《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > OFDM系統(tǒng)峰均比改善及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
OFDM系統(tǒng)峰均比改善及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
崔 苗1,2,, 尹俊勛1,, 楊于村1, 黃世友3
1. 華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院, 廣東 廣州510640,;2. 廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006,;3. 中國(guó)電子科技集團(tuán)第七研究所,, 廣東 廣州510310
摘要: OFDM系統(tǒng)高峰均比是其在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)瓶頸。依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中算法復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)可行性要求,,使用預(yù)畸變類(lèi)技術(shù)降低系統(tǒng)峰均比,,降低了算法復(fù)雜度,提高了可實(shí)施性,,同時(shí)獲得可靠的系統(tǒng)誤碼率性能,。仿真結(jié)果表明, 該方法能有效降低任意子載波數(shù)據(jù)的OFDM信號(hào)的PAPR,而且與其他方法相比應(yīng)用更為簡(jiǎn)單,。
中圖分類(lèi)號(hào): TN924
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
PAPR reduction for OFDM and system implementation
CUI Miao1,2,,YIN Jun Xun1,YANG Yu Cun1,, HUANG Shi You3
1. School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China,;2. Faculty of Information, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;3. China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China
Abstract: High peak-to-average power ratio (PAPR) of OFDM is a bottleneck of its realization. According to request of complexity and feasibility in real actual system, this paper proposes the algorithm based on signal pre-aberrance for PAPR reduction in real OFDM system, which reduce the complexity of algorithm and satisfy the real-time requirement. It is shown by computer of carriers and its implementation complexity is much low in comparison to the previous methods.
Key words : OFDM system; peak-to-average power ratio (PAPR),; complementary cumulate distribute function(CCDF)

    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(duì)抗多徑衰落的特點(diǎn),,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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一部分,。OFDM技術(shù)在軍事無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)?huì)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1,2],。但OFDM系統(tǒng)最主要的缺點(diǎn)是具有較大的峰值平均功率比(PAPR),它直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本和效率,。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的峰值時(shí),,要求功率放大器、A/D,、D/A轉(zhuǎn)換器具有很大的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍,,否則當(dāng)信號(hào)峰值進(jìn)入放大器的非線(xiàn)性區(qū)域時(shí),,就會(huì)使信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍的功率放大器,,或者對(duì)功率放大器的工作點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償,但是這樣做將會(huì)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(fèi)掉,。
  近年來(lái)研究人員通過(guò)分析,提出很多有效降低PAPR的方法[4],,主要分為以下三類(lèi):(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(lèi)技術(shù),,降低PAPR為線(xiàn)性過(guò)程,,它不會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生畸變,但其計(jì)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(lèi)技術(shù),,包括通過(guò)部分傳輸序列(PTS)和選擇映射(SLM)兩種方法,這類(lèi)算法屬于非畸變減小PAPR的方法,,可減少大峰值功率信號(hào)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(cuò),,系統(tǒng)會(huì)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(gè)可以接受的范圍內(nèi)。此外,,結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)及其峰均比問(wèn)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(duì)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(guò)采樣、串并轉(zhuǎn)換、插入保護(hù)子載波和Pilot,、IFFT運(yùn)算,、時(shí)域信號(hào)用FFT轉(zhuǎn)換到頻域,然后人為地將帶外信號(hào)置零,再用 IFFT將信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域,,這樣就完成了對(duì)信號(hào)的濾波過(guò)程,。通過(guò)這樣處理(即濾波)后的信號(hào)沒(méi)有任何帶外干擾,與未限幅的OFDM 信號(hào)一樣,。接下來(lái),,系統(tǒng)加入時(shí)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(xiàn)發(fā)射。而在接收端具有相應(yīng)的信號(hào)處理過(guò)程,,此外時(shí)域連續(xù)導(dǎo)頻用于同步模塊和信道估計(jì)模塊,,同步模塊是估計(jì)和糾正接收信號(hào)的載波頻率偏移,信道估計(jì)模塊旨在不斷對(duì)信道進(jìn)行跟蹤,。最后接收端對(duì)所有的OFDM符號(hào)都進(jìn)行修正,,恢復(fù)原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
    信號(hào)預(yù)畸變方法對(duì)OFDM信號(hào)中幅度超過(guò)門(mén)限的部分進(jìn)行限幅,,但是限幅使OFDM信號(hào)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(huì)使OFDM信號(hào)的PAPR回升,同時(shí)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(wèn)題及限幅濾波法
    OFDM系統(tǒng)PAPR定義為信號(hào)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(guò)某一門(mén)限值z(mì)的概率,,即互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)是最常用來(lái)衡量PAPR減小技術(shù)的一個(gè)指標(biāo),PAPR的CCDF表示數(shù)據(jù)塊PAPR大于某一給定門(mén)限的概率,,假設(shè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)每個(gè)采樣值之間是不相關(guān)的,,則OFDM符號(hào)周期的N個(gè)采樣值當(dāng)中每個(gè)樣值的PAPR都大于門(mén)限的概率,即得到OFDM系統(tǒng)的PAPR分布:
       

