CMMB發(fā)射機OFDM射頻調制方案的設計

胡 峰，金立標，李鑒增

(中國傳媒大學，北京 100024)

0 引言

CMMB在物理層采用OFDM結構作為調制方案，OFDM復用技術的引入可以獲得較高的傳輸速率［3］。但OFDM系統(tǒng)會產生比較高的峰值平均功率比(PAPR)信號，這是多載波調制相對于單載波調制最大的劣勢。本文針對CMMB發(fā)射機模型給出了一種預失真的峰均比抑制方法，該方法主要包含削波和星座圖擴展兩部分。削波可以有效地將整體的峰均比抑制到一個很低水平，但是削波勢必會引入信號的失真，從星座圖上看，表現(xiàn)為信號的離散和帶外噪聲，所以在工程上會引入星座圖擴展(ACE)的方法，來控制星座點的離散，盡可能恢復信號的抗干擾能力。本文提出的星座圖擴展的方案直接將帶外噪聲去除，等效于實現(xiàn)了理想頻域濾波的功能，這樣做的另一個優(yōu)勢是降低了對濾波器的性能要求。通過對峰均比進行有效地抑制，可以將時域信號保持在一個相對穩(wěn)定的動態(tài)范圍，這樣在經過功放時可以很好的節(jié)省功率資源，并且有效地保持信號的抗干擾能力。

1 CMMB發(fā)射機系統(tǒng)模塊

1.1 CMMB幀結構和時隙結構

CMMB信道標準采用基于時隙的物理幀結構進行設計(見圖1)，時域中的傳輸幀長度為1 s，分為40個時隙。每個時隙為25 ms，它包含一個信標和53個OFDM符號。信標由發(fā)射機識別信號和兩個相同的同步信號組成［2］。

圖1 時隙結構

1.2 CMMB發(fā)射機系統(tǒng)

TS流經過外編碼、外交織以及內編碼和內交織之后所形成的比特流經過星座映射形成系統(tǒng)要發(fā)送的數據信息，CMMB常用的是QPSK調制和16QAM調制，這里著重介紹QPSK(8M模式)發(fā)射機所對應的射頻調制系統(tǒng)。CMMB發(fā)射機功能框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射機功能框圖

1.2.1 OFDM成形

經過QPSK調制的數據作為頻域信號經過IFFT轉換成OFDM符號，不考慮時隙之間調制的差別，每個時隙包含53個OFDM符號，每個OFDM符號包含3076 個有效子載波和1020 個插0符號，其中有效子載波包含82個連續(xù)導頻和384個離散導頻以及2610 個數據子載波。在8M模式下，每個時隙含有138330 個數據子載波，其中前138240 個數據子載波用于承載星座映射的數據符號，最后90個數據子載波填充0［1］。OFDM的頻譜結構主要由插入連續(xù)導頻和離散導頻，以及承載有效數據組成。

連續(xù)導頻為在同一時隙的每個OFDM符號上傳送相同信息的子載波。82個連續(xù)導頻其中64個分為4組傳輸同樣的傳輸指示信息，其余18個傳送固定比特0。384個離散導頻發(fā)送固定的1+0j。奇偶時隙的位置不同。插入導頻之后，需要進行擾碼處理，使之隨機化，擾碼的公式為

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數據子載波、離散導頻和連續(xù)導頻等，均由一個復偽隨機序列進行加擾。在星座圖上，相當于模值不變，相位移動 45°，135°，－45°，－135°。加擾之后星座圖如圖 3 所示。

1.2.2 PAPR抑制

圖3 加擾后的星座圖

作為發(fā)射機的主要部分，本文主要探討的是峰均比的抑制過程。以下將針對完整的CMMB結構進行綜述，峰均比的抑制主要分為兩個部分:削波和星座圖擴展。通過削波濾波的方式有效地降低峰均比的水平。削波的過程產生了帶內失真和帶外噪聲，通過濾波的過程來消除帶外噪聲的影響，而一方面帶外噪聲本身對峰均比也有一定的抑制作用，通過大量的實驗表明，濾波會帶來峰值的回升。整體而言，削波濾波對峰均比有很好的抑制作用，然而這種預失真的過程會將頻域信號徹底離散，極大地降低了信號的抗干擾能力，于是引入星座圖擴展的方法，通過在星座圖上對信號進行適當的搬移，一方面盡可能提高信號的抗干擾能力，這里主要用調制誤差函數(MER)來衡量，一方面盡可能保持峰均比的水平。

