正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)具有傳輸效率高和有效對抗多徑衰落的特點,，不但在數(shù)字音視頻領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,，而且已經(jīng)成為無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一部分。OFDM技術(shù)在軍事無線移動通信領(lǐng)域?qū)@得越來越廣泛的應(yīng)用[1,2],。但OFDM系統(tǒng)最主要的缺點是具有較大的峰值平均功率比(PAPR),，它直接影響著整個系統(tǒng)的運行成本和效率。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的峰值時,，要求功率放大器,、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器具有很大的線性動態(tài)范圍,，否則當(dāng)信號峰值進(jìn)入放大器的非線性區(qū)域時,，就會使信號產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生子載波間的互調(diào)干擾和帶外輻射,，破壞子載波間的正交性,，降低系統(tǒng)性能[3]。為了避免這種情況，傳統(tǒng)的方法是采用大動態(tài)范圍的功率放大器,，或者對功率放大器的工作點進(jìn)行補償,，但是這樣做將會使功率放大器的效率大大降低，絕大部分能量都轉(zhuǎn)化為熱能被浪費掉,。
　 近年來研究人員通過分析，提出很多有效降低PAPR的方法[4],，主要分為以下三類：(1)限幅濾波技術(shù),，由于OFDM系統(tǒng)較大峰值出現(xiàn)的概率非常小，它是一種非常直接和有效的降低PAPR的方法,。然而,，它將導(dǎo)致帶內(nèi)干擾和帶外噪聲[5]。(2)編碼類技術(shù),，降低PAPR為線性過程,，它不會使信號產(chǎn)生畸變，但其計算復(fù)雜度較高,，編解碼較麻煩,，且系統(tǒng)信息速率低，應(yīng)用該算法的系統(tǒng)不適合用QAM調(diào)制和子載波數(shù)多的情況,。(3)概率類技術(shù),，包括通過部分傳輸序列(PTS)和選擇映射(SLM)兩種方法，這類算法屬于非畸變減小PAPR的方法,，可減少大峰值功率信號出現(xiàn)的概率,。該方法需要一定的系統(tǒng)帶寬發(fā)送冗余信息，如果傳輸出錯,，系統(tǒng)會出現(xiàn)地板效應(yīng)[6],。
　 本文中采用限幅濾波技術(shù)并進(jìn)行了算法優(yōu)化[7]。該方法不僅能降低系統(tǒng)的PAPR,，而且可以有效地消除帶外噪聲,，并將帶內(nèi)失真控制在一個可以接受的范圍內(nèi)。此外,，結(jié)合實際系統(tǒng)設(shè)計要求,，此方法減低算法的復(fù)雜度并詳細(xì)介紹了其應(yīng)用方法及仿真結(jié)果。
1 OFDM系統(tǒng)設(shè)計及其峰均比問題
1.1 OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　 圖1是本文所采用的基于訓(xùn)練序列的OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,。如圖所示,，對輸入的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特進(jìn)行編碼、調(diào)制,、過采樣,、串并轉(zhuǎn)換、插入保護(hù)子載波和Pilot、IFFT運算,、時域信號用FFT轉(zhuǎn)換到頻域,，然后人為地將帶外信號置零,再用 IFFT將信號轉(zhuǎn)換到時域，這樣就完成了對信號的濾波過程,。通過這樣處理(即濾波)后的信號沒有任何帶外干擾,，與未限幅的OFDM 信號一樣。接下來,，系統(tǒng)加入時域連續(xù)導(dǎo)頻（preamble）,、插入循環(huán)前綴、并串轉(zhuǎn)換,，最后經(jīng)天線發(fā)射,。而在接收端具有相應(yīng)的信號處理過程，此外時域連續(xù)導(dǎo)頻用于同步模塊和信道估計模塊,，同步模塊是估計和糾正接收信號的載波頻率偏移,，信道估計模塊旨在不斷對信道進(jìn)行跟蹤。最后接收端對所有的OFDM符號都進(jìn)行修正,，恢復(fù)原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù),。
    信號預(yù)畸變方法對OFDM信號中幅度超過門限的部分進(jìn)行限幅，但是限幅使OFDM信號產(chǎn)生失真,，頻譜的帶外輻射分量較大,，前切后需要濾波，濾除譜的帶外分量,，濾波后又會使OFDM信號的PAPR回升,，同時接收端誤比特率(BER)上升，因此,，選擇適宜的限幅失真處理流程及濾波模型至關(guān)重要,。
1.2 OFDM系統(tǒng)峰均比問題及限幅濾波法
    OFDM系統(tǒng)PAPR定義為信號峰值功率與平均功率的比值，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
  
