摘要:目前,正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)是移動通信系統(tǒng)的重要組成部分,然而在時域上存在高峰值平均功率比(PAPR),阻礙了其實用化。因此,加大對OFDM系統(tǒng)降低PAPR方法的研究具有很大的現(xiàn)實意義。文章闡述了OFDM技術(shù)和峰均比定義,對峰值平均功率比問題進行了分析,對幾種常見的降低PAPR的方法進行了研究。
關(guān)鍵詞:光纖傳輸;正交頻分復(fù)用;峰均比;選擇性映射;部分序列傳輸
中圖法分類號:TN919 文獻標(biāo)識碼:A
作為常用的數(shù)據(jù)傳輸方式,OFDM 系統(tǒng)有一個重要的缺陷,即高峰值平均功率比(PAPR)。高PAPR對調(diào)制器和放大器的線性范圍提出了更高的要求,這些光電器件一旦超出線性范圍,效率將會大幅降低,甚至引起光纖的非線性效應(yīng)。本文分析了OFDM 系統(tǒng)中峰值平均功率比的問題,并對限幅法、選擇性映射法和部分序列傳輸法3 種降低PAPR 的方法進行了對比研究。
1 概述
1.1 OFDM 技術(shù)
OFDM 即正交頻分復(fù)用技術(shù),是多載波技術(shù)的一種,其核心思想是把一路高速數(shù)據(jù)流分割成n 路低速數(shù)據(jù)流,經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后在n 個子載波上并行傳輸[1] 。該技術(shù)有實現(xiàn)簡單、高頻譜利用率、強抗干擾等優(yōu)點。OFDM 的主要組成部分有信道、接收端以及發(fā)送端。OFDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。
在經(jīng)過一定編碼和相應(yīng)的串并轉(zhuǎn)換后,數(shù)據(jù)流信號被分配到多路并行,再經(jīng)過一系列調(diào)制、變換、濾波和逆變換后得到原數(shù)據(jù)流信號。其中,調(diào)制方式有正交幅度調(diào)制和相移鍵控調(diào)制2 種方式,變換和逆變換實現(xiàn)了頻域信號和時域信號之間的相互轉(zhuǎn)換。此外,信號傳輸過程中,將循環(huán)前綴作為保護間隔,保持子載波間的正交性,可有效降低符號間和子載波間的干擾。
與此同時,OFDM 技術(shù)仍存在部分問題亟須解決,其一是同步問題,較大的同步誤差使載波間產(chǎn)生干擾,子載波間的正交性被破壞,不僅會降低輸出信噪比, 甚至?xí)瓜到y(tǒng)不能正常使用[2] ; 其二是高PAPR 要求較大的放大器線性范圍,極大地降低了放大器的效率。
1.2 OFDM 系統(tǒng)的峰均比定義
一定周期內(nèi),OFDM 信號最大的瞬時功率跟平均功率的比值稱為峰值平均功率比,簡稱峰均比。其公式為:
其中,s(n)是經(jīng)過IFFT 運算后的信號。
OFDM 技術(shù)中的多個子載波間具有正交性,且具有獨立統(tǒng)計包絡(luò)值,中心極限定理表明,高PAPR 不可避免,如當(dāng)某一方向上多個子載波同時疊加,就會形成較高的PAPR。通常PAPR 公式?jīng)]有實際意義,因此在實際應(yīng)用過程中,使用PAPR 的CCDF(互補累積分布函數(shù))來表示峰值分布特性,其具體表達式為:P{PAPR>p} =1-P{PAPR≤p} =1-(1-e-p)N (2)
2 OFDM 系統(tǒng)中峰值平均功率比問題
2.1 高PAPR 對光傳輸系統(tǒng)的影響
