OFDM系統(tǒng)PAPR抑制問題研究ppt課件

1、OFDM中PAPR抑制問題研討 李殿均 杜超本 邱新建 廖 暢 胡 克 于 浩一、引言O(shè)FDM是一種多載波調(diào)制技術(shù),其特的這調(diào)制特性決議了它有較高的峰均功率比頂峰均功率比信號會對實(shí)踐放大器提出很高的線性要求,因此,它是限制OFDM技術(shù)適用化的主要妨礙.目前雖有很多降低OFDM信號的峰均功率比PAPR的方案,但大多是以添加系統(tǒng)的復(fù)雜程度為代價的.本文提出了兩種降低OFDM信號PAPR的方法,可以在不過分添加系統(tǒng)復(fù)雜性的根底上使其PAPR在很大程度上得到降低.。1頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。 2抗多徑干擾與頻率選擇性衰落才干強(qiáng) 3采用動態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)到達(dá)最大比特率。 4經(jīng)

2、過各子載波的結(jié)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落才干。5基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM采用IFFT和FFT來實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用DSP實(shí)現(xiàn)。OFDM有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)OFDM技術(shù)其本身的局限性 峰均功率比大，對系統(tǒng)的非線性問題敏感對定時和頻率偏移敏感維護(hù)間隔的引入降低了信道利用率 為了降低OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜度和本錢，我們思索用快速傅立葉變換FFT和反變換IFFT來實(shí)現(xiàn)上述功能， 用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制器解調(diào)器如下圖：多載波調(diào)制技術(shù)多載波調(diào)制技術(shù)1單載波調(diào)制單載波調(diào)制 單載波單載波(SFN)調(diào)制是指把信號去調(diào)制到一個載波上，并且在一個信道中只需一個載波調(diào)制是指把信號去調(diào)制到一個載波上，

3、并且在一個信道中只需一個載波信號，即一個已調(diào)信號占據(jù)了信道的一切帶寬。信號，即一個已調(diào)信號占據(jù)了信道的一切帶寬。2頻分復(fù)用頻分復(fù)用在一個通訊系統(tǒng)中，一個信道所提供的帶寬普通遠(yuǎn)大于傳送一路信號所需帶寬。所在一個通訊系統(tǒng)中，一個信道所提供的帶寬普通遠(yuǎn)大于傳送一路信號所需帶寬。所謂的謂的“復(fù)用，就是將許多彼此獨(dú)立的信號合并為一個可在同一個信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號復(fù)用，就是將許多彼此獨(dú)立的信號合并為一個可在同一個信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號的方法。其中，按信號所占頻率區(qū)分的復(fù)用，稱為頻分復(fù)用的方法。其中，按信號所占頻率區(qū)分的復(fù)用，稱為頻分復(fù)用(FDM)；而按時間區(qū)分的復(fù)用，；而按時間區(qū)分的復(fù)用，稱為時分復(fù)用稱為時

4、分復(fù)用(TDM)。3多載波調(diào)制多載波調(diào)制多載波調(diào)多載波調(diào)(Multiple Carrier Modulation，MCM)就是將要傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)流分解成假就是將要傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)流分解成假設(shè)干個低速比特流，并且用這些比特流去并行調(diào)制假設(shè)干個子載波，即在頻域?qū)⒔o定的設(shè)干個低速比特流，并且用這些比特流去并行調(diào)制假設(shè)干個子載波，即在頻域?qū)⒔o定的一個信道分成許多子信道，在每個子信道上運(yùn)用一個子載波進(jìn)展調(diào)制。一個信道分成許多子信道，在每個子信道上運(yùn)用一個子載波進(jìn)展調(diào)制。 在單載波調(diào)N(如FSK，GMSK等)系統(tǒng)中，已調(diào)信號的包絡(luò)是恒定值。在這樣的系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)的功率放大器可以任務(wù)在效率很高的非線性任務(wù)區(qū)，

