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OFDM系统峰均比改善及系统实现
崔 苗1,2, 尹俊勋1, 杨于村1, 黄世友3
1. 华南理工大学 电子与信息学院, 广东 广州510640;2. 广东工业大学 信息工程学院, 广东 广州 510006;3. 中国电子科技集团第七研究所, 广东 广州510310
摘要:OFDM系统高峰均比是其在实际应用中的一个瓶颈。依据实际系统中算法复杂度和实现可行性要求,使用预畸变类技术降低系统峰均比,降低了算法复杂度,提高了可实施性,同时获得可靠的系统误码率性能。仿真结果表明, 该方法能有效降低任意子载波数据的OFDM信号的PAPR,而且与其他方法相比应用更为简单。
中图分类号:TN924
文献标识码: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)

正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术具有传输效率高和有效对抗多径衰落的特点,不但在数字音视频领域得到了广泛的应用,而且已经成为无线局域网标准的一部分。OFDM技术在军事无线移动通信领域将会获得越来越广泛的应用[1,2]。但OFDM系统最主要的缺点是具有较大的峰值平均功率比(PAPR),它直接影响着整个系统的运行成本和效率。当系统产生很大的峰值时,要求功率放大器、A/DD/A转换器具有很大的线性动态范围,否则当信号峰值进入放大器的非线性区域时,就会使信号产生畸变,产生子载波间的互调干扰和带外辐射,破坏子载波间的正交性,降低系统性能[3]。为了避免这种情况,传统的方法是采用大动态范围的功率放大器,或者对功率放大器的工作点进行补偿,但是这样做将会使功率放大器的效率大大降低,绝大部分能量都转化为热能被浪费掉。
  近年来研究人员通过分析,提出很多有效降低PAPR的方法[4],主要分为以下三类:(1)限幅滤波技术,由于OFDM系统较大峰值出现的概率非常小,它是一种非常直接和有效的降低PAPR的方法。然而,它将导致带内干扰和带外噪声[5]。(2)编码类技术,降低PAPR为线性过程,它不会使信号产生畸变,但其计算复杂度较高,编解码较麻烦,且系统信息速率低,应用该算法的系统不适合用QAM调制和子载波数多的情况。(3)概率类技术,包括通过部分传输序列(PTS)和选择映射(SLM)两种方法,这类算法属于非畸变减小PAPR的方法,可减少大峰值功率信号出现的概率。该方法需要一定的系统带宽发送冗余信息,如果传输出错,系统会出现地板效应[6]。
  本文中采用限幅滤波技术并进行了算法优化[7]。该方法不仅能降低系统的PAPR,而且可以有效地消除带外噪声,并将带内失真控制在一个可以接受的范围内。此外,结合实际系统设计要求,此方法减低算法的复杂度并详细介绍了其应用方法及仿真结果。
1 OFDM系统设计及其峰均比问题
1.1 OFDM系统结构

  图1是本文所采用的基于训练序列的OFDM系统结构图。如图所示,对输入的随机二进制数据比特进行编码、调制、过采样、串并转换、插入保护子载波和Pilot、IFFT运算、时域信号用FFT转换到频域,然后人为地将带外信号置零,再用 IFFT将信号转换到时域,这样就完成了对信号的滤波过程。通过这样处理(即滤波)后的信号没有任何带外干扰,与未限幅的OFDM 信号一样。接下来,系统加入时域连续导频(preamble)、插入循环前缀、并串转换,最后经天线发射。而在接收端具有相应的信号处理过程,此外时域连续导频用于同步模块和信道估计模块,同步模块是估计和纠正接收信号的载波频率偏移,信道估计模块旨在不断对信道进行跟踪。最后接收端对所有的OFDM符号都进行修正,恢复原始的二进制数据。
信号预畸变方法对OFDM信号中幅度超过门限的部分进行限幅,但是限幅使OFDM信号产生失真,频谱的带外辐射分量较大,前切后需要滤波,滤除谱的带外分量,滤波后又会使OFDM信号的PAPR回升,同时接收端误比特率(BER)上升,因此,选择适宜的限幅失真处理流程及滤波模型至关重要。
1.2 OFDM系统峰均比问题及限幅滤波法
OFDM系统PAPR定义为信号峰值功率与平均功率的比值,数学表达式如下:

