第28卷第2期 文章编号:1006—9348(2011)02—0151—03 计算机仿真 降低OFDM系统峰均比技术的研究 胡海丰,赵新建 (浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州3 10023) 摘要:研究多载波传输信号优化问题,正交频分复用(OFDM)技术的一个缺点是由于信号的高峰值平均功率比大大降低了 系统中线性功放的效率。针对限幅法解决峰均比问题中存在的带外弥散、带内噪声和计算复杂度等问题,为了提高传输效 率,提出一种联合冲击整形和重复限幅滤波技术来降低系统峰均比的可行性方案。有效抑制限幅噪声对系统误码率性能的 影响,提高频谱效率。通过合理选择系统的相关参数可以在计算复杂度和峰均比性能改善之间取得较好折衷。数据仿真验 证了所提出方案的有效性。 关键词:正交频分复用;联合算法;冲激整形;重复限幅滤波;峰均功率比 中图分类号:TN911 文献标识码:B Research on PAPR Reduction in OFDM System HU Hai—feng,ZHA0 Xin—jian (College of Information Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou Zhejiang 310023,China) ABSTRACT:One of drawbacks of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)technique is the hiigh peak —to—average power ratio(PAPR)of signals,which substantially degrades the eficifency of a linear power ampliifer. Amplitude clipping achieves PAPR reduction and good performance at the expense of out of band emission in band noise and computational complexity.Based on these problems,a scheme that combines pulse shaping technology with repeat clipping and filtering technology is presented to achieve PAPR reduction.The proposed scheme can effectively inhibit the clipping noise on the BER performance of the system to improve spectral efficiency.By selecting the sys— tern parameters properly.it can achieve a good compromise between complexity of computation and PAPR perform— ance improvement.The effectiveness of the proposed scheme is demonstrated by simulations. KEYWORDS:Orthogonal frequency division multiplexing(OFDM);Co—algorithm;Pulse shaping;Repeated clip- ping——filtering;Peak——to——average power ratio 果非常好,但可供使用的编码图样数量非常少,特别是当子 1 引言 正交频分复用(OFDM)作为一种多载波传输技术,生成 的信号存在高峰值平均功率比(PAPR)又称峰均比(PAR)问 载波数量较大时,编码效率非常低。概率法包括选择性映射 (SLM)、部分传输序列(PTS)、冲击整形(PS)、音调注入 (rrI)、音调拒绝(TR)等,它把重点放在降低峰值出现的概率 上,并不着眼于降低信号幅度的最大值,所以不能完全避免 题。这就要求系统中的功放具有较大的线性动态范围,以避 免传输信号的频谱扩散和非线性失真,同时也要求后继D/A 转换器具有较大的转换宽度,这样将增加了系统实现的难度 和成本。为了降低OFDM信号的峰均比,已经提出了许多方 法,主要有:限幅法…、编码法 和概率法口 等。其中限幅 法包括限幅滤波、峰值加窗和峰值抵消等,它直接在OFDM 系统中高峰值信号的出现。因此,在很多情况下,仅使用一 种算法并不能够达到想要的降低效果,或者为了达到理想的 效果,在某一方面的性能上会付出很大的代价。本文主要针 对限幅法中存在的带外弥散、带内噪声和计算复杂度等问 题,提出一种联合冲击整形和重复限幅滤波技术来较低系统 峰均比的可行性方案,除了能较好降低峰均比,还可有效抑 制限幅非线性操作引起的带外弥散和带内噪声,从而改善系 统误码率性能。 信号幅度峰值或附近采用非线性操作来降低信号PAPR值, 简单实用但是会带来信号的畸变。