一种抑制OFDM信号峰均功率比的新优化算法

２０１０年第１期　中图分类号：ＴＮ９１１．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—２５５２（２０１０）０１—００３４—０４　

一种抑制ＯＦＤＭ信号峰均功率比的新优化算法　

何丽玲　，刘明珠２　（１．哈尔滨理工大学应用科学学院，哈尔滨１５００８０；　２．哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院，哈尔滨１５００８０）　

摘要：为了降低正交频分复用系统的峰均比，提出了一种将部分传输序列（ＰＴＳ）算法与限带　抵消技术相级联的新算法。该算法首先利用Ｉｒｉｓ算法，对系统ＰＡＰＲ特性优化，然后利用限带抽　样信号作为参考函数，实现对系统峰均功率比的进一步有效降低。文中给出Ｉｒｉｓ级联抵消技术　的原理和算法，并分析了在不同抵消程度基础上系统的ＰＡＰＲ性能。仿真结果表明，此种方法仅　以微小的误码率性能为代价，有效降低正交频分复用系统的峰均功率比。　关键词：正交频分复用；峰均功率比；部分传输序列；峰值抵消函数　Ａ　ｎｅｗ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ＰＡＰＲ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ＯＦＤＭ　ｓｉｇｎａｌｓ　ＨＥ　Ｌｉ—ｌｉｎｇ　．ＬＩＵ　Ｍｉｎｇ．ｚｈ　（１．Ｓｄｌｏ￣ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒ￣ｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００８０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅａｓａｒｅｍｅｎｔ－Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｔｍｉｃａｔｉｏｎ　Ｗ￣．ｅｅｒｉｎｇ，　Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｄｍｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００８０，Ｑ－ｉｍ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｅａｋ—ｔｏ－ａｖｅｒａｇｅ　ｐｏｗｅｒ　ｒａｔｉｏ（ＰＡＰＲ）ｏｆ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　（ＯＦＤＭ）ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ａｎｄ　ｐｅａｋ　ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｅｓ　ＰＴＳ　ｓｃｈｅｍｅ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ＰＡＰＲ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ｍｕｌｔｉ—　ｃａｒｒｉｅｓ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ａ　ｇｒｏｕｐ　ｏｆ　ｂａｎｄ—ｌｉｍｉｔｅｄ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ＰＡＰＲ　ｖａｌｕｅ　ｇｒｅａｔｌｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　Ｉｒｉｓ　ｓｃｈｅｍｅ　ａｎｄ　ｐｅａｋ　ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ＰＡＰＲ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｐｅａｋ—ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌｓ．　Ｂｙ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｌｌ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｌｏｗｅｒ　ＰＡＰＲ　ｖａｌｕｅ　ａｔ　ａ　ｌｉｔｄｅ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｂｉｔ　ｅｌＴｏｒ　ｒａｔｅ　（ＢＥＲ）ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（ＯＦＤＭ）；ｐｅａｋ—ｔｏ—ａｖｅｒａｇｅ　ｐｏｗｅｒ　ｒａｔｉｏ（ＰＡＰＲ）；　ａｌ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ（ＰｒＳ）；ｐｅａｋ　ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　

０　引言　在多载波通信系统中，由于各子载波是在相互　正交的信道中传输的，所以能够在不需要复杂的均　衡技术的情况下支持高速无线数据传输，并具有很　强的抗衰落和抗符号间干扰（ＩＳＩ）的能力。ＯＦＤＭ数　据传输方式是这种技术的典型代表。它以优异的性　能应用于很多通信系统中，比如ＤＡＢ、ＤＶＢ、基于　ＩＥＥＥＢ０２．１ｌｇ标准的无限本地局域网（ＷＬＡＮ）以及　有线电话网非对称高比特数字用户线技术（ＡＤＳＬ）。　２００３年，ＩＥＥＥ协会又将其制定为ＩＥＥＥ８０２．１６ａ标准　一３４一　

中的物理层（ＰｎＹ）核心技术。但由于ＯＦＤＭ系统内　存在多个正交子载波。而且输出信号是多个子载波　的叠加，从而使其与单载波系统相比存在频偏敏感，　峰均功率比高等缺点…。本文针对ＯＦＤＭ系统中高　ＰＡＰＲ问题进行研究，分析了ＯＦＤＭ峰值功率的统计　特性，并提出利用简化的部分传输序列（　）算法，　

