恒包络OFDM系统波形的设计

摘要

在宽带高速无线通信系统中，正交频分复用（OFDM）是一种具有广阔应用前景的多载波传输技术。它具有频率利用率高、对抗码间干扰和衰落能力强等优点，已经在4G等领域有了广泛的应用。然而，传统OFDM系统也存在诸如峰值平均功率比高、对频率偏移和相位偏移十分敏感等缺陷。尤其是高的峰均比会要求OFDM系统的发射机功放具有较大的动态范围，从而大大增加系统的复杂度。 在传统降低峰均比方法的基础上，本文重点研究了传统OFDM与恒包络调制的结合技术——恒包络正交频分复用（CE-OFDM），它借助频率调制或相位调制等恒包络调制技术，将传统OFDM信号二次调制在恒包络载波信号的频率或相位信息中，从而大大降低其峰均比，有效地解决了传统OFDM系统的高峰均比问题。并且，在CE-OFDM系统中也可以使用非线性功率放大器，这与传统OFDM系统相比功耗有了明显的下降。因此，对恒包络OFDM系统波形的设计与研究具有重要的意义。 本文首先研究了传统OFDM系统，包括其信号数学模型、循环前缀结构、信号带宽等，研究了其高峰值平均功率比的问题及相关已有降峰均比技术。接着，研究了CE-OFDM技术的基本原理和系统模型，包括其信号数学模型、子载波调制方式和子载波波形。其次，作为后文载波同步部分的基础，研究了一些载波同步的基本问题，包括同步模式、帧结构和估计性能界。接着，研究了CE-OFDM系统的传统反正切接收机与两种改进型接收机——基础线性接收机和增强接收机，通过对这三种接收机在不同调制阶数和不同调制指数的条件下进行仿真，可知传统反正切接收机适用于大多数情况，但其中包括一个复杂的解相位模糊算法，两种新型接收机在小调制指数下具有更好的性能，但是也会在大调制阶数的情况下出现性能恶化的问题。然后，本文提出了一种用于联合频相估计中的对称化解耦合技术，该技术可以有效地解决剩余频偏对相偏估计的影响，并基于此提出了串行联合频相估计器和并行联合频相估计器的概念。然后，在研究了CE-OFDM系统的相偏估计问题之后，提出了一种针对CE-OFDM系统的载波同步方案，即利用导频和旋转平均周期图算法进行粗估计，之后再利用循环前缀结构和循环前缀互相关算法进行细估计，仿真表明，级联算法具有较好的性能，且可以通过调整导频开销接近理想同步的性能。最后，本文基于Verilog HDL，在QuartusⅡ9.0和Modelsim SE10.1c的开发仿真环境下，对CE-OFDM调制器和解调器部分进行了FPGA实现，并分析了该设计的资源使用情况和处理速度，同时通过波形仿真验证了该方案的正确性。

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ABSTRACT

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 CE-OFDM系统

1.2.2 载波同步技术

1.3 论文主要内容及结构

第二章 恒包络OFDM基本原理

2.1 OFDM基本原理与其峰值平均功率比

2.1.1 OFDM基本原理

2.1.2 OFDM的峰均比问题

2.2 CE-OFDM基本原理

2.2.1 CE-OFDM信号与系统模型

2.2.2 CE-OFDM信号的带宽与频带利用率

2.3 载波同步基础

2.3.1 载波同步模式

2.3.2 估计性能界与帧结构

第三章 恒包络OFDM系统接收机的研究

3.1 传统反正切接收机

3.2 两种改进型接收机

3.2.1 基础线性接收机

3.2.2 增强型接收机

3.3 三种接收机的性能对比与分析

3.4 高调制阶数下两种改进型接收机存在的问题

第四章 对称化解耦合技术与恒包络OFDM系统载波同步

4.1 联合频相估计中的对称化解耦合技术

4.1.1 对称化解耦合技术原理分析

4.1.2 仿真结果与分析

4.2 CE-OFDM系统载波同步方案

4.2.1 CE-OFDM系统的相偏估计问题

4.2.2 CE-OFDM系统频偏估计方案

4.2.3 仿真结果与分析

第五章 恒包络OFDM系统调制解调器的FPGA实现

5.1 系统定标及量化字长

5.2 CE-OFDM调制器的FPGA实现

5.2.1 CE-OFDM调制器的基本原理和FPGA实现过程

5.2.2 CE-OFDM调制器的仿真分析

5.3 CE-OFDM解调器的FPGA实现

5.3.1 CE-OFDM解调器的基本原理和FPGA实现过程

5.3.2 CE-OFDM解调器的仿真分析

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 发表学术论文

3.2 申请（授权）专利

3.3 参与科研项目及获奖