胥艷 陳魯聰 馮玉光
摘 要:文章介紹了峰均比的定義,對(duì)不同調(diào)制方式和不同子載波映射方式下SC-FDMA系統(tǒng)的PAPR進(jìn)行了仿真分析,在QPSK和16QAM兩種調(diào)制方式下仿真對(duì)比了SC-FDMA系統(tǒng)和OFDMA系統(tǒng)的PAPR性能優(yōu)劣。
關(guān)鍵詞:峰均比 SC-FDMA系統(tǒng) OFDMA系統(tǒng)
中圖分類號(hào):TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2018)01(b)-0016-03
FDMA頻分多址接入技術(shù)和蜂窩理論結(jié)合所產(chǎn)生的1G技術(shù)革新了人們的生活,經(jīng)過(guò)不斷的演進(jìn),發(fā)展到今天優(yōu)勢(shì)更加顯著的以O(shè)FDM正交頻分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)的4G技術(shù),極大地方便了人們的生活和商業(yè)需求,成為社會(huì)不斷進(jìn)步,跨越發(fā)展必不可少的因素。LTE作為全球五大4G標(biāo)準(zhǔn)之一,在國(guó)際通信系統(tǒng)格局中占有很重要的地位,其上行采用SC-FDMA技術(shù),下行采用OFDMA技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸速率更高,容量更大,穩(wěn)定性更好的通信,目前已經(jīng)在生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用。
1 峰均比(PAPR)的定義
峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)是用來(lái)衡量發(fā)射機(jī)功率效率的參數(shù),指發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)時(shí)峰值功率和平均功率的比值。當(dāng)一個(gè)功率放大器是理想的和線性的,在放大性能達(dá)到飽和點(diǎn)時(shí),其功率效率也達(dá)到了飽和,發(fā)射機(jī)功率效率和峰均比之間的關(guān)系為:
上式中η為功率效率,ηmax為功率效率最大值。SC-FDMA系統(tǒng)比較低的PAPR特性是由其信號(hào)的傳輸特性決定的,不同的子載波映射方式下產(chǎn)生的信號(hào)的PAPR也會(huì)不一樣。
在OFDM系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)所發(fā)送信號(hào)的PAPR是根據(jù)OFDM符號(hào)來(lái)定義的,雖然插入了CP,但是并不影響PAPR的計(jì)算。OFDM系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)的峰均比可表示為:
其中,x(t)為經(jīng)過(guò)IDFT后的OFDM符號(hào),E(·)表示數(shù)學(xué)期望值。而一個(gè)OFDM符號(hào)可表示為:
在3GPP LTE上行鏈路所采用的SC-FDMA系統(tǒng)中,發(fā)射信號(hào)的峰均比指一個(gè)IFFT模塊內(nèi)功率的峰值與平均值的比值。而發(fā)射信號(hào)x(t)功率峰值為,因此可以通過(guò)研究的概率分布情況來(lái)研究SC-FDMA的PAPR,SC-FDMA信號(hào)的峰均比可表示為:
由于SC-FDMA信號(hào)采用單載波調(diào)制技術(shù),所以在沒(méi)有脈沖成形濾波的情況下,其符號(hào)的峰均比PAPR是相同的,可以表示為:
2 SC-FDMA系統(tǒng)PAPR仿真
SC-FDMA系統(tǒng)PAPR仿真設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。
2.1 不同調(diào)制方式下SC-FDMA系統(tǒng)PAPR仿真
SC-FDMA系統(tǒng)輸入信號(hào)的調(diào)制即將原始數(shù)據(jù)信息擴(kuò)展到子載波上,以減小相鄰頻帶間的相互干擾。保持其他參數(shù)相同,在QPSK和16QAM兩種調(diào)制方式下SC-FDMA系統(tǒng)的峰均比PAPR仿真結(jié)果如圖2所示。