    峰均比超過某一門限值z的概率,，即互補累積分布函數(shù)(CCDF)是最常用來衡量PAPR減小技術(shù)的一個指標(biāo),，PAPR的CCDF表示數(shù)據(jù)塊PAPR大于某一給定門限的概率，假設(shè)OFDM符號周期內(nèi)每個采樣值之間是不相關(guān)的,，則OFDM符號周期的N個采樣值當(dāng)中每個樣值的PAPR都大于門限的概率,即得到OFDM系統(tǒng)的PAPR分布：
       

    從以上幾個式子可以看出,，OFDM信號具有很高的峰均比,在子載波為N的情況下，OFDM信號可能出現(xiàn)的最大PAPR為N,，因此,，必須降低系統(tǒng)的峰均比。但同時研究也表明,，當(dāng)N足夠大時,，OFDM信號近似服從高斯分布,，出現(xiàn)很高峰值的概率是很低的。在實際工程應(yīng)用中,，常采用信號的瞬時峰均比來衡量系統(tǒng)性能,。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

    本文在IFFT之前就對信號進(jìn)行了過采樣處理，如圖1虛線所示,。首先將時域信號用FFT轉(zhuǎn)換到頻域,，然后人為地將帶外信號置零，再用IFFT將信號轉(zhuǎn)換到時域,，就完成了對信號濾波的過程,。這樣濾波后的信號沒有任何帶外干擾，與未限幅的信號一樣,。盡管會使IFFT的變換點數(shù)成倍增加,，但這樣的結(jié)構(gòu)非常有助于對限幅失真信號的濾波處理,，可有效地利用OFDM系統(tǒng)本身的功能模塊來達(dá)到頻譜帶外濾波的目的,，有利于系統(tǒng)峰均比的降低，同時過采樣還可以明顯地提高系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的信息恢復(fù)率,，改善接收機(jī)誤碼率性能,。在實際系統(tǒng)中采用128個子載波，其IFFT變換點數(shù)的增大不會造成系統(tǒng)硬件復(fù)雜度的增加,。因此,，在實際應(yīng)用中，主要限制帶內(nèi)限幅噪聲的累積,，而限幅噪聲是在發(fā)送端產(chǎn)生的,，在衰落信道中將隨信號一起衰減，就減輕它對系統(tǒng)誤碼率的影響,。

2 性能仿真與分析
    使用MATLAB對本文所提出方案降低OFDM系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析,。其中OFDM信號采用16QAM調(diào)制方式。圖2和圖3顯示了在子載波數(shù)N=128,、數(shù)據(jù)子載波為100,，及CR=3.5或CR=4的情況下的仿真結(jié)果?？梢钥闯霾捎孟薹鶠V波算法可以有效降低PAPR,，雖然濾波會導(dǎo)致峰值再生，但比限幅前的信號峰值要小得多,，并且隨著限幅濾波次數(shù)的增大,，顯著降低了信號的PAPR值，每次限幅濾波過程都能進(jìn)一步改善信號的PAPR特性,。當(dāng)CR=4,、CCDF=10-5時，系統(tǒng)兩次限幅濾波后的PAPR=7 dB，而CR=3.5,、CCDF=10-5時,，系統(tǒng)兩次限幅濾波后的PAPR=6.4 dB。

    因而,，在實際16QAM-OFDM系統(tǒng)中,，采用N=128子載波，為了補償多徑信道引起的碼間干擾,，系統(tǒng)需做均衡處理,，此外還要滿足發(fā)射端機(jī)EVM必須低于3%，及減少計算的復(fù)雜度,，選擇兩次限幅濾波使得CCDF=10-4時,，PAPR最大值為6.8 dB。
    圖4顯示在子載波N=512,、限幅門限是4 dB條件下,，系統(tǒng)PAPR改善情況。由圖3和圖4相比,，可明顯看出在相同條件下而子載波數(shù)目不同時,，利用限幅濾波的方法后，系統(tǒng)的PAPR得到了同樣的改善,。

    限幅濾波是一種非常直接和有效降低PAPR的方法,，能有效降低任意子載波數(shù)據(jù)的OFDM信號的PAPR，而且與其他方法相比應(yīng)用更為簡單,。由于在IFFT之前采用了過采樣,，在實際應(yīng)用中不會導(dǎo)致嚴(yán)重的帶內(nèi)干擾和帶外噪聲，因此不影響整個系統(tǒng)的誤比特性能和頻譜效率,。仿真結(jié)果表明,，經(jīng)過兩次限幅濾波后的OFDM信號的PAPR值有非常顯著的改善，而且隨著限幅濾波次數(shù)的增加,，PAPR改善值也提高了,。此外，系統(tǒng)的子載波數(shù)目不同時,，利用該方法后,，PAPR得到了同樣的改善。結(jié)合實際系統(tǒng)設(shè)計要求,，為了減少復(fù)雜度并得到較好的效果,，選擇采用兩次限幅濾波即可滿足系統(tǒng)要求。
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