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OFDM系统中高峰均比的抑制技术分析

OFDM系统中高峰均比的抑制技术分析

点击数:7501 次   录入时间:03-04 12:04:03   整理:http://www.55dianzi.com   数字通信
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    其中,xn,k表示OFDM信号xn,k的平均幅值,也就是C变换的转折点ν一般取小于5,在接收端可以对信号rn,k实施C逆变换,即
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    其中V’表示接收信号rn,k的平均幅值。图4给出了利用C变换所得到的OFDM系统的CCDF与PAPR的示意图:

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3.2 扰码技术
    这类技术的基本思想并不是要降低信号幅度的最大值,而是降低峰值出现的概率。它是通过对原OFDM符号作线形分割和线形交换,以减少信号峰值出现的概率,优化子信道的载波相位以寻找能得到最低PAPR的相位组合。一般的模式是在发送端对每一个OFDM符号,根据某些规则产生多个候选的时域波形,并计算每一波形的PAPR,最终传输PAPR最小的那一个。这种方法虽然并不能保证所有传输信号的幅度都小于门限值,但是却大大降低了峰值出现的概率,也就降低了限幅噪声对系统带来的不利影响。它在结构上容易实现,应用灵活,是目前最具应用潜力也是最为热门的方案。这里主要介绍选择性映射(SLM)和部分传输序列方法(PTS)两种方法。
3.2.1 选择性映射
    OFDM系统发射机内的信号可以表示为:xk=IFFT[Xn],(n,k=0,…,N-1)。假设存在M个不同的、长度为N的随机相位序列矢量(Pμ=p0(μ),…,pN-1μ),其中(μ=0,…,M-1),pi(μ)=exp(jφi(μ)),φi(μ)在[0,2π]之内均匀分布。可以利用这朋个相位矢量分别与IFFT的输入序列x进行点乘,则可以得到M个不同的输出序列X(μ)间,即:
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    其中(·)表示向量之间的点乘。然后对所得到的M个序列X(μ)分别实施IFFT计算,相应得到M个不同的输出序列X(μ)=(X0(μ),…,XN-1(μ))。最后在给定PAPR门限值的条件下,从这个M个时域信号序列内选择PAPR性能最好的用于传输。
    SLM方法的原理框图如图5所示。

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    设峰均比的门限值为PAPR0,则原始OFDM序列的PAPR超过门限值的概率定义为Pr{PAPR>PAPR0};而这M个序列x(μ),(μ=0,…,M-1)的PAPR都超过门限值的概率就会变为[PT{PAPR>PAPR0}]M,根据式(5)可以计算出SLM-OFDM系统内PAPR的CCDF为:
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    其中M=1时,就是原始OFDM系统PAPR分布的CCDF。图6表示了子载波数为128时,不同肘取值下,OFDM系统采用SLM算法PAPR的CCDF曲线。
这种算法的缺点是需要额外计算M-1组的IFFT运算,且接收机必须知道选择的相位。

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3.2.2 部分传输序列方法(PTS)
    PTS是另外一种常用的减小OFDM系统PAPR的方法,其主要思想为将输入数据符号分成若干组,然后再合并这些分组,以此来减小以PA-PR。
    首先利用向量来定义数据符号X=(X0,X1,…,XN-1),然后把向量X割成V组,分别由(Xv,V=1,2,…,V}来表示,其分割方法可以有多种。假设每个分组中所包含的N数是相同的,然后将这阶分组按照如下的方法组合起来:
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    其中,{bv,V=1,2,…,V}是加权系数,且满足bv=exp(jφv)以及φv∈[0,2π],这些被称为辅助信息(Side Information)。之后再对X’进行IFFT变换,得到x’=IFFT{X’}。再根据公式(11)及参考IFFT变换的线性,利用V个单独的IFFT变换,对各个分组进行计算,最终得到下式:
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    其中引入了V个部分发送序列xv=IFFT{Xv}。可以通过适当地选择辅助加权系数(bv,V=1,2,…,V},从而使上式的峰值信号到达最佳。
    为使OFDM系统内的PAPR最优的最优加权系数应满足下面的公式:
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    其中,argmin(.)表示函数取得最小值时所使用的判决条件。这样一来,就可以以V-1次IFFT计算为代价,通过寻找最佳的{bv,V=1,2,…,V}系数,使得OFDM系统内的PAPR性能得到较好的改善。图7给出了采用PTS方法的基本框图。

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    这种算法与SLM有着共同的缺点,那就是大大增加了系统的复杂度,导致计算量也大大增加。可以通过限制bv的取值范围和采用适当的分割办法来降低复杂度。分割方法主要有随即分割、交织分割、相邻分割。图8给出了用随即分割方法在V取不同值时的PTS-OFDM的CCDF曲线:

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3.3 编码技术
    编码技术的基本思想是利用编码方法来产生PAPR较小的OFDM符号。其核心是运用一种特殊的前向纠错技术除掉高PAPR的OFDM信号。典型的码组有分组码、M序列、格雷(Golay)码和雷德密勒(Reed-Muller)码等。下面对上述的几种方法进行简单的介绍。
    (1)分组编码。其基本思想是:在对比特流进行IFFT运算之前,先进行特殊的编码处理(如应用奇偶校验位),使得输出的比特流经过OFDM调制后具有较低的PAPR。精心设计的分组编码方法不仅可以有效地降低PAPR,同时还可以起到类似于信道编码的作用,使系统具有前向检错和纠错的能力。
    (2)M序列。该序列具有良好的自相关性,因此将其作为IFFT的输入,得到的信号就会具有很低的PAPR。用M序列对输入信息进行编码可以将OFDM信号的PAPR限制在5-7dB。
    (3)格雷互补序列。把GCS作为IFFT的输入,那么它的输出信号就会有比较低的PAPR值。应用GCS序列的最大优点就是不论子载波数多少,其PAPR至多为3dB。但是,由于随着子载波数的逐渐增多,寻找最佳生成矩阵具有相当高的难度,因此格雷互补序列码并不适用于载波数较大的OFDM系统。
     (4)雷德密勒码。一种高效的编码方案,具有一定的纠错性能。利用RM码与GCS码构造新的分组编码,此分组码同时具有GCS和RM码的性能,不仅可将PAPR降至3dB以内,同时还具有良好的纠错检错能力。
    应用编码方法降低PAPR的优点是系统相对简单、稳定,且降低PAPR的效果好。但它的缺点也非常明显:一是受编码调制方式的限制,比如分组编码就只能适用于PSK调制方式,而不适用于基于QAM调制方式的OFDM系统;二是受限于子载波数,随着子载波数的增加,计算复杂度增大,系统的吞吐量严重下降,带宽的利用率显著降低等;三是数据的编码速率有所减小,因为大部分的编码方法都要引入一定的冗余信息。

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