利用OFDM系統峰均比改善及系統實(shí)現

利用OFDM系統峰均比改善及系統實(shí)現

正交頻分復用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(diǎn)，不但在數字音視頻領(lǐng)域得到了廣泛的應用，而且已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準的一部分。OFDM技術(shù)在軍事無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信領(lǐng)域將會(huì )獲得越來(lái)越廣泛的應用[1,2]。但OFDM系統最主要的缺點(diǎn)是具有較大的峰值平均功率比(PAPR)，它直接影響著(zhù)整個(gè)系統的運行成本和效率。當系統產(chǎn)生很大的峰值時(shí)，要求功率放大器、A/D、D/A轉換器具有很大的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍，否則當信號峰值進(jìn)入放大器的非線(xiàn)性區域時(shí)，就會(huì )使信號產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生子載波間的互調干擾和帶外輻射，破壞子載波間的正交性，降低系統性能[3]。為了避免這種情況，傳統的方法是采用大動(dòng)態(tài)范圍的功率放大器，或者對功率放大器的工作點(diǎn)進(jìn)行補償，但是這樣做將會(huì )使功率放大器的效率大大降低，絕大部分能量都轉化為熱能被浪費掉。
　 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系統較大峰值出現的概率非常小，它是一種非常直接和有效的降低PAPR的方法。然而，它將導致帶內干擾和帶外噪聲[5]。(2)編碼類(lèi)技術(shù)，降低PAPR為線(xiàn)性過(guò)程，它不會(huì )使信號產(chǎn)生畸變，但其計算復雜度較高，編解碼較麻煩，且系統信息速率低，應用該算法的系統不適合用QAM調制和子載波數多的情況。(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出現的概率。該方法需要一定的系統帶寬發(fā)送冗余信息，如果傳輸出錯，系統會(huì )出現地板效應[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的PAPR，而且可以有效地消除帶外噪聲，并將帶內失真控制在一個(gè)可以接受的范圍內。此外，結合實(shí)際系統設計要求，此方法減低算法的復雜度并詳細介紹了其應用方法及仿真結果。
1 OFDM系統設計及其峰均比問(wèn)題
1.1 OFDM系統結構
　 圖1是本文所采用的基于訓練序列的OFDM系統結構圖。如圖所示，對輸入的隨機二進(jìn)制數據比特進(jìn)行編碼、調制、過(guò)采樣、串并轉換、插入保護子載波和Pilot、IFFT運算、時(shí)域信號用FFT轉換到頻域，然后人為地將帶外信號置零,再用 IFFT將信號轉換到時(shí)域，這樣就完成了對信號的濾波過(guò)程。通過(guò)這樣處理(即濾波)后的信號沒(méi)有任何帶外干擾，與未限幅的OFDM 信號一樣。接下來(lái)，系統加入時(shí)域連續導頻（preamble）、插入循環(huán)前綴、并串轉換，最后經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射。而在接收端具有相應的信號處理過(guò)程，此外時(shí)域連續導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，恢復原始的二進(jìn)制數據。
信號預畸變方法對OFDM信號中幅度超過(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系統峰均比問(wèn)題及限幅濾波法
OFDM系統PAPR定義為信號峰值功率與平均功率的比值，數學(xué)表達式如下：

峰均比超過(guò)某一門(mén)限值z的概率，即互補累積分布函數(CCDF)是最常用來(lái)衡量PAPR減小技術(shù)的一個(gè)指標，PAPR的CCDF表示數據塊PAPR大于某一給定門(mén)限的概率，假設OFDM符號周期內每個(gè)采樣值之間是不相關(guān)的，則OFDM符號周期的N個(gè)采樣值當中每個(gè)樣值的PAPR都大于門(mén)限的概率,即得到OFDM系統的PAPR分布：

從以上幾個(gè)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信號可能出現的最大PAPR為N，因此，必須降低系統的峰均比。但同時(shí)研究也表明，當N足夠大時(shí)，OFDM信號近似服從高斯分布，出現很高峰值的概率是很低的。在實(shí)際工程應用中，常采用信號的瞬時(shí)峰均比來(lái)衡量系統性能。其數學(xué)表達式為：

本文在IFFT之前就對信號進(jìn)行了過(guò)采樣處理，如圖1虛線(xiàn)所示。首先將時(shí)域信號用FFT轉換到頻域，然后人為地將帶外信號置零，再用IFFT將信號轉換到時(shí)域，就完成了對信號濾波的過(guò)程。這樣濾波后的信號沒(méi)有任何帶外干擾，與未限幅的信號一樣。盡管會(huì )使IFFT的變換點(diǎn)數成倍增加，但這樣的結構非常有助于對限幅失真信號的濾波處理，可有效地利用OFDM系統本身的功能模塊來(lái)達到頻譜帶外濾波的目的，有利于系統峰均比的降低，同時(shí)過(guò)采樣還可以明顯地提高系統調制解調的信息恢復率，改善接收機誤碼率性能。在實(shí)際系統中采用128個(gè)子載波，其IFFT變換點(diǎn)數的增大不會(huì )造成系統硬件復雜度的增加。因此，在實(shí)際應用中，主要限制帶內限幅噪聲的累積，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系統性能進(jìn)行仿真分析。其中OFDM信號采用16QAM調制方式。圖2和圖3顯示了在子載波數N=128、數據子載波為100，及CR=3.5或CR=4的情況下的仿真結果?？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 )導致峰值再生，但比限幅前的信號峰值要小得多，并且隨著(zhù)限幅濾波次數的增大，顯著(zhù)降低了信號的PAPR值，每次限幅濾波過(guò)程都能進(jìn)一步改善信號的PAPR特性。當CR=4、CCDF=10-5時(shí)，系統兩次限幅濾波后的PAPR=7 dB，而CR=3.5、CCDF=10-5時(shí)，系統兩次限幅濾波后的PAPR=6.4 dB。

因而，在實(shí)際16QAM-OFDM系統中，采用N=128子載波，為了補償多徑信道引起的碼間干擾，系統需做均衡處理，此外還要滿(mǎn)足發(fā)射端機EVM必須低于3%，及減少計算的復雜度，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目不同時(shí)，利用限幅濾波的方法后，系統的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據的OFDM信號的PAPR，而且與其他方法相比應用更為簡(jiǎn)單。由于在IFFT之前采用了過(guò)采樣，在實(shí)際應用中不會(huì )導致嚴重的帶內干擾和帶外噪聲，因此不影響整個(gè)系統的誤比特性能和頻譜效率。仿真結果表明，經(jīng)過(guò)兩次限幅濾波后的OFDM信號的PAPR值有非常顯著(zhù)的改善，而且隨著(zhù)限幅濾波次數的增加，PAPR改善值也提高了。此外，系統的子載波數目不同時(shí)，利用該方法后，PAPR得到了同樣的改善。結合實(shí)際系統設計要求，為了減少復雜度并得到較好的效果，選擇采用兩次限幅濾波即可滿(mǎn)足系統要求。