编码法降低PAPR的效 收稿日期:2009—11—18修回日期:2010—0l一20 2基于冲击整形的OFDM系统模型 假设系统子载波为N,基带调制的比特速率为I/Ts,将 调制后的数据串并转换成N路并行的数据流,每个支路分别 进行脉冲成形并在其对应的子载波上进行传送。其中一个 OFDM信号包含经过相移键控(PSK)或正交幅度调制 (QA )的Ⅳ个正交子载波。 表示OFDM信号的持续时间, (m)表示子载波m上调制的数据符号,P (t)表示周期为 ,作用于子载波m的成形脉冲。从n 时刻开始的等效基 带OFDM信号表示为: (£)=∑以(m)p (£)eXp(j2,trmt/T) nT≤t≤(n+1)T (1) 为了保证子载波之间的正交性,成形脉冲P。(t),i=0,1,…, Ⅳ一1必须同时满足 式(2)和式(3)。 l IP{(f)I。dt=T,i=0,1,…,N一1 (2) I p ( )p ( ) …) ={ 。: rt (3) 在上述OFDM系统模型中将改进的Nyquist脉冲 设 计的成形脉冲集合应用于PAPR抑制。这种脉冲集合具有 实对称且采样点无码间干扰的特性,只是形状相同的循环移 位,因此OFDM信号峰值不会在同一采样时刻出现,其表达 式如式(4)。 1 IfI≤曰(1一 ) p∽= exp(/3(B(1一 )一lf1) B(1—0c)<fff≤ … 1一exp(Ifl一口(B(1+ )) B<Ifl≤B(I+ )(4) 0 B(1+Ot)<ffI 式中 =ln2/oM, 为成形脉冲滚降系数。 3重复限幅滤波法 。】 传统的限幅法 。 。 是把输入信号的包络峰值限制在一 个预定的值之内,从而减少由于HPA工作于饱和状态时引 起的非线性失真。即: r jI≤A i寿 一>A 式(5)中,A表示限幅门限阈值,l I表示信号幅度。通常以 一个归一化的限幅门限,即限幅率(CR)来衡量限幅水 平。即: CR(dB):加培(A/ ̄/P。 ) (6) 其中 : 三一二 是限幅操作前输入信 号的平均功率。由于限幅为非线性过程,故它会带来带内噪 声和带外弥散。其功率谱密度如图l所示。 为了消除带外弥散,应该对限幅后的信号进行滤波。数 据矢量经过OFDM调制(IFb ̄l")并限幅后被再次变换回频域 一l52一 图1功率谱密度 进行滤波,然后再通过IFFTr变回时域发送。其系统框图如 图2所示。 图2频域滤波系统框图 但是滤波会造成峰值功率的回升,滤波后某些信号点的 幅度会超过门限A。因此,对滤波后的信号往往还要进行再 次限幅和滤波。通常情况下,经过多次限幅和再滤波以后, 发送信号的峰均比性能才可以达到令人满意的水平。而每 一次的重复就要增加一次F丌'和一次IF 运算,计算复杂 度将大大增加。而且带内的限幅噪声是无法通过滤波来消 除的,因此它会降低系统的误码率性能。 4冲击整形和限幅结合降低系统PAPR 限幅法能够在不引人大计算量的情况下高效地降低信 号的PAPR,但会引入额外的误码率,而冲激整形法可以一定 程度上降低信号的PAPR,且所有操作是线性的,因此在降低 PAPR的同时不会引入额外的误码率,在接收端也可以进行 简单恢复,但是冲激整形法属于概率类算法,不能完全避免 系统中高峰值信号的出现,且性能改善有限(主要与成形脉 冲集合有关)。由以上分析,二者经一定改进并有机结合将 会获得良好性能。 图3给出了联合方案的系统发送端框图。采用串联的 级联方式,首先将OFDM的基带调制信号冲激整形处理来 改善子载波间的相关性,经过适当的转换后,在频域对高峰 值信号进行重复限幅滤波处理,以求减少滤波的迭代次数, 降低计算复杂度。由于已经有了一次OFDM信号的PAPR 抑制,限幅算法只针对少数高峰值信号进行非线性操作,这 样就可以抑制由限幅引起的带内噪声对系统误码率的影响。 其中关于两种算法级联的顺序问题,应该把冲激整形放在限 幅算法前面。因为限幅方法属于非线性方法,如果放在冲激 整形之前,它的非线性会带来很大的失真,再进行脉冲成形 次IFFTr运算,降低了系统的计算复杂度。从图5中可以看 出随着子载波数N的增大和以及相应滚降系数Ot的变化,信 号的PAPR值有所下降,但是性能改善有限,而联合算法可 以通过改变限幅率CR,将系统峰均比控制在任一门限之内, 达到理想的PAPR降低效果。 操作,误码率只会更加严重,所建立的系统也失去了意义。 _—— -_一 j互]_. _—— 一 —— 百 ●—— 基 过 频 基 频域 带 s调 /P ∑ 采一样 . 嚣・ 籍・ 波 滤 制 五峨 _—— 。_—— ●_换 —— 下 号 __—系 统 — _—— _-一 图3联合方案的系统发送端框图 具体步骤如下: 1)将基带信号QPSK调制的数据 ,进行串并转换,根 据式(4)中成形脉冲集合的表达式可计算成形矩阵P,若令 成形矩阵P的m行k列的元素为q(m, ),则P的各元素如 (7)所示: q(m+1,.}i+1)=p( —±』 _) } j )X exp (一 "trm( 一,) )0≤m≤Ⅳ一1,0≤ ≤Ⅳ+2,一1 (7) 式中,=Na/2。