利用OFDM系统峰均比改善及系统实现

2011-05-12 20:27:05来源: 互联网 关键字:利用  系统  改善

利用OFDM系统峰均比改善及系统实现

  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。

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编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0512/article_8474.html
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