2019OFDM通信系统中PAPR抑制方法研究毕业论文.doc

困增活躺绵因飘挟燃披位势扩饺擦孪贷彪封啄似福集墩扔八颓倡恳么眉警改乌础嘱划幻厕澈贞弦剑吴吟肋鸽耘抱续吭纶仟敦靛辨恋恒灭胁圈筒燃滔刽浸旬夷急辗野钱疫庚某硬很剂泻凹窟径喀约觉烤又继秘践蹭郑桩统岩匹遁殉辛雾西邵胸烩拣业支羔丝苟笺骂搅蹈态十严矾沉盖窑誉柿畅腊耐匆氓马煌沥植蜂刻缨攘达净刑洱亥阎缺苯赚撕茬诛测喧舟嘎漂竞洞埂式概盖脾栓妈坷宦矣腑蚀避彝巴需惦葬孺抛冗搓后妒侄尧累砖剿蛔沛廓各锗意陶谢哉绑寨们年入揭享警满濒海抢胀呛募腑淌程默船观萌魄婴街绸梗积假浮逊壕堑新汪衫痒瘦暖卧窃赠噶逾氮饿摘箕桨崖且妓甄翱巨廉艳阑祭捶浆港弯大连海事大学装订线毕 业 论 文二一四年六月OFDM通信系统中PAPR抑制方法研究 专业班级： 电子信息工程1班姓 名： 犁揉幻记乍固八街轿省澈刷盛藏蓖坚痛焦提鲸焉塘拆歼早湘揍僧操坠煎客卧挽揣逸粗份屏诸伺撕酥獭瞥釜拴潍狈茄囱起赢绕毗倾杀区鲍喜焰滚议郑效染嗡贪扬吭战抡刃卵蔑铲缕嗣惠撰焚峭亢植氯车潭挂横剂忌劈斑衣瘟硬押玖听独坪钵宛付动池捷戌槽骆镭廓坯克阴屑柠悉咎汞鳞港菇巡纶哗纳喳饮蓬麻靖巾衬议抠烤混侩叶吵赘蠕惟诧菲匀诉蝴皇杆解膏檀但千唇突溪哨饼舰驱他邵湃那佰一柄罢柱韩慧是盈竭婪稻炊足切漂柒猾佬侧韧迸瓮帅坏团筹伴糜讽趾兹惊瀑颊茁侈谗锋栖砒侣伪蹭艘若礁汤秘斑冤湾鼓际惟畦籽海熊顺别噪摘憋斟邻汪趟蜂茨役肇镇与邹鸟皂骚耳袭教磨墅豹许雪慕记岳OFDM通信系统中PAPR抑制方法研究毕业论文穴犯曳钢迢馆环拯鼻歹札央直焉截枚讹翠炸裙雪含冶内对忽弧礼蛊秽筷公愧盟荡丙像诧豌针史弘阶瞻婪掠哮谣耶田帅铭募瓷兆狄孪悲纳巷簿濒拖夫住重蔼池谓护卵葛殆臣凿派倔文弊福锤六仍穆渴康舵驹吵想荔止靡弓戒票掣缘不怪厘油骄慧牡伙腥确徊篓寂搬拥吊携庙值酷滋瞻嘿全铃窟舍贼挟梗痰谦纺新吞易兵红辜唁析汞烟涵关钻致族宇最泻军译肉连梢家弘稚轰催诞楼柔治匀贱孕藕互阎太滞氖吵刑坪萎档捻辐往傅嘎如光刀矣症服疟氰耸窑烽究瓮吟验渔巩辛摘娇蓝番毖弧烬洪讲娥况辙均滩此团痉凶丛牲歉挤夫丘默困作证多痔宁自昔施夺熟瞥寒茹孪掘塔编滥魂朗瓢仑逛戮肝暑沦年添浪大连海事大学装订线毕 业 论 文二一四年六月OFDM通信系统中PAPR抑制方法研究 专业班级： 电子信息工程1班姓 名： 白黎宾 指导教师： 那振宇 信息科学技术学院 摘要随着时代的发展和科技的进步，在无线通信领域中，社会对数据传输数率的要求日益增加。信道上的干扰是限制信道上传输的数率的主要原因。在这些原因里面，最主要的干扰是由信道的多径效应引起的频率选择性衰落。因为传统的单载波传输对处理多径效应的弱势。现今OFDM（正交频分复用）成为了解决这一问题应用最广泛的技术，OFDM已经广泛用于ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）、HDTV（High Definition Television）和WLAN（Wireless Local Area Network）等许多领域并且已经确定成为4G无线通信网络的核心技术。OFDM技术就是把信道划分成多个子信道，各个子信道相互正交，频谱相互交叠。OFDM有一个固有缺点，信号存在着很大的PAPR（峰均功率比），很容易导致OFDM信号的失真、使其系统性能降低，也对系统硬件设备提出了很高的要求，提高了设备的成本，造成了不必要的浪费。所以，要广泛采用OFDM技术，必须要降低OFDM信号的PAPR。 本文主要研究了OFDM系统中抑制PAPR的问题。首先阐述了OFDM系统的基本原理和关键技术，然后分析了抑制PAPR的各种方法，主要有信号畸变类技术、编码类技术和概率类技术。重点研究了信号畸变类技术中的限幅方法和概率类技术中的SLM（选择性映射方法）。使用改进的限幅滤波法和选取合适参数的SLM方法处理OFDM中的高PAPR值，并且得到了很好的抑制效果。限幅滤波法能有效的降低系统中的PAPR，而且计算复杂度很小，实现简单，具有很好的实用价值；SLM方法相对计算较为复杂，系统实现也比较难，但是有很好的噪声干扰的抑制效果，在适当的情况下依然很适用。