摘 要

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）是一种区别于传统频分复用的特殊的复用技术，因此采用多载波传输方案。它还可以被看作是一种调制技术。OFDM不仅可以对抗多径传播造成的符号间干扰（Inter Symbol Interference，ISI），相较于传统的频分复用还具有频谱利用率高的优势，在宽带高速无线通信系统中应用前景非常广阔。但峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）过高是OFDM面临的最严峻的问题，要求放大器必须有较高的线性。为了解决这个问题，许多降低峰均比的算法被提出，其中效果尤为突出的是恒包络OFDM（Constant Envelope OFDM，CE-OFDM），CE-OFDM信号是载波信号的相位为OFDM符号的恒包络信号，峰均比被降为0dB。CE-OFDM是美国的联合战术电台系统开发的波形协议标准——宽带组网波形的一项关键技术。

本文首先介绍了OFDM系统的调制解调模型，然后设计了OFDM信号处理原理框图。之后阐述了峰均比的定义并简述了降低峰均比的不同方案，从而引出了将峰均比降为0dB的CE-OFDM信号。然后重点介绍了CE-OFDM系统，包括阐述了CE-OFDM信号的关键特征，设计了CE-OFDM系统的信号处理原理框图，研究设计了系统中的载波调制模块、相位调制模块、无线信道模型、信道估计与频域均衡模块和相位解调模块的算法。随后，本文利用MATLAB软件仿真平台设计仿真了恒包络OFDM调制解调算法，实现了这一具体功能。软件显示的结果证实了加性高斯白噪声信道环境中恒包络OFDM的功能良好。最后对CE-OFDM系统在不同信道下的性能进行分析，其中重点分析了加性高斯白噪声信道下CE-OFDM系统的仿真结果，通过对接收数据星座图的观察得出了信噪比与误码率之间的关系，并且根据OFDM和CE-OFDM误码率曲线证明在加性高斯白噪声信道下CE-OFDM可以与传统的OFDM相媲美。之后还分析了多径衰落信道下CE-OFDM系统的仿真结果。本文最后得出结论，表达了对CE-OFDM在未来宽带无线通信中的应用前景的看好，并希望在之后的学习生涯中可以对本文中尚且存在疑问的地方进行改进。

关键词：正交频分复用；恒包络；峰均比；调制解调

Abstract

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is a special multiplexing technology that is different from the conventional frequency division multiplexing, so a multi-carrier transmission scheme is adopted. It can also be seen as a modulation technique. OFDM can not only overcome the inter-symbol interference (ISI) caused by multipath propagation, but also has the advantage of high frequency spectrum utilization compared with the traditional frequency division multiplexing, and has a very broad application prospect in the broadband high-speed wireless communication system. However, the peak-to-average power ratio (PAPR) is too high to

be used efficiently for OFDM, and the amplifier must have high linearity. In order to solve this problem, many algorithms for reducing the peak-to-average ratio have been proposed. The most prominent one is the constant envelope OFDM (CE-OFDM). The CE-OFDM signal is a constant envelope signal of the carrier signal whose phase is an OFDM symbol. The peak-to-average ratio is reduced to 0dB. CE-OFDM is a key protocol for wideband networking waveforms developed by the U.S. Joint Tactical Radio System.

Firstly, in this paper, the OFDM modulation and demodulation system model is introduced. And the principle block diagram of OFDM signal processing is designed. After that, the definition of peak-to-average ratio is described and the different schemes for reducing the peak-to-average ratio are briefly described, which leads to CE-OFDM signal with the peak-to-average ratio reduced to 0 dB. And then the CE-OFDM system is introduced in detail, including the key features of CE-OFDM signal, the signal processing principle block diagram of CE-OFDM system is designed. The algorithms of carrier modulation module, phase modulation module, wireless channel model, channel estimation and frequency domain equalization module and phase demodulation module in the system are designed. Subsequently, in this paper, the constant envelope OFDM modulation and demodulation algorithm is simulated by using MATLAB software simulation platform design to achieve this specific function. The results shown by the software confirm that the function of the constant envelope OFDM in the additive Gaussian white noise channel environment is good. Finally, the performance of CE-OFDM system under different channels is resolved. This paper focuses on the simulation results that under additive white Gaussian noise channel of CE-OFDM system. The connection in signal to noise ratio and bit error rate is obtained through the observation of the received data constellation. And it is demonstrated that CE-OFDM can be comparable to traditional OFDM in additive white Gaussian noise channel according to the bit error rate curves of OFDM and CE-OFDM. Afterwards, the simulation results of CE-OFDM system under multi-path fading channel are also analyzed. Finally, this paper make a conclusion that it expresses the prospect of CE-OFDM in the future of broadband wireless communication. And it hopes that in the following learning career, the areas that are still in doubt can be improved.

