降低OFDM系统峰均功率比的星座恢复方法研究

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为了满足人们日益增长的对语音、数据、影像等多媒体业务的需求,这就要求通信系统具有很高地数据传输速率。对于高速数据通信系统来说,其传输的符号宽度很窄。由于无线信道存在着时延扩展,从而会使单载波通信系统产生严重地符号间干扰,造成系统误码性能的下降。虽然CDMA系统具有较好地抗多径衰落能力,但是其很难获得较大的扩频增益,从而造成系统的误码性能下降。采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术的通信系统可有效地消除符号间干扰,其具有较强地抗多径衰落能力和很高的频带利用率,适合于宽带移动通信。目前,OFDM技术已成为第4代移动通信的核心技术。  但是OFDM技术本身也存在一些问题,其两个主要缺点是:对频率偏差非常敏感和信号的动态范围很大,即峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)很大。基于OFDM技术的多载波调制系统输出的信号是由多个子载波信号叠加而成的。当各子载波信号的相位一致时,叠加后的OFDM信号的瞬间功率就会远大于其的平均功率,导致OFDM信号具有很大的峰均功率比。因此,将对发射系统中的功率放大器、A/D和D/A转换器等器件的性能指标提出很高的要求;当发射系统的线性动态范围不能满足输入信号的要求时,就会使OFDM信号产生畸变,导致各个子载波信号之间的正交性遭到破坏,系统误码率急剧增大。本文主要是解决OFDM系统的高PAPR问题。  目前,降低OFDM系统PAPR的技术主要包括:信号预畸变类技术、概率类技术和编码类技术。采用信号预畸变类技术的OFDM系统结构简单、易于实现,且不需要加入冗余码,因而系统传输效率较高,但信号的畸变较严重,系统误码性能较差。采用概率类技术的OFDM系统可大大地降低大信号的出现概率,从而使系统的PAPR性能得到明显地改善,但其算法较复杂,还需要额外的信道来传送附加信息。而采用编码技术,在理论上可使OFDM系统获得很低的峰均比,且不会使信号产生畸变,但在子载波数较大时,编码效率很低,且编解码方法非常复杂。基于对现有方法的分析结果,本文提出了一种新的降低OFDM系统PAPR的方法——星座恢复法。  星座恢复法的基本原理是:在发送端采用软件削波限幅的方法来降低OFDM系统的PAPR,其系统结构简单、且可根据系统的设计要求灵活地改变PAPR值;在接收端根据调制信号的星座特性恢复出被限幅数据的实际值,从而减小了信号的畸变,提高了系统的误码性能。在接收端被限幅数据的恢复过程较复杂,需对可能被限幅的数据进行多次调整,每调整一次就需要进行一次 FFT变换,然后根据变换后的数值与理想星座分布点之间的相似程度来判决哪一次调整后的数据是发送端应发送的数据,从而完成了数据恢复的工作。由于需要进行大量的FFT变换和比较判决工作,系统所需运算量很大。  为了使星座恢复法更具实用性,需对其算法进行简化,本文从两个方面着手来解决这个难题。一方面降低求解多次FFT变换所需的运算量。由于恢复某个被限幅数据需进行多次调整,且每次调整只对这个数据的值进行调整,因此,除了第一次求解FFT变换需要进行(log2N)×N/2次复数乘法和加法运算和第二次求解FFT变换需要进行N次复数乘法和加法运算以外,其余各次求解FFT变换只需进行N次复数加法运算即可,从而大大地减少了系统的运算量。另一方面可根据OFDM符号总能量为一固定值这一特性来精确地确定被限幅数据可能出现的区间范围,从而减少数据的调整次数,也就是减少了系统恢复被限幅数据所需的运算量。  理论分析和仿真结果表明:基于星座恢复法的OFDM系统,其PAPR性能得到了明显地改善,系统的平均输出功率增大,误码率下降。与加权矢量系数为8的SLM法相比,在最佳PAPR条件下,二者的误码性能相似,但是,采用星座恢复法无需额外信道来传送附加信息,且其所需的运算量也大大地减少。  在OFDM系统最大输出功率受限的情况下,为了获得更好地误码性能,可采用改进的星座恢复法。其是将SLM方法与星座恢复法相结合,充分利用二者的优点,其误码性能与现有的一些方法相比有了较大地改善,但其算法复杂度有所提高。
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