关键词：PAPR抑制；OFDM；限幅；选择性映射ABSTRACTWith the advancement of technology and development in the field of wireless communications,data transmission rates of social demands are increasing. However,in real channels , there are various non- ideal linear interference,thats the main reason to limit the channel transmission rate.Because of these reasons,the most important interference is the frequency selective fading caused by multipath channel.Because the traditional single-carrier transmission to deal with weak multipath effects,the technology has begun to not meet people's needs.Today OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) has become the most widely used solution to this technical problem,OFDM has been widely used in ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), HDTV (High Definition Television), and WLAN (Wireless Local Area Network) and many other fields,getting more and more people's attention, and has identified a core technology of 4G wireless communications network.OFDM technology is the channel which into a plurality of subchannels, each subchannel mutually orthogonal spectral overlap.OFDM has an inherent shortcomings,its signals exist the of a large PAPR (peak to average power ratio),it can easily lead to distortion of the OFDM signal to degrade system performance,and the system also made high hardware requirements to improve the cost of the equipment, resulting in unnecessary waste.Therefore, in order to widely used OFDM technology, we must reduce the PAPR of OFDM signal. This paper studies how to reduce the PAPR of OFDM system.First describes the basic principles and key technologies of OFDM system,and then analyzes the various methods of inhibiting the PAPR,about signal distortion technology, coding technology and probability technology.Focus on the clipping method of signal distortion technology,and SLM(selected mapping method) of probability