Key Words：OFDM；constant envelope；peak-to-average power ratio；modulation and demodulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景 1

1.2 CE-OFDM的核心技术 2

1.3 课题的研究目的及意义 2

1.4 论文内容安排 3

1.5 本章总结 3

第2章 OFDM的理论基础和原理 4

2.1 OFDM系统的调制与解调模型 4

2.2 OFDM系统的DFT和FFT实现 7

2.3 保护间隔和循环前缀 8

2.4 OFDM的峰均比 10

2.4.1 OFDM信号峰值平均功率比的定义 10

2.4.2 OFDM系统降低峰均比技术 11

2.5 本章总结 12

第3章 CE-OFDM的原理与实现算法 13

3.1 CE-OFDM的基本特征 13

3.2 CE-OFDM的基本思想与系统模型框图 14

3.3 CE-OFDM关键模块的算法研究 17

3.3.1 载波调制模块 17

3.3.2 相位调制模块 20

3.3.3 无线信道模型 21

3.3.4 信道估计与频域均衡模块 23

3.3.5 相位解调模块 26

3.4 本章小结 27

第4章 CE-OFDM系统仿真与性能分析 28

4.1 CE-OFDM在AWGN信道中的仿真与性能分析 28

4.1.1 仿真参数的设置 28

4.1.2 CE-OFDM在AWGN信道中的性能分析 28

4.2 CE-OFDM在多径衰落信道中的仿真与性能分析 32

4.2.1 仿真参数的设置 32

4.2.2 CE-OFDM在多径衰落信道中的性能分析 33

4.3 本章总结 34

第5章 结束语 35

5.1 本文工作总结 35

5.2 本文未来展望 35

参考文献 36

致谢 38

第1章 绪论

在互联网技术和通信技术相辅相成的推动下，无线通信技术以集成化、智能化、多元化的发展趋势迅速占领通信市场，出现在生活、工作、人际交往等各个方面的应用中。特别是随着5G技术的即将面世，依托于4G良好的技术架构，未来的5G中用户体验到最强烈的一点就是显著提升的网络速率，直至10Gbps，也就是说一部清晰度很高的电影完成下载只需要一秒钟时间。这一点就需要更高的数据传输速率和灵活的组网能力，而多元化的应用则要求更全面的综合业务支持能力。

为了实现高速率的数据传输，需要一种在宽带无线通信领域有较大优势的调制技术作为基础。鉴于正交频分复用技术可以最大限度利用频谱资源、支持非对称高速率数据传输和抵抗恶劣无线信道环境中的多径干扰，它被认为是最具潜力的宽带通信传输技术之一^[1]。但它的高峰均功率比问题限制了它的发展，后来有学者提出了不同的降低PAPR方案，其中效果最好的是恒包络OFDM信号，可以将峰均比降为0dB，这个恒定包络的信号是通过对OFDM信号进行相位调制得到的^[2]。

1.1 课题的研究背景

宽带组网波形（Wideband Network Waveform，WNW）是美国国防部在软件无线电基础上研发的新一代无线电系统——联合战术无线电系统中的一种波形，编号为W5^[3]。宽带组网波形至关重要，它的发展程度将决定数据链路波形建设的发展。宽带组网波形这种新的波形协议标准利用多种编码技术、交织、OFDM、扩频技术等实现了语音信号、数据、视频信号三者一体无缝传输，支持高于2Mb/s的网络吞吐量和5Mb/s的端对端吞吐量，具有广泛的通信频段。因此在恶劣的战场环境中通信性能较好，这也是设计该无线电系统的初衷。

