纠错能力，能够提高OFDM系统BER性能。 本文还给出了基于软件无线电的OFDM硬件平台电路板的设计流程。电 接口电路及时序上的配合，采用了ALTERA公司一块集成了lO万个典型逻 制解调功能。 关键词:正交频分复用 OFDM ，峰均功率比 PAPR ，编码，软件无线电( 0SP， !!室塞望查兰堡主丝苎 一 AbStract Div(slon Frequency Or【hogonal tores(stthe hasthe cha陋cteris啊c outstanding frequency(selectIVefading focus andmakeuseofbandwidthefficientl nis the y(ThereforbecOming of of ofw(reIesscommunication(Thefucusthe陀search technoIogy to is tobea垌bcIed Of眙etandthe Peak OFDM eas?y byfrequency high Power dec怕asthefunctionofOFDM AverageRatio PAPR (A?these communicatIona仟ectthe d(旧ctI system。eVenappIicatiOnsy( cOntentOfthisthesislsthecause Themain of尸 APR(the mathematicaldesc andseveraImethOrdOf the F， APR。 r_ptiOn imprOVlng the thedlsturbance and incIudingCIipplng。uslng squency SLMP。rS ， thebIOck andcOnvOIu稍Onal twO can cOding cOding(ThecOdingpIans reducethe tO ratlOOftheOFDM peakaveragepOwer system，and errorcOrrectiOn( theBER ils of improve pe―brmanceby capab?ity hardVVare This alsO the 0fOFDM pla廿orm essay givesdesign basedOnsOftwareradiO(Themain OnthecircuitbOard circuitbOard chlp 0to isTMS320C5409ofTI usedCPLDFLEXl0K1 cOmpany(We chip interfaceOfDSPw(th0ther absolute reallzethe peripherychip(The areusedto and c_rcuItbo甜d3 accomplIsh transmitlingrecejving moduIatjonanddemOdulatiOnOfOFDM system( DMsion Keywords:0rthogonaIFrequency to Power radio，DsP AverageRa廿o 尸APR 。Coding(software 2 北京变通大学硕士论文 第一章绪论 1(1 引言 无线通信与个人通信在短短的几十年间经历了巨大的发展，从模拟通 信到数字通信、从FDMA到CDMA。现在又提出了第四代移动通信系统， Division 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 以正交频分复用 OFDM―OnhogonalFrcquencyMulljplexin曲 为核心技术提供增殖服务，满足用户需求。0FDM具有更高的频谱利用率 和良好的抗多径干扰能力，它不仅可以增加系统容量(更重要的是它能更 好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体 业务通过宽频信道高品质地传送出去。 OFDM技术由于其网络结构具有高度可扩展性、良好的抗噪声性能、 抗多径信道干扰的能力以及频谱利用率高而被普遍认为是下一代移动通信 系统的核心技术。0FDM是利用多个子载波并行传输数据的，系统的输出 是多个子信道信号的叠加，当要传输的信息具有较大的相位一致性时， OF【'M的瞬时峰值功率会很高，OFDM发射机的输出信号的瞬时值会有较 大的波动。这要求功率放大器、,D、功『A转换器等具有动态线性范围， 使 得系统的性能大大下降。而反过来，部件的非线性也会对动态范围较大的 信号产生非线性失真，所产生的谐波会造成子信道间的相互干扰，从而影 响OFDM系统的性能。 论文选择降低0H M系统中峰均比为课题，能使OFDM系统的硬件实 现简单、成本降低，系统性能提高，能更好地实际应用。 北京交通大学硕士论文 1(2 0FDM在无线通信中的应用及发展前景 面对未来人们对无线通信的需求，OFDM确实是一个很好的选择。 