在星座圖擴展的過程中，導頻部分是不能移動的，所以削波產生的導頻失真將重新移回到理想位置。為了方便進行星座圖擴展的操作，通過45°移相將數據體搬移到QPSK的星座圖模式，星座圖擴展之后再進行－45°的相位恢復，這個過程主要是針對加入導頻和擾碼之后作出的調整。

另外為了降低濾波器的性能，有效控制帶肩比，在星座圖擴展的過程中，將帶外噪聲去除，這樣就等于實現(xiàn)了理想濾波器的功能。消除帶外主要是考慮到當帶肩比滿足發(fā)射機性能指標的條件下，帶外噪聲對峰均比抑制的貢獻非常小，如果尋求這部分的貢獻，必須盡可能的提升濾波器的指標，由此在星座圖擴展的過程中消除帶外噪聲，一方面比較容易實現(xiàn)，一方面頻譜成形濾波器的指標可以有效地降低。

1.2.3 成幀

信標部分在射頻調制的過程中也是完全不能修改的，因此在完成峰均比抑制之后成幀的過程中再加入信標。這樣做主要是考慮到削波的過程會引入誤差，而峰均比抑制方案往往通過迭代的方式尋找最優(yōu)解，在整個處理過程中加入信標會帶來不必要的麻煩。正如圖2所示，峰均比抑制只處理各個時隙的OFDM符號部分，在削波和星座圖擴展結束之后加入完整的信標。信標部分并沒有高峰均比的問題，不會影響整體的峰均比水平。

1.2.4 射頻調制

當數據組成完整的幀結構之后，經過頻譜成形，再經過功率放大器就可以形成一整套的射頻信號，上變頻之后經發(fā)射天線發(fā)射出去。這一部分最主要的還是功率放大器問題，因為一般的功率放大器會產生非線性失真，所以很多發(fā)射機廠商在非線性失真這一塊做了很多工作，以抵消信號在功率放大過程中帶來的信號失真，或者是在有效的信號抗干擾性能和帶肩比的前提之下，有效地降低功率回退(IBO)。

2 峰均比抑制技術

2.1 峰均比定義

過高的峰均功率比是OFDM技術中的一個巨大的缺陷，可以定義為一個符號周期內的瞬時功率峰值與信號功率平均值之比

2.2 高PAPR對功放的影響

高PAPR帶來的最嚴重的問題是在發(fā)射端和接收端的功率放大器上，輸入輸出模型可以用式(4)來表示［4］

式中:u為輸入電平值;usat為飽和電平值;p為一個整數，現(xiàn)有實用放大器中通常取值為10。對于較大的p值來說，可以近似為軟限幅器，即只要小于最大的動態(tài)范圍，該放大器就是線性的;而一旦超過最大門限值，則對該峰值信號進行限幅，如圖4所示。

當p取100時近似于理想的功放線性模型，當p取2時，近似于實際中的功放模型，當p=10時，類似于經過校正的功放模型。由于一般的功率放大器的動態(tài)范圍是有限的，所以當OFDM系統(tǒng)內這種變化范圍較大的信號進入放大器的非線性區(qū)域時，信號就會產生非線性失真，造成較明顯的頻譜擴展干擾以及帶內信號畸變，導致整個系統(tǒng)性能的下降。

圖4 p取不同值時功率放大器的輸入輸出示意圖

2.3 預失真技術

2.3.1 限幅濾波理論

降低PAPR最簡單的方法就是限幅(Clipping)法。不過限幅會產生信號的畸變，信號的失真引起帶外噪聲和帶內信號的離散，從而造成系統(tǒng)性能的下降，降低了整個系統(tǒng)的頻譜效率。因此，在限幅之后有必要加入濾波器以改善因為限幅引起的帶外頻譜惡化。

