滤波与限幅结合降低OFDM峰均功率比的方法*

2014-12-02 06:06马永刚
舰船电子工程 2014年9期
关键词:限幅通滤波复杂度

马永刚 涂 娟 金 瓯 徐 帆

(1.92674部队司令部自动化站 厦门 361001)(2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430250)

1 引言

多载波正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)凭借其结构简单、利用率高和抗频率选择性衰落的特点,成为实现高速数据传输的良好方式。不但在数字音视频领域得到了广泛的应用,而且已经成为无线局域网标准的一部分。OFDM 技术在军事无线移动通信领域将会获得越来越广泛的应用[1~2]。但OFDM 系统最主要的缺点是具有较大的峰值平均功率比(PAPR),它直接影响着整个系统的运行成本和效率。

研究表明,与传统的单载波系统相比,高峰均功率比将带来以下两方面的不利影响:峰均比越高,则信号动态范围越大,系统对数模/模数转换器精度要求也越高,这将导致设备成本增加;从功率转换的角度考虑,峰均比高的射频信号通过功率放大器等非线性设备时,会引入一些失真,将恶化误码率性能和产生邻道干扰。因此,在OFDM 系统中需要采用一些方法来降低峰均比,常用的方法主要包括限幅(clipping)、选择性映射(SLM)和部分传输序列(PTS)等方法。考虑到实现复杂度,降低峰均比的算法时应该满足以下几个要求:1)与现有的调制方案兼容;2)频谱效率高;3)计算复杂度低;4)不改变接收机的结构。综合考虑到以上几点,传统的限幅方法是最方便的,但它会引入限幅噪声。对限幅后的信号进行滤波后可降低该噪声,但同时也会带来峰均比回升。

本文采用限幅滤波技术并进行了算法优化[3]。该方法不仅能降低系统的PAPR,而且可以有效地消除带外噪声,并将带内失真控制在一个可以接受的范围内。仿真结果表明,辅以适当倍数的过采样,该方法不仅可以有效抑制峰均比回升,而且可以改善误码率性能,是适用于OFDM 系统的简单、有效的方法。

2 OFDM 系统结构

OFDM 系统框图如图1所示。由于信道编码和信道模型的选择并不影响峰均比,为了简单起见,不采用任何信道编码,且假设信道为理想加性高斯白噪声信道。功率放大器的非线性效应会引入信号失真,包括幅度/幅度(AM/AM)和幅度/相位(AM/PM)失真。根据固态功率放大器的Rapp模型[4],其AM/AM 属性为A(r)=Lr/[1+(Lr/A0)2P]1/2P,其中L为放大器的线性增益,r为输入信号的幅度,A0为放大器饱和输出功率,P为表征放大器线形程度的平滑因子,p越大,线性化程度越高。文中取典型值P=10,A0=20。AM/PM 属性Φ(r)≈0,即假设无相位失真。

图1 OFDM 系统框图

3 峰均比问题及限幅滤波法

3.1 峰均比问题

OFDM 系统PAPR 定义为信号峰值功率与平均功率的比值,数学表达式如式(1):

式中,Xn表示经过IFFT 运算之后所得到的输出信号,即是数据符号,N是子载波个数。用于描述信号包络变化的参数是峰值系数CF,该参数被定位为最大信号值与均方根之比,即:

峰均比超过某一门限值z的概率,即互补累积分布函数(CCDF)是最常用来衡量PAPR 减小技术的一个指标,PAPR 的CCDF表示数据块PAPR大于某一给定门限的概率,假设OFDM 符号周期内每个采样值之间是不相关的,则OFDM 符号周期的N个采样值当中每个样值的PAPR 都大于门限的概率,即得到OFDM 系统的PAPR 分布:

从式(1)~式(3)可以看出,OFDM 信号具有很高的峰均比,在子载波为N的情况下,OFDM 信号可能出现的最大parr为N。因此,必须降低系统的峰均比。但同时研究也表明,当N足够大时,OFDM 信号近似服从高斯分布,出现很高峰值的概率是很低的。在实际工程应用中,常采用信号的瞬时峰均比来衡量系统性能。