峰均比超过某一门限值z的概率,即互补累积分布函数(CCDF)是最常用来衡量PAPR减小技术的一个指标,PAPR的CCDF表示数据块PAPR大于某一给定门限的概率,假设OFDM符号周期内每个采样值之间是不相关的,则OFDM符号周期的N个采样值当中每个样值的PAPR都大于门限的概率,即得到OFDM系统的PAPR分布:

从以上几个式子可以看出,OFDM信号具有很高的峰均比,在子载波为N的情况下,OFDM信号可能出现的最大PAPR为N,因此,必须降低系统的峰均比。但同时研究也表明,当N足够大时,OFDM信号近似服从高斯分布,出现很高峰值的概率是很低的。在实际工程应用中,常采用信号的瞬时峰均比来衡量系统性能。其数学表达式为:

本文在IFFT之前就对信号进行了过采样处理,如图1虚线所示。首先将时域信号用FFT转换到频域,然后人为地将带外信号置零,再用IFFT将信号转换到时域,就完成了对信号滤波的过程。这样滤波后的信号没有任何带外干扰,与未限幅的信号一样。尽管会使IFFT的变换点数成倍增加,但这样的结构非常有助于对限幅失真信号的滤波处理,可有效地利用OFDM系统本身的功能模块来达到频谱带外滤波的目的,有利于系统峰均比的降低,同时过采样还可以明显地提高系统调制解调的信息恢复率,改善接收机误码率性能。在实际系统中采用128个子载波,其IFFT变换点数的增大不会造成系统硬件复杂度的增加。因此,在实际应用中,主要限制带内限幅噪声的累积,而限幅噪声是在发送端产生的,在衰落信道中将随信号一起衰减,就减轻它对系统误码率的影响。

2 性能仿真与分析
使用MATLAB对本文所提出方案降低OFDM系统性能进行仿真分析。其中OFDM信号采用16QAM调制方式。图2和图3显示了在子载波数N=128、数据子载波为100,及CR=3.5或CR=4的情况下的仿真结果。可以看出采用限幅滤波算法可以有效降低PAPR,虽然滤波会导致峰值再生,但比限幅前的信号峰值要小得多,并且随着限幅滤波次数的增大,显著降低了信号的PAPR值,每次限幅滤波过程都能进一步改善信号的PAPR特性。当CR=4、CCDF=10-5时,系统两次限幅滤波后的PAPR=7 dB,而CR=3.5、CCDF=10-5时,系统两次限幅滤波后的PAPR=6.4 dB。


因而,在实际16QAM-OFDM系统中,采用N=128子载波,为了补偿多径信道引起的码间干扰,系统需做均衡处理,此外还要满足发射端机EVM必须低于3%,及减少计算的复杂度,选择两次限幅滤波使得CCDF=10-4时,PAPR最大值为6.8 dB。
图4显示在子载波N=512、限幅门限是4 dB条件下,系统PAPR改善情况。由图3和图4相比,可明显看出在相同条件下而子载波数目不同时,利用限幅滤波的方法后,系统的PAPR得到了同样的改善。

限幅滤波是一种非常直接和有效降低PAPR的方法,能有效降低任意子载波数据的OFDM信号的PAPR,而且与其他方法相比应用更为简单。由于在IFFT之前采用了过采样,在实际应用中不会导致严重的带内干扰和带外噪声,因此不影响整个系统的误比特性能和频谱效率。仿真结果表明,经过两次限幅滤波后的OFDM信号的PAPR值有非常显著的改善,而且随着限幅滤波次数的增加,PAPR改善值也提高了。此外,系统的子载波数目不同时,利用该方法后,PAPR得到了同样的改善。结合实际系统设计要求,为了减少复杂度并得到较好的效果,选择采用两次限幅滤波即可满足系统要求。
参考文献
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[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.
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[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.
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