收稿日期：２ｏ０９—０７—２０　基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究指导项目（１　１５１３０３８）　作者简介：何丽玲（１９７３一），女，硕士研究生，２００３年哈尔滨理工大　学取得硕士学位，主要研究方向为多载波通信技术。　结合峰值对消技术，以牺牲少量系统误码率性能，实　现对ＯＦＤＭ系统的ＰＡＰＲ值的有效降低，减少对功　率放大器的线性度要求。　１　ＯＦＤＭ系统峰均功率比抑制技术　ＯＦＤＭ正交频分复用多载波调制系统是在衰落　多径信道中进行高速数据传输的一种有效的数据传　输方式，是新一代通信技术的核心。ＯＦＤＭ系统的　基本思想是将高速数据流分解为若干个低速子信息　流，将这些低速率信息流同时在相互正交的子信道　上进行并行传输，由于将高速数据流分解为低速数　据流，使得信号传输中符号间干扰降低（ＩＳＩ），从而　减小了接收机内均衡的复杂度。同时由于各个子载　波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，节　约了频谱资源。此外ＯＦＤＭ技术易于结合时空编　码、分集、干扰抑制以及智能无线传输等技术，最大　程度地提高通信系统物理层信息传输的可靠性。　但是，ＯＦＤＭ系统的ＰＡＰＲ问题一直是影响　ＯＦＤＭ技术在通信中广泛应用的一个瓶颈，成为多　载波调制技术的固有缺陷。在发射机端，由于各正　交子载波信号的叠加，使合成的信号的功率出现一　个或多个瞬时峰值，这就对功率放大器的线性度提　出很高的要求。目前对多载波系统的峰均比抑制算　法主要包括限幅类技术、概率类技术以及编码技术　等　２。Ｊ。目前ＯＦＤＭ发射机结构中，大多采用限幅　类技术，因为限幅类技术具有算法简单，易于实现等　优点。但是由于限幅类技术会为系统引入一定量的　非线性失真，使得系统误码率和信号频谱特性性能　降低，增加系统带外辐射。所以在设计时，必须充分　考虑系统ＰＡＰＲ值、带外辐射、误码率性能的影响。　部分传输序列（　）是一种典型的概率类技术，概率　类技术虽然算法复杂，但可以无畸变地减少系统的　ＰＡＰＲ。为此本文采用了简化的概率类技术与峰值抵　消技术相结合的联合算法，以达到在不明显增加　ＯＦＤＭ信号带外辐射的情况下，进一步改善系统　ＰＡＰＲ性能。　２　具有峰值抵消单元的　．ＯＦＤＭ系　

统结构　２．１　ＯＦＤＭ系统模型和峰均功率比　在ＯＦＤＭ发射机系统中，信源数据经编码映射　后，映射为ＯＦＤＭ符号｛　｝，再经串／并转换，在Ⅳ　路相互正交的子载波上传输。设经串并转换后　ＯＦＤＭ符号映射为：　＝｛墨ｌ　ｉ＝０，１，…，Ｎ一１｝，其中　中任意一　个向量的符号周期为　，　由频率上相互正交的函　数调制，载频为：　｛　＝　ｌ　ｉ＝０　１“，Ⅳ一１ｊ　故发射机端的离散ＯＦＤＭ符号的包络可以表示　成为：　置　（１）　其中ｋ＝０，１，…，Ｎ一１。　在多载波ＯＦＤＭ系统中，由于ＯＦＤＭ符号是经　由多个独立的经调制的子载波信号相加合成的，所　以在合成的时域信号中可能出现较大的峰值功率。　该峰值功率可以用峰均功率比（ＰＡＰＲ）来描述。　ＰＡＰＲ（ｄＢ）－１０１０ｇ。。　（２）　其中ｋ＝０，１，…，Ｎ一１　由中心极限定理可以知道，只要Ⅳ足够大，　ＯＦＤＭ符号的时域包络服从瑞利分布，功率服从两　个自由度的中心　分布　】，设ＰＡＰＲ门限值为ｚ，则　ＰＡＰＲ的互补累积分布函数（ＣＣＤＦ）为：　Ｐ（ＰＡＰＲ＞ｚ）＝１一（１一ｅ　）　（３）　其中，ａＮ为对Ⅳ个子载波经过采样后对应的等效的　子载波数，当符合Ｎｙｑｕｉｓｔ采样时ａ＝１，当经过采用　４倍采样时，ａ　２．３。　２．２采用交织分块技术的Ｐ３Ｓ—ＯＦＤＭ发射机系统　图１为增加了峰值抵消单元的ｉｒｉＳ—ＯＦＤＭ发射　机系统结构框图。已有的ＰＴＳ技术中，是将并行序　列｛　｝在转换过程中进行分割，经ＩＦＦｖＩ’后在时域　用相位因子　加权：　曰：｛ｂ　＝　Ｉ　ｉ＝０，１，…，Ｖ一１｝　通过适当地选择辅助相位因子，使峰均功率比性能　优化。通常的分割方式可以分为相邻分割、伪随机分　割和交织分割，每种分割都需要进行Ｉ，・Ｊ　Ｊ　次的　Ⅳ点ＩＦＦｒ运算，其中　为分割的块数，　为相位因　子｛ｂ　｝的相位值个数。采用伪随机分割可以使系统　的ＰＡＰＲ性能最佳，但是这种分割方式的计算复杂　度高，在分组数目Ｖ≥２时，交织分割ＩＦ胛算法所用　的计算量明显低于伪随机分割方式　’引。表１为采　用不同分割方式的计算量对比，增加分割数可以减　小交织分割　算法的运算复杂度。　一　一　图１采用峰值抵消技术的Ｉ：ｑ￣ＯＦＤＭ系统发射结构框图　表１伪随机分割与交织分割对Ｎ点Ｉｆ　计算量对比　