OFDM 系統(tǒng)的傳輸流程是:經(jīng)過OFDM 調(diào)制后的信源,通過數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大器放大得到信號源,再通過一定調(diào)制器實現(xiàn)光調(diào)制,帶有光信號的光載波再經(jīng)過濾波器除噪、光電信號轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、解調(diào)等一系列流程恢復(fù)出原信號?;谏鲜鲂盘杺鬏斣?, 高PAPR 會影響光纖、調(diào)制器及放大器,導(dǎo)致系統(tǒng)性能大幅下降。主要體現(xiàn)在以下方面。
(1)降低光電等設(shè)備的效率。在高PAPR 情況下,由于信號峰值必須始終在器件線性范圍之內(nèi)才能最大程度保證系統(tǒng)性能,為了保證傳輸不失真,因此需要較大線性范圍的放大器,這使放大器效率大幅度降低,嚴(yán)重影響了系統(tǒng)性能。
(2) 引起光纖非線性效應(yīng)。在OFDM 中, 高PAPR 要求光器件有較大的線性范圍,如調(diào)制器等光學(xué)器件一旦超出線性范圍,則會引起光纖自身的非線性效應(yīng),從而影響系統(tǒng)的整體性能。
(3)增大成本。高PAPR 使DAC、放大器、ADC、MZM 等多種設(shè)備的線性范圍增大,器件復(fù)雜度變大使得系統(tǒng)成本增加。
2.2 信號預(yù)畸變技術(shù)
信號預(yù)畸變技術(shù)降低PAPR 的基本思路是直接非線性處理信號,常見的有限幅法、壓縮擴展法等。
這種方法實現(xiàn)起來較為簡單,但直接非線性處理信號,使得信號發(fā)生畸變,會使性能降低[3] 。其中,限幅法操作簡單、容易實現(xiàn),有明顯的PAPR 效果,但非線性處理會引入噪聲,導(dǎo)致帶外輻射、帶內(nèi)損耗等問題,一定程度上會對系統(tǒng)性能造成影響。
2.3 編碼類技術(shù)
這類降PAPR 的技術(shù)通常在調(diào)制之前進行,其具有不失真的優(yōu)點。編碼類技術(shù)的基本思路是不同碼字編碼的信號擁有不同的PAPR 值,通過限制傳輸序列的編碼,實現(xiàn)PAPR 的降低。此類方法為線性處理過程,會引入冗余度,且載波數(shù)量較多時,復(fù)雜的選擇碼字過程使運算量變大,極大地降低信息速率,常見的有雷德密勒編碼法、分組編碼法等。在光通信系統(tǒng)中,需要簡單、相對容易實現(xiàn)、低復(fù)雜度的一些方法,由于這類方法計算量大且復(fù)雜度高,降低PAPR 的速率不高,因此沒有得到廣泛應(yīng)用。
2.4 概率類技術(shù)
概率類技術(shù)也屬于信號擾碼類技術(shù),其基本思路是利用一定冗余信息,通過概率統(tǒng)計方法,從而降低高PAPR 出現(xiàn)的概率,其實際的實現(xiàn)過程是線性變換原始數(shù)據(jù)。此類技術(shù)的核心是尋找匹配的矢量向量,從而達到有效降低PAPR 的目的。這類技術(shù)有選擇映射法和部分傳輸序列法2 種,相較于其他的概率類方法,這2 種概率方法最為簡單且容易實現(xiàn)。
1997 年,首先提出了部分傳輸序列技術(shù),其基本思路是選用不同的向量序列將原始信號進行相應(yīng)處理,最終選擇最佳向量序列進行OFDM 信號傳輸,許多學(xué)者對此技術(shù)進行了研究,以達到降低PAPR 的目的。通常提高選擇映射法性能的2 種基本思路是對數(shù)據(jù)向量的分割方法和最優(yōu)加權(quán)系數(shù)的選擇[4] 。目前,常用的數(shù)據(jù)分割方法有交織分割、隨機分割和相鄰分割3 種方法。交織分割子向量選用的是等距離相隔的多個子載波;隨機分割子向量選用的是隨機選取多個子載波;相鄰分割子向量選用的是依照順序選取多個子載波,其中,3 種方法有一個共同使用前提即所有子向量有相等的大小,并且子向量之間不能重疊。
