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降低正交频分复用系统峰均功率比算法的研究

作　者: 张秀艳
导　师: 段玉波
学　校: 东北石油大学
专　业: 油气信息与控制工程
关键词: 峰均功率比部分传输序列法选择性映射法压扩变换误码率
分类号: TN919.3
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

大庆油田由于油气田众多，分布地域广，面临着外围油田人员短缺、工作环境艰苦、开发成本高，老区油田面临着产能建设规模大、新增用工压力加大，安全环保手段亟待提升等现实问题。2010年，油田公司要求完善信息管理平台，实现数据自动采集、过程自动控制、故障自动预警、场景视频监控，打造“数字油田”，目前，已经完成了对大庆老区、外围和高寒地区开展数字化技术和应用研究，并取得可观的经济效益，适合推广应用于大庆所有采油厂，但目前有线的信息传输方式无论是从信息传输速率还是带宽方面都无法满足全面推广数字化油田的需求，而4G移动通信系统以传输速度快，实时性好和带宽宽而著称，能够很好的满足大庆进行数字化油田建设的需求，其核心技术是正交频分复用(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术。OFDM技术是一种多载波调制技术，由于具有抗多径干扰能力强和频谱利用率高等优点，已广泛应用于DVB（数字视频广播）、DAB(数字音频广播)、WLAN(无线局域网)等领域。然而，OFDM系统中一个最主要的瓶颈在于系统中OFDM信号的峰均功率比(PAPR, Peak to Average Power Ratio)很大，这就要求系统中相应的如功率放大器、数/模转换器等器件要有足够大的线性动态范围（否则可能会导致这些器件的低效率和整个系统的性能下降），一旦这些部件的线性动态范围不能达到要求，就会引起信号的削波失真，致使整个系统通信质量下降，因此必须采用一定的技术降低OFDM系统的峰均功率比，提高OFDM系统的整体性能。针对上述问题，本文重点就如何能够有效的降低OFDM系统峰均功率比的算法进行了研究。首先，论文就限幅滤波法、压缩扩展变换法和矩阵变换法等信号预畸变技术进行相应的研究。针对限幅滤波算法，就限幅率与系统PAPR的降低效果之间的关系进行分析，研究表明提高整个系统的PAPR性能和降低系统误码率的性能是相互矛盾的，因此必须进行综合考虑。针对传统的压缩扩展变换法，提出迭代次数μ为3的压扩变换，通过对系统PAPR和误码率性能的仿真，与传统的压扩变换相比，在其BER基本不变的情况下，明显的降低了OFDM信号的PAPR，在一定程度上实现了抑制OFDM系统的高PAPR。根据PAPR的产生原因，发现通过矩阵变换能够降低数据序列非周期自相关性，通过寻求相应的变换矩阵进行变换的方法，从而达到降低系统的PAPR值的效果。通过仿真表明，矩阵变换法能够在不改变系统误码率的情况下实现对系统PAPR值的降低。其次，详细研究信号扰码技术中两种典型的降低系统峰均功率比的方法：选择性映射法（SLM, Selected Mapping）和部分传输序列法（PTS, Partial Transmit Sequence）。针对传统的SLM方法计算量大的问题，提出了选取统计独立向量数U=4和利用矩阵变换替换部分IFFT变换的改进的SLM方法，通过仿真验证该改进的SLM方法可以在减小计算量但又不增加系统误码率的情况下改善系统的PAPR性能。通过对PTS方法的研究，提出了选用迭代优化算法寻求加权系数，采用载波数K=128、子块分割数V=8和采用降低效果也比较好且性能也比较稳定的相邻分割的改进的PTS方法，仿真结果表明，改进的PTS方法能够在不改变系统误码率的前提下，实现对系统PAPR值的降低。最后，论文提出基于以上几种算法的组合算法来降低OFDM系统中的峰均功率比PAPR。首先提出了矩阵变换法与改进的PTS和矩阵变换法与改进的SLM相结合的组合算法，这种算法是通过利用变换矩阵来改善数据的非周期自相关性来实现对系统PAPR值的降低，这种算法能在保证误码率的前提下降低系统的PAPR，但这种算法的计算量会增大。其次，根据限幅法和改进的PTS与改进的SLM方法性能互补的特性，提出了限幅法与改进的PTS的组合算法和限幅法与改进的SLM的组合算法，研究其级联次序，找到组合算法的最佳级联顺序，对组合算法的PAPR性能和误码率性能进行仿真，验证限幅法与改进的PTS和改进的SLM的组合算法对降低系统峰均功率比的可行性和有效性。随后，根据压缩扩展变换法和改进的PTS与改进的SLM方法性能互补的特性，提出PTS-CCET和SLM-CCET的组合算法，使系统在保持一定的复杂度和误码率情况下，进一步实现对系统PAPR值的降低。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
