降低OFDM峰均比方法

降低OFDM峰均比的方法 1 峰均比产生的原因 1.1 ofdm系统发送端模型 ofdm系统发送端一般由基带单元，中频单元和射频单元三部分构成，在ofdm系统发送端的基带单元，输入的比特流经过串、并变换成为n个并行流，接着对其调制，产生ofdm符号，然后通过ifft变换，产生一个过采样的时域波形输出；在中频单元，对输入的过采样时域波形首先进行数字上的采样，然后由d/a转换器输出中频模拟信号；在射频单元，将输入的中频模拟信号频谱上搬移到相应的射频频段上，之后经功率放大器输出。 1.2 峰均比的定义 时域复信号x（n）的瞬时功率为/x（n）/，其平均功率为，信号最大峰值的瞬时功率与信号平均功率之比即为峰均比，用db表示形式如下： 对于ofdm系统来说，表示经过ifft运算之后所得到的输出信号，即当n个子信号都以相同的相位求和时，所得信号的功率就会是平均功率的n倍，因而基带信号峰均比可以为 par=10lgn 例如，n=256的情况中，ofdm系统的par=24db，当然这是一种非常极端的情况，ofdm的峰均比通常不会达到这一数值。 实际中由于远远高于平均功率的峰值出现的概率很小，一般都把par作为参考指标，par则表示x（n）的瞬时功率与平均功率之比大于par的概率为0.0001。 1.3 峰均比对系统的影响 由于一般的放大器都不是线性的，而且其动态范围也是有限的，所以当ofdm系统内这种变化范围较大的信号通过非线性部件（例如进入放大器的非线性区域）时，信号会产生非线性失真，产生谐波，造成较明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变，导致整个系统性能的下降，而且同时还会增加a/d和d/a转换器的复杂度并且降低它们的准确性。 papr较大是ofdm所面临的一个重要问题，必须要考虑如何减小大峰值功率信号的出现概率，从而避免非线性失真的出现。克服这一问题最容易想到的方法就是采用大动态范围的线性放大器，或者对非线性放大器的工作点进行补偿，但是这样所带来的缺点就是功率放大器的效率会大大降低，绝大部分能量都转化为热能被浪费掉，而且成本也会加大，这些在移动设备中都是绝对不允许的。 2 ofdm系统中降低峰均比的几种方法 ofdm系统中降低峰均比的方法依据削峰处理在系统中所处位置可分为中频削峰、基带削峰和基带中频联合削峰三类。 2.1 中频削峰 中频削峰是在中频单元的d/a转换器之间，对幅度大于系统动态范围的发送信号进行限幅。限幅是最简单和直接的降低ofdm系统内papr的方法，在信号经过非线性部件之间进行限幅，就可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值。 尽管限幅本身非常简单，但它却会为ofdm系统带来相关的问题。首先，在带内对ofdm符号幅度进行畸变，这种带内失真是无法用滤波方法去除的，会对系统造成自身干扰，从而导致系统的ber性能降低。ofdm信号的非线性畸变会导致带外辐射功率值的增加，其原因在于限幅操作可以被认为是ofdm采样符号与矩形窗函数相乘。如果ofdm的幅值小于门限值时，则该矩形窗函数的幅值为1；而如果信号幅值需要被限幅时，则该矩形窗函数的幅值应该小于1。根据时域相乘等于频域卷积的原理，经过限幅的ofdm符号的频谱等于原始ofdm频谱与窗函数频谱的卷积，因此其带外频谱特性主要由两者之间频谱宽度较大者来决定，也就是由矩形窗函数的频谱来决定。这种带外辐射功率可以用滤波的方法加以去除，但是滤波方法也会重新生成新的峰值，甚至导致某些点的幅度值会超过原始值。为了防止这种重新生成的峰值带来的危害，也可以使用迭代限幅滤波方法或者与其他抑制papr方法结合。 由于限幅会造成频谱扩散和引入噪声，现有的中频削峰技术都是在寻求某种程度上改善这种噪声的折中方式。 （1）接收端重构 接收端重构是指接收端估计发生的限幅，并且补偿给相应的接收信号，从而试图消除发送端限幅的负面影响。该方法需要接收端估计限幅大小和限幅位置这两个参数，也可以采用发送端记录所减去峰值的位置、幅度等信息，并用边信息si传送到接收端，由此信息对信号进行恢复，从而提高系统性能。从频域来看，接收端重构方法包括峰值定位、生成近似脉冲以及频域低通滤波等步骤。在假设边信息无误传送的基础上，该方法不但灵活有效，而且几乎不受非线性失真的影响。但是，如何使边信息的效率更高和无误地传输边信息（加编码会增加系统复杂度）以及随之而来发射功率的加大，这些都是该方法无法回避的问题。 （2）修正限幅峰值 修正限峰值有两种，一种是通过额外的信号处理技术降低限幅的负面影响，如峰值加窗等方法。