交织分割的指示变量ｃ　的取值为：　（１，０，０，０），ｎｍｏｄ４＝０　Ｏ，１，０＇ｏ）＇，

０），ｎｍｏｄ４

０　１　ｎｍｏｄ４　２　（４）　（Ｏ

，，，Ｏ），　＝　

（０，０，０，１），ｎｍｏｄ４＝３　ＯＦＤＭ符号经分割后，被分成　组互不重叠的子向　量置，，每组有Ⅳ／　个子载波。由此可以得到经ＰＴＳ算　法处理后，输出信号Ｙ可表示为：　—ｌ　ｙ—ｌ　Ｙ＝∑ｂ　・１ＯＦＴ｛置｝＿∑ｂ　・　（５）　

虽然Ｉｒｉｓ技术可以无失真地减小ＰＡＰＲ，但是其　减小ＰＡＰＲ的能力是有限的，当系统有２５６个子载　波时，只能使ＰＡＰＲ值由约１２ｄＢ下降到约８ｄＢ左　右，所以本文在交织分割ＦＩＳ算法后，为了进一步减　小系统的峰均功率比，采用了峰值抵消技术。　３峰值抵消算法原理　峰值抵消技术是限幅类技术中的一种，由于其　功率谱等性能比直接限幅技术性能优越，所以引起　了人们的广泛的研究兴趣［６。］。图２为峰值抵消单　元结构原理图。　

图２峰值抵消单元结构　在ＰＴＳ技术后，虽然已经无失真地减小了　０ＦＤＭ符号的峰均功率比，但在峰值抵消单元中，将　ＰＴＳ算法之后的输出信号Ｙ首先进行峰值检测，提　一３６一　取出峰值特征参数（峰值幅度、时延和相位），峰值抵　消脉冲发生器产生抵消脉冲，通常抵消脉冲可以是　抽样信号、高斯信号或余弦信号等，抵消信号的幅度　可由非线性功率放大器特性决定。采用抽样信号作　为抵消脉冲，抵消后的输出信号可以表示为：　多：Ｙ一∑Ｋ　ｓｉｎｃ《　）（６）　其中，Ｋ，　和　分表表示ＰＴＳ－ＯＦＤＭ后修正第ｉ个　信号峰值所用的幅度、相位和时延。　Ｋ：一　南　（７）　其中，Ｙ　为限定的峰值门限。　４性能仿真及分析　本文利用仿真手段对所设计的级联峰值抵消算　法的ＰＴＳ—ＯＦＤＭ系统的功率谱性能、ＰＡＰＲ性能和　在ＡＷＧＮ信道下ＯＦＤＭ系统误码率性能进行了对　比分析。基于系统性能和复杂度的折衷，系统仿真　参数为：子载波数Ｎ＝２５６，系统调制方式ＱＰＳＫ，　ＩＦＦｖｒ的点数为５１２点。ＰＴＳ算法中，分割组数为　＝　４，相位因子集合为ｂ　∈｛±１，±－『｝，系统中ＯＧＤＭ　符号采用了循环前缀和保护间隔。　图３所示为ＯＦＤＭ信号功率谱密度（ＰＳＤ）特性　比较。由于ＰＩＳ算法不能影响信号的功率谱密度，　所以在仿真中，对比了采用限幅技术和采用峰值抵　消技术时，功率谱与原信号功率谱的变化。由图３　所示，采用限幅技术（限幅程度４ｄＢ）可以使系统功　率谱带外辐射增加，这与文献［６］和文献［８］所得到　的结论相同，但是在采用同等程度的峰值抵消技术　后，信号的功率谱密度与原信号比，功率谱特性几乎　未发生变化，没有产生较大的带外辐射。　图４为在不同处理技术情况下得到的系统　ＰＡＰＲ盼｝生能。从仿真结果可见，原始信号的峰均功　率比在经过ＰＴＳ概率削峰技术下，性能得到了部分