创新点摘要  8-11
第一章绪论  11-19
  1.1 课题研究的背景  11-12
  1.2 课题研究的意义  12-14
  1.3 课题的发展现状  14-17
  1.4 论文研究的主要内容  17-19
第二章 OFDM 系统中的峰均功率比  19-32
  2.1 引言  19
  2.2 OFDM 系统基本原理  19-27
    2.2.1 OFDM 符号表示  19-20
    2.2.2 OFDM 系统中子载波间干扰的形成  20-21
    2.2.3 OFDM 系统的实现  21-26
    2.2.4 OFDM 的优点与不足  26-27
  2.3 OFDM 系统中高峰均功率比 PAPR 的产生原因  27
  2.4 信号峰均功率比 PAPR 的定义及其统计分布特性  27-29
    2.4.1 信号峰均功率比 PAPR 的定义  27-28
    2.4.2 统计特性  28-29
  2.5 放大器对 OFDM 系统 PAPR 的影响  29-30
  2.6 降低系统 PAPR 的主要方法  30-31
  2.7 本章小结  31-32
第三章基于信号预畸变技术和矩阵变换技术降低 OFDM 系统的峰均功率比  32-50
  3.1 引言  32
  3.2 限幅法  32-36
  3.3 压扩变换(MCT)法  36-44
    3.3.1 压扩变换法的基本原理及性能仿真  36-38
    3.3.2 压扩变换对 BER（误码率）的影响  38-39
    3.3.3 改进的压扩变换方法  39-44
  3.4 矩阵变换法  44-49
    3.4.1 系统模型  44-46
    3.4.2 变换矩阵  46-48
    3.4.3 仿真结果  48
    3.4.4 矩阵变换法对误码率(BER)的影响  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第四章基于信号扰码技术降低 OFDM 系统的峰均功率比  50-69
  4.1 引言  50
  4.2 SLM 方法的研究  50-57
    4.2.1 传统的 SLM 方法  50-53
    4.2.2 改进的 SLM 方法  53-57
    4.2.3 系统 BER 分析  57
  4.3 部分传输序列法（PTS）  57-66
    4.3.1 寻求加权系数的迭代优化算法  58-59
    4.3.2 不同的分割方法对系统 PAPR 的影响  59-62
    4.3.3 系统不同性能参数对 PAPR 的影响  62-64
    4.3.4 PTS 方法的性能仿真结果及分析  64-66
    4.3.5 改进的 PTS 方法系统误码率的分析  66
  4.4 改进的 PTS 方法和改进的 SLM 方法之间的性能比较  66-67
  4.5 本章小结  67-69
第五章降低 OFDM 系统峰均比的组合算法的研究  69-93
  5.1 引言  69
  5.2 矩阵变换法与 PTS 方法和改进的 SLM 方法相结合的组合算法  69-77
    5.2.1 矩阵变换法与 PTS 方法相结合的组合算法  69-73
    5.2.2 矩阵变换法与改进的 SLM 结合的组合算法  73-76
    5.2.3 矩阵变换法与 PTS 和矩阵变换法与 SLM 的组合算法的比较  76-77
  5.3 限幅法与改进的 PTS 和改进的 SLM 方法结合的组合算法  77-83
    5.3.1 限幅法与改进的 PTS 方法相结合的组合算法的研究  77-80
    5.3.2 限幅法与改进的 SLM 结合的组合算法研究  80-83
  5.4 改进的 PTS 方法和改进的 SLM 方法与循环压扩变换的组合算法  83-90
    5.4.1 改进的 PTS 方法与循环压扩变换方法的组合算法  83-86
    5.4.2 改进的 SLM 方法与循环压扩变换方法相结合的组合算法  86-89
    5.4.3 改进的 PTS 和改进的 SLM 与压扩变换组合算法  89-90
  5.5 各种组合算法的仿真性能分析与比较  90-91
  5.6 本章小结  91-93
结论  93-95
参考文献  95-103
发表文章目录  103-107
致谢  107-108
详细摘要  108-116

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