5、而輸出信號的頻譜擴(kuò)展和失真效應(yīng)很小。但是在OFDM系統(tǒng)中，當(dāng)某個時辰多個子載波呈現(xiàn)同極性的峰值時，疊加后的信號便會出現(xiàn)頂峰值。子載波的個數(shù)越多，出現(xiàn)的峰值就越高。 頂峰值的產(chǎn)生頂峰值的產(chǎn)生 峰均功率比的定義峰均功率比的定義 OFDM信號的峰值平均功率(PeaktoAverage Power Ratio)，簡稱峰均功率比 (PAPR)，從OFDM的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出一個OFDM符號是N個正交子信道的信號之和，其中各子信道的載波是sin或cos函數(shù).當(dāng)一切子信道信號以峰值相加時，,OFDM信號將產(chǎn)生最大峰值。峰均功率比PAPR: 定義為OFDM信號的最大峰值功率和同一信號平均功率之比為：22max

6、 |() 10lg|nnPAPR dBExx其中，其中 表示經(jīng)過IFTT運(yùn)算之后所得的輸出信號，即101nnkknNknxWXnxPAPR的統(tǒng)計(jì)特性的統(tǒng)計(jì)特性 對于包含個子載波的OFDM系統(tǒng)來說，經(jīng)過IFFT計(jì)算得到的功率歸一化的復(fù)基帶符號是 101Nj kfkkxtXeN 其中， 表示第k個子載波上的調(diào)制信號。例如，對于QPSK調(diào)制來說， 根據(jù)中心極限定理，對于較大子載波數(shù)，信號的實(shí)部和虛部的樣點(diǎn)都服從均值為，方差為.的高斯分布，因此OFDM符號的幅度服從瑞利分布，功率服從有中心的，兩個自在度的 分布，其累積分布函數(shù)為 ,所以得到其累積分布函數(shù)為：1, ,kXj jj1, ,kXj jjkX

7、2ypowerpe0,1e x p ()zypp o w e rzed yz 假設(shè)OFDM符號周期內(nèi)每個采樣值之間是不相關(guān)的，那么在OFDM符號周期內(nèi)的N個采樣值當(dāng)中，每個采樣值的PAPR都小于門限值z的概率分布為：,1NzpP A P Rze 對每個OFDM符號周期內(nèi)進(jìn)展過采樣有助于更加準(zhǔn)確地反映符號的變化情況，特別是針對PAPR而言，由于最后送到達(dá)放大器中的應(yīng)該是經(jīng)過/變換的延續(xù)信號，因此可以更加準(zhǔn)確的衡量OFDM系統(tǒng)內(nèi)的PAPR特性，所以，對OFDM符號實(shí)施過采樣是非常必要的，但是這樣做會使采樣符號之間的非相關(guān)性遭到破壞，也就是說，是采樣符號之間存在一定的相關(guān)性，但是假設(shè)基于符號之間的相

8、關(guān)性來思索PAPR的準(zhǔn)確表達(dá)式比較困難，就可以假設(shè)利用子載波進(jìn)展飛過采樣來近似描畫度N個子載波的過采樣，其中1。因此,對OFDM符號實(shí)施過采樣，就可以看作添加一定獨(dú)立數(shù)量的樣本值。PAPR的概率分布可以表示為 實(shí)施過采樣可以更加準(zhǔn)確的反映OFDM系統(tǒng)內(nèi)PAPR的分布情況，而且僅當(dāng) 時，上式可以較真實(shí)的反映實(shí)踐情況，或者可以從另一個角度來衡量OFDM系統(tǒng)內(nèi)的PAPR分布，即計(jì)算峰均比超越某一門限的概率，得到互補(bǔ)累積分布函數(shù)：1NzpPAPRze11NzP PAPRze6 4N 假設(shè)OFDM符號周期內(nèi)每個采樣值之間是不相關(guān)的，那么在OFDM符號周期內(nèi)的N個采樣值當(dāng)中，每個采樣值的PAPR都小于門限

