ofdm_lecture4

null华泓信息2010年移动系列课程 OFDM技术原理与应用华泓信息2010年移动培训系列课程 OFDM技术原理与应用张琳 isszl@mail.sysu.edu.cnOFDM中的峰均比问OFDM中的峰均比问题OFDM峰均比问题OFDM峰均比问题由于OFDM信号时域上表现为N个正交的子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值相加的时候，OFDM信号也将产生最大的峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。 尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰值平均功率比的OFDM信号，发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高，从而导致发送效率降低，而接收端对前端方法器以及模数变换器的线性度要求也很高。因此，高的峰值平均功率比使得OFDM的性能大大下降甚至影响实际应用。 为了解决这一个问题，人们提出了基于信号畸变技术，信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM的峰值平均功率比的方法。nullClick to edit title OFDM峰均比问题限幅类技术 编码类技术 概率类技术 null(1)限幅类技术 限幅类技术主要采用非线性过程，直接在OFDM信号幅度峰值或附近采用非线性操作来降低峰均比。这种技术的抑制效果比较明显，但是会引起信号的畸变。 属于这类技术的方法主要有：限幅滤波，峰值加窗和峰值抵消。null(2)编码类技术 编码类技术主要是限制可用于传输的信号码字集合，只有那些幅度峰值低于某个门限的码字才能被选择用于传输，从而完全避开了信号峰值。 这种技术是一个线性过程，因此不会出现像限幅类技术的那种限幅噪声，当然，使用这种方法必然会带来信息的冗余。null(3)概率类技术 这类技术并不是着眼于降低信号幅度的最大值，而是降低峰值出现的概率。 其基本思想就是降低较大峰值出现的概率。一般概率类技术都将带来一定的信息冗余。 概率类技术主要有选择映射，部分传输序列等。 OFDM原理图OFDM原理图峰值平均功率比定义峰值平均功率比定义降低峰值平均功率比的方法降低峰值平均功率比的方法nullClick to edit title OFDM峰均比问题限幅类技术 编码类技术 概率类技术 限幅类技术限幅类技术1、限幅类技术1、限幅类技术传统限幅法的基本原理是预定限幅门限Th，对OFDM信号包络超过门限的部分进行直接消除：1、限幅类技术1、限幅类技术限幅是一个非线性过程，会引起带内失真和带外辐射，因此在峰均比降低的同时，性能会恶化，特别事故限幅门限较低时，误码率会显著提高。事实上，可以把幅度操作看作是将原信号和一个加权信号相乘：1、限幅类技术1、限幅类技术限幅后的OFDM信号的频谱是原信号频谱和矩形窗频谱的卷积，带外辐射特性主要是由这二者中频谱较宽的矩形窗所决定，则限幅后OFDM符号的频谱发生了变化，所以限幅会引起限幅噪声，造成严重的失真和性能损失。特别是，当限幅在Nyquist采样率下进行时，限幅噪声全部在信号带宽内，而且在数模变换后，将导致相当的峰值再生。 1、限幅类技术1、限幅类技术1、限幅类技术1、限幅类技术1、限幅类技术1、限幅类技术RCF算法： 1、限幅类技术1、限幅类技术1、限幅类技术1、限幅类技术多次限幅滤波虽然可以降低整体峰均比再生，但是其复杂度较高。若进行K次的限幅滤波，则需要进行2 K+1次FFT/IFFT操作，所以随着限幅滤波次数的增加，复杂度也会增加，特别是对在波数N较大的情况。 文献表明多次限幅滤波造成的限幅噪声同只经过一次限幅滤波造成的限幅噪声成比例，并根据此结论提出了一种简化的限幅滤波算法。 