OFDM技术的实际应用是军用的无线电高频通信链路。但这种多载波传输 技术在双向无线数据方面的应用却是近几年来的新趋势。经过多年的发展， 该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括: subsc曲er 非对称的数字用户环路 ADsIr-AsymetricDjgital une ，欧洲 GHz 802(11a,个5 Broadcast(Te玎estrial 。OFDM调制技术还被采用为?EE 的无线局域网 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 以及欧洲电信标准协会的宽带射频接入网 B黜蝌一 BroadbandRadioAccess Network 的局域网标准等。 若以技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以cDMA技术为核心， 第四代移动通信系统技术则以OFDM技术最受瞩目。可以预见由于OFDM 技术的良好性能，使它在未来无线通信领域具有无可比拟的优势。并且随 着DsP:卷片的处理速度的增长及芯片价格的降低，OFDM产品的市场前景非 常看好。 1(3选题背景及论文主要内容 本课题来源于国家自然科学基金重大项目“宽带高速无线通信传输理 论及关键技术”。本文所做的主要工作包括: 1、了解0FDM调制解调原理、保护问隔及循环前缀，重点在分析OFI M 系统中峰均功率比 PAPR 的产生、对系统性能的影响及其分布; 2、分析比较三种目前主要降低PAPR的方法: 3、对基于互补序列分组编码和卷积码降低峰均功率比的方法进行研究 6 北京交通大学硕士论文 和M棚AB仿真。 4、OFDM发射接收平台的硬件设计和调试，其中包括DsP、cPLD、 DA、DDs芯片及其外围电路的设计和调试。 5(CPLD芯片的接口电路设计以及内部程序编写，包括时钟分配，总线 接口缓冲以及时序控制等。 论文第一章介绍OH，M技术产生的背景;第二章分析OFI M系统中峰 均功率比 PAPR 对系统性能的影响及其分稚，并比较了三种目前主要降低 队PR的方法;第三章具体介绍了基于编码技术降低峰均功率比的方法，重 点是基于互补序列分组编码方法并用M衄’u岖进行仿真实现。第四章对硬 件实验平台的设计进行了详细的说明#第五章总结，并提出进一步的研究 方向。 北京交通大学硕士论文 第二章0FDM系统中的峰均功率比问题分析 2(1OFDM技术概述 OFI M是一种高速多载波调制方式，通过将串行高速数据信号转 换成并行的低速子数据流，再用相互正交的一组子载波构成的子信道进 行传输。在一个无线电环境中，这种传输方式的主要好处是每个数据流 经历的是一个几乎平坦的衰落信道。利用一个循环前缀，在损失一小部 分的发射能量条件下，在一个OFDM符号内，可以完全的避免码间干 扰和拽波问干扰。 2(1(1 0FDM基本原理 OFDM调制原理如图2(1所示。速率为Rbbi“s的串行比特流，经 过数据编码器，每lo啦M个比特被映射为一个符号 M为符号空间的 符号个数 (从而产生速率为Rs R以092M符号,s的串行符号流，符号 周期T8 1瓜。s。将这些串行符号串并变换为N路并行符号。每一个符 号调制N个正交子载波中的一个，N个调制后的子载波相加(再进行 传输，然后再读入N个符号重复以上过程。每N个子载波和被称为一 个0FDM符号， 宽带信道被划分成N个窄带子信道 。OFDM符号的 周期T0‰ Nrs，但是因为共有N个串行速率为R扑f的子信道并行传 输，故总数据速率不变。 输，故总数据速率不变。 北京交通大学硕士论文 ?sp打 ―齿一 十 髀 -sin耐， ? 变换 。?so蟊(。f ―舀一 中 s(m?靠(。f 】 图2(1OFDM系统发送端的调制部分 各子载波闯的正交性是通过适当选取南以及子载波间隔实现的， 取子载波间隔可一1,心，以及fo k瓜 其中k为大于或等于零的整 数，一般取零 。厶 fi+n?，则各予载波间在一个OFDM符号周期内 可保持正交。 毯卜岖p0L ?_9―吁殳 sin 砘f P随 l。 壹 |‘?s 2西? 按 ?_毯―咂攀 +_毋―庐 图2(2 OFDM系统接收端的解调部分 在接收端，如图2(2所示，OFDM符号经过混频器，积分器组进行 解调和判决。在不考虑同步误差以及信道干扰的理想情况下，进入每一 路混频器，积分器的信号为相互正交的正弦信号和余弦信号的和，其形 式为: 1 sin 2兀fN一1t 。考虑fj子载波上的同相分量:频率为fn的同相混频 器将 9 北京交通大学硕士论文 整个上式乘以cos 知f?t ，然后将所得的积在时间0,NTs内进行积分。 因为载波间的正交性，积分运算只对位于fn处的同相子载波有非零结 果，从而提取出有用数据a n ，同样的道理可以从各正交支路恢复出 b n 。所有被恢复的符号经并串变换后，再进行解码。即得到所发送的 原始数据比特。可见，虽然子信道频谱相互混叠，子载波间的正交性却 使得各个子信道依然能够被分离出来。