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基于軟限幅法降低峰均比的性能分析

2010-08-04 06:36蘇雁泳吳華明徐媛媛
通信技術(shù) 2010年9期
關(guān)鍵詞:限幅誤碼誤碼率

蘇雁泳,吳華明,徐媛媛

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 通信技術(shù)研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

在無(wú)線移動(dòng)通信中,要求提供高速率和高質(zhì)量的通信服務(wù)。OFDM 是一種無(wú)線環(huán)境下的高速多載波傳輸技術(shù),它能有效地抗多徑衰落,具有非常高的頻帶利用率,適于寬帶移動(dòng)通信,是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)通信的最有前途的技術(shù)。由于OFDM符號(hào)是由多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的經(jīng)過(guò)調(diào)制的正弦子載波信號(hào)相加而成的,合成的OFDM信號(hào)有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率,由此會(huì)帶來(lái)較大的峰均功率比(PAPR)。大的峰均功率比會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題,比如增加A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜度,降低射頻功率放大器的有效性等。因此,如何有效地降低OFDM系統(tǒng)PAPR是目前OFDM系統(tǒng)研究的一個(gè)主要問(wèn)題。當(dāng)接收到的信號(hào)較弱時(shí),采用選擇性映射法(SLM)和部分傳輸序列法(PTS)雖然能夠改善系統(tǒng)的誤碼性能,但是,效果不是很好,且系統(tǒng)復(fù)雜[1-2]。采用編碼技術(shù)是可以有效地降低OFDM系統(tǒng)的峰均比,但在子載波數(shù)很大時(shí),編碼效率很低[3]。為此,提出了基于軟限幅法來(lái)降低 PAPR,其能夠改善 OFDM 系統(tǒng)的誤碼性能,且傳輸效率高、易于實(shí)現(xiàn)。

1 OFDM系統(tǒng)互補(bǔ)累積函數(shù)分布特性的分析

OFDM 系統(tǒng)的并行多載波調(diào)制是用基帶的快速傅立葉變換(IFFT)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其基帶的等效IFFT實(shí)現(xiàn)表達(dá)式為:由式(1)可知,任一個(gè)OFDM符號(hào)是由N個(gè)離散信號(hào)組成的,式中的s(n)表示該OFDM符號(hào)中的第n個(gè)樣值。在OFDM系統(tǒng)中,對(duì)于離散信號(hào),峰均功率比(簡(jiǎn)稱為峰均比)PPAPR定義為:

由式(2)可知,降低PAPR可通過(guò)對(duì)具有較大樣值的s(n)信號(hào)進(jìn)行限幅來(lái)實(shí)現(xiàn)。

OFDM 信號(hào)幅度是各子載波信號(hào)的疊加,當(dāng)子載波數(shù)為128時(shí),采用不同方法降低PAPR的互補(bǔ)累積分布函數(shù)[4],如圖1所示。

圖1 不同方法的互補(bǔ)累積分布函數(shù)曲線

由于OFDM符號(hào)是由多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的經(jīng)過(guò)調(diào)制的正弦子載波信號(hào)相加而成的,當(dāng)子載波數(shù)較大時(shí),其互補(bǔ)累積分布函數(shù)值服從高斯分布,小信號(hào)出現(xiàn)的概率較大,信號(hào)越大,其出現(xiàn)的概率越低。由圖 1中正常峰均比互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)曲線可知,雖然大信號(hào)出現(xiàn)的概率很小,但其模值很大,從而系統(tǒng)的峰均比很大。由于輸入到功率放大器等模塊的信號(hào)具有較大的動(dòng)態(tài)范圍,且大信號(hào)出現(xiàn)的概率很低,從而,造成系統(tǒng)的信噪比難以提高,通信系統(tǒng)的誤碼率較大。為了提高系統(tǒng)的信噪比,降低信道傳輸噪聲對(duì)系統(tǒng)誤碼性能的影響,希望系統(tǒng)PAPR設(shè)定值越小越好,這樣小信號(hào)的輸出功率增加,從而使系統(tǒng)的平均輸出功率增加。但是,大信號(hào)的畸變會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重,從而造成系統(tǒng)誤碼率上升,二者相互矛盾。當(dāng)信道傳輸噪聲和信號(hào)畸變對(duì)系統(tǒng)的誤碼性能影響力相同時(shí),系統(tǒng)的誤碼率最小。當(dāng)OFDM系統(tǒng)功放模塊的輸出功率能力越強(qiáng),接收到的信號(hào)信噪比越大,則傳輸噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響減小,要想使系統(tǒng)具有最小誤碼率,則PAPR值應(yīng)取得大一些,反之亦然。當(dāng)OFDM系統(tǒng)功放模塊的輸出功率能力較弱時(shí),PAPR的取值應(yīng)較小,此時(shí),由圖1可知,即使采用SLM法和PTS法,系統(tǒng)的信號(hào)畸變也會(huì)較嚴(yán)重,同時(shí),還會(huì)使功率放大器等模塊處于非線性工作狀態(tài),造成較嚴(yán)重地帶內(nèi)失真和帶外干擾,以致造成系統(tǒng)誤碼率的提高和器件的損壞,且其算法復(fù)雜[5]。為此,提出了軟限幅法來(lái)降低OFDM系統(tǒng)的PAPR。

