OFDM系統(tǒng)中高峰均比的抑制技術(shù)分析
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3 國內(nèi)外對OFDM系統(tǒng)峰均比抑制的研究現(xiàn)狀
峰均比已成為OFDM技術(shù)研究的熱點之一，縱觀國內(nèi)外，人們已提出了大量的解決方案，主要分為這兩條途徑：一是提高功率放大器的性能，二是降低信號的峰均比。為了使高峰均比信號無失真地發(fā)射出去，功率放大器需要具有高度的線性和很大的回退(Back-off)，但是這樣的放大器功率效率很低。直流偏轉(zhuǎn)(Do Bias)方案可以提高放大器的功率效率，而線性化和預(yù)失真技術(shù)能通過改進放大器的線性而減小放大器造成的非線性失真，以及改進接收端的解碼性能，但是，這些技術(shù)并不能從根本上解決多載波信號的高PAPR給放大器帶來的難題。而降低信號的PAPR可以說是從本質(zhì)上來解決多載波系統(tǒng)的高PAPR問題，目前，研究者已經(jīng)提出了許多方案，可以大致歸為信號預(yù)畸變、編碼技術(shù)和擾碼三類。
預(yù)畸變技術(shù)是最早采用的方法，由于較大峰值出現(xiàn)的概率非常小，因此，預(yù)畸變技術(shù)是一種非常直接和有效的降低PAPR的方法，但是它將導(dǎo)致嚴(yán)重的帶內(nèi)干擾和帶外噪聲，從而降低整個系統(tǒng)的誤碼性能和頻譜效率。編碼類技術(shù)降PAPR為線性過程，它不會使信號產(chǎn)生畸變，因此沒有限幅類技術(shù)的缺點，但編碼類技術(shù)的計算復(fù)雜度非常高，編解碼都比較麻煩，而且這類技術(shù)的信息速率降低很快，因此，只適用于子載波數(shù)比較少的情況；擾碼技術(shù)能有效降低信號的PAPR，其缺點也是計算復(fù)雜度太大，但到目前為止，已有很多有效的方法來減少計算的復(fù)雜度。因此，在這三類技術(shù)中，擾碼技術(shù)最有希望解決OFDM中的PAPR問題。下面將對這三類技術(shù)進行詳細(xì)的介紹。
3．1 信號預(yù)畸變技術(shù)
信號預(yù)畸變技術(shù)是最簡單也是最直接的降低OFDM系統(tǒng)中PAPR的方法。在信號被送到放大器之前，首先經(jīng)過非線性處理，對有較大峰值功率的信號進行預(yù)畸變，使其不會超出放大器的動態(tài)變化范圍，從而避免較大PAPR的出現(xiàn)。最常用的信號預(yù)畸變技術(shù)包括限幅加窗技術(shù)和壓縮擴展技術(shù)。
3．1．1 限幅技術(shù)
限幅技術(shù)就是信號在經(jīng)過非線性部件之前進行限幅，使得峰值信號低于所期望的最大電平值。盡管限幅方法十分簡單，但也會給OFDM系統(tǒng)帶來相應(yīng)的一些問題：首先，對OFDM符號的幅度進行畸變，會對系統(tǒng)造成自身的于擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率性能降低。其次，OFDM信號的非線性畸變會導(dǎo)致帶外輻射功率的增加，因為限幅的過程是將OFDM符號乘以一個矩形濾波器，將高于某個幅度的波形削平，因此限幅后的帶寬是由兩者的帶寬共同決定的。為了克服矩形窗函數(shù)所造成的帶外輻射過大的問題，可以利用其它的非矩形窗函數(shù)，例如Gaussian窗、Co-sine窗、Kaiser窗以及Hamming窗等。總的來說，選擇窗函數(shù)的原則為：頻譜特性要好，不能在時域內(nèi)過長以避免對更多的時域采樣信號造成影響。
3．1．2 壓擴變換技術(shù)
預(yù)畸變減小PAPR的壓擴變換(C變換)技術(shù)的主要思想是：把大功率發(fā)射信號進行壓縮，而把小功率信號進行放大，從而使發(fā)射信號的平均功率相對保持不變，這樣不但可以減小系統(tǒng)的PAPR，而且還可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在發(fā)射端對信號進行壓擴，而在接收端要實施逆操作，其優(yōu)點是減小PAPR，增強小功率信號抗干擾的能力。C變換的基本過程如圖3所示。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/155910.htm
OFDM系統(tǒng)輸出符號的復(fù)基帶信號可以表示為：
其中T表示OFDM信號周期長度，k表示一個符號周期內(nèi)第k個采樣值，n表示時域內(nèi)的第n個OFDM符號。g(t)表示滿足Nyquist脈沖濾波器的沖擊響應(yīng)，Sn，k表示經(jīng)過變換的第n個OFDM符號中的第k個采樣值，即Sn,k=C{xn,k}，其中xn,k表示經(jīng)過IFFT變換后的OFDM信號，C{．}表示壓縮變換，并且這種變換滿足以下兩個條件：
(1)當(dāng)|x|≤，|C{X}|≥|x|；否則，|C{X}|≤|x|，其中m表示C變化的轉(zhuǎn)折點；
(2)滿足E{|X|2}≈E{|C{x}|2}，即保持變換前后的平均功率大致相等。
由此可以看到，若能適當(dāng)?shù)剡x擇C變換的形式以及轉(zhuǎn)折點m，就可以顯著地改善PAPR性能，并且沒有太多增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。需要注意的是，如果平均幅值等于C變換的轉(zhuǎn)折點，并且C變換能夠滿足關(guān)于轉(zhuǎn)折點呈現(xiàn)奇對稱，就可以保證發(fā)送信號的平均功率經(jīng)過C變換后基本保持不變。為滿足上面的要求，C變換可以用下面的公式表示：
其中，xn,k表示OFDM信號xn,k的平均幅值，也就是C變換的轉(zhuǎn)折點ν一般取小于5，在接收端可以對信號rn，k實施C逆變換，即
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