子载波问的正交性还可以从频域 的角度进行理解，如不加特殊的脉冲成型 即矩形脉冲成型的情况 ， 由于并行符号的每一路为周期为NL(则每一路的频谱都是取样 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 ， 如图2(3所示，取样函数的峰值出现在各个子载波频率fn处，而此处， 所有其它子信道的频谱恰好为O。在解调的过程中需要计算的是这些峰 值，因此可以从多个互相混叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符 号，而不受其它子信道的干扰。 图2(3 OFDM子信道的频谱 矩形脉冲成型 2(1(2 OFDM系统的实现 0FE M的发射机原理如图2(4。 10 北京交通大学硕士论文 2(1(3 oH M技术特点 近年来，OFI M系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在 于0FDM系统存在如下的主要优点: 1 通过串并变换，增加了数据符号延迟长度，从而可以有效地减小 无线信道的时间弥散所带来的符号问干扰 IsI ，通过采用插入循环前 缀的方法可消除IsI的不利影响。 2 由于无线信道存在频率选择性，可以通过动态比特分配以及动态 予信道分配的方法，充分利用信噪比高的信道，从而提高系统的性能。 3 在移动信道中，由于多径干扰时而出现频率选择性衰落(在OFDM 系统中，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受到影响，其 他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要比同样条件下的单载 波系统性能好得多。 4 OFDM系统的各个子载波之间是正交的，允许子信道的频谱相 互重叠，不需要保护频率间隔，因此OFDM系统可以最大限度的利用 频谱资源。 5 随着大规模集成电路技术和DsP技术的发展，各个子信道的正 交调制和解调可以采用IDFT和DFT的方法来实现。 6 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。(而0FDM技术可以很容易的通 过使用不通数量的予信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 7 0F【 M系统可结合信道估计、编码、交织技术、把频率选择性 衰落平均到整个信号带宽和交织深度上进一步提高系统性能。 但是，0F【’M系统内由于存在有多个正交子载波，而且输出信号 是多个子信道信号的叠加，，存在如下主要缺点: 11易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，对它们之间 北京交通大学硕士论文 的正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时交性，无线信号在传输 过程中会产生频率偏移或者由于发射机载波频率与接收机本地震荡器 之间存在的频率偏差，都会使得OF【 M系统子载波之间的正交性遭到 破坏，从而导致子信道问的信号相互干扰 ICI ，这种对频率偏差敏感 是OFDM系统的主要缺点之一。 2 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 出现较大的峰值平均功率比 队PR 。这样就对发射机内放大器的线性 提出了很高的要求，如果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(2 0FDM系统中的峰均功率比及其分布 2(2(1峰值平均功率比的定义 OF蹦符号是由若干个独立的子载波信号经过调制后相加形成的， 根据中心极限定理，它的时域信号近似服从高斯分布，可能会产生比较 大的峰值功率，由此会带来较大的峰值平均功率比 Peal【-to-Average Powef Ratio ，简称峰均比，可定义为: ma]【取r 刚艘四“叭昭??。匈并 仁D 其中‘表示经过羽F1r运算之后得到的输出信号，即 北京交通大学硕士论文 ‘2去荟五孵??对于包含N个子信道的oFI’M系统来说，当N个 子载波信号都以相同的相位求和时，所得到的信号的峰值功率就会是平 均功率的N倍，因而基带信号的峰均比可以为勰 扭 -10log。。??? 由于峰值功率定义为幅度等于最大包络的正弦波的功率，所以对于未经 过调制的载波来说，其PAPR OdB。 另外一种用于描述信号包络变化的参数是峰值系数 crcstFactor ， 该参数被定义为信号的最大值与均方根值之比， 删?吣m勰 仁2， 对于未经调制的载波来说，其峰值系数为3dB。 2(2(2放大器的非线性对OFDM系统PAPR的影响 功率放大器的线性动态范围有限，当OFDM变化范围较大的信号通 过非线性部件时，信号会产生非线性失真，产生谐波，造成较明显的频 谱扩展干扰以及带内信号畸变，导致整个系统性能的下降，而且同时还 会增加^,D，D,A转换器的复杂度并且降低它们的准确性。 