一種降低OFDM信號(hào)峰平比的SLM改進(jìn)算法

徐林搏

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

一種降低OFDM信號(hào)峰平比的SLM改進(jìn)算法

徐林搏

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

選擇映射(SLM)是降低正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)中高峰平比(PAPR)問(wèn)題的有效方法，但其降低性能比較差。在基于選擇映射方法上提出了一種改進(jìn)方案——隨機(jī)分組選擇映射(SLM)。該算法對(duì)U路信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)分組并加入旋轉(zhuǎn)因子進(jìn)行變換，再進(jìn)行逆傅里葉變換(IFFT)，選擇PAPR最小的一路進(jìn)行傳輸。進(jìn)行了多種條件下的系統(tǒng)仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種方法在改善信號(hào)峰平比方面，比SLM方法有明顯的進(jìn)步。

正交頻分復(fù)用；峰平比；選擇映射

0 引 言

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)以其極強(qiáng)的抗多徑衰落性能及較高的頻譜利用率被作為4G的核心技術(shù)[1]。但OFDM技術(shù)的重要缺點(diǎn)是有很高的峰平比[2](PAPR)，要求調(diào)制信號(hào)具有很大的動(dòng)態(tài)范圍。為了避免信號(hào)非線性失真和頻譜擴(kuò)散，需要后續(xù)的數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換寬度較大[3]，這使得系統(tǒng)的成本及實(shí)現(xiàn)難度極大增加。

為此，很多學(xué)者提出了大量降低PAPR的算法。目前，比較成熟的方法有3類：信號(hào)畸變技術(shù)[4]，概率類技術(shù)，編碼技術(shù)[5]。這些算法中概率類技術(shù)是目前解決OFDM應(yīng)用中較高PAPR非常有效的方式[6]。概率類技術(shù)當(dāng)前分以下幾種：選擇性映射(SLM)算法、部分序列傳輸(PTS)算法、PS(Pulse Shaping)算法、TI(Tone Injection)算法等，其中PS及TI算法要求疊加1個(gè)向量，該向量必須經(jīng)過(guò)優(yōu)化[7]，而SLM和PTS算法則著重于選擇合適的向量或者合適序列與原始頻域信號(hào)相乘，相對(duì)來(lái)講SLM及PTS優(yōu)點(diǎn)在于復(fù)雜度較低且容易實(shí)現(xiàn)。

1 OFDM信號(hào)和峰均比的產(chǎn)生

假設(shè)1路OFDM傳輸信號(hào)由N個(gè)載波組成，第n個(gè)載波所在時(shí)刻i傳輸?shù)男畔⒋a元可以定義為dn,i，因此，OFDM信號(hào)的復(fù)包絡(luò)應(yīng)該表示為[8]：

(1)

式中:OFDM載波信號(hào)幀周期為(T+Tg),Tg是保護(hù)間隔，即插入循環(huán)前綴以消除碼間干擾(ISI)。

為了確保各子載波具有正交性，各子信道相互間隔為：

Δf=1/T

(2)

為了分析簡(jiǎn)單，如果僅考慮OFDM一幀，其OFDM信號(hào)復(fù)包絡(luò)就能簡(jiǎn)化為[9]：

(3)

定義OFDM信號(hào)的峰平功率比(PAPR)為：

(4)

為了進(jìn)一步研究OFDM信號(hào)峰值特性，統(tǒng)計(jì)其超過(guò)某一門(mén)限的概率，定義OFDM峰平比(PAPR)的互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)為[10]：

(5)

從式(5)可以得出結(jié)論，OFDM系統(tǒng)具有很高的峰平比，在子載波數(shù)量是N的條件下，OFDM信號(hào)理論上的最大PAPR為N[11],因此，降低OFDM系統(tǒng)的PAPR是必要的。

2 選擇映射(SLM)原理

X(u)=(X0(u),X1(u),…，XN-1(u))=〈X·Pu〉=

(6)

式中：〈·〉表示向量之間的點(diǎn)乘。

3 隨機(jī)分組正交映射

(7)

(8)

(9)

(10)

4 仿真過(guò)程及分析

(11)

其中X1,n(0≤n≤K)被任意分配到4組中，設(shè)信號(hào)路數(shù)U=3，則有：

(12)

(13)

合成信號(hào)為：

A=A1+A2+A3

(14)

信號(hào)進(jìn)行IFFT變換后：

Y=IFFT(A)

(15)

在Y中選擇峰平比(PAPR)最小的一路序列作為傳輸序列，Matlab仿真結(jié)果顯示該隨機(jī)分組方案能極大地減小OFDM系統(tǒng)的功率峰平比。U=3，V=4，K=1 024，采用QPSK調(diào)制，循環(huán)1 000次的仿真結(jié)果如圖1所示。

可見(jiàn)新的方案比SLM方法在降低峰均比上有顯著的改善。

為了進(jìn)一步研究該方法的性能，改變信號(hào)路數(shù)U和分組數(shù)量V，進(jìn)行了如下仿真：調(diào)制方式QPSK，K=1 024，結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2和圖3可以看出,路數(shù)較少的情況下,隨機(jī)分組SLM方法比SLM方法降低峰平比的效果有顯著的改善，隨著路數(shù)N增加，這種改善逐漸變得不很明顯。從圖3及圖4可以得出：增大隨機(jī)分組子塊個(gè)數(shù)V，降低OFDM峰平比效果更明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了降低OFDM峰平比的改進(jìn)算法——隨機(jī)分組選擇映射。通過(guò)以上理論分析及Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示新算法在降低OFDM信號(hào)PAPR上有著十分理想的效果。因此，在高速數(shù)據(jù)傳輸OFDM系統(tǒng)中，該算法有著廣闊的應(yīng)用前景。

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AnImprovedSLMAlgorithmReducingPAPRofOFDMSignal

XU Lin-bo

(The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China)

Selected mapping (SLM) is an effective algorithm to reduce peak to average power ratio (PAPR) of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system,but the reduced performance is poor.This paper puts forward an improved algorithm based on SLM method,random group design SLM,to reduce the PAPR.This algorithm performs random grouping to theUchannel signals and adds rotation factor to perform transform,then performs inverse fast Fourier transform (IFFT),and selects the signal with minimum PAPR to be transmitted.This paper performs system simulation under a variety of conditions,the experimental results show that this method has obvious improvement in improving the signal PAPR compared to SLM method .

orthogonal frequency-diversity multiplexing;peak to average power ratio;selected mapping

2017-08-21

TN919.3

A

CN32-1413(2017)06-0087-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.019