重復削波濾波算法在 CMMB系統中的應用

梁云英,任俊才,周德揚,張鵬

(中國傳媒大學信息工程學院,北京 100024)

1 引言

CMMB全稱 China Mobile Multimedia Broadcasting,即中國移動多媒體廣播。它的出臺極大的推動了我國移動多媒體廣播事業的發展。CMMB標準充分考慮到移動多媒體廣播業務的特點,針對手持設備接收靈敏度要求高,移動性和電池供電的特點,采用最先進的信道糾錯編碼和 OFDM調制技術,提高了多徑信道下的抗干擾能力和對移動性的支持,采用時隙節電技術來降低終端功耗[1]。

CMMB采用的 OFDM[2]調制技術是一種特殊的多載波調制技術,它在多徑信道下有很強的抗干擾能力。但是 OFDM系統有著一個主要的缺點,那就是傳輸信號擁有相當大的峰均功率比(PAPR)。高峰均比會導致系統的非線性失真,破壞各子載波之間的正交性,使系統性能惡化,增加帶外干擾,同時造成功放的功率利用率下降,所以采用合適的抑制峰均比技術對系統很重要。

為了降低 OFDM信號中的峰均功率比,國內外學者進行了大量的研究,提出了很多的方法。目前降低 OFDM系統 PAPR的研究方法大致可分為三大類:信號畸變技術,信號擾碼技術,編碼技術。

信號畸變的基本思想是對功率大于一定門限值的信號進行限幅,避免較大 PAPR的出現,這一類方法主要包括:限幅和峰值窗,加權多載波,載波抑制峰值,預畸變和畸變補償,壓擴技術;

信號擾碼技術的基本思想是對輸入的信號進行多種擾碼處理,選擇 PAPR最小的信號發送出去。信號擾碼技術并不保證將 PAPR降低到某一值以下,而是減小高 PAPR出現的概率,這一類方法主要包括:選擇映射法 (SLM,Seleetive Mapping)和部分發送序列法 (PTS,Partial Transmit sequences);

編碼技術的基本思想是利用編碼方法來產生PAPR較小的 OFDM符號。其核心是運用一種特殊的前向糾錯技術剔除高 PAPR的 OFDM信號。

編碼法、信號擾碼法和信號畸變技術中的預畸變和畸變補償、壓擴法等要求通信標準制定之初就要將這些方法的開銷考慮在內,因為它們必須在收發雙方協同配合下才能實現。而直接限幅,峰值加窗法和峰值抵消法都是在發射機獨立完成,對通信體制和接收端沒有額外要求。CMMB標準沒有采納特殊的峰均比抑制方法。在這種情況下,我們采用重復削波濾波算法。

重復削波濾波算法[3]就是將 OFDM信號中超過門限的幅值截斷,由于限幅過程是非線性的,它會引起帶內和帶外失真,帶外失真可以通過濾波消除,但濾波會導致峰值再生,一些點的幅值會超過門限,重復的削波濾波可以削減再生的峰值,仿真表明,這種算法可以有效地降低系統的峰均值功率比。

圖 1 系統仿真模型

2 建立仿真模型如下:

算量,在設備條件一定的情況下,可能會影響到通信的實時性。

在這部分采取重復削波濾波的算法。削波是將OFDM信號中超過門限的幅值截斷,由于限幅過程是非線性的,它會引起帶內和帶外失真,帶外失真可以通過濾波消除,但濾波會導致峰值再生,一些點的幅值會超過門限,重復的削波濾波可以削減再生的峰值。

(3)信道

在信道中加入了高斯白噪聲。

(4)收端解調及 MER統計

譯碼之前,先對信號進行降采樣。對信號進行解調以后統計其 MER。調制誤差比(MER)指的是被接收信號的單個“品質因數”(figure of merit)。MER往往作為接收機對傳送信號能夠正確解碼的早期指示。事實上,MER是用來比較接收符號(用來代表調制過程中的一個數字值)的實際位置與其理想位置的差值。當信號逐漸變差時,被接收符號的實際位置離其理想位置愈來愈遠,這時測得的MER數值也會漸漸減小。一直到最后,該符號不能被正確解碼,誤碼率上升,這時就處于門限狀態即崩潰點。

在測量時,矢量分析儀首先對被測量數字調制信號進行接收和采樣,調整信號經解調后于基準矢量信號進行比較。被測矢量信號與基準矢量信號之間的差矢量信號被稱為誤差矢量信號,有誤差矢量信號中既包含幅度誤差信息,也包含相位誤差信息。在干擾小的時候 MER變化緩慢,隨著干擾的增大,當出現誤碼率時,MER變化很快。

(1)CMMB信源

按照 CMMB標準,用 MATLAB[4]對 CMMB信號進行仿真。隨機產生比特流,經過 16QAM映射,OFDM調制,加擾,加循環前綴和保護間隔,加入發射機標志信號和同步信號成為 CMMB復用信號。

(2)升采樣及重復削波濾波

在削波濾波之前進行升采樣[5],升采樣是為了后面經過低通濾波時更好地形成濾波的需要,相當于濾波后采樣點數增加,從而使波形更平滑。實際的通信系統中有兩倍的,四倍的和八倍的過采樣方式,本系統中采用兩倍過采樣。雖然倍數越高得到的波形越平滑,系統的性能越好,但是這樣會增加運

圖 2 MER的原理示意圖

圖 3 限幅濾波后信號的互補累積函數分布圖

3 結果

從圖 3中可以看出,重復削波濾波可以有效地降低系統的峰均比。經過四次限幅濾波,系統的峰均值功率比(PAPR)從 11dB降低到 5.8dB。同時,濾波可以濾除帶外的頻率成分,抑制帶外噪聲,有效地減小鄰頻干擾。

經過限幅的信號,其 PAPR降低了 5.2dB,這樣可以在信號通過相同的功放時,在不引起非線性失真的情況下,將其功率提高 5.2 dB。

圖 4 有、無限幅的 MER對比圖

從圖 4可以看出,經過重復削波濾波之后,接收到的信號的品質下降了,MER減小了,為了達到 20的 MER,需要信道中的信噪比達到 23d B,而原來只需要 18.5d B,信道中的信噪比需要額外提高 4.5d B。

4 分析

從仿真結果圖中可以看出,重復削波濾波算法可以有效地降低系統的峰均值功率比(PAPR)。同時,濾波可以濾除帶外的頻率成分,抑制帶外噪聲,有效地減小鄰頻干擾。

系統的峰均值功率比降低了,這樣在經過功放時可以將其功率提高 5.2 dB,提高了系統的信噪比;同時,經過重復削波濾波之后,接收到的信號的品質下降了,MER減小了,為了保證一定的 MER需要額外提高系統的信噪比 4.5dB。兩者相比,系統還可以獲得 0.7 dB的增益。

[1] GY/T 220-1,2006.移動多媒體廣播第一部分:廣播信道、信道編碼和調制[Z].2006.

[2] 盧長兵.OFDM系統中降低峰均比的研究及系帶系統的實現[D].湖南:中南大學出版社,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,鄭雪峰.MATLAB及在電子信息類課程中的應用[M].北京:電子工業出版社,2006.

[5] A V奧本海姆,R W謝弗,J R巴克.離散時間信號處理[M].西安:西安交通大學出版社.