若采用一种无记忆、非线性TwT放大器模型，其AM-AM，AM―PM特 性如下: 只0 一彳。盎 ‘2??3 FP@ ??石方丽 ‘2??4’ x为放大器输入信号幅度，A。。为放大嚣的饱和输入电压，归一化特性 曲线如图2(6所示。放大器的性能由输入功率补偿 outputpower 14 北京交通大学硕士论文 log P。?P。 ，其中P。;为放大器输 backoff，oBo 给出，爿D舳a10 出信号的最大功率，P。。为放大器输出信号的平均功率。放大器工作于 较高补偿的话，即放大器的线性范围大，对信号的非线性作用就小，但 是这会导致放大器的效率降低。 因此PAPR较大是OFDM系统所面Il函的一个重要问题，必须要考虑如 何减小大峰值功率信号的出现概率，从而避免非线性失真的出现。克服 这,问题最传统的方法是采用大动态范围的线性放大器，或者对非线性 放大器的工作点进行补偿。，但是，这样所带来的缺点就是功率放大器 的效率会大大降低，绝大部分能量都将转化为热能被浪费掉，这一点在 移动设备中是绝对不能允许的。。 2(2(3 OFDM系统内峰均功率比的分布 对于包含N个子载波的OFDM系统来说，其中经过IFFr计算得 到的归一化的复基带符号是: 砷 _者荟即xp舭蜊 2。5 其中噩表示第k个子载波上的调制符号。对于QPsK来说， 五? l，一1，，，一J 。根据中心及限定理可以知道，只要子载波个数N 足 够大，就可以判断z f 的实部和虚部都将遵循高斯分布，其均值为零， 方差为0(5 实部和虚部各占整个信号功率的一半 。因此可以得知， OFDM符号的幅值r服从瑞利分布，其概率密度函数为:p| r -2re。 内积所得的向量C +、， 北京交通大学硕士论文 2(6 P BDH埘‘sz卜‰0 -rexp -y 西，一1一exp 一z 1 计算每个0FI M符号峰值功率的累积分布函数。假设OFI M符号 周期内每个采样值之间都是不相关的，则0FDM符号周期内的N个采 样值当中每个样值的PAPR 由于平均功率归一化，所以也就是其功率值 都小于门限值z的概率分布为: 尸 fl-i(PR墨z _fk(竹 z ?口 1一e一‘ ? 2(7 对0FDM符号周期内进行过采样有助于更加准确地反应符号的变 化情况，特别是针对PAPR而言，最后送到放大器中的应该是经过D,『A 变换的连续信号，过采样更加有助于收集到较大的峰值功率，可以更加 准确的衡量OFDM系统内的PAPR特性。对OFDM符号实施过采样是 非常必要的，但是这样做就会使得采样符号之间的相关性遭到破坏，。 如果基于符号之间的相关性来考虑峰值功率的准确表达式是比较困难 的，因此可以假设利用对口?个子载波进行非过采来近似描述对N个 载波的过采样，其中a -1，PAJPR的概率分布可以表示为: P 剐脉sz 一 1一e。 州 2(8 从另一个角度来衡量0FDM系统的PAPR分布，即计算峰均比超 过某一门限值z的概率，得到互补累积分布函数CCDF: P 删PR z -1一P f，l，冠sz 一1一 1一B。2 “ 2(9 图2(6给出了不同子载波个数条件下，互补累积分布函数的理论 曲线图，其中横轴表示PA_PR的门限值，纵轴表示一个0FI M符号中 所有采样值的功率都大于门限值的概率。其中N为子载波数，采用M 4 的MPsK调制。从图中可以看到，在给定EAJPR门限值的条件下，随 着子载波个数N的增加，ccDF也会相应提高，也就是超过PAPR门 限值的符号出现的概率会有所增加。 北京交通大学硕士论文 圪1] 并1]×e埘 2(10 然后把这D个帧变换到时域，选取这D个帧中峰均比最低的用来传输。 X 圈2(7Su睡实现框图 在接收端，为了恢复数据，接收机必须知道实际使用的4的相关 信息，最直接的方法就是把矢量的个数D作为辅助信息一同传输，由 于D对于接收端能否正确接收信息至关重要，辅助信息应该通过信道 编码加以保护。 2(3(2(2部分传输序列 PTs 的基本思想 PTS实现框图如图2(8所示。PTs和su?的原理相同，不同的只是变 换矢量的结构。首先输入数据矢量x被分成v个互不重叠的大小为N,v 的予矢量，由于它们互不重叠，所以用数学方法表示为: ,n]一x卜】×eM，在子矢量中的每一个载波都乘以相同的旋转因子 只X，不同子矢量的旋转因子统计独立，则利用羽F1r的线性可得式 2(11 ，具有最低峰值的时域矢量被传输。 x 羹蟛×一? 2(11 在接收端，接收机仍象Su?一样，需要知道使用了哪些旋转矢量， 20 北京交通大学硕士论文 以便恢复接收数据。 X ――+ 图2(8 P1'S实现框图 2(3(3利用编码技术减小O墨DM系统内的峰均比 另外一种减少EAPR的方法是编码技术，最常用的是分组编码。峰 均功率比较高的原因是信息序列的一致性较大，而采用编码方式可以破 坏这种较大的一致性，所以编码能够降低OFDM信号的峰均功率比。 