的成本。为了达到以上目标, 4G中必须采用其他相对于3G中的CDMA这样的突破性技术,尤其是要研究在移动环境和有限频谱资源条件下,如何稳定、可靠、高效地支持高数据速率的数据传输。因此,在4G移动通信系统中采用了正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM)技术作为其核心技术,它可以在有效提高传输速率的同时,增加系统容量、避免高速引起的各种干扰,并具有良好的抗噪声性能、抗多径信道干扰和频谱利用率高等优点。 2.2 OFDM技术的基本原理

OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing,中文含义为正交频分复用技术OFDM技术属于多载波调制(Multi-Carrier Modulation, MCM)的一种,是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线通常是非平坦的,而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。这样,每条链路都可以独立调制,因而该系统不论在上行还是在下行链路上,都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。因此,尽管总的信道是非平坦的,且具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,这样就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,于是它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易被外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输环境中。

由于多径传播效应会造成接收信号相互重叠,产生信号波形间的相互干扰,形成符号间干扰(Inter symbol Interference, ISI),如果每个子信道的带宽被划分的足够窄,每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的因此,每个子信道都可看作无符号间干扰的理想信道。这样,在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。在OFDM系统中,通过在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性,以及消除由于多径传播效应所引起的OFDM符号间的干扰。因此,OFDM特别适合于在存在多径衰落的移动无线信道中高速传输数据。OFDM的原理框图如2所示。

图2

如图2所示,原始高速率比特流经过串/并变换后变为若干组低速率的比特流d(M),这些d(M)经过调制后变成了对应的频域信号,然后经过加循环前缀、D/A变换，通过RF发送出去;经过无线信道的传播后,在接收机以与发送机相反的顺序接收解调下来,从而得到原发送信号。图2中d(M)为第M个调制码元;图中的OFDM已调制信号D(t)的表达式为:

, ] (1) D(t)??d(n)exp(j2?fnt) t?[0Tn?0M?1式(1)中:T为码元周期加保护时间; fn为各子载波的频率,可表示为:

fn?f0?n/Ts (2)

式(2)中: f0为最低子载波频率; Ts为码元周期。在发射端,发射数据经过常规QAM调制形成基带信号。然后经过串并变换成M个子信号,这些子信号再调制相互正交的M个子载波,其中/正交0表示的是载波频率间精确的数学关系,其数学表示为?fx(t)fy(t)dt?0,最后相加成OFDM发射信号。实际的输出信号可表

0T示为:

D(t)?Re{?d(n)exp(jwnt)}

n?0M?1在接收端,输入信号分成M个支路,分别用M个子载波混频和积分,恢复出子信号,再经过并串变换和常规QAM解调就可以恢复出数据。由于子载波的正交性,混频和积分电路可以有效地分离各子载波信道,如下式所示:

d'(m)???d(n)exp(jwnt)exp(?jwnt)dt0n?0TTM?1??d(t)?exp[j(wn?wm)t]dtn?00M?1

??d(n)?n?0M?1Texp[j2?(n?m)t]dt?d(m)Ts0式中d(m )为接收端第m支路子信号。

3 OFDM技术中PAPR问题

3.1 PAPR产生的原因

OFDM技术缺点之一是信号存在较高的峰值平均功率比(PAPR).由于

OFDM信号是由多个相互独立的子载波组成,随着子载波数的增加,其波形的幅值呈高斯分布.结果,OFDM信号的峰值功率要比平均功率大得多。高峰平比信号通过前端功放时,为了避免信号的非线性失真与带外频谱再生,需要功放具有比较大的线性范围,使得功放有较大的回退,功放效率比较低.这已经成为OFDM技术实 用化的一大障碍。

对于包含N个子载波的OFDM系统来说,经过IFFT计算得到的功率归一化(方差为1)的复基带子信号为:

1x(n)?N?Xkexp(k?0N?1j2?nk),n?0,1,2,...,N?1 (3) N其中，Xk是数据符号，N是子载波个数。

OFDM系统的峰均比是指信号峰值功率与平均功率的比值，OFDM复合的

PAPR定义为：

max{|xn|2} PAPR(dB)?10log10 (4) 2E{|xn|}其中xn,是IFFT之后所得到的输出子信号,见式(3)。E{.}表示均值。可见当N个子载波都以相同的相位求和时,所得到的OFDM符号中子信号的峰值功率就是平

均功率的N倍,因此基带信号的最大峰均功率比可以为PAPRmax(dB)?10log10N。当N较大时,如图3所示(N=16)的情况中,这是一种极端的情况,对于输入信号是随机信号的情况,出现这种高峰值的可能性很小,但也说明OFDM系统的峰均功率比很高。

图3 N=16的OFDM系统存在较大PAPR的问题

3.2 降低PAPR的方法

目前已经提出很多种降低峰均功率比的方法,例如限幅、限幅滤波、编码、音调保留(TR)、音调注入(TI)、有效星座扩展(ACE)及多信号表示法包括部分传送序列(PTS)、选择性映射(SLM)等。抑制峰均功率比的方法大致可以分为3类: (1)信号预畸变技术:在信号放大之前,先对功率值大于门限的信号进行非线性畸变,包括限幅、峰值加窗和峰值消除等操作,好处是直观、简单,但信号畸变对系统性能造成的损害是不可避免的。首先,对系统造成自身干扰,导致系统的BER性能恶化;其次,非线性畸变会引起带外辐射功率的增加,实际上限幅操作可以认为是OFDM采用符号与矩形窗函数相乘,如果OFDM信号的幅值小于门限值,则矩形窗函数的幅值为1;如果信号幅值需要被限幅,该窗函数的幅值应该小于1,根据时