2 軟限幅法降低峰均比的原理

采用采用軟限幅法來(lái)降低PAPR的原理方框圖,如圖2所示。

圖2 基于星座映射法降低PAPR的原理

對(duì)于OFDM系統(tǒng),首先對(duì)輸入的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行星座映射(即數(shù)據(jù)調(diào)制),使二進(jìn)制時(shí)域數(shù)字信號(hào)變成頻域信號(hào),進(jìn)一步將輸入的串行信號(hào)變成并行信號(hào)輸出,并行路數(shù)N與OFDM系統(tǒng)的子載波個(gè)數(shù)相等,因此OFDM系統(tǒng)的符號(hào)長(zhǎng)度也為N。接著,將并行數(shù)據(jù)送入IFFT變換模塊,變換后得到的時(shí)域信號(hào)的長(zhǎng)度也為N。由于多徑時(shí)延造成符號(hào)間干擾,所以為了減少符號(hào)間干擾應(yīng)插入循環(huán)前綴,循環(huán)前綴為變換后該符號(hào)的后M個(gè)數(shù)值,因此實(shí)際發(fā)送的符號(hào)長(zhǎng)度為N+M。然后,將該并行數(shù)據(jù)進(jìn)行并/串變換,并經(jīng)過(guò)低通濾波實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換,將得到的模擬信號(hào)送入上變頻器進(jìn)行頻率搬移,最后,送入信道。此為OFDM系統(tǒng)的發(fā)射過(guò)程,接收過(guò)程為其的逆過(guò)程。假設(shè)OFDM系統(tǒng)的子載波個(gè)數(shù)為N,由于引入的循環(huán)前綴為N個(gè)子載波進(jìn)行IFFT變換后的該符號(hào)的后M個(gè)數(shù)值,所以研究降低峰均比的問(wèn)題時(shí),只需考慮如何降低IFFT變換后得到的N個(gè)離散信號(hào)中那些超過(guò)系統(tǒng)線性工作范圍的信號(hào)即可。采用軟限幅法來(lái)降低峰均比只是在原有的OFDM發(fā)射子系統(tǒng)的IFFT模塊后面加入了一個(gè)軟限幅模塊,對(duì)OFDM系統(tǒng)中那些超過(guò)系統(tǒng)線性工作范圍的離散信號(hào)進(jìn)行軟限幅,確保系統(tǒng)工作在線性區(qū)間內(nèi),而其不像傳統(tǒng)的限幅法采用限幅器件對(duì)調(diào)制后的射頻信號(hào)進(jìn)行限幅。由于其不需要采用非線性器件,因此,不會(huì)帶來(lái)帶內(nèi)失真和帶外輻射,能夠確保系統(tǒng)可靠地傳輸。