限幅法的基本原理就是預先設定限幅門限A，對OFDM信號包絡超過門限的部分進行直接削除。公式為

2.3.2 星座圖擴展技術

結合QPSK調制為例來具體說明ACE算法步驟。應用星座擴展區(qū)域限制條件修正頻域信號，在可擴展區(qū)域內的則保留，在可擴展區(qū)域外的則按規(guī)則修正，修正規(guī)則如圖5。假設待發(fā)送的頻域數據位于原始星座圖中的點B＇處，如果該點落在了點A，則保持虛部不變修正實部將A修正為A＇;如果落在B點，則同時修正實部和虛部將B修正為B＇;如果落在C點，則保持實部不變修正虛部，將C修正為C＇;如果落在D點，由于在可擴展區(qū)域內因此無須修正。

將修正后的頻域信號做IFFT變換至時域。如果此時的PAPR已經小于預設的PAPR門限或者迭代次數i達到了預設的最大迭代次數則將該數據體部分輸出，否則i=i+1，跳轉到迭代處理。

3 實驗結果分析

CMMB物理層關鍵技術研究及平臺仿真根據CMMB系統(tǒng)框圖設計。這里選取2個時隙的CMMB信號的作為測試數據，通過削波和星座圖擴展技術來降低峰均比，選取工程上常用的CCDF曲線作為衡量標準。并通過p=10的功放模型來模擬經過非線性校正的功放模型，上變頻之后經過的信道模型設置為高斯信道。選取BER曲線作為信號抗干擾能力的衡量標準。

圖5 星座圖擴展

圖6表示經過多次迭代的CCDF曲線，這里的CCDF曲線表述的是OFDM信號所有時域電平的分布規(guī)律。通過比較10－3處PAPR分布情況，原始信號的峰均比為8.36 dB，經過五次迭代之后的峰均比為6.43 dB，平均功率增加0.4268 dB。這樣通過核算之后的凈增益為1.5 dB。圖7為經過5次削波和星座圖擴展的頻譜圖，此時的帶肩比為80 dB。該處帶肩比的取得得益于在星座圖擴展的過程中去除噪聲的影響，雖然犧牲了約0.05 dB的峰均比增益，卻有效地降低了頻譜成形時的濾波器指標。

圖8為射頻信號經過高斯信道后的BER分布曲線，此處的信號經過功率放大器的處理，設置MER為40 dB，此時原始信號和經過ACE處理的信號功率回退分別為6.3 dB和7.9 dB。經過ACE處理后的BER的增益為0.13 dB，此時功率回退的凈增益為1.73 dB。

圖8 經過高斯信道的誤碼率曲線

4 小結

CMMB作為高性能的移動多媒體廣播系統(tǒng)，其手持電視產品受到了廣大消費者的喜愛和接受。本文設計的CMMB發(fā)射機射頻調制方案，將重點放在處理OFDM峰均比過高的問題上，通過采用削波和星座圖擴展的方案將峰均比限制在一定的水平，進而有效地提高了功率放大器的性能指標，最終在保持信號抗干擾能力的前提下，有效降低了CMMB發(fā)射機的功耗。

本文為廣電總局數字多媒體廣播技術在Ⅲ波段應用研究項目階段成果。

［1］GY/T 220.1—2006，移動多媒體廣播第1部分:廣播信道幀結構、信道編碼和調制［S］.2006.

［2］李棟.數字多媒體廣播［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［3］JIANG Xiaobo，LI Hongyuan，LI Fangyuan，et al.Design of baseband receiver based on CMMB［C］//Proc.Intelligent Signal Processing and Communication Systems(ISPCS)，2000.［S.l.］:IEEE Press，2010:1－4.

［4］BRETON B L.WP4－A.II.Evaluation platform－PAPR ACE function［G］//B21C－CELTIC project CP4－004.［S.l.］:CELTIC，2009:1－18.