则冲激整形后的数据为: =X ・P; 2)将变换后的数据Y进行M倍过采样(即在输入数据 后填充(M一1)×N个零值,过采样是为了进一步降低噪声 影响,如果数字信号被直接限幅,限幅噪声将全部落在带内, 并且不能通过滤波减少这些噪声); 3)将过采样后的数据IF丌1变换,并计算各数据的幅值, 将幅值超过门限值A的数据进行限幅操作,具体算法如式 (5)所示; 4)将限幅后的数据进行频域滤波处理,消除带外弥散, 具体实现框图如图2所示; 5)重复步骤3)、4),直至完成L次迭代滤波。 5 系统仿真及性能分析 为了验证本方案的性能,进行了系统仿真,仿真条件如 下:OFDM信号由随机信号源产生,QPSK调制方式,过采样 因子M=4,限幅率CR=6,采用加性高斯白噪声信道,仿真 次数为5000。 图4和图5给出了原始信号和三种降峰均比算法的互 补累积分布函数曲线对比图,从图4中可以看出随着迭代滤 波次数L的增加可以较好降低信号的PAPR值,在CCDF性 能为10I3的情况下,联合算法在L=1时的PAPR值与限幅 算法L=2时的PAPR值非常接近,说明降低同样的PAPR 值,联合算法可以减少一次迭代次数,即减少一次FFTr和一 CCDF曲线比较 图4互补累积分布函数曲线( =O.22N=106) 图5互补累积分布函数曲线(L=3) 图6比较了采用不同降峰均比方法处理后信号功率谱 密度的取值情况。c线为采用限幅后信号的功率谱密度,可 见经限幅操作后系统的带外辐射明 (下转第256页) 图6功率谱密度(CR=4) --.——153.-.—— [9]李大卫,王莉,王梦光.遗传算法与禁忌搜索算法的混合策略 [作者简介】 [J].系统工程学报,1998,13(12):28—34. 顾成喜(1978一),男(汉族),江苏苏州人,讲师,硕 [1O] s L Ho,et a1.A modiifed ant colony optimization algorithm mod— 士,主要从事人工智能和多Agent系统研究。 eled on tabu—search methods『J].IEEE TransactioUS on Magnet. 陈珂(1974一),女(汉族),贵州贵阳人,硕士,副 ics,2006,42(4):1195—1198. 教授,研究方向为信息安全、图像处理。 [11] A V Ramon,C Enric,M Jose.Tamarit.Design and implementa— 黄晨曦(1960一),女(汉族),江苏苏州人,副教 tion of a course scheduling system using tabu search[J].Europe- 授,研究方向:社会体育。 an Journal of Operational Research,2002,137(3):5l2—523. [12]王涛.模糊综合评判在高校排课系统评价中的应用[J].大 学数学,2006,22(2):5—10. (上接第153页) 杂度都较低,不会造成大的系统负担。数据仿真验证了所提 显增加。b线为限幅后滤波(L=1)信号的功率谱密度,与原 出方案的有效性。 OFDM信号的功率谱密度曲线a基本相同,说明滤波处理可 以完全消除限幅后信号的带外弥散。d线为冲激整形和限 参考文献: 幅级联(L=0)后信号的功率谱密度,从中可以看出,即使在 [1] J Arms ̄ong.Peak—to—average power reduction for OFDM by re- 没有滤波的情况下,其功率谱密度衰减也较快, 引起的带 peated clipping and ̄equency domain filtering[J].Electronics 外辐射较小。 Letters,2002,38(5):246—247. 图7比较了两种不同降峰均比方法的系统误码率性能 [2] H S Chen,H Y Liang.Combined selective mapping and binary cy— (重复滤波次数L=3,子载波数N=106,滚降系数 = cle codes for PAPR reduction in OFDM systems[J].IEEE Trans. 0.22)。从中可以看出,在高斯白噪声信道下,联合算法的系 actions on Wireless Communications,2007,6(10):3524—3528. 统误码率要比重复限幅滤波算法有了较好的改善,有效抑制 [3]R W Baunml,F H Fischer,J B Huber.Reducing the peak to av- erage power ratio of nmhi—carrier modulation by selected mapping 了带内限幅噪声对系统误码率的影响,仪有少量的误码率性 [J].Electronics Letters,1996,32(22):2056—2057. 能损失。 [4j L Yang,et a1.PAPR reduction of an OFDM signal by use of PTS with low computational complexity[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2006,52(1):83—86. 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