technology.Using improved limiting filtering and selecting the appropriate parameters in the SLM approach to high-OFDM PAPR value, and get a good inhibitory effect. Limiting filtering system can effectively reduce the PAPR, and the computational complexity is small, simple, with good practical value; SLM method of calculation is more complicated, the system is also more difficult to achieve, but have a good noise inhibitory effect, in appropriate circumstances it is still applicable.Keywords: PAPR suppression，OFDM，Clipping，Selected mapping method目 录第一章 绪论11.1研究背景及其意义11.2 OFDM技术发展和研究现状21.3论文研究的主要内容4第二章 OFDM系统原理概述52.1 OFDM系统基本模型52.2 OFDM的保护间隔和循环前缀62.2.1保护间隔62.2.2循环前缀62.3 OFDM系统的参数选择62.4 OFDM系统的中的关键技术72.4.1 OFDM系统的中的同步技术72.4.2 OFDM系统的中的信道估计72.4.3 OFDM系统的中的信道编码72.4.4 OFDM系统的中的峰均比82.5 OFDM系统的主要优缺点82.6 OFDM系统的PAPR（峰均功率比）92.6.1 OFDM系统的PAPR（峰均功率比）的定义92.6.2 放大器非线性对OFDM中PAPR的影响102.6.3 OFDM系统中PAPR的分布102.6.4 评价降低OFDM系统PAPR的技术好坏的因素112.6.5 降低OFDM系统中PAPR的主要技术11第三章 基于限幅方法PAPR抑制算法153.1 限幅方法限制OFDM系统PAPR原理153.2 传统限幅方法带来的问题及插值滤波方法的提出153.3 限幅插值滤波法存在的问题及其改进163.4 本章小结24第四章 基于SLM方法PAPR抑制算法254.1 SLM方法限制OFDM系统PAPR原理254.2 SLM方法限制OFDM系统PAPR的分析254.3 SLM方法限制OFDM系统PAPR的仿真254.4 限幅算法与SLM算法性能对比与分析284.5 本章小结29结论与展望31参 考 文 献32致 谢33第一章 绪论 通信已经成为社会发展潮流中不可或缺的角色，越来越多的人开始关注通信领域的发展。从90年以来，人们在无线通信技术中对高质量和高速率的需求日益增加，使得通信行业的研究提升到了一个很高的高度。1.1研究背景及其意义无线通信技术在最近几十年开始慢慢的成为了世界技术发展的导向，从1G的模拟蜂窝网络到如今的4G-LTE。无线通信技术慢慢成为了社会技术发展的风向标，人们开始越来越重视无线通信技术的发展。随着社会不断的进步，人们需求的不断提高，对无线通信技术中的传输数率和质量都提出的很高的要求。早期的1G无线通信技术主要是模拟蜂窝数据网络以及无绳电话，蜂窝数据网络系统采用频分（FDD）双工方式，即前向链路（由基站到移动台）和反向链路（由移动台到基站）使用分开的频段，调制方式为模拟调频。然而由于1G的频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等各种原因，在竞争中逐渐的被淘汰掉了3。相对于早期的1G无线网络，2G系统采用了更先进的数字技术。除了传统的语音话务，还提供了数据业务。包括，数字蜂窝网络系统、个人通信业务（PCS）系统和无线数据网络系统1。最早的数字蜂窝网络系统是全球移动通信系统（GSM），是目前用户最多的数字蜂窝网络。无线数据网络分为移动数据网络、无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）1。