主要思想是发送端只发送低PAPR的OFDM信号，通过使用分组编码， 摒弃高PAPR信号。特别是应用Golay互补序列，可以将PAPR控制在 3dB以下。但是这一方法是以增加系统收发端复杂性并降低系统sNR 为代价的。提到编码的方法，我们先看一下两个关于峰均功率比方面的 编码定理。 定理一:对于码速为R，最小距离为d，长度为n的码字，其峰均 J2 功率比不小于n 1一兰_ 2: 定理二:若有尺?o，??o且28?2? 1一今 1，那么对于足够大 北京交通大学硬士论文 t?2?，l的码 字，其峰 的?，存在一个长为n，码速为R，最小距离为d 均功率比不大于819n。 在码速给定的情况下，不存在一种码字，其不仅能够有较低的峰均 功率比，而且具有较强的纠错能力。所以采用编码方式的OFI M的峰均 功率比不可能降得很低，但同时也不会很高。总的看来，编码方式降低 0FDM信号的峰均功率比，优点是系统相对稳定、简单，降低峰均功率 比的性能较为稳定。众多的文献表明，常采用循环码、M序列、块编码 等编码方式来降低0FDM信号的峰均功率比。但其缺点也很明显，随着 子信道数的增加，系统吞吐量会严重下降，频带利用率较低，使得OFDM 的优点不能显现。鉴于以上的优缺点，编码方式适合于子信道数量较少， 频带较宽，需要有稳定性能的系统。 2(3(4 比较三种减小OFDM系统内的峰均比的方法 对于OFDM峰均比的降低，虽然提出了各种方法，但我们必须清楚， 目前没有任何一种方法能够一方面大幅降低峰均比，另一方面还同时具 有低的实现复杂度、高的编码速率和系统性能保持不变的优点。 如表2(1是对降低?圩R三种方法的比较。预畸变技术好处在于直 观、简单，但降低峰均比的目的是提高系统性能，考虑预畸变对系统性 能造成的损耗是不可避免的，本文建议不采用这种方法。不同技术实现 的复杂度关系到我们是否选择其做为降低峰均比的方法的主要因素，与 其他技术相比，非畸变技术牵涉多个硐F1r的方法显得过于复杂，因此， 在主要考虑设备的复杂性时，本文并不建议采用非畸变技术这种方法。 编码方法和其他两种主要方法比较，相对简单，降低峰均功率比的性能 较为稳定，并且选择合适的码字可提高系统性能。编码方法的关键在于 北京交通大学硕士论文 找出效率较高的码字，这将是降低峰均比的一个很有研究价值的方向。 表2(1三种方法比较 复杂度 系统BER性能影响 传输速率 预畸变技术 简单 降低BER性能 无影响 随子载波数增加，BER性能逐 非畸变技术 复杂 无影响 步提高 选择合适编码方式。可提高 编码技术 较简单 有影响 BER性能 下一章具体研究的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是属于采用分组编码的方法来减小 PAPR，其思想是找出PAPR较小的序列进行数据传输。这类方法对 PAPR的改善很明显。尤其是其中基于互补序列 Complemenlary Sequences 的编码方案。可以使得OFDM符号的最大PAPR不超过3dB( 而且还具有前向纠错能力。根据文献【1】给出的RM码与互补序列的关 系，详细介绍具有互补特性的分组码的编码方法。 北京交通大学硕士论文 第三章 采用编码方法降低峰均比 这一章具体研究的是采用编码的方法来减小n奸R的解决方案，其 思想是找出n圩萋蠢雾曼嚣聪嚣始垂篚拍舀i翰澍游墩燃m萋藁镉笠磐 晶塞路，愁盾碑夔喾鲤茎菁躺强列I蠹?薹|iil鐾|i!lili薹?晶j;?自i 囊氰掣酝 器管;弦番蒯漆夔样荦聪蓍晷鬟?g蠢茎蔫释枯森| 薹?一蓊蚓嘲嘲囊 冀稽灞裂誊j心围澹琴iii符 号，把OFI M符号的 最后N。个样点复制，添加到最前面，作为一个循环前缀，用于抑制由 多径衰落引起的符号间干扰 ISI 。最后经数模变换和上变频，把信号 输入到前端放大器，放大后通过发射器发射出去。 OFDM系统的接收机原理图如图2(5所示。接收机执行与发送端相 反的过程，对射频信号下变频后，经模数变换，然后进行定时处理，找 到OFI M信号的 帧起始拉簧，除去循环前缀部分，对剩余oFDM信号 作N点FFr变换，然后并串变换，在进行判决，实现解调，如果采用 相干鳃调，那么还需要信道参数来辅助解调，解调后的数据进行解交织、 前向纠错的解码， 得到最初信源所发送的数据。 图2(5 oFDM系 北京交通大学硕士论文 码字中选出的一个子集;而RM 2，m 的最小距离为2_,，因此用上述方 法构造的码字的最小距离d。?r,。在具体编码时，我们可以用 【l092小!，2】个比特去选择肼!，2个陪集中的一个，而用 m十1y个比 特去选 择每个陪集中矿“个码字中的一个。由此自然地得到一种编码效率为 【l092?!,2 +m+1】 ,2m的分组 北京交通大学碗士论文 ‘而+墨如+(与‘; 000 焉屯+屯?+屯‘; 001 五而+工^+黾‘; 010 等:譬:型熙 、 3(14 7 五‘+屯‘+屯而; 1哟 五‘+?与+?‘; 101 ?