重复削波滤波算法在 CMMB系统中的应用

梁云英,任俊才,周德扬,张鹏

(中国传媒大学信息工程学院,北京 100024)

1 引言

CMMB全称 China Mobile Multimedia Broadcasting,即中国移动多媒体广播。它的出台极大的推动了我国移动多媒体广播事业的发展。CMMB标准充分考虑到移动多媒体广播业务的特点,针对手持设备接收灵敏度要求高,移动性和电池供电的特点,采用最先进的信道纠错编码和 OFDM调制技术,提高了多径信道下的抗干扰能力和对移动性的支持,采用时隙节电技术来降低终端功耗[1]。

CMMB采用的 OFDM[2]调制技术是一种特殊的多载波调制技术,它在多径信道下有很强的抗干扰能力。但是 OFDM系统有着一个主要的缺点,那就是传输信号拥有相当大的峰均功率比(PAPR)。高峰均比会导致系统的非线性失真,破坏各子载波之间的正交性,使系统性能恶化,增加带外干扰,同时造成功放的功率利用率下降,所以采用合适的抑制峰均比技术对系统很重要。

为了降低 OFDM信号中的峰均功率比,国内外学者进行了大量的研究,提出了很多的方法。目前降低 OFDM系统 PAPR的研究方法大致可分为三大类:信号畸变技术,信号扰码技术,编码技术。

信号畸变的基本思想是对功率大于一定门限值的信号进行限幅,避免较大 PAPR的出现,这一类方法主要包括:限幅和峰值窗,加权多载波,载波抑制峰值,预畸变和畸变补偿,压扩技术;

信号扰码技术的基本思想是对输入的信号进行多种扰码处理,选择 PAPR最小的信号发送出去。信号扰码技术并不保证将 PAPR降低到某一值以下,而是减小高 PAPR出现的概率,这一类方法主要包括:选择映射法 (SLM,Seleetive Mapping)和部分发送序列法 (PTS,Partial Transmit sequences);

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剔除高 PAPR的 OFDM信号。

编码法、信号扰码法和信号畸变技术中的预畸变和畸变补偿、压扩法等要求通信标准制定之初就要将这些方法的开销考虑在内,因为它们必须在收发双方协同配合下才能实现。而直接限幅,峰值加窗法和峰值抵消法都是在发射机独立完成,对通信体制和接收端没有额外要求。CMMB标准没有采纳特殊的峰均比抑制方法。在这种情况下,我们采用重复削波滤波算法。

重复削波滤波算法[3]就是将 OFDM信号中超过门限的幅值截断,由于限幅过程是非线性的,它会引起带内和带外失真,带外失真可以通过滤波消除,但滤波会导致峰值再生,一些点的幅值会超过门限,重复的削波滤波可以削减再生的峰值,仿真表明,这种算法可以有效地降低系统的峰均值功率比。

图 1 系统仿真模型

2 建立仿真模型如下:

算量,在设备条件一定的情况下,可能会影响到通信的实时性。

在这部分采取重复削波滤波的算法。削波是将OFDM信号中超过门限的幅值截断,由于限幅过程是非线性的,它会引起带内和带外失真,带外失真可以通过滤波消除,但滤波会导致峰值再生,一些点的幅值会超过门限,重复的削波滤波可以削减再生的峰值。

(3)信道

在信道中加入了高斯白噪声。

(4)收端解调及 MER统计

译码之前,先对信号进行降采样。对信号进行解调以后统计其 MER。调制误差比(MER)指的是被接收信号的单个“品质因数”(figure of merit)。MER往往作为接收机对传送信号能够正确解码的早期指示。事实上,MER是用来比较接收符号(用来代表调制过程中的一个数字值)的实际位置与其理想位置的差值。当信号逐渐变差时,被接收符号的实际位置离其理想位置愈来愈远,这时测得的MER数值也会渐渐减小。一直到最后,该符号不能被正确解码,误码率上升,这时就处于门限状态即崩溃点。

在测量时,矢量分析仪首先对被测量数字调制信号进行接收和采样,调整信号经解调后于基准矢量信号进行比较。被测矢量信号与基准矢量信号之间的差矢量信号被称为误差矢量信号,有误差矢量信号中既包含幅度误差信息,也包含相位误差信息。在干扰小的时候 MER变化缓慢,随着干扰的增大,当出现误码率时,MER变化很快。

(1)CMMB信源

按照 CMMB标准,用 MATLAB[4]对 CMMB信号进行仿真。随机产生比特流,经过 16QAM映射,OFDM调制,加扰,加循环前缀和保护间隔,加入发射机标志信号和同步信号成为 CMMB复用信号。

(2)升采样及重复削波滤波

在削波滤波之前进行升采样[5],升采样是为了后面经过低通滤波时更好地形成滤波的需要,相当于滤波后采样点数增加,从而使波形更平滑。实际的通信系统中有两倍的,四倍的和八倍的过采样方式,本系统中采用两倍过采样。虽然倍数越高得到的波形越平滑,系统的性能越好,但是这样会增加运

图 2 MER的原理示意图

图 3 限幅滤波后信号的互补累积函数分布图

3 结果

从图 3中可以看出,重复削波滤波可以有效地降低系统的峰均比。经过四次限幅滤波,系统的峰均值功率比(PAPR)从 11dB降低到 5.8dB。同时,滤波可以滤除带外的频率成分,抑制带外噪声,有效地减小邻频干扰。

经过限幅的信号,其 PAPR降低了 5.2dB,这样可以在信号通过相同的功放时,在不引起非线性失真的情况下,将其功率提高 5.2 dB。

图 4 有、无限幅的 MER对比图

从图 4可以看出,经过重复削波滤波之后,接收到的信号的品质下降了,MER减小了,为了达到 20的 MER,需要信道中的信噪比达到 23d B,而原来只需要 18.5d B,信道中的信噪比需要额外提高 4.5d B。

4 分析

从仿真结果图中可以看出,重复削波滤波算法可以有效地降低系统的峰均值功率比(PAPR)。同时,滤波可以滤除带外的频率成分,抑制带外噪声,有效地减小邻频干扰。

系统的峰均值功率比降低了,这样在经过功放时可以将其功率提高 5.2 dB,提高了系统的信噪比;同时,经过重复削波滤波之后,接收到的信号的品质下降了,MER减小了,为了保证一定的 MER需要额外提高系统的信噪比 4.5dB。两者相比,系统还可以获得 0.7 dB的增益。

[1] GY/T 220-1,2006.移动多媒体广播第一部分:广播信道、信道编码和调制[Z].2006.

[2] 卢长兵.OFDM系统中降低峰均比的研究及系带系统的实现[D].湖南:中南大学出版社,2008.

[3] J Armstrong.Peak-to-average power reduction for OFDM by repeated clipping and frequency domain filtering[Z].Electronics Letters,2002.

[4] 唐向宏,岳恒立,郑雪峰.MATLAB及在电子信息类课程中的应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5] A V奥本海姆,R W谢弗,J R巴克.离散时间信号处理[M].西安:西安交通大学出版社.