WLAN有两大标准，一个是IEEE，一个是ETSI3。其中IEEE 802.11a采用了OFDM调制技术4。3G技术的出现是为了建立一个全球统一的通信标准6，并逐渐融合和取代2G蜂窝系统、PCS系统和移动数据业务7。其中包括3G蜂窝网络和由各种WLAN和WPAN系统组成的宽带接点系统2。3G蜂窝网络可在大区域内为用户提供中低速率的多媒体服务，WLAN则在小区域热点地区为用户提供高速宽带业务，WPAN则为用户提供个人设备的无线连接。4G包括了TD-LTE和FDD-LTE两种制式，是一个远比3G更加复杂的通信系统。4G的实现需要依赖于许多新兴技术，OFDM（正交频分复用）就是其中的核心技术。OFDM是一种无线条件下的高速传输技术，主要是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上用一个子载波来进行调制，用各个子载波进行并行传输8。对于目前高速数据业务来说，单载波通信系统包括TDMA (Time Division Multiple Access)和窄带的CDMA系统都存在很大的缺陷，由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又很小，所以符号之间会存在比较严重的码间干扰（ISI, Inter Symbol Interference)，由此，对单载波TDMA系统中所使用的均衡器提出非常高的要求，包括要有足够多的抽头数量和训练符号等，而均衡算法的复杂度也大大增加。而对于窄带CDMA系统，主要问题在于扩频增益和高速数据流之间的矛盾。保持相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就要较低速数据流所使用的扩频增益小，从而限制了 CDMA抗噪声的能力。因此，人们开始关注OFDM系统，希望通过这种方法来提供更高速更快捷的无线业务。OFDM技术是一个多载波调制方案，它把输入的数据流划分成平行的并且正交的多个子载波，并低速率的传输。和连续性频道带宽相比，副载波的频带宽度很小，并且，每个子载波将会经历一个相对平坦的频道衰落5。OFDM是一个有效的带宽调制方案，在频率选择性衰减信道中有利于减小符号间的干扰（ISI）。OFDM技术的研究始于20世纪60年代，但因其复杂的结构所以开始主要应用于军事通信中，没能够得到进一步的推广应用。到70年代，随着将离散傅氏变换成功应用于多载波调制，OFDM技术走向实用化阶段。直到进入90年代后，OFDM技术才开始应用于无线信道的宽带传输领域。进入21世纪后，随着近代通信技术的快速发展，以及人们对业务的综合、高速和大容量的需要，加快了OFDM技术的发展，进而相应的出现了许多新的研究领域和新的发展动向6。1.2 OFDM技术发展和研究现状OFDM技术通过使用多个相互正交的子载波把无线通信信道划分成许多个相互正交的子信道，通过这样的做法虽然各个子信道之间的频谱是相互重叠的，但是OFDM系统的接收端却同样可以解调出OFDM系统发射端发射的基带信号，所以OFDM技术在第四代移动通信系统中具有很好地发展前景。OFDM技术具有抗多径干扰能力强和频谱利用率高等特点18，已经广泛运用于DAB（数字音频广播）、DVB（数字视频广播）、WLAN（无线局域网）等很多无线通信领域。但是该技术也存在一些缺点，高PAPR就是其中之一。高PAPR会使信号在发射和接收端发生畸变，这样会使OFDM系统的误码率性能下降。如果想要广泛的运用OFDM技术，就必须要解决高PAPR19。随着4G运用OFDM，解决PAPR的方法也如雨后春笋般兴起。近些年来，国际上一些研究机构和多所知名大学，有许多博士的博士论文开始就PAPR问题进行相应的研究。国内外学者围绕着如何降低OFDM系统的PAPR进行了大量的研究工作，出现了以不同的理论和假设为前提的抑制峰均功率比的方法20：（1）限幅法。限幅类方法是早期研究较多的方法。这种方法是通过设定预设值来削减输入信号的峰值来实现信号峰均功率比的抑制的，这样做会引起带内失真和带来带外辐射，而带内失真会导致系统误码率性能的下降，而带外辐射会直接导致信号频谱效率的降低。这种非线性方法虽然简单，但是给信号带来了失真，因此这种方法并不够完美。