The Techniques and an Efficient PAPR Reduced Method of OFDM Systems
 摘要:OFDM是一种多载波调制技术,其特的这调制特性决定了它有较高的峰均功率比高峰均功率比信号会对实际放大器提出很高的线性要求,因此,它是限制OFDM技术实用化的主要障碍.目前虽有很多降低OFDM信号的峰均功率比PAPR的方案,但大多是以增加系统的复杂程度为代价的.本文提出了两种降低OFDM信号PAPR的方法,可以在不过分增加系统复杂性的基础上使其PAPR在很大程度上得到降低.
关键词:OFDM(正交频分复用):多径效应;峰均功率比(PAPR);随机相位校正;功率差异
Abstract: OFDM,a kind of Multi-carrier modulating techniques,holds a high PAPR(Peak-to-Average-Power Ratio)due to its special modulating characteristics.High PAPR signal limits this technique to be applied in practice because the strict linearity to the power amplifier is required by it .Tough, many schemes presented to reduce the PAPR,most of them are at the cost of increasing the systems’complexity .By the method of PAPR reduced for OFDM is presented in this thesis,the PAPR,can be lowered to some degree without excessively increasing the complexity of the systems.
Key words:OFDM(Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing), multi-path effect, PAPR (Peak-to Average), random phase up dating, power variance(PV)

1引言 无线信道的一个重要特点是多径传播，它使接收信号相互重叠，产生符号间干扰(ISI)。当传输速率较高时，信号持续时间越短，相应带宽越宽，若信号带宽超过信道相干带宽时，信道时间弥散特性将对接收信号产生频率选择性衰落。为解决这个问题，人们提出了多载波调制(MCM)技术。它把高速率数据流分成多个低传输比特速率的数据流，用并行数据流去调制多个载波。正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波方式。
OFDM在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱相互重番，这样减小了子信道间干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，故虽整个信道是非平坦的频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间干扰. OFDM适用于多径环境和频率选择性衰落信道中的高速数据传输。由于OFDM具有抗多径能力强、频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注.人们不但认为在宽带无线接人领域采用OFDM是发展的趋势，而且它将成为未来移动通信系统的关键技术。
正交频分复用调制是一种频谱利用率很高的调制方式，具有良好的抗衰落能力，并可以实现数据的高速传送，但由于各载波的包络值统计独立，叠加后信号的峰值功率与平均功率的比值，即峰平比(PAPR)将随着载波数的增加而增加，这就要求系统中的功放具有较大的线性放大范围，以避免传输信号的频谱扩散和非线性失真，同时也要求后继的D/A转换器具有较大的转换宽度，这样就增加了实现难度和系统成本.为了降低PAPR已经提出了多种方法，但这些方法各有各的优缺点。本文就对几种有效降低PAPR的两种方法作简要的介绍.
. OFDM与峰均功率比PAPR问题
技术的主要思想是:将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传
输，信号带宽小于信道的相关带宽.
 

其中,N为相互正交的子信道数目，dn是要发送的信息经过PSK或Q}调制后得到的复信号，fn是不同子信道的载波频率。在OFDM系统中，为了保持子信道间的正交性，子载波频率fn=n/T, n是子信道号，T是一个OFDM符号的周期。
 从OFDM的数学表达式可以看出一个OFDM符