文献也提出了一种复杂度较低的多次限幅滤波算法。2、压缩扩张法2、压缩扩张法压缩扩张方法属于信号畸变技术中的一种，是一种针对实OFDM信号的非线性变换处理。这种方法最大的优点是计算量小，实现简单，其缺点是对误码率的影响。因为这种预畸变技术带来的信号的失真比较大，为了解决这个问题接收端可以对信号进行滤波来减小失真所带来的影响。 考虑到OFDM信号和语音信号在某种意义上有相似之处，较大幅度值出现没有周期性，用于语音信号的压扩技术可以运用到对OFDM信号的峰均比的压扩处理中来。用于降低OFDM的峰均比的压扩方法通常包括A律压缩扩张方法和μ律 压缩扩张方法。2、压缩扩张法2、压缩扩张法A律压扩方法的讨论比较少。 文献以A律压扩方法的基本思想为基础构造了一个新的压扩函数，新构造的这个压扩函数与A律压扩函数比较类似，只是把A律压扩函数做了分段处理。 1999年，文献提出了μ律压扩技术用于降低OFDM信号的峰均比。 而后，又有许多人对这种方法进行了讨论，国内的研究以黄晓、郑君里等人的研究比较多，他们在2001至2003年之间，发表了一些关于这一方法的论文，对μ律压扩方法进行了更进一步的研究。 虽然很多文献对μ律压扩方法进行了讨论，但是对压扩方法中的μ值的如何选取的讨论的并不是很多。对压扩方法中其他参数的选取的研究也不是很多，这样，本节主要简要对μ律压扩方法做一个介绍。2、压缩扩张法2、压缩扩张法这种方法对在IFFT之后的实OFDM数据进行处理，对信号的处理可以实时的进行，相比其余抑制方法来说计算量小得多。这在实际中比较容易，是一种非常有实用价值的技术。 在信号进入数模转换器之前对信号进行压扩变换处理，在接收端模数转换之后对信号进行相应的反变换。 输入的比特流经过基带映射和IFFT后形成实OFDM信号，信号经过压扩变换器处理后，送入后级功率放大器被送入信道，而接收端接收到的信号经过模数转换器和压扩反变换处理后送入FFT模块进行解调，最后经过信道均衡和基带反映射得到所需要的比特流。2、压缩扩张法2、压缩扩张法这一过程可以用下图来形象的描述 2、压缩扩张法2、压缩扩张法压缩扩张变换算法的基本思想就是压缩大信号扩大小信号 这种压缩扩张的大致过程是：实OFDM信号经过压缩后使大信号有较小的增益，而使小信号有较大的增益。在接收端，信号经过相应的扩张变换即可恢复出原来的信号。只要压缩和扩张特性正好相反就能正确的恢复出原信号。2、压缩扩张法2、压缩扩张法2、压缩扩张法2、压缩扩张法压扩特性的选择应该与信号的统计特性有关，实际实现过程中也应该考虑到压扩特性是否易于在电路中实现。 通常使用的压缩器中大多采用对数式压缩，广泛采用的两种对数压缩律是μ律压缩和A律压缩。因为在进行OFDM信号的压缩时选用的是μ律压扩方法。 μ律压扩特性为： 这种方法易于实现而且可以比较理性地减小峰均比，还可以避免提高平均量及对非线性放大器的敏感度。相比多路备选信号法来说，这种方法实现的复度不大，更适合实际的应用。另外，无论子载波数是多少这种方法都能很好地作，对调制类型也没有限制。2、压缩扩张法2、压缩扩张法μ律压扩方法降低OFDM信号的峰均比 2、压缩扩张法2、压缩扩张法式中，Q和L分别为模数转换器的量化间隔和位数。接收到的信号必须解压扩才能送入FFT，解压函数为： 2、压缩扩张法2、压缩扩张法由于量化误差一般都很小，因此高次项对于第二项数值特别小，因此可以忽略。2、压缩扩张法2、压缩扩张法压缩之后的信号可以表示为： 在这种方法中，大信号被压缩小信号被提升，以达到降低峰均比的目的，其中A的取值一般为峰值。 编码类技术编码类技术编码类技术编码类技术编码法通常在OFDM调制之前对信号进行编码处理，通过调整输入信号的相关性达到抑制峰均比的目的。在最初的中，编码法往往先遍历所有可能的传输序列，从中选取峰均比较小的部分，再重新分配用于传输。由于其复杂度随着子载波数的增加显著上升，并不适于子载波数较大的情况。 