吃+五而+_‘; 110 ?x1+(V(+‘并4; 111 ; 另外4种情况如下所示，只是没有被采用:一屯+工:而+‘‘; ‘?+屯‘+‘与:‘焉+‘也+托‘;t屯+(h?+屯墨。由上所述，如 果编码器的输入序列为[co，c1，c:，c3，c(，岛，c。，c，]，那么用其前 5位 [c0，cl，c:，岛，c(]与G’相乘。再根据k，气，c，]和 4(27 选择一个对应的式 子，按照式 4(26 将两次的结果相加，即得到编码后的序列。另外还可 发现，其实上述编码过程能与RM码的编码过程建立联系。 设输入为【c。，q，c2。c，，c(，o’o'o】，将之用上述方法编为互补序列的过 程等效于用序列k，c1，c:，c，，c。，l'o，o，1，o，1】与G。一【G0G1G2r相乘的过 程，得到的输出序列是一样的??称h，cl，c2，勺，c(，1，o，o’1，o，1】为 [c0，c1，c:，c，，c。，o’o，o】的RM等效输入序列。依次类推，可咀建立 k，c6，c，】与RM等效输入序列的后六位的对应关系: 【001】――【l00011】;【010】――【010110】( 【Ooo卜一【l00101】; 由此可进一步理解上述编码方法得到的2_肌!个二进制互补序列属 于RM 2，m 码的一个子集，并且容易想到在接收端可以采用RM码的译 码方法来对上述码字进行译码。在接收端，对接收到的序列采用Reed 译码法 大数逻辑译码 ，译码后将得到11比特的序列，将这个11比特序 北京交通大学硕士论文 囊(薹(囊善仿真结果与分析 传统的0FDM系统不使用任何降低PA_PR措施，选用BPSK调制， 子载波数N 16，选取随机输入256bit数据，环FT变换后求OFI M符 号瞬时功率的仿真结果如图3(3所示: 图3(3采_I JBPsK调制的传统的0FDM系统 子载波数N 16 瞬时功率的仿真结 果 峰均功率比 PAPR 的数值统计直方图如图4(4。列出了全部216种可 能输入数据产生的OFDM符号PAPR值的分布。 北京交通大学硬士论文 图3(4采用BPsK调制的传统的OFDM系统 子载波数N 16 峰均比值分布 表3(1 传统的OFDM符号峰均比值分布统计 0FDM符号统计数 PAPR值 dB 3456 1(7609,2(8 14720 2(8,3(7 18784 3(7,4(8 10240 4(8,5(9 14056 5(9,6(9S 1216 6(95,8(1 2512 8(1,8(95 484 8(95,9(95 “ 9(95,11(01 4 11(01,12(04 传统OFDM系统，不使用任何降低PAPR值措施下，峰值功率fk。 定义为传输信号的最大功率，理论值为?2，PAPR最大值由下式得到 北京交通大学硕士论文 10loglo?@B 3(17 例咫暑lol0910孚0旧 l ‘ N为子载波数，已是信号平均功率，由上式可知，对于N 16子 载波的传统OFI M系统，PA_PR理论最大值为12(0412 dB 。可由表3(2， 仿真的PAPR最大值为12(04 dB ，和理论值一致。表3(2是对峰均比值 分布的统计，可以看出，传统OFDM符号的BAJPR取值从1(76, 12(04 dB ，大部分符号值在2(8,6(95之间，峰均比较大。这导致对放 大器的线性动态范围和,D、D,A变换器的要求都很高;如果线路中的 线性特性不理想，这就会导致信号失真和频谱弥散，所以降低EAPR是 很必要的。 图3。5采用基与互补序列分组编码后的OFDM系统 子载波数N 16 瞬时功率的仿真结果 由前一章的理论分析，选取m 128biI数据输入编码器，n 256， IIl,16 8，可知此码字是RM 2，4 码的子集，编码效率为8，16 1,2，输 入 数为128，输出码字数为256bit。经过编码变换的每一列码字通过后面 的BPsK、羽F1r后为输出的一个OFDM符号。采用基与互补序列分组编 码方法后系统输出随机信号的瞬时功率仿真结果如图3(5所示。从仿真 结果可以很直观地看出，瞬时功率峰值比未编码时显著降低了。 北京交通大学硬士论文 采用基与互补序列分组编码后的OFDM符号峰均功率比PAPR的数 值统计直方图如图3(6，列出了全部种28可能输入数据产生的OFI M符 号n蟑R值的分布。 图3(6采用基与互补序列分组编码后的OFDM系统 BPSK调制，子载波数N 16 峰均比值分布 袭3(2采用基与互补序列分组编码后峰均比值分布统计 OFDM符号统计数 PAPR值 dB 65280 0,0(2842 192 2(2734,2(5575 64 2(557S,2t8418 可由表3(2，编码后PAPR最大值为2(8418 dB 。表3(2是对峰均比 值 分布的统计，可以看出，编码后0FDM符号的P:APR取值从0, 2(8418 dB ，大部分符号值在0,0(2842之间，仿真结果表明，编码后的 每个0FDM信号的PAPR值不超过3dB。 