选择窗函数的原则就是：其频谱特性比较好，带宽要尽可能地窄，而且也不能在时域内过长，以避免对更多个时域采样信号造成影响。第二种是在限幅的附近使用一个加性纠正函数。这两种修正限幅峰值的方法都减轻了限幅的影响，从而减少了带外辐射。 2.2 基带削峰 基带削峰是指在基带单元对ifft变换之前或之后的数据进行处理，从而消除或降低基带单元输出信号，产生较大峰均比的概率。基带削峰主要有两类方案，一类是分组编码方案，一类是概率性方案。 （1）分组编码方案 分组编码方案会限制可传输信号的范围（集合），只有那些峰值幅度低于门限的信号可以发送，这样就完全消除了限幅的负面影响。 当ofdm系统中的调制方式为恒模调制方式（如mpsk）时，可以利用块编码抑制papr。因为不用的码字对应的星座图上的点通过同样的ofdm系统后产生的papr是不同的，通过编码方法使采用的可允许码组中不包括会生成较大papr的码字，从而减小了整个系统的papr。当然，采用编码方法除了必然增加的硬件复杂度外，还必须考虑在码率和峰值功率中做出权衡。因为采用编码所获得的papr性能增益，是以在相同数据传输速率的条件下增加带宽，以及相同发射功率条件下降低每发送比特的能量为代价的。 虽然理论上限制值表明只需有限的冗余度就够了，但实际上，n>64时还未发现好码。一个简单的策略是遍历所有可能值并使用查询表。还有一种策略是限制某些子载波的相位可能性。通过观察有研究者发现，符号x具有瞬时功率时，其papr低。这样得到的x其频谱较平坦或其自相关类似脉冲。基于这个观察结果发现了一些码，如golay序列和m序列，这些分组码提供低papr特性但其也有一些严重缺点：它们引入了较多开销，只对小n（4-16）及小尺寸星座图（每子载波1-4bit）适用，而且至今尚无有效的实现方案。这些缺点极大地限制了分组码在实际中的应用。理论上，这些编码的纠错能力也能应用到系统中，然而有分析表明将限幅与信道编码分离有利于改善系统性能。 （2）概率性方案 概率性方案的方法是降低信号峰值出现的概率，以达到降低限幅影像的目的。 选择性映射 当随机相位矢量信息被接收机无误接收后，采用slm方法抑制papr对ofdm系统的误码性能几乎没有影响，然后若接收机无法获得相位信息时，系统性能的恶化是极为严重的。当然，实际操作过程当中并不一定要求传递该随机矢量本身，可以发送表示该矢的序号，只要在接收端能够通过查表或者其他方法恢复得到所使用的随机相位矢量p就可以了。 部分传输序列 在选择最低par的过程中，可以采用自适应技术，只要par降到令人满意的程度，寻找过程就终止。这种自适应技术稍微降低了系统性能，但较大程度地减少了pts的复杂度。 子载波插入 子载波插入算法的基本思想是扩展qam星座图，增加星座图尺寸，使同样的数据点对应多个可能的星座点。因为原始数据中的每个符号都可以被这若干个点中的任何一个代替，而多余出来的点则可用于抑制papr。这就如同在原始多载波信号中插入一个有着合适相位和频率的子载波，所以被称为子载波插入方法。 因为该方法中插入的信号与传输原始数据的子载波集合共用同一段频率，所以容易产生误码，而且加入新的信号后，发射功率必须增强。 子载波预留 子载波预留算法的主要思想是在频域数据中预留一部分子载波c，利用c产生的峰值削减信号c来降低ofdm信号的par值。也就是在原始的多载波信号上增加一个独立的时域信号，以抑制原始信号的峰值。 子载波预留削峰算法不仅对载波数目较大的系统有效，还不需要传输边带信息，更重要的是加入的信号不会对原始信息所在子载波上的数据造成失真。 2.3 基带中频联合削峰 在实际的ofdm通信系统中，发信机发射的数据通常是采用不同调制方式的混合数据。这些数据抗干扰的稳健程度是不同的，其受干扰程度可以通过频域向量幅度误差进行调度。 3 结语 由于ofdm系统各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，ofdm可最大限度地利用频谱资源。然而由于ofdm符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生较大的峰值功率，从而带来较大的峰值平均功率比，有时也称为峰均比。 峰值平均功率比就是峰值功率与平均功率的比值，当它过高时，ofdm发射机的输出信号的瞬时值会有较大的波动，这将要求系统内的一些部件，例如功率放大器，a/d转换器，d/a转换器等具有很大的线性动态范围。而反过来，这些部件的非线性也会对动态范围较大的信号产生非线性失真，会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，影响系统的性能。 参考文献