后来研究表明，在多载波系统中，信号的峰均比主要取决于输入信号的相关程度，因而要降低信号的峰均比，就需要寻找自相关函数旁瓣小的序列。而在各种序列当中，互补序列(Complementary Sequence)的自相关函数有着非常低的旁瓣，因此利用互补对所产生的序列可有较低的PAPR。 Davis和Jedweb提出了应用格雷互补序列和Reed-Muller(RM码)码来降低PAPR的方法，可将峰均功率比抑止在3dB以下，并且具有良好的纠错和检错性能，但是这种方法只适用于恒模调制。 编码法可以取得较好PAPR抑制效果，特别是通过格雷补序列码来降低PAPR的方法。但是由于编码法需要进行大量的收索以得到一个较好的码字，因此编码法在PAPR抑制技术中较少应用。概率类技术概率类技术nullACE技术 TI技术 多路备选信息法1、ACE技术1、ACE技术ACE方法的思想可通过对在每一子载波进行QPSK调制的OFDM系统简单地来解释。在调制符号功率相等的QPSK中，对于每一个独立的子信道，有4种可能的星座点，它们分别坐落在被坐标轴分开的复平面上的4个象限里。1、ACE技术1、ACE技术假设在加性高斯白噪声信道情况下，最大似然判决的区域是以坐标轴为界的4个象限。 于是，一个接取到的数据信号按照它被观测到的象限来判决，并赋以与此象限相应的值。因为每一次只有4种星座点中一种能被传输 对于OFDM来说，移动到阴影区域的影响就是在某些特殊的子载波频率上加上额外的余弦和或正弦信号到被传输的信号，如果智能的调整，这些额外信号的联合能被用来部分的降低被传输的OFDM信号时域的峰值。1、ACE技术1、ACE技术这种ACE的思想同样也可用于其它星座，例如QAM和MPSK星座，因为坐落在星座外边界的数据点有提高空余的空间，并不会降低其它符号的错误概率。 所有的这些调整对这个数据块来说，都增加了传输功率，但实际上非常大的峰值发生的几率很小，因此这些调整对整个传输功率只有很小的影响。但是要求获得很大的峰均比的降低时，会导致传输功率的增大。1、ACE技术1、ACE技术ACE技术基本算法 1、ACE技术1、ACE技术TI技术TI技术TI技术也是一种扩展星座图技术，与ACE的星座点扩展方式不同之处在于: QAM调制的OFDM系统，每个子载波值有16种可能取值。 改变每个星座点的实部和虚部，得到基本星座图上星座点的可代替点。 当峰均比较大时，可调整部分子载波的星座点，使用等效点代替。TI技术TI技术3、多路备选信息法3、多路备选信息法部分传输序列法(PTS) 部分传输序列法将输入数据等效转化为V个数据子块之和，输入数据只在一个数据子块中出现，而在其他数据子块中为3、多路备选信息法3、多路备选信息法对V个数据子块进行IDFT，再乘以相位因子的不同组合并叠加，得到U路备选信号，然后从中选择峰均比最小的信号进行传送：3、多路备选信息法3、多路备选信息法部分传输序列法的原理图3、多路备选信息法3、多路备选信息法由于相位因子不会影响信号的平均功率，记各路备选信号的平均功率为3、多路备选信息法3、多路备选信息法为了接收端能够正确进行检测，需要传送副信息用以代表所选用的相位因子组合。对于M进制调制，其引入的冗余度为： 并且，部分传输序列法可以通过修改相位因子和分组方式调整输出信号的峰均比 3、多路备选信息法3、多路备选信息法(2)选择映射法(SLM) 传统选择映射法的基本思想为：使用U组预先的伪随机向量与原信号相乘， 然后对所产生的U组信号分别进行IDFT 再从中选出峰均比较低的信号进行传输，并同时发送副信息以通知接收端所选择的伪随机向量，如图所示。3、多路备选信息法3、多路备选信息法综上所述，选择映射法与部分传输序列法的基本思想相近，都是利用备选信号多路择一的方法来降低峰均比，可将其视为部分传输序列法在分组数V =N的一种特例进行考虑。小结小结峰值平均功率比的定义和研究现状 主要的几种抑制峰值平均功率比的几种方法：限幅法，压缩扩张法，星座图法，TI，多路备选信息法和编码法。null