北京交通大学硕士论文 3(2卷积编码降低峰均比的理论研究 3(2(1 OFDM系统中的卷积码 卷积码是1955年由麻省理工学院的伊力亚斯 P(Eli越 提出来的例， 它于前面讨论的分组编码不同，属于非分组码。通常，为了达到一定的 纠,检错能力和编码效率，分组码的码长较大。由于编译码时必须把整 个码组存储起来，因此处理产生的时延随码长的增加而线性增长。而卷 积码 n，k，N 的信息码元个数k和码长n通常较小，故时延小，特 别适合以串行形式传输信息的场合。与分组码相比，卷积码在任何一个 码组中的监督码元都不仅与本组的k个信息码元有关，而且与前面N(1 段的信息码元有关。定义N为约束长度，随着N的增加，卷积码的纠 错能力随之增强，误码率则呈指数下降。正因为卷积码在编码过程中充 分应用了各码组之间的相关性，无论是从理论上还是实际上均已证明其 性能优于分组码，因此在通信领域应用的越来越多。 卷积编码的译码算法可分为两大类，代数译码和概率译码。代数译 码利用编码本身的代数结构进行译码，并不考虑信道的统计特性，这种 译码方法硬件实现简单，但性能差。概率译码通常是建立在最大似然准 则基础上的译码。由于概率译码考虑了信道的统计特性，所以提高了性 能，但这种性能的提高是以增加硬件的复杂度为代价的。常用译码算法 是Vilerbi译码算法，它属于概率译码类，对该算法进行详细描述的资 料颇多，这里就不赘述，读者可参考其他相关资料。?terbi译码算法的 复杂度随约束长度指数增长。因此，实际实现中约束长度一般不超过 10。较大约束长度卷积码的译码可阻采用次最佳的译码技术，如序惯译 码算法。理论上?terbi译码算法要等到全部信息接收完毕之后才能得 到译码结果。在发送序列较长时，需要的存储量和译码时延都相当大， 38 北京交通大学硕士论文 这显然不能满足实时通信的要求。所以从实用的角度来看，在?tcrbi 译码算法的具体实现中，通常都会才去截短译码的方式，即:当译码器 中存储的路径长度达到某个译码深度t时，就对幸存路径最前面的一级 支路做出判决。输出对应的信息码元，然后再进行下一级的幸存路径， 依此类推。OFI M系统中，根据卷积码的这种编译码特性，通常选取 卷积码的译码深度t与OH M符号长度满足一定的关系。 3(2(2 降低PAPR的卷积码编码方案 由上一节的讨论可知，可降低PAPR的格雷互补序列可看做一阶跳 码的陪集，而RM码的子码可以看为最终的卷积码。顺着这条思路，我 们可以从RM码的子码中找到对应的卷积码，并且具有低的PAPR和良好 的检错性能。由于线性码包括所有PAPR为n的全零码字，所以我们必 须排除全零码字。一个简单的方法是在所有的码字中加入一个非零序 列，产生一个原码的陪集，并称之为偏移。下述命题阐明了如何构建具 有低PAPR的卷积码: 命题l设n 2’，这里m?4，如果偏移u u。，u?(…，u 2(-( 满足 p。，lI，，(…，u 2r’，。 o 10lO…10 u(一。，u。一:，(…， “2r‘ 并且码字C的生成矩阵由下式给出: G v“v4，…，v-，vlv3，vIv‘， …，vr2vrI，…J viv3…v(一l， vlv-ov3v( 7 2l，2，…，m， 在这里V-2 必Uo掣Uo ，I ，‘1 21―1 ，’1 2卜1 则对于每一个码字c? cou ，存在另一个码字c’ cou ，且 PAPR c’ PAPR c 。 对于一个16子载波的 4，2，2 卷积码的生成矩阵为 北京交通大学硕士论文 Gc。，2 苫。:+。?。:+。 从前面的论题中可得，如果偏移ll |I。，II?(…，uts 满足 u。，|I。，(…，IIT o 10lO…10 |115，uH，(…，u。 ，则对 于每一个码字c? c(ou ，存在7个与c具有相同PAPR的其它码字， 64个码字至少产生8种不同的PAPR。因此我们只需找到一种使PAPR 3(03 4(8dB 。当子载波数为32时， 4，2，6 卷积码的生成矩阵 为 爿 D 4 D f爿 D 爿 D , 1+D2D+D’1+D2 ID+D3 J 这里A D 1+D+D2+D3，偏移u’ u’ 为4(83 6(8dB 。由此可知，加入合适的偏移后(PAPR C， 可降低至 5(1dB，如果C(为最终编码，PAPR可进一步降低2(1dB。如果C:为最 dB。 终编码，加入合适的偏移后，PAPR可降低8(3 北京交通大学硕士论文 现。软件无线电的通信系统可以在通用硬件平台上通过软件的不同算 法，实时配置信号波形，调制方式，提供不同的无线通信功能与业务。 4(1(2软件无线电的特点 软件无线电的主要优点是它的灵活性。在软件无线电中(诸如信道 带宽、调制以及编码等可以动态调整，以适应不同的标准和环境、网络 通信负荷以及用户需求的变化。软件无线电系统的设计特点主要有以下 几点: 1( 软件的可重新编程性，即通过合理的软件设置以获得不同的功 能。通信的工作模式是通过可编程软件来改变，系统的功能由 软件来定义。