9、值z的概率分布為：11NzP PAPRzeCCDF是x的平滑非遞增函數(shù)，表達(dá)了信號功率高于給定功率電平的統(tǒng)計(jì)情況。它的X坐標(biāo)表示信號峰值功率高出平均功率的dB的電平值，Y坐標(biāo)表示當(dāng)信號峰值功率大于或等于X坐標(biāo)所指定的某一功率電平常所占的時間比率。PAPR技術(shù)算法評價的目的技術(shù)算法評價的目的 1系統(tǒng)的復(fù)雜度：系統(tǒng)的復(fù)雜度越低越好；假設(shè)一種方法，系統(tǒng)的復(fù)雜度：系統(tǒng)的復(fù)雜度越低越好；假設(shè)一種方法，即使其獲得的系即使其獲得的系 統(tǒng)性能非常的高，假設(shè)其計(jì)算復(fù)雜度也是非常的高，以統(tǒng)性能非常的高，假設(shè)其計(jì)算復(fù)雜度也是非常的高，以致于有些技術(shù)就現(xiàn)致于有些技術(shù)就現(xiàn) 在的程度而言根本無法實(shí)現(xiàn)的，那在的程度而言根本

10、無法實(shí)現(xiàn)的，那么其不能夠有很大的適用空間；么其不能夠有很大的適用空間；2方法不能受限于子載波數(shù)，算法不能隨著子載波數(shù)的添方法不能受限于子載波數(shù)，算法不能隨著子載波數(shù)的添加而效率降低或是系統(tǒng)的性能降低，一種好的降低加而效率降低或是系統(tǒng)的性能降低，一種好的降低PAPR的算法要能適用于任何數(shù)目的子載波；的算法要能適用于任何數(shù)目的子載波；3調(diào)制方式：系統(tǒng)的調(diào)制方式可由用戶根據(jù)需求來進(jìn)展自調(diào)制方式：系統(tǒng)的調(diào)制方式可由用戶根據(jù)需求來進(jìn)展自在的選擇：即算法的實(shí)施不受調(diào)制方式的影響在的選擇：即算法的實(shí)施不受調(diào)制方式的影響;4系統(tǒng)的性能：在一樣環(huán)境條件的前提下，可進(jìn)展系統(tǒng)的系統(tǒng)的性能：在一樣環(huán)境條件的前提下，可

11、進(jìn)展系統(tǒng)的性能之間的比較，性能好的闡明方法越優(yōu)越。性能之間的比較，性能好的闡明方法越優(yōu)越。降低降低PAPR的常用方法的常用方法1信號預(yù)畸變技術(shù)信號預(yù)畸變技術(shù) : 信號預(yù)畸變技術(shù)的根本思想是簡單地將信號預(yù)畸變技術(shù)的根本思想是簡單地將OFDM信信號峰值部分進(jìn)展非線性畸變來降低幅值，主要有削波號峰值部分進(jìn)展非線性畸變來降低幅值，主要有削波限幅限幅(Clipping)、峰值加窗和緊縮擴(kuò)展變換、峰值加窗和緊縮擴(kuò)展變換(C變換變換)等等技術(shù)。削波方法指將技術(shù)。削波方法指將OFDM信號中高于某一界限信號中高于某一界限(系統(tǒng)系統(tǒng)動態(tài)范圍動態(tài)范圍)的信號削平。的信號削平。2編碼類技術(shù)編碼類技術(shù) 分組編碼的根本思

12、想是發(fā)送端經(jīng)過運(yùn)用分組編碼分組編碼的根本思想是發(fā)送端經(jīng)過運(yùn)用分組編碼來發(fā)送低來發(fā)送低PAPR的碼子，丟棄高的碼子，丟棄高PAPR的碼子。分組的碼子。分組編碼的關(guān)鍵技術(shù)就是尋覓既具備好的編解碼性能，又編碼的關(guān)鍵技術(shù)就是尋覓既具備好的編解碼性能，又有較好的糾錯才干的碼子集合，同時有較好的糾錯才干的碼子集合，同時PAPR又要低。又要低。格雷互補(bǔ)碼和格雷互補(bǔ)碼和m序列可以符合這樣的要求序列可以符合這樣的要求 。概率類技術(shù)概率類技術(shù) 概率累計(jì)術(shù)并不是著眼于降低信號幅度的最大值，概率累計(jì)術(shù)并不是著眼于降低信號幅度的最大值，而是降低峰值出現(xiàn)的概率，普通的概率類技術(shù)都將帶而是降低峰值出現(xiàn)的概率，普通的概率類技