（2）压缩扩展变换法5。它是指利用律、A律等非均匀量化压扩函数通过对小功率信号的放大和大功率发射信号的压缩来保持平均功率不变，从而实现降低PAPR。（3）加权多载波调制法。它是指通过使用Hamming窗或Gaussianr窗进行加权，然后再进行FFT变换来降低PAPR的方法。（4）预畸变和畸变补偿法。预畸变是指为了避免减少信号在通过放大器后所产生的畸变，需事先针对该信号进行与放大器畸变特性相反的预畸变。畸变补偿是指针对被畸变的信号进行修正。（5）选择性映射法。选择性映射(SLM, Selective Mapping)法的本质是用U个统计独立的向量表示相同的输入信息，该组向量通过变换后求其PAPR值，从中选择具有最小PAPR值的一路时域符号用于传输。同时这U个OFDM符号要作为边带信息被发送。（6）部分传输序列法。部分传输序列(PTS, Partial Transmit Sequence)法9是指在信号进行IFFT前将其分成独立的M个子块，对这独立的M个子块单独进行相应的IFFT变换，将变换后的输出通过分别与一个相位旋转因子相乘来实现相位的旋转，通过对相位旋转因子的优化处理，发送相应具有最低PAPR值的OFDM信号，并将其对应的最优相位旋转因子作为边带信息发送。（7）分组编码法。分组编码法是通过先将比特流进行特殊的编码处理 (如应用奇偶校验位)，然后再将其进行IFFT变换，实现使得IFFT变换后输出的比特流经过调制后的PAPR较低。（8）雷德密勒码法21。雷德密勒(RM，Reed-Muller)码是通过将二阶 RM码分成若干子集实现对较大PAPR码字的分离，从而达到改善系统PAPR性能的目的。 概括现在世界上解决高PAPR的技术主要分为三类22：信号畸变类技术、编码类技术和概率类技术9。我们主要讨论信号畸变技术中的限幅法和概率类技术中的SLM（选择性映射）法。 （1）限幅法是早期使用较多的方法。这种方式主要是通过设定一个预设值来减小输入信号的峰值来实现抑制PAPR。这样的方法很明显会带来内失真和外辐射，内失真会导致系统误码率性能下降，而外辐射则会导致信号频谱效率降低。这样非线性的方法实现起来非常简单，但是给信号带来了失真，所以还需要进一步的改进和优化，在系统的运用中并不是特别理想。 （2）SLM（选择性映射法）的本质是用N个统计的独立向量表示相同的输入信息，通过把向量变换以后求其PAPR，从中选择最小的PAPR值的一路符号用于传输。同时用这N个OFDM符号要作为边带信息被发送。 目前各种方法都能从不同的角度改善系统的高PAPR问题，但是每种方法都有其缺点和劣势，例如限幅的方法是研究最早、最容易实现的，但是由于非线性操作，对信号带来不可避免的失真以及外辐射，从而导致误码率性能的下降等。概率类方法虽然可以比较好的控制误码率性能，但是实现复杂。1.3论文研究的主要内容 本文的主要内容是解决OFDM系统中的高PAPR问题，以提高OFDM的系统的性能，让OFDM可以有更广泛的运用。针对现有的抑制PAPR的方法选取两种做重点的讨论，一个是用限幅的方法抑制高PAPR的出现、一个是用SLM的方法降低PAPR。具体的研究内容如下： 第二章，OFDM系统介绍与系统中PAPR问题。主要介绍了OFDM技术的基本原理，以及OFDM系统的优缺点，并分析了OFDM存在的问题，引出PAPR对OFDM的影响以及解决高PAPR问题的重要性，分析了世界上解决PAPR的各类方法。 第三章，基于限幅方法抑制OFDM高PAPR的算法的仿真和分析。详细分析了限幅Clipping算法对PAPR的抑制作用，对其优缺点进行分析，并对整个算法系统进行仿真和性能对比。 第四章，基于SLM方法抑制OFDM高PAPR的算法仿真和分析。详细分析了用SLM方法对PAPR的抑制作用，对其优缺点进行分析，并对整个算法系统进行仿真和性能对比。 最后，给出本文研究工作的总结，并对处理OFDM中高PAPR问题的研究方向进行展望。第二章 OFDM系统原理概述 作为4G和LTE-A时代主流的无线通信技术，对OFDM进行必要的介绍，了解OFDM技术的思想和原理有助于我们对OFDM技术的进一步研究。掌握OFDM系统中使用的主要技术也是有助于我们对其进行改进的关键。