選擇映射技術(shù)最早在1996 年被提出,其基本思路是使用多個不同相位且獨立統(tǒng)計的向量來傳輸同樣長度的OFDM 信號,經(jīng)過IFFT 變換和一定計算后,選擇最佳向量用于傳輸OFDM 信號。這種方法因存在不同相位角而有多種選擇,其相應(yīng)的計算難度也越大。
2.5 降PAPR 方法性能的改善
在通信領(lǐng)域,降低PAPR 具有很大的現(xiàn)實意義,因此許多學(xué)者都對OFDM 信號光纖傳輸系統(tǒng)中降低PAPR 方法進行了相關(guān)研究,依據(jù)現(xiàn)有文獻資料,改善PAPR 性能的有2 個基本思路[5] 。一種是通過聯(lián)合方法來實現(xiàn)PAPR 降低度的提升,另一種是不斷尋找新的降低PAPR 的方法。
3 OFDM 信號光纖傳輸系統(tǒng)中降低PAPR 方法
3.1 限幅法
限幅法即限幅電平,是一種最簡單的方法,其基本思路是限制信號幅度使其保持在一個固定值,所有超過限幅電平幅度的信號都會受到限制,使其始終保持在限幅電平之內(nèi)。限幅法原理示意圖如圖2 所示。
有很多方法可以實現(xiàn)限幅,本文使用改進的限幅法,即限幅濾波法[6] ,其具體操作步驟為:事先設(shè)置門限值,原信號經(jīng)過編碼、變換等處理,再進行K 倍過采樣處理,然后進行IFFT 運算和頻域濾波等,使得信號始終限制在限幅電平之下。采用限幅濾波法的OFDM 系統(tǒng)發(fā)送端框圖如圖3 所示。
仿真實驗結(jié)果表明,這種方法對降低PAPR 有較好的效果,其中PAPR 隨限幅次數(shù)的增多而變小,但超過一定的限幅次數(shù),PAPR 降低速率變小,通常情況下限幅次數(shù)在2~3 次最佳。
3.2 選擇性映射法
選擇映射方法的基本思路是,復(fù)制串并轉(zhuǎn)換后的信號,得到M 份帶有相同信息的信號,同時存在M 份隨機相位矢量,讓二者先做乘法運算再進行IFFT 運算,最后選用PAPR 相對較小的那組數(shù)據(jù)。
仿真實驗結(jié)果表明,該方法可以有效降低PAPR,但是該方法的計算復(fù)雜度會受到M 值的影響,當(dāng)M值較大時,計算復(fù)雜度就越高,需要的運算器硬件也就越多,這會極大地犧牲系統(tǒng)性能。
3.4 3 種方法對比
限幅法、選擇性映射法和部分序列傳輸法3 種方法均可有效降低OFDM 信號光纖傳輸系統(tǒng)中的PAPR,它們都有一定的優(yōu)缺點。限幅法有效且簡單,但存在一定程度的失真;選擇性映射法和部分序列傳輸法2 種方法均不容易發(fā)生失真,然而算法復(fù)雜度較高,其中部分序列傳輸法對硬件需求最高,實現(xiàn)成本高。因此,實際應(yīng)用中需要結(jié)合具體條件和要求,選擇最佳的降低PAPR 的方案。
4 結(jié)束語
在信號傳輸過程中,高PAPR 會引入噪聲,對子載波產(chǎn)生干擾,從而嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能。因此,如何降低PAPR 一直是通信領(lǐng)域的研究熱點,同時是一個非常有意義的問題。本文主要對限幅法、選擇性映射法和部分序列傳輸法3 種方法進行了對比研究,分析了各自的優(yōu)缺點,以期為相關(guān)技術(shù)人員和OFDM 信號光纖傳輸?shù)陌l(fā)展提供一定參考。
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作者簡介:王夢凡(2002—),本科,研究方向:通信工程。