13、術(shù)都將帶來一定的冗余信息。這種方法主要包括選擇映射法及來一定的冗余信息。這種方法主要包括選擇映射法及部分序列傳輸方法。部分序列傳輸方法。 選擇映射選擇映射SLMSLM方法的根本思想是用方法的根本思想是用n統(tǒng)計(jì)獨(dú)立統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的的 表示一樣的信息，選擇其時域符號表示一樣的信息，選擇其時域符號具有最小具有最小PAPR值的一路用于傳輸，值的一路用于傳輸，SLM與原理如下圖。與原理如下圖。nXnx其中n路相互獨(dú)立的向量是由n個固定但完全不同的旋轉(zhuǎn)向量產(chǎn)生的，可以設(shè)定第一路信號為原始信號X，也就是說設(shè)定為單位向量，這并不會帶來任何的性能損失。詳細(xì)的操作過程是，當(dāng)原始數(shù)據(jù)向量發(fā)送后，一切M個并行計(jì)算其對應(yīng)的時

14、域信號，并選擇具有最小PAPR的一路進(jìn)展傳送，由于其需求M個并行的IFFT操作，因此，采用該方法的本錢較大。對于SLM方法，在接受端必需進(jìn)展與發(fā)送端相反的操作恢復(fù)出與原來的信息。因此，接納端必需知道發(fā)送端選擇的是那一路信號進(jìn)展傳送的。最簡單的處理方法是將選擇的支路序號m作為邊帶信息一同傳送的到接納端。由于這種邊帶信息對接納端正確的恢復(fù)傳送的原始信息至關(guān)重要，因此普通采用信道編碼以保證其可靠傳送。通常對M路SLM發(fā)送機(jī)傳送log2M-1比特的邊帶信息。 MnX11dnP 11X1PMnx部分傳輸序列PTSPTS也是基于SLM一樣的原理，但其傳輸向量具有不同的構(gòu)造，其原理如下圖。 PTS方法首先未

15、來的數(shù)據(jù)向量劃分為V個互不重疊的子向量劃分為V個互不重疊的子向量，那么每個子向量的長度變?yōu)?。由于它們互不重疊，因此有：vX 根據(jù)上式及參考IFFT變換的線性，可以利用V個單獨(dú)的IFFT變換，對各個分組進(jìn)展計(jì)算，得到1VvvXvXb其中引入了部分發(fā)送序列IFFT,過適當(dāng)?shù)倪x擇輔助加權(quán)系數(shù),使得上式的峰值信號到達(dá)最優(yōu)化。在發(fā)送端，具有最小PAPR值的信號被傳送，接納端為了恢復(fù)發(fā)送端的發(fā)送的信號，必需知道其傳送的信號采用了旋轉(zhuǎn)向量，因此需求傳送V-1logW比特的邊帶信息。vxvX,1,2,.vvVbvx基于改良脈沖構(gòu)成技術(shù)的基于改良脈沖構(gòu)成技術(shù)的PAPR抑制方法抑制方法 脈沖構(gòu)成技術(shù)脈沖構(gòu)成技術(shù)P

16、S的思想是將原始數(shù)據(jù)序列和成行脈沖的思想是將原始數(shù)據(jù)序列和成行脈沖矩陣相乘產(chǎn)生的新序列，使多載波的各個子載波符號間具有一矩陣相乘產(chǎn)生的新序列，使多載波的各個子載波符號間具有一定的相關(guān)性，從而改善信號的定的相關(guān)性，從而改善信號的PAPR特性。她只需恰中選擇各特性。她只需恰中選擇各子載波的時域波形從而避開額外的子載波的時域波形從而避開額外的IFFT過程。在有效堅(jiān)持系統(tǒng)過程。在有效堅(jiān)持系統(tǒng)帶寬效率的情況下，為信道編碼留下余地。因此，帶寬效率的情況下，為信道編碼留下余地。因此，PS是一種是一種非常有效的非常有效的PAPR的抑制方法。的抑制方法。 系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型基于基于PS技術(shù)的技術(shù)的OFDM系統(tǒng)發(fā)射