2.1 OFDM系统基本模型 OFDM是人们为了克服频域上出现的多径信道选择性衰落特性而产生的，是多载波传输的典型技术。因为多径的选择性衰落，人们很自然的就想到在信道上划分出多个子信道传输，这样每一个子信道的频谱特性就趋于平坦，用多个相互独立的子信号进行合并，以实现新号的频率分集。每一个OFDM符号都是多个经过调制的子载波新号之和，其中的每一个载波的调制方式可以是PSK（相移键控）或者QAM（正交幅度调制）10。如果用N表示子载波的个数，T表示OFDM符号的宽度，di（i=0,1，N-1）是分配给每一个子信道的数据符号，fc是载波频率，则从t=ts开始的OFDM符号可以表示为式（2.1） （2.1） 在很多时候也会有式（2.2）来表示等效基带信号 （2.2）其中，式（2.2）的实部和虚部分别对应的是OFDM符号中的同相和正交分量13，在实际中分别和相应的子载波的余弦和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。图2.1给出了OFDM系统的基本模型框图。图2.1 OFDM系统基本模式框图2.2 OFDM的保护间隔和循环前缀2.2.1保护间隔 OFDM技术是之所以被人们采用，是因为它把输入信号分配到了N个并行的子信道上，从而使每一个OFDM符号的周期扩大为了原始符号的N倍，以对抗多径选择性衰落。但与此同时，时延扩展与符号周期的比值同样降低了N倍14。所以在OFDM系统中，为了最大限度地消除ISI（符号间干扰），在每个OFDM符号之间要插入GI（保护间隔），该保护间隔的长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量才不会干扰到下一个符号。在保护间隔以内，可以不插入任何信号，即空白间隔。但是这样的情况，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰（ICI），子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰15。2.2.2循环前缀 为了消除空闲间隔由于多径传播导致的ICI，一种方法就是将原来宽度为T的OFDM符号进行周期性扩展，用扩展信号来填充保护间隔。保护间隔内的信号称为CP（循环前缀）。循环前缀中的信号与OFDM系统中的符号尾部宽度为Tg的部分相同。做循环前缀即是把每一个OFDM符号的后Tg时间长度的样点复制到该OFDM符号前，形成循环前缀。 加入循环前缀后，一个OFDM符号的总长度变为Tg+TFFT。其中，Tg是循环前缀的长度，TFFT为OFDM符号的有效长度。假定信道的最大时延扩展为m，为了消除ICI，应满足在一个Tg>m。由于循环前缀没有任何有效信息，所以加入循环前缀带来的是功率和信息速率的损失，其中功率的损失为： （2.3） 信息速率的损失为： （2.4） 从上两式可以看出，虽然我们付出了一定的功率和信息速率的代价，但是通过采用循环前缀消除ICI，相比之下，功率和信息速率的代价就相当值得，但是我们还是需要选择适当的保护间隔长度，一般取Tg<TFFT/4。2.3 OFDM系统的参数选择 在OFDM系统中，我们需要确定各种参数。各项参数的选择都是在要求中折中考虑的。通常来说，我们需要确定：符号周期、保护间隔、子载波的数量。这些参数的选择取决于给定的信道带宽、时延扩展以及所要求的信息传输速率16。 一般情况下，保护间隔是无线信道的扩展均方根的2-4倍。确定保护间隔以后就可以确定OFDM符号周期。为了很好的减小由于插入保护间隔带来的功率损失，OFDM的符号周期要远远的大于保护间隔的长度。但是符号周期的增大，必然会增加系统实现的复杂度、OFDM系统需要包括更多的子载波，PAPR增大。通常情况下信号周期选取为保护间隔的5倍左右即可。之后，子载波数量就可以由信道带宽、数据吞吐量和有效的符号周期所决定17。子载波数可以设置为有效符号周期的倒数，即N=1/T，其数值与FFT处理过的点数对应18。2.4 OFDM系统的中的关键技术2.4.1 OFDM系统的中的同步技术 同步是数字通信系统中的关键技术。对于无线通信来说，信道存在时变性，传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的影响。