    從以上幾個(gè)式子可以看出,OFDM信號(hào)具有很高的峰均比,在子載波為N的情況下,,OFDM信號(hào)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(shí)研究也表明,,當(dāng)N足夠大時(shí),,OFDM信號(hào)近似服從高斯分布,出現(xiàn)很高峰值的概率是很低的,。在實(shí)際工程應(yīng)用中,,常采用信號(hào)的瞬時(shí)峰均比來(lái)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(duì)信號(hào)進(jìn)行了過(guò)采樣處理,,如圖1虛線(xiàn)所示,。首先將時(shí)域信號(hào)用FFT轉(zhuǎn)換到頻域,然后人為地將帶外信號(hào)置零,,再用IFFT將信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域,,就完成了對(duì)信號(hào)濾波的過(guò)程。這樣濾波后的信號(hào)沒(méi)有任何帶外干擾,,與未限幅的信號(hào)一樣,。盡管會(huì)使IFFT的變換點(diǎn)數(shù)成倍增加,但這樣的結(jié)構(gòu)非常有助于對(duì)限幅失真信號(hào)的濾波處理,,可有效地利用OFDM系統(tǒng)本身的功能模塊來(lái)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(shí)過(guò)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(shí)際系統(tǒng)中采用128個(gè)子載波,其IFFT變換點(diǎn)數(shù)的增大不會(huì)造成系統(tǒng)硬件復(fù)雜度的增加,。因此,,在實(shí)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(hào)一起衰減,就減輕它對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響,。

2 性能仿真與分析
    使用MATLAB對(duì)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(hào)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(huì)導(dǎo)致峰值再生,但比限幅前的信號(hào)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(hào)的PAPR值,每次限幅濾波過(guò)程都能進(jìn)一步改善信號(hào)的PAPR特性,。當(dāng)CR=4,、CCDF=10-5時(shí),系統(tǒng)兩次限幅濾波后的PAPR=7 dB,,而CR=3.5,、CCDF=10-5時(shí),系統(tǒng)兩次限幅濾波后的PAPR=6.4 dB,。


    因而,,在實(shí)際16QAM-OFDM系統(tǒng)中,采用N=128子載波,,為了補(bǔ)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(mǎn)足發(fā)射端機(jī)EVM必須低于3%,,及減少計(jì)算的復(fù)雜度,,選擇兩次限幅濾波使得CCDF=10-4時(shí),PAPR最大值為6.8 dB,。
    圖4顯示在子載波N=512,、限幅門(mén)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(shí),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(hào)的PAPR,,而且與其他方法相比應(yīng)用更為簡(jiǎn)單,。由于在IFFT之前采用了過(guò)采樣,在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的帶內(nèi)干擾和帶外噪聲,,因此不影響整個(gè)系統(tǒng)的誤比特性能和頻譜效率,。仿真結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)兩次限幅濾波后的OFDM信號(hào)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(shí),,利用該方法后,PAPR得到了同樣的改善,。結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,,為了減少?gòu)?fù)雜度并得到較好的效果,選擇采用兩次限幅濾波即可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求,。
參考文獻(xiàn)
[1]     SALTZBERG B. Performance of an efficient parallel data transmission system. IEEE Trans. On Communications, 1967,15(6):805-811.
[2]     MUNOZ M,,RUBIO C G. A new model for service and  application convergence in B3G./4G networks[J]. IEEE Trans on Wireless Communcations, 2004,3(10):6-12.
[3]     LI Xiao Dong,, CIMINI L J. Effects of clipping and filtering  on the performance of OFDM. IEEE Communication Letters,  1998,2(5):131-133.
[4]     HEE H S, HONG L J. An overview of peak-to-average  power ratio reduction techniques for multicarrier transmission [J]. IEEE Wireless Communications, 2005,2:56-65.
[5]     WANG Lu Qing, TELLAMBURA C. Analysis of clipping  noise and tone-reservation algorithms for peak reduction  in OFDM system[J]. IEEE Transactions on Vehicular Tech  nology,2008,3:1675-1697.
[6]     BAXLEY R J, TONG Z G. Comparing selected mapping and partial transmit sequence for PAR reduction[J]. IEEE    Transaction on Broadcasting, 2007,4:797-803.
[7]     韓艷春,楊士中. OFDM系統(tǒng)PAPR減小技術(shù)綜述.電視技術(shù),,2006,,30(1):41-43.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。