OFDM系統(tǒng)峰均比改善及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
加入技術(shù)交流群
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(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(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)的濾波過程。通過這樣處理(即濾波)后的信號(hào)沒有任何帶外干擾，與未限幅的OFDM 信號(hào)一樣。接下來，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)天線發(fā)射。而在接收端具有相應(yīng)的信號(hào)處理過程，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)中幅度超過門限的部分進(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：
峰均比超過某一門限值z(mì)的概率，即互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)是最常用來衡量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)行了過采樣處理，如圖1虛線所示。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)濾波的過程。這樣濾波后的信號(hào)沒有任何帶外干擾，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。
評(píng)論