4G移动通信系统信号峰值因子减小技术及硬件实现

摘要

近几年来，随着人们对信息传输数据越来越高的要求，需要更快、更可靠和更灵活的通信系统，正交频分复用(OFDM)这种多载波调制移动通信系统受到广泛关注。OFDM在频率选择性衰落信道中具有较好的抗多径效应能力，而且OFDM中子载波是相互正交的，比传统的频分复用系统更加有效地利用了频谱资源和减小了子载波之间的干扰，并且通过在 OFDM符号中添加循环前缀能有效地消除码间干扰，极大地简化了接收端的均衡器，进一步通过组合多输入多输出(MIMO)原理，MIMO-OFDM能提供比单输入单输出(SISO)OFDM更快的数据传输速率。正是因为这些杰出的特性，OFDM现在被广泛应用于各种数据传输系统中，也被采纳作为物理层传输标准。
　　然而，随着子载波增加，OFDM时域信号表现出具有较高的峰值因子(或者峰均比)。当OFDM信号通过功率放大器时，峰值信号将会被削峰，这会造成信号误码率增加，而且产生频谱扩散对邻近信道造成干扰。为了减小非线性失真需要有较大线性范围的功率放大器和较大动态范围的DA/AD转换器，这样不仅增加了硬件成本而且也减小了功放有效性，因此需要对OFDM信号进行峰值因子减小处理。
　　本文主要研究了峰值因子减小技术及其FPGA实现。首先介绍了OFDM系统的历史和基本原理，然后分析了OFDM峰值因子减小技术的参数，接着阐述了各种峰值因子减小技术。本文余下部分利用凸优化理论提出了一个新的峰值因子减小方法，该方法利用信号分解理论对OFDM削峰信号进行分解，通过求解最小化误差向量幅度(EVM)优化模型去达到信号峰值因子减小目标。计算机仿真实验结果表明，新方法能有效降低信号峰值因子，性能上优越于传统的非优化建模方法，而且与已有的优化模型相比，新方法在减小计算复杂度的同时保持了已有优化模型性能。
　　最后，本文在新方法的基础上提出了一个可实现的较低复杂度FPGA方案，并用基带LTE信号去测试算法性能，测试结果显示该设计方案能有效地降低原始信号峰值因子。

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引言

1绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3本论文构架和创新

2 OFDM基本原理和应用

2.1 OFDM系统历史和基本原理

2.2 OFDM系统的应用

2.3本章小结

3 OFDM信号参数

3.1 OFDM信号PAPR

3.2 OFDM信号的统计特性

3.3过采样OFDM特性

3.4削峰和量化噪声

3.5非线性功率放大器件对OFDM信号的影响

3.6 OFDM系统的EVM特性

3.7 本章小结

4峰值因子减小技术解决方法

4.1无失真PAPR减小方法

4.2失真法PAPR减小方法

4.3 OFDM系统PAPR减小设计准则

4.4 本章小结

5基于信号分解理论的最优化PAPR减小建模

5.1凸优化简介

5.2基于信号分解理论的优化建模

5.3标准内点法求解凸优化模型

5.4系统仿真与分析

5.5本章小结

6 OFDM信号峰值因子减小技术的FPGA实现

6.1易于FPGA实现的简化优化算法

6.2 简化算法的FPGA实现

6.3 FPGA系统测试结果

6.4 本章小结

7 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2主要贡献

7.3展望

参考文献

在学研究成果

致谢