在圖2中,橫坐標(biāo)為峰均比PAPR值,縱坐標(biāo)為互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)CCDF值。從PAPR仿真結(jié)果圖可以看出,QPSK調(diào)制方式下SC-FDMA系統(tǒng)的PAPR明顯小于16QAM。這是因?yàn)橥瑯邮窃?6個(gè)復(fù)值符號(hào)的情況下,QPSK調(diào)制方式所包含的比特?cái)?shù)只是16QAM調(diào)制方式的一半,所以它的峰均比值才小于16QAM調(diào)制方式。但在實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用中,采用n-QAM調(diào)制方式(比如16QAM和64QAM)能夠?qū)崿F(xiàn)大容量高速率的通信傳輸要求,同樣也會(huì)帶來(lái)較高的峰均比,增加了終端成本,所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該合理選擇調(diào)制方式,以便實(shí)現(xiàn)峰均比最小和系統(tǒng)性能最優(yōu)的折中。
2.2 不同子載波映射方式下SC-FDMA系統(tǒng)PAPR仿真
SC-FDMA信號(hào)的映射方式有3種,即IFDMA、 LFDMA和DFDMA。保持其他參數(shù)不變,在QPSK調(diào)制方式下SC-FDMA系統(tǒng)3種子載波映射方式的PAPR結(jié)果如圖3所示。
從仿真結(jié)果圖4可以看出,3種子載波映射方式中,SC-FDMA系統(tǒng)PAPR性能最好的是IFDMA交織式子載波映射方式,LFDMA的PAPR性能次之,DFDMA的 PAPR性能最差。所以在實(shí)際應(yīng)用中考慮采用IFDMA作為SC-FDMA信號(hào)映射方式。
3 SC-FDMA與OFDMA系統(tǒng)PAPR仿真比較
OFDMA作為3GPP LTE下行鏈路的關(guān)鍵技術(shù),采用并行的數(shù)據(jù)傳輸方式,具有較高的頻譜利用率和傳輸效率,但多個(gè)窄帶信號(hào)的疊加傳輸會(huì)帶來(lái)比較高的峰均比PAPR,不利于上行鏈路的使用。而SC-FDMA采用N路串行的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸,可以有效降低系統(tǒng)的峰均比PAPR。
本節(jié)使用Matlab軟件進(jìn)行SC-FDMA與OFDMA系統(tǒng)峰均比PAPR的仿真比較,調(diào)制后的M點(diǎn)數(shù)據(jù)源經(jīng)過(guò)子載波映射后進(jìn)行N點(diǎn)IFFT變換,然后進(jìn)行過(guò)采樣和脈沖成型處理,最后計(jì)算PAPR值。
在QPSK和16QAM兩種調(diào)制方式下,分別進(jìn)行SC-FDMA和OFDMA峰均比PAPR仿真,SC-FDMA采用交織式子載波映射IFDMA方式,脈沖成型濾波器選用RRC,符號(hào)數(shù)為16。
在16QAM調(diào)制方式下,SC-FDMA和OFDMA峰均比PAPR仿真結(jié)果如圖5所示。
從仿真結(jié)果可以看出,在QPSK和16QAM兩種調(diào)制方式下,SC-FDMA3種信號(hào)映射方式下系統(tǒng)的PAPR均小于OFDMA系統(tǒng)。在QPSK調(diào)制方式下SC-FDMA的PAPR性能優(yōu)勢(shì)大于16QAM調(diào)制方式。并且在QPSK和16QAM調(diào)制方式下,OFDMA系統(tǒng)峰均比值變化非常小。正因?yàn)榫哂斜容^小的峰均比,SC-FDMA才被3GPP選為L(zhǎng)TE上行鏈路的關(guān)鍵接入技術(shù),其低峰均比的優(yōu)勢(shì)能夠有效降低用戶終端的制造難度,減少了成本投入,延長(zhǎng)了用戶終端電池的使用壽命,受到了運(yùn)營(yíng)商的青睞。
4 結(jié)語(yǔ)
分析了SC-FDMA系統(tǒng)PAPR特點(diǎn),對(duì)不同子載波映射方式下的PAPR進(jìn)行了分析。然后對(duì)不同調(diào)制方式下、不同子載波映射方式SC-FDMA系統(tǒng)的PAPR進(jìn)行了仿真和結(jié)果分析,仿真對(duì)比了SC-FDMA系統(tǒng)和OFDMA系統(tǒng)的PAPR性能,深入研究了SC-FDMA技術(shù)的峰均比性能特點(diǎn),并利用Matlab仿真平臺(tái)進(jìn)行了不同條件下SC-FDMA系統(tǒng)的PAPR性能仿真和不同調(diào)制方式下SC-FDMA系統(tǒng)和OFDMA系統(tǒng)的PAPR性能仿真。
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