3.2 限幅滤波法

本文在IFFT 之前就对信号进行了过采样处理,如图1所示。首先将时域信号用FFT 转换到频域,然后认为地将带外信号置零,再用IFFT 将信号转换到时域,就完成了对信号滤波的过程。这样滤波后的信号没有任何带外干扰,与未限幅的信号一样。尽管会使IFFT 的变换点数成倍增加,但这样的结构非常有助于对限幅失真信号的滤波处理,可有效地利用OFDM 系统本身的功能模块来达到频谱带外滤波的目的,有利于系统峰均比的降低,同时过采用还可以明显地提高系统调制解调的信息恢复率,改善接收机误码率的性能。在实际系统中采用128个子载波,其IFFT 变换点数的增大不会造成系统硬件复杂度的增加。因此,在实际应用中,主要限制带内限幅噪声的累积,而限幅噪声是再发送端产生的,在衰落信号中将随信号一起衰减,就减轻它对系统无码率的影响。

为了去除限幅操作带来的带外辐射,限幅后的信号需低通滤波。限幅后的时域OFDM 信号Yn经过采样后,其频域表达式为

其中,YK=ⅠFFT(MN,{Yn}),M为过采样倍数。很明显,低通滤波可有效去除限幅后信号的带外部分。经低通滤波后,限幅OFDM 信号的平均功率定义为

由于滤波了信号的带外部分,故Pav≤Pout。为了方便后面的推导,定位功率衰减因子λ老表征低通滤波前后的功率比值,即

最后,滤波后的限幅信号由功率放大器放大后发射。

4 性能仿真与分析

使用Matlab对本文所提出的降低OFDM 系统性能进行仿真分析。其中OFDM 信号采用16QAM 调制方式。图2和图3显示了在子载波数N=128,数据子载波为100,及CR=3.5或CR=4的情况下的仿真结果。可以看出采用限幅滤波算法可以有效减低PAPR,虽然滤波会导致峰值再生,但比限幅前的信号峰值要小得多,并且随着限幅滤波次数的增大,显著降低了信号的PAPR 值,每次限幅滤波过程都能进一步改善信号的PAPR特性。当CR=4、CCDF=10-5时,系统两次限幅滤波后的PAPR=7dB,而CR=3.5、CCDF=10-5时,系统两次限幅滤波后的PAPR=6.4dB。

图2 CR=3.5、N=128限幅滤波后CCDF分布图

图3 CR=4、N=128限幅滤波后CCDF分布图

因而在实际16QAM-OFDM 系统中,采用N=128 子载波,为了补偿多径信道引起的码间干扰,系统需要均衡处理,此外还要满足发射端机EVM必须低于3%,及减少计算的复杂度,选择两次限幅滤波使得CCDF=10-4时,PAPR 最大值为6.8dB。

图4 CR=4、N=512限幅滤波后CCDF分布图

图4显示在子载波N=512、限幅门限是4dB条件下,系统PAPR 改善情况。由图3和图4相比,可明显看出在相同条件下而子载波数目不同时,利用限幅滤波的方法后,系统的PAPR 得到了同样的改善。

5 结语

限幅滤波是一种非常直接和有效降低PAPR的方法,能有效降低任意子载波数据的OFDM 信号的PAPR,而且与其他方法相比应用更为简单。由于在IFFT 之前采用了过采样,在实际应用中不会导致严重的带内干扰和带外噪声,因此不影响整个系统的误比特性和频谱效率。仿真结果表明,经过两次限幅滤波后的OFDM 信号的PAPR 值有非常显著的改善,而且随着限幅滤波次数的增加,PAPR 改善值也提高了。此外,系统的子载波数据不同时,利用该方法后,PAPR 得到了同样的改善。结合实际系统设计要求,为了减少复杂度并得到较好的效果,选择采用两次限幅滤波即可满足系统要求。

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