17、機(jī)原理框圖如以下圖系統(tǒng)發(fā)射機(jī)原理框圖如以下圖其中子載波。S(t)的實(shí)部和虛部分別對應(yīng)于OFDM的同相和正交分量，在實(shí)踐系統(tǒng)中可以分別與相應(yīng)子載波的同相和正交分量相乘，復(fù)合最終的OFDM信號。PS中周期為T的成形脈沖n=0,1.,N-1必需滿足以下四個條件：MPSK或MQAM基帶數(shù)據(jù)序列經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)化后，先分成N個成形脈沖，再調(diào)制N個正交子載波，以T表示OFDM符號周期，n=0,1.,N-1表示每個子載波的調(diào)制數(shù)據(jù)，表示地n個子載波頻率，表示周期為T，作用子載波的構(gòu)成脈沖，內(nèi)OFDM復(fù)信號表示為：nanf( )np tnf0tT10e x p2Nnnnnstaptjf t0tT nfn T( )

18、np t基于基于PS技術(shù)的技術(shù)的PAPR的抑制原理的抑制原理OFDM信號的信號的PAPR抑制原理為：抑制原理為： 當(dāng)子載波調(diào)制相位一致時，OFDM信號的峰值將疊加產(chǎn)生很大的峰值功率，導(dǎo)致高PAPR。假設(shè)能使子載波符號具有一定的相關(guān)性，那么將降低一致情況發(fā)生的概率，結(jié)果使PAPR得到抑制。從OFDM符號個采樣值的角度出發(fā)，調(diào)查相互關(guān)函數(shù)： 2200max | /tTtTPAPRs tEs t 11*1212001, 2exp 2/NNsn mnnnnR t tE aap t p tjntmtT由上式可看出OFDM符號各采樣值之間的相互關(guān)函數(shù)的基帶數(shù)據(jù)和成形脈沖波形的函數(shù)。因此，引入各采樣值之間的

19、相關(guān)性有兩條途徑：引入基帶數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，也就是經(jīng)過對輸入信息的編碼來實(shí)現(xiàn)。編碼方法不可防止的引入冗余信息，使系統(tǒng)的帶寬效率降低。引入子載波間的相關(guān)性，也就是采用成形脈沖對各個子載波進(jìn)展脈沖成形，它在堅(jiān)持子載波間的正交性同時，不影響系統(tǒng)的帶寬效率，也不需求額外的信息。一樣構(gòu)成脈沖一樣構(gòu)成脈沖假設(shè)每個子載波采用一樣的成形脈沖波形，即那么相互關(guān)假設(shè)每個子載波采用一樣的成形脈沖波形，即那么相互關(guān)函數(shù)可寫作：函數(shù)可寫作： 1121212001, 2exp2/NNsnmnnRt tptptjntmtT 1211222*122222*2212, 12, 121111jt N rjt N rjt N rjt

20、rjtrN p t p ttttteep t p teee其中。從上式可看出，在采樣點(diǎn)上，胡相關(guān)函數(shù)值永遠(yuǎn)為零，因此OFDM符號內(nèi)的N個采樣值為獨(dú)立同分布的高斯隨機(jī)變量，這也從采樣值的相關(guān)性的角度出發(fā)解釋高PAPR的緣由，采用一樣的構(gòu)成脈沖對各個子載波進(jìn)展脈沖成形不會影響采樣值的這種相互關(guān)性，只會添加或堅(jiān)持傳輸信號的峰值幅度，使PAPR增大或者堅(jiān)持不變。22| nEasKT不同構(gòu)成脈沖不同構(gòu)成脈沖 假設(shè)每個子載波采用不同構(gòu)成脈沖，那么相互關(guān)函數(shù)可寫假設(shè)每個子載波采用不同構(gòu)成脈沖，那么相互關(guān)函數(shù)可寫為：為：此時相互關(guān)函數(shù)在采樣點(diǎn)上的值完全由各子載波上的成形脈沖波形決議，因此適當(dāng)?shù)倪x擇成形脈沖將增大OFDM符號個采樣點(diǎn)之間的相互關(guān)值，從而到達(dá)抑制PAPR的目的。 1121212001, 2exp2/NNsnnnnRt tptptjntmtTNyquist脈沖構(gòu)成 上面分析和證明PS技術(shù)抑制PAPR提供了實(shí)際根底，下面如何有效的構(gòu)呵斥形脈沖。首先必需確定集合內(nèi)的成形脈沖都要滿足前文中的四個條件，然后根據(jù)思想，將一個主脈沖經(jīng)過循環(huán)移位組成的成形脈沖集合能使各個子載波峰值不