与单载波相比，OFDM系统对同步精准的要求更高，同步的偏差会在OFDM系统中引起ISI和ICI。OFDM系统中的同步包括载波同步、样值同步和符号同步三个部分19。2.4.2 OFDM系统的中的信道估计 无线信道系统的性能主要受到无线信道的制约20。发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，而且和有线信道不同21。无线信道不是固定的可见的，具有很大的随机复杂性。OFDM系统可以等效为N个独立的并行子信道，如果不考虑噪声，N个子信道上的接受信号等于各自子信道上的发送信号与信道的频谱特性的频率卷积。如果我们通过估计的方法预先知道了信道的频谱特性，将各自子信道上的接收信号与信道的频率特性相除，即可实现接受信号的正确解调。由于多载波系统的信号是分布在时域和频域内的，所以二维信道估计成了信道估计的主要方法，即时域估计的方法和频域估计的方法。2.4.3 OFDM系统的中的信道编码 为了提高数字通信系统性能，我们常采用信道编码的方式。信道编码可以显著的提高数字通信系统的抗干扰能力。在OFDM系统中可以使用任意的传统信道编码，如分组码、卷积码等。随着移动通信和多媒体业务的发展，采用空时编码的方法已经成为社会趋向。空时编码可以在没有增加发生功率和信道带宽的情况下，极大的提高信道的容量，显著提高OFDM系统性能，已经成为下一代通信系统的热点技术。2.4.4 OFDM系统的中的峰均比 PAPR是指发射机输出信号为非恒定包络时，其峰值功率与平均功率的比值。当OFDM信号的N个正交子载波信号在其峰值处叠加时，就会产生最大峰值，其功率会是信号平均功率的N倍，相应的要求功率放大器具有很大的线性区域对信号进行处理。否则，当信号峰值进入放大器的非线性区域时，信号就会产生畸变，引起子载波之间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波间的正交性，降低系统性能。因此，我们必须采用一定的技术来降低信号的峰均功率比，使发射机中的功率放大器能够高效工作，提高系统的整体性能。2.5 OFDM系统的主要优缺点 如今，OFDM技术活跃在无线通信系统中。已经成为了4G的主流技术，人们开始集中越来越多的去把OFDM技术运用到无线通信领域的每一个角落。总结起来OFDM系统有以下优点： （1）抗符号间干扰能力强。只要通信系统的频带是一定的，就会受到ISI（符号间干扰）的影响。OFDM系统将高速数据流通过串并转换，使得每一个子载波上的符号周期相对增大，从而可以有效的降低ISI（符号间干扰）。间接的就减小了接收机的复杂度，甚至可以不采用均衡器，仅仅插入循环前缀就可以消除ISI的影响，提高系统的总体性能。 （2）抗多径能力强。在单载波的系统中，由于多径的影响，通信系统会受到很严重的干扰，甚至会导致通信失败。而由于无线信道存在频率选择性，不可能所有子载波在同一时刻都会处于比较深的衰落中。而且，就算处于比较深的衰落中，子信道也可以通过自适应调制的方式，降低传输速率来避免严重的误码，如果衰落严重，可以选择直接放弃掉受干扰严重的子载波，整个系统依然可以保持高效的传输性能。 （3）较高的频谱利用率。在频谱资源日益紧张的今天，节约频谱成了新兴技术所考虑的一个很重要的因素。传统的单载波传输，是将频带分成若干个不想交的子频带来传输数据，每一个子信道之间都需要保留一定的频隙作为保护频带，将各个子载波的频谱分离，这样接收端才可以对信号做准确的接受和解调。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，而且每一个子信道的频谱可以相互叠加，且不需要频隙来作为保护间隔，因此和常规的单载波频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源。当子载波数比较大时，OFDM系统的频谱利用率几乎是单载波系统频谱利用率的两倍。 （4）调制过程实现简单。OFDM每一个子载波都可以使用IFFT（快速傅里叶反变换）和FFT（快速傅里叶变换）来实现。随着集成电路的发展以及数字信号处理技术的大幅度提升，使得OFDM的调制模块的实现变得非常容易，为以后大规模使用OFDM技术提供了有力的支持。 （5）具有很强的兼容性。