NC-OFDM系統(tǒng)基于DFT-DCB降PAPR研究*

朱志成，黃　波，劉南杰

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 江蘇 南京 210003)

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NC-OFDM系統(tǒng)基于DFT-DCB降PAPR研究*

朱志成，黃波，劉南杰

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 江蘇 南京 210003)

摘要：針對(duì)非連續(xù)正交頻分復(fù)用調(diào)制信號(hào)高峰均比特點(diǎn)，提出了一種新的降峰均比方法。首先，將符號(hào)序列進(jìn)行離散傅里葉變換；接著，將變換之后的數(shù)據(jù)按照當(dāng)前的頻譜空洞分布以及后續(xù)旁瓣抑制處理，劃分成一個(gè)或多個(gè)最小子載波數(shù)受限的數(shù)據(jù)載波塊，并在數(shù)據(jù)載波塊之間插入合適的零數(shù)據(jù)塊予以擴(kuò)展；最后，將擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)通過(guò)快速傅里葉逆變換實(shí)現(xiàn)調(diào)制。以閉式表達(dá)式的形式給出了原始符號(hào)和經(jīng)過(guò)擴(kuò)展調(diào)制之后的信號(hào)之間的關(guān)系，從理論推導(dǎo)和仿真分析驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：非連續(xù)正交頻分復(fù)用；峰值平均功率比；數(shù)據(jù)載波塊；離散傅里葉變換擴(kuò)展

引用格式：朱志成，黃波，劉南杰. NC-OFDM系統(tǒng)基于DFT-DCB降PAPR研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(12)：73-75.

0引言

與連續(xù)正交頻分復(fù)用系統(tǒng)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)相似，非連續(xù)正交頻分復(fù)用(Non-Continuous Orthogonal Frequency Division Multiplexing, NC-OFDM)系統(tǒng)中同樣存在高峰均比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)問(wèn)題[1]?；谛盘?hào)畸變類降PAPR技術(shù)[2]會(huì)引起帶內(nèi)頻譜擴(kuò)展；基于編碼類降PAPR技術(shù)[3]存在編碼效率低下問(wèn)題，尤其是子載波數(shù)越大效率越低。

在LTE上行鏈路中，為了降低移動(dòng)臺(tái)處理復(fù)雜度，引入了單載波頻分復(fù)用技術(shù)(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA)[4]。它首先將要發(fā)送的符號(hào)做離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)，然后通過(guò)快速傅里葉迸變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)完成調(diào)制。與SC-FDMA系統(tǒng)相類似的DFT擴(kuò)展降PAPR技術(shù)[5]通過(guò)將待發(fā)送的M個(gè)符號(hào)做M階的DFT后，按照一定的策略映射到N(N≥M)個(gè)子載波中，再經(jīng)過(guò)N階IFFT完成調(diào)制。

受SC-FDMA及DFT擴(kuò)展降PAPR技術(shù)的啟發(fā)，同時(shí)考慮到NC-OFDM系統(tǒng)旁瓣抑制技術(shù)[6]中廣泛采用的子載波加權(quán)結(jié)合預(yù)留保護(hù)帶方法[6-7]，本文提出一種基于數(shù)據(jù)載波塊中最小子載波數(shù)受限的DFT擴(kuò)展(Discrete Fourier Transform-Data Carrier Block, DCB-DFT)降PAPR技術(shù)。該技術(shù)能夠在降低NC-OFDM系統(tǒng)PAPR的同時(shí)，兼顧后續(xù)旁瓣抑制處理。

1DFT-DCB降PAPR技術(shù)的原理

1.1DFT-DCB的實(shí)現(xiàn)方案

圖1　DFT-DCB技術(shù)發(fā)送端方案

(6)

1.2DFT-DCB降PAPR技術(shù)的理論分析

(1)

圖2　DCB映射示意圖

設(shè)第k個(gè)數(shù)據(jù)載波塊DCB[k]的長(zhǎng)度為lDCB,k，其中0≤k≤K-1，并且對(duì)任意k，要求lDCB,k≥Lmin，這里的Lmin即為了兼顧旁瓣抑制而對(duì)數(shù)據(jù)載波塊子載波數(shù)的最小要求。數(shù)據(jù)載波塊DCB[k]之間和數(shù)據(jù)載波塊序列的首尾插入長(zhǎng)度為lZero,k的零元素塊ZERO[k]={0,…,0}，一方面是考慮授權(quán)用戶使用頻段，另一方面為了減少對(duì)授權(quán)用戶的干擾而預(yù)留的保護(hù)帶，其中0≤lZero,k，0≤k≤K。參照式(1)，擴(kuò)展之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)IDFT，得到調(diào)制之后的信號(hào)為：

(2)