軟限幅法的工作流程,如圖3所示。

由圖3可知,其通過(guò)軟件判決來(lái)限制系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘?hào)樣值在相應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)。首先,對(duì)輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀和數(shù)字調(diào)制;接著,對(duì)該幀數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT變換,并將計(jì)數(shù)器清零;然后,判斷變換后的數(shù)據(jù)幀中的離散信號(hào)樣值是否超過(guò)限幅門限;如果OFDM符號(hào)中的某離散樣值 ck+ jdk的模值大于限幅門限電平時(shí),則對(duì)該樣值的實(shí)部和虛部進(jìn)行等比例限幅,即將 ck和 dk分別乘以一個(gè)相同的系數(shù)k′= MN′,其中 M為限幅門限,N'為該離散樣值的模值,k′< 1;否則,不對(duì)該離散樣值進(jìn)行限幅,計(jì)數(shù)器加1。最后,判斷計(jì)數(shù)器值是否為N,如果為N,表示該幀數(shù)據(jù)軟限幅完成,可對(duì)下一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用軟限幅法的優(yōu)點(diǎn)是:可確保限幅后的OFDM符號(hào)中的數(shù)據(jù)值不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)允許輸入信號(hào)的最大值,且易于隨意改變限幅門限M,即PAPR的設(shè)定值。

圖3 軟限幅流程

3 仿真結(jié)果與性能分析

采用Matlab仿真軟件對(duì)軟限幅法降低峰均比的方法進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)子載波數(shù)為N=128,即OFDM符號(hào)的長(zhǎng)度為128,子載波帶寬為2 kHz,采用QPSK調(diào)制方式。仿真結(jié)果,如圖4所示。

圖4 不同信噪比、不同PAPR條件下,系統(tǒng)誤碼率特性曲線

圖4中的三條曲線是分別表示:在PAPR為9 dB時(shí),系統(tǒng)信噪比分別為7 dB、 8 dB和 9 dB時(shí),系統(tǒng)誤碼率與 PAPR之間的關(guān)系曲線。隨著軟限幅門限的降低,即PAPR取值的減小,進(jìn)入到接收系統(tǒng)的傳輸噪聲減小、系統(tǒng)的信噪比增大,系統(tǒng)的誤碼率大大地降低,誤碼性能獲得較大地改善,當(dāng)PAPR的取值進(jìn)一步減小時(shí),信號(hào)畸變對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響增大,誤碼率增大。當(dāng)接收到的信號(hào)較強(qiáng)時(shí),如9 dB曲線,PAPR取值為5.7 dB 左右時(shí),其系統(tǒng)誤碼率最小。而當(dāng)接收到的信號(hào)較弱時(shí),如7 dB曲線,PAPR取值為5.3 dB 左右時(shí),其系統(tǒng)誤碼率最小。由圖 4可知,隨著接收到信號(hào)的強(qiáng)度的減弱,圖中相應(yīng)曲線的系統(tǒng)誤碼率最小值出現(xiàn)處的PAPR值越小。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,當(dāng)接收到的信號(hào)較弱時(shí),采用目前被廣泛關(guān)注的SLM和PTS方法的系統(tǒng)誤碼性能與采用軟限幅方法相比較,二者誤碼性能接近。同時(shí),采用SLM和PTS方法,會(huì)存在大量地OFDM符號(hào),其動(dòng)態(tài)范圍超出功率放大器等模塊的線性工作區(qū)間,從而帶來(lái)帶內(nèi)干擾、頻帶彌散等的負(fù)面影響;并且,還要確保加權(quán)系數(shù)等信息能夠被可靠的傳輸,且算法較復(fù)雜。而采用軟限幅法來(lái)降低 PAPR,能夠有效地改善 OFDM 系統(tǒng)的誤碼性能;同時(shí),能夠確保輸入到功率放大器等模塊的信號(hào)在相應(yīng)的線性工作區(qū)間內(nèi),從而避免了帶內(nèi)干擾、頻帶彌散等的負(fù)面影響。系統(tǒng)不需要加入冗余碼,傳輸效率高,且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。因此,該方法更具實(shí)用性。

[1] 林愛(ài)英,朱連軒,王敏杰.用選擇性映射法減小OFDM信號(hào)的峰均比及其改進(jìn)方法[J].電子科技,2006(09):26-28.

[2] 王林,江秀萍.降低OFDM信號(hào)峰均比的PTS技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2007,43(05):153-158.

[3] SATHANANTHAN K, TELLAMBURA C. Coding to Reduce both PAR and PICR of an OFDM Signal[J].IEEE Communications Letters,2002,6(08):316-318.

[4] 劉明攀.OFDM 信號(hào)限幅濾波的性能分析[J].通信技術(shù),2009,42(11):10-12.

[5] 吳法文,胡茂凱,陳西宏,等.優(yōu)化OFDM系統(tǒng)峰均比的PTS改進(jìn)算法研究[J].通信技術(shù),2009,42(11):13-15.

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