基于OFDM系統(tǒng)的峰均比抑制技術(shù)研究

王東 田小兵 陳書浩

【摘要】 OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，具有良好的抗多徑干擾性能，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。但是其峰均比較高，應(yīng)用受到了限制，因此有必要研究降低PAPR的方法。本文首先介紹了OFDM系統(tǒng)PAPR的基本概念，然后討論了目前常用的降低PAPR的概率類方法，最后對(duì)SLM和PTS方法進(jìn)行了比較分析。

【關(guān)鍵詞】 正交頻分復(fù)用 峰均比 部分傳輸序列 選擇性映射

一、引言

正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系統(tǒng)輸出信號(hào)是多個(gè)子載波信號(hào)的疊加，存在較高的峰值平均功率比（PAPR，peak to average power ratio），從而影響OFDM系統(tǒng)的性能。文中主要對(duì)OFDM系統(tǒng)的峰均比以及降低峰均比的技術(shù)進(jìn)行研究。

二、PAPR定義及改善措施

與單載波系統(tǒng)相比，OFDM符號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的子載波信號(hào)疊加而成。經(jīng)過IFFT運(yùn)算之后所得到的輸出信號(hào)為

■

其中Xk=[X0，X1，…，XN-1]，k=0，1，N-1。

當(dāng)N個(gè)子載波相位相同時(shí)，OFDM符號(hào)的峰值功率為平均功率的N倍，由此會(huì)帶來較大的峰值平均功率比，簡(jiǎn)稱峰均比（ PAPR） ，定義為：

■

當(dāng)OFDM信號(hào)峰值進(jìn)入功率放大器的非線性工作區(qū)域時(shí)，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生畸變，最終導(dǎo)致各個(gè)子信道間的正交性遭到破壞，子信道間產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)性能惡化。抑制峰均比的方案主要包括限幅類、編碼類和概率類三大類技術(shù)：限幅類技術(shù)會(huì)帶來信號(hào)畸變，編碼類技術(shù)復(fù)雜度非常高，概率類技術(shù)對(duì)原OFDM符號(hào)作線性分割和線性變換，從而減少信號(hào)峰值出現(xiàn)的概率，結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用靈活，因此最具應(yīng)用潛力。

三、概率類技術(shù)

概率類技術(shù)利用多個(gè)信號(hào)序列來表示同一組信息輸，在給定的PAPR門限值條件下，從中選擇一組PAPR最小的用于數(shù)據(jù)傳輸，這樣就可顯著地減小大峰值功率信號(hào)出現(xiàn)的概率。這類技術(shù)可無失真地降低OFDM信號(hào)的PAPR，但會(huì)帶來信息冗余，計(jì)算復(fù)雜度也較大。概率類方法主要有選擇映射（Selective Mapping，SLM）、部分傳輸序列（Partial Transmit Sequence，PTS）。

3.1 選擇映射法

其基本思想是利用多個(gè)隨機(jī)且獨(dú)立的加擾序列與同一幀信息進(jìn)行點(diǎn)乘，產(chǎn)生包含相同信息且相互獨(dú)立的多個(gè)OFDM幀，對(duì)每幀信息進(jìn)行IFFT后選擇其PAPR最小的一幀進(jìn)行傳輸。為了能正確恢復(fù)接收到的信號(hào)，發(fā)送端必須發(fā)送邊帶信息，這將犧牲部分帶寬，增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，但這種方法可用于任意子載波數(shù)和調(diào)制方式，如圖1所示。

3.2 部分傳輸序列法

主要思想是在發(fā)送端IFFT前，將輸入的數(shù)據(jù)符號(hào)劃分為若干個(gè)子組，對(duì)每個(gè)子分組進(jìn)行IFFT系數(shù)最優(yōu)化的求解，變換后的各子分組序列分別與某一相位旋轉(zhuǎn)因子進(jìn)行加權(quán)，再合并這些子分組，從而達(dá)到PAPR的目的。在接收端要恢復(fù)原始信息，系統(tǒng)要把這些相位旋轉(zhuǎn)信息作為邊帶信息傳至接收端，這將增加系統(tǒng)的冗余度，如圖1所示。

四、SLM和PTS方法比較

從邊帶信息的冗余度方面來說，為了避免發(fā)送大量的邊帶信息，SLM方法采用固定相位向量集合，僅需發(fā)送log2D個(gè)比特。而在PTS方法中，將信息分成V個(gè)子塊，相位選擇范圍為W，所需要發(fā)送的邊帶信息為Vlog2W比特。PTS方法有WV種相位向量選擇，而SLM方法則只有D種向量選擇（一般情況下WV>D）。因此，在V=D的情況下，PTS方法較SLM方法有更多的相位序列選擇。從系統(tǒng)的復(fù)雜度來說，SLM方法和PTS方法都需要進(jìn)行多次IFFT，從多個(gè)傳輸序列中選擇一個(gè)具有最低PAPR的序列進(jìn)行傳輸，且都適用于任意子載波數(shù)和任意調(diào)制類型。影響OFDM系統(tǒng)復(fù)雜度最主要的因素是IFFT，從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，PTS方法比SLM方法性能稍好。在實(shí)際的OFDM系統(tǒng)中，復(fù)雜度將是人們更為關(guān)心的問題，因此PTS方法將是一種有效降低PAPR的選擇。

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