其中，DCB[k][ii]表示第k個(gè)數(shù)據(jù)載波塊DCB中的第ii個(gè)元素，ii≥0，并且：

(3)

原始符號(hào)S經(jīng)過(guò)DFT得到待發(fā)射信號(hào)向量X中的元素：

(4)

X被分隔成K個(gè)DCB塊，可得DCB[k][ii]和X元素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

(5)

將式(3)和式(5)代入式(2)可得到：

2仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證DFT-DCB技術(shù)的有效性和可行性，建立仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示。

考慮實(shí)際應(yīng)用情況，仿真中調(diào)制方式選擇常用的QPSK和16QAM；總的數(shù)據(jù)子載波數(shù)M分別取32和256，以分別對(duì)應(yīng)窄帶應(yīng)用場(chǎng)景和寬帶應(yīng)用場(chǎng)景；仿真中采用5 000組隨機(jī)產(chǎn)生的符號(hào)序列，以統(tǒng)計(jì)到10-3概率下的PAPR特性，IFFT和FFT計(jì)算中子載波數(shù)取N=1 024。

圖3　仿真結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)實(shí)中頻譜空洞分布具有隨機(jī)性，仿真中隨機(jī)選擇每個(gè)DCB中子載波的大小(不小于Lmin=8)，并且隨機(jī)插入一定數(shù)目的零填充塊，同時(shí)要注意保持?jǐn)U展之后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N=1 024。因?yàn)闊o(wú)法一一列舉，仿真中統(tǒng)計(jì)了104次的隨機(jī)序列輸入仿真結(jié)果，如圖4和圖5所示。

圖4　載波數(shù)為32時(shí)仿真結(jié)果

圖5　載波數(shù)為256時(shí)仿真結(jié)果

從圖4和圖5可以看出，QPSK和16QAM兩種調(diào)制方式下，DFT-DCB技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的OFDM傳輸系統(tǒng)的PAPR性能都有較好的改善效果。在10-3概率處，對(duì)于QPSK調(diào)制方式，總數(shù)據(jù)載波數(shù)為32和256時(shí)，能夠獲得最差大約1 dB的PAPR改善；而對(duì)于16QAM調(diào)制方式，總數(shù)據(jù)載波數(shù)為32時(shí)，能夠獲得的最差PAPR改善性能非常有限，總數(shù)據(jù)載波數(shù)為256時(shí)，能夠獲得最差大約1 dB的改善性能。這也說(shuō)明DFT-DCB性能與調(diào)制方式以及具體的映射策略密切相關(guān)。

3結(jié)論

理論分析和仿真結(jié)果均表明，本文提出的DFT-DCB技術(shù)能夠有效降低NC-OFDM系統(tǒng)的PAPR，降低的性能與調(diào)制方式、總數(shù)據(jù)載波數(shù)以及映射策略密切相關(guān)。同時(shí)，DFT-DCB通過(guò)限制DCB中子載波最小數(shù)目，為NC-OFDM系統(tǒng)后續(xù)的旁瓣抑制處理提供了便利。

參考文獻(xiàn)

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*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61201162);江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(BY2015011-1)

中圖分類號(hào)：TN919.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.023

(收稿日期：2016-02-27)

作者簡(jiǎn)介：

朱志成(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：移動(dòng)通信與無(wú)線技術(shù)。E-mail:1214012510@njupt.edu.cn。

黃波(1975-)，男，博士，講師，主要研究方向：衛(wèi)星通信與導(dǎo)航、信號(hào)處理、車聯(lián)網(wǎng)。

劉南杰(1956-)，男，博士，教授，主要研究方向：車聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信技術(shù)、智能交通。

Research of PAPR reduction based on DFT-DCB for NC-OFDM system

Zhu Zhicheng, Huang Bo, Liu Nanjie

(College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003,China )

Abstract:A novel technique is proposed to reduce the high peak-to-average power ratio (PAPR) of the non-continuous orthogonal frequency-division multiplexing(NC-OFDM) signals. Firstly, the symbols are transformed into frequency domain through discrete Fourier transform(DFT). Then, the frequency domain signals are divided into one or more data carrier blocks(DCB) in accordance with the spectral distribution of current white space. The size of the DCB is not less than a certain number for the subsequent processes of the sidelobe suppression. Some zero data blocks are inserted into adjacent DCBs to get the expanded data. Finally, the expanded data are modulated by the inverse fast Fourier transform(IFFT). The closed-form expressions are presented to show the relationship between the original symbols and the modulated data. Theoretical analysis and experiment study show the effectiveness and feasibility of this technique.

Key words:non-continuous orthogonal frequency division multiplexing; peak-to-average power ratio; data carrier block; discrete Fourier transform spreading