软件无线电产品可通过丰富的软件来扩展业务、 帮助分析通信环境、定义所需增加的业务，并用软件生成、调 试与运行。 2(系统结构的一致性使得硬件设计的模块化思想能很好的实现， 也同时能够保证模块具有很大的通用性。模块的物理和电气接 口的技术指标符合开放性标准，不同系统或系统升级时很容易 复用，大大的减少了科研投入。更换单个模块就可以跟踪硬件 技术的发展，降低设备和设备维护费用，从而使软件无线电总 体上保持较长的使用寿命。 3(软件无线电具有集中性。所谓集中性是指多个信道享有共同的 射频前端与宽带A『D，D，A转换器以获取每一信道的相对廉价的 信号处理性能，尽管软件无线电要比传统的接收机贵很多，但 每一信道的费用要低很多。 4(软件无线电系统生存期主要由软件的生存期决定。相对于硬件 来说，软件的开发周期短，费用低。这样可以迅速跟踪市场变 北京交通大学硕士论文 化，满足市场需求，降低更新换代的成本。 由于系统的主要功能由软件完成，可以实时配置信号波形，实时选 择信道调制，载波频率和加密算法等。未来的软件无线电甚至可以实现 自由选择接入的通讯网络，选择最佳的通信方式，以合适的通信协议和 信号格式进行通信。 4(1(3选题构思 本系统的设计提供了一种基于软件无线电思想的通用DsP软件无 线电开发平台设计方案，使用者可以在此平台上完成数字信号处理、不 同采样率信号合成、中频调制、解调等设计开发应用。充分体现了软件 无线电设汁的灵活特点。数字信号处理芯片 DsP 在此设计中起到系统 模块控制、基带数据处理等重要作用，cPLD芯片负责系统时钟及时序 控制，DDS模块完成全程数字化频率合成。 4(2开发平台功能模块的硬件设计 4(2。1系统模块的整体设计结构 整个系统分为两块独立的PCB板，发射端 TR 和接收端 RE ， 完成整个OFDM系统的调制解调。 TR板包括:DsP控制处理模块、CPLD接口设计模块、计算机接 口模块、DAc模块等部分。负责载波信息的输入、OFDM调制及D,A 转换，完成数字调制和高速数据采样处理工作。 北京交通大学硬士论文 图4(1OFDM发射机整体框图 RE板除了包括DsP、CPLD等主要编程芯片外，还包括ADc模块， DDs以及数字滤波器等模块。完成A，D转换，OFDM解调及信息滤波 等功能。 图4(20FDM接收机整体框图 北京交通大学硕士论文 的话音编解码器的软件，不仅器件为低功耗，而且还提供了丰富的片内 外部设备，可以灵活的实现与其他芯片的接口连接。 4(2(3 CPLD设计模块 4(2(3(TCPLD主要功能 【13lPLD器件是一种可由用户再构造的数字集成电路。PLD芯片内 的逻辑门、触发器等硬件资源可由用户配置连接从而实现专用的用户逻 辑功能。与传统的只能实现固定功能的标准逻辑器件相比。PID器件 按照标准器件生产，芯片厂商可因此获得规模生产效益，而用户则可以 通过编程PLD器件以实现特殊的应用。cPLD和FPGA既适用于短研 制周期、小批量产品开发，也可用于大批量产品的样品研制，且项目开 发前期费用低，开发时间短，有利于新产品占领市场，是目前Aslc设 计所实用的最主要的方法。 PLD器件类型众多，结构不同，规模不等。各种PLD器件，从简 programmablegacearray 现场可编程门阵列和复杂PI_D cPLD ，分别满 足不同的应用需求。 cPLD模块在本系统的综合设计中起到非常重要的作用，主要功能 包括: 11 cPLD设备提供并行接口，与DsP模块的数据、地址、控制总 线相连，通过编程设计，完成外部器件的接口逻辑控制，便于 和外部设备进行通信，这也可看作一种预留，便于今后根据需 要进行设备功能或用途扩展: 2、提供和,D、D,A的总线缓冲接口，实现管脚适配和速率适配; 3、由晶振提供全局时钟输入，实现整个系统时钟的分配和同步: 46 北京交通大学硬士论文 4 作为DSP与DDs并行通信的接口缓冲，从DsP来的打包数据 先暂存在CPLD，然后经过基带成型处理，提供DDs的数据 输入，这样一方面可减少DSP的工作量，另一方面通过cPLD 器件定时地将数据送入DDS芯片中，能保证数据送到DDs的 时间有很好的间隔性，不受DsP中断影响，提高DDs工作的 稳定性，从而提高输出信号的精度。 总之，使用cPLD设备既分担了DsP的部分工作，使DSP有更大 的处理能力，又增加了系统的灵活性，扩展性。 4。2(3。2ALTERA的FLE×10K10介绍 本系统选用的是ALl’ERA的FI正X10K10【16J芯片。 AU卫RA的FLEXlOK系列器件是业界第一块嵌入式PLDs，它基于 可重复配置的cMOs sRAM工艺，为柔性逻辑元素阵列构架。FLExl0K 系列器件提供了高密度、高速度和系统集成的功能，在单个器件内部包 含多重32比特总线。 每一个FLExl0K系列的器件包含一个嵌入式阵列和一个逻辑阵 列。嵌入式阵列用来实现不同的存储器的功能或者是复杂的逻辑功能， 譬如数字信号处理器，微控制器，宽数据通道的交换和数据转换功能。 逻辑阵列完成门阵列中门海完成的功能，使用