有4类空中信号格式（SiS）在WNW的协议栈的物理层中获得支持，信号格式如表1.1

表1.1 WNW的空中信号格式

其中，OFDM模式是宽带组网波形的平时工作模式，即最常用的工作模式。但是WNW-OFDM波形也存在较高峰均比的问题，这个缺陷使其不适合低功率、小体积的应用，因此在战场环境中比较受限。由此可见，在宽带组网波形性能的提高研究中，CE-OFDM这项技术非常重要，该技术中运用的功率放大器可以工作在非线性区域，很大程度上降低了功耗^[4]。因此，众多学者将研究目光聚焦在了恒包络OFDM技术上。

1.2 CE-OFDM的核心技术

直到现在，对CE-OFDM的研究依然是国外较多。通过查阅资料，总结出CE-OFDM主要有相位调制技术、相位解调技术、信道估计与频域均衡技术这几项核心技术。

其中，相位调制技术是指将OFDM实信号调制到载波信号的相位上进行相位变换，从而实现0dB峰均功率比的CE-OFDM信号的技术^[1]。那么，工作在非线性区域的功率放大器便可以在CE-OFDM系统中使用。CE-OFDM系统不需要增加输入功率补偿（Input-power Back Off，IBO），也就不会导致功率放大器效率降低，同时不需要大量功率资源，对移动电池供电设备的使用更有利。

相位解调技术则是要从已调相信号中尽可能恢复出接收机接收信号，因此相位调制技术是整个CE-OFDM系统的关键。常用的相位解调方案为由相位反正切和相位解卷绕两大模块组成的基于反正切的接收机相位解调器^[5]。但是这种相位解调器会出现“地板效应”问题，不能以较低的误码率解调出CE-OFDM中的相位信号。所以在2005年Steve C. Thompson等人在论文中对传统的限幅-鉴频器类型的FM接收机和二阶锁相环接收机的性能进行了对比分析，并且提出了一种新型的循环滑动消除器在阈值扩展方面有较好的效果^[6]。

由于无线信道的随机性，CE-OFDM系统在经过多径衰落信道后，首先需要采用信道估计对无线信道的特性进行估计，然后利用频域均衡器对信道造成的信号相位和幅度的影响做出补偿，最后才可以通过相干解调得到原信息。总之，信道估计是估计信道函数的过程，而频域均衡则是使用得到的信道估计来补偿信道的过程。

CE-OFDM的每一项关键技术在第三章进行具体分析阐述。

1.3 课题的研究目的及意义

随着未来对无线通信需求的不断增长，对更高频谱的需求愈演愈烈。在如此高的频率下，天线的组件的尺寸都必须非常小才可以使收发器在芯片级上实现。CMOS技术的进步使得CMOS成为低成本、高集成度、高频率收发器实现的非常具有吸引力的选择^[7]。

正交频分复用技术虽然以一种相对直接的方式适应了恶劣无线信道环境中的高速率数据链路，但是它的高峰均比问题导致一旦功率放大器出现非线性扭曲，信号就会畸变，输入功率补偿可以减弱影响，但是这样不仅极度消耗电池的功率资源，还会降低功率放大器效率。因此对于需要移动供电的设备弊大于利，不适合低功率、小体积的应用。而具有恒定包络的CE-OFDM可以使用成本比线性功率放大器更低的非线性功率放大器，且不需要输入功率补偿，从而在大大节省了设计成本的同时，也降低了系统的复杂度，更容易实现。而高效率放大也是确保在未经许可的60GHz频段正常运行系统的重要条件。因此，CE-OFDM为高频通信提供了更好的选择。

国内外学者正在研究CE-OFDM用于无线通信、光学通信^[8]、水声通信^[9]、电力线通信、卫星通信^[10-12]以及雷达等方面。其中，在军方海陆空数据链通信与民用无线电台系统中CE-OFDM的应用颇多^[13]，比如适用于战场环境的宽带组网波形。与此同时，CE-OFDM也被提出作为支持5G的毫米波段通信的有吸引力的选择。因此，CE-OFDM的研究对于军事、民用和商业的应用都是很重要的。

所以本文的主要研究目的是在理解和分析恒包络OFDM算法的基础上，利用MATLAB软件完成恒包络OFDM通信调制与解调器的设计与仿真。并且对不同通信环境下恒包络OFDM系统的性能进行分析评估。

1.4 论文内容安排

第二章主要介绍了OFDM系统的调制解调模型，并根据原理设计了OFDM信号处理原理框图。最后一节对比分析了降低峰均比的不同方法，并引出了恒包络OFDM技术。

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