正交频分复用系统中降低峰均比的技术研究文献综述

 2022-10-27 10:23:41
  1. 文献综述(或调研报告):

OFDM(正交频分复用)是一种多载波调制(MCM)技术。[1]它的基本思想是把数据流变换为 N 路速率较低的并行子数据流,调制到等间隔的一组正交子载波上。因为数据流的速率变为原来的 1/N,即符号周期扩大为原来的 N 倍,每个 OFDM 符号持续时间比单载波长很多,远远大于信道的最大延迟扩展。另外,OFDM 由于充分利用了信号的时频正交性,允许 N 个子信道频谱有 2 / 1 重叠,因此与常规的FDM 系统相比,OFDM 系统可以最大限度地利用频谱资源。

然而由于OFDM系统的输出是多个子信道的叠加,当多个子信号的相位一直,所得到的信号叠加起来的瞬时功率会远远大于信号的平均功率,导致过大的峰值平均功率比,即PAPR,PAPR的定义为OFDM符号的峰值功率与该符号的平均功率的比值,并且随着子载波数的增加,峰均比也会随之线性增加,这便使得对发射机内的放大器的线性度有很高的要求[2],如果高峰均比的OFDM信号通过非线性设备,如传统的功率放大器PA,会导致严重的线性失真,引起带内信号畸变,带歪频谱扩展,各子信道间正交性被破坏[3],从而导致整个系统的性能的下降,如果不降低高峰均比又不想引起性能损失,必须对功率放大器做很大的回退,导致系统能效的降低。[4]因此,如何抑制OFDM系统的峰均功率比一直都是很重要的问题和研究热点。

针对 OFDM 技术中的峰均比抑制问题,大量算法被提出。总的来说,这些算法总体可归纳为三类:基于信号预畸变类、基于编码类、基于概率类(信号扰码)[2][4][5]。

信号预畸变类主要是通过非线性的方法减小信号的峰值,这类技术主要有限幅法和压扩法。限幅法是降低 PAPR 最简单的方法,它直接限制了 OFDM 信号大的峰值的出现,使得限幅后的信号电平在给定的电平以下;压扩法就是对信号进行压缩扩展变换,压缩大功率信号同时放大小功率信号,由于大功率信号被压缩所以峰值大的信号不再出现,PAPR 自然就降低,同时功率小的信号的抗干扰能力也得以加强,相应的在解调信号时要通过一个反变换以便恢复出原信号[6]。然而信号号预畸变方法使得系统BER性能恶化,可采用迭代接收方法,来消除非线性干扰,改善BER性能[3]。

概率类算法(信号扰码)主要是基于频域的,通过减小输入序列的相关性,避免了子载波调制数据时相位的一致性,从而到达降低 PAPR 的目的。这类技术主要包括选择性映射(SLM)[]、部分传输序列 (PTS)[6][7][8][9]及星座图扩展(ACE)等方法。后来学者们提出了计算复杂度更低,却又更好抑制PAPR的迭代 FFT 优化算法的[4],和将PTS改进的PTS-GS的算法,该算法基于遗传算法来优化相位因子,取得很好的抑制效果同时也降低了运算量[4]。并且还有分别从 IFFT变换核的简化、SLM 算法中边带信息的内嵌以及 PTS算法中最优加权向量搜索的简化等三方面来降低概率类技术中算法和实现的复杂度[5]。

编码类算法主要是基于数据比特编码的技术,主要通过编码的方式来避免使用具有高峰值的码字,例如预编码DFT技术[10][11]。

21世纪后,又提出了一种叫做格状成型的技术(Tellis shaping,TS),通过某种准则改变子载波的符号映射和编码方式,利用星座图中的冗余,在多个子载波符号序列中选择对应PAPR最小的以传输。Trellis shaping既可以看作是一种编码类方法,也可以看作是一种概率类算法[10][11]。

对于PAPR的计算,可以用过采样的OFMD系统来近似[10],由于OFDM信号的高PAPR并不是一定出现的而是有概率出现的,因此OFDM的PAPR可以看做一个变量,且随机出现,所以考察PAPR的统计特性,探究PAPR的分布函数,如累积概率分布函数( Cumulative Distribution Function, CDF )[3],互补累积概率分布函数(Complementary CDF, CCDF)[1][3][5][10][11],CCDF这种表示方法,已得到广泛认可。

参考文献:

  1. 贺璟.OFDM系统中峰均比抑制技术的研究[D]:[硕士学位论文].重庆:重庆大学信号与信息处理,2010.
  2. 王珏,李辉,贾蒙.OFDM系统峰均功率比抑制技术研究[J]. 火力与指挥控制,2011,36(6):148-153.
  3. .张永刚. OFDM系统中峰均比抑制技术研究[D]:[硕士学问论文]. 西安:西安电子科技大学通信与信息系统,2012.
  4. 张林. OFDM无线通信系统中峰均比抑制技术研究[D]:[硕士学位论文]. 成都:电子科技大学信号与信息处理,2012
  5. 贺璟.OFDM系统中峰均比抑制技术的研究[D]:[硕士学位论文].重庆:重庆大学信号与信息处理,2010.
  6. Chen L, Fang Y. PAPR reduction in optical OFDM systems using asymmetrically clipping and signal scrambling technique[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2015, 9619.
  7. Jiang T, Xiang W, Richardson P C, et al. PAPR Reduction of OFDM Signals Using Partial Transmit Sequences With Low Computational Complexity[J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 2007, 53(3):719-724.
  8. Han S H, Lee J H. PAPR reduction of OFDM signals using a reduced complexity PTS technique[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2004, 11(11):887-890.
  9. Ye C, Li Z, Jiang T, et al. PAPR Reduction of OQAM-OFDM Signals Using Segmental PTS Scheme With Low Complexity[J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 2014, 60(1):141-147.
  10. Ryota Yoshizawa; Hideki Ochiai. Energy Efficiency Improvement of Coded OFDM Systems Based on PAPR Reduction [J]. IEEE Systems Journal, 2017, 11(2): 717 – 728
  11. 杨品露. OFDM信号的峰均比抑制技术研究[D]:[博士学位论文]. 南京:东南大学信号与信息处理,2011.

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