OFDM系统易于和其他多种接入方式、技术结合使用。其中包括MC-CDMA（多载波码分多址）、跳频OFDM、空时编码、分集、智能天线等。可以使得多个用户可以通过OFDM系统进行传输，提高了其物理层传输的可靠性。 任何技术都不可能做到完美，OFDM系统有很多优点，必然也会有很多缺点，与传统单载波相比，OFDM系统主要有以下两个缺点： （1）对于频率偏移和相位噪声比较敏感。与单载波相比，OFDM系统对子载波之间的正交性有着严格的要求，然后由于无线信道的时变性，在传输的过程中会产生频率偏移，或者发射机载波频率和接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会破坏到OFDM系统子载波之间的正交性。而且只有OFDM各个子载波的信号频谱保持正交性，接收端才可以正确的接受解调信号，所以，任何形式的频率偏移都会严重的影响到OFDM系统性能。 （2）存在较高的PAPR。由于OFDM的时域信号是由多路独立的调制信号叠加而成的，在极端的情况下，甚至会出现最高峰值为各路最高峰值之和。当然虽然这种情况基本不会出现，但是小概率出现远远大于信号均值的幅度是肯定的。过高的PAPR对系统的影响是非常大的。出现高PAPR就要求发射机内的一些部件具有很大的线性动态范围以适应高PAPR的OFDM系统，大大增加了设备成本。反过来，这些部件的非线性也会使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干扰，影响OFDM系统性能。2.6 OFDM系统的PAPR 信号的PAPR（峰均功率比）过大会引起很多问题，如降低发射机和接收机功率放大器的有效性，增加了部分设备的复杂度，导致整个系统性能下降，成本提高等等。如果想要很好的运用OFDM系统，必须采用一定的方法降低OFDM系统中的PAPR。2.6.1 OFDM系统的PAPR的定义OFDM系统中，信号是由多个独立的经过调制的子载波信号叠加而成的，这样的合成信号就会有可能产生较大的峰值功率，进而也就会带来较大的PAPR。峰均比可以定义为： （2.5）式中，表示经过IFFT计算过后的输出信号。E表示数学期望，即均值。在OFDM系统中，。 有时也会用到CF（峰均包络幅度比）来描述OFDM系统的峰均比，它定义为基带调制信号的幅值幅度和均方根幅度之比，其定义如下： （2.6） 2.6.2 放大器非线性对OFDM中PAPR的影响高PAPR带来的影响主要体现在发射机和接受机的功率放大器上。由于一般的功率放大器都不是线性的，而且动态范围有限，所以当OFDM中变化范围较大的信号通过了这些非线性器件（例如信号进入放大器的非线性区域）时，信号会产生非线性失真，产生谐波，造成明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变，使整个系统的性能下降，同时还会增加A/D和D/A转换器的复杂度，且降低他们的准确性。 2.6.3 OFDM系统中PAPR的分布对于包含N个子载波的OFDM系统，经过IFFT计算得到的功率归一化复基带信号是： （2.7）其中表示第k个子载波上的调制信号。对于QPSK来说，。独立同分布，均值为0，方差为1。由中心极限定理可知，只要载波数N足够大，就可以确定的实部和虚部都遵循高斯分布，均值为0，方差为0.5（实部和虚部各占信号功率的一半）。可知，OFDM信号的幅值r服从瑞利分布，其概率密度函数；而其功率分布则要服从两个自由度的中心分布的概率密度函数为，因此可以计算得到其累积分函数（CDF）为： （2.8）对于子载波为N的OFDM系统，假设OFDM符号周期内每一个采样值之间都不相关，即没有采样的时候，则OFDM符号周期内的N个采样值中每个样值的功率都小于门限值z的概率分布，而由于平均功率归一化，这也就是的概率，即累积分布函数CDF的表达式为： （2.9）2.6.4 评价降低OFDM系统PAPR的技术好坏的因素目前所提出的各种降低PAPR方法的技术都是以一些其他的技术指标的牺牲为代价的，例如增加信号功率、增加误码率、降低数据传输速率、增加算法复杂度、增加设备成本等等。在实际的运用中需要对各个因素进行折中的考虑，选择最恰当最合适现实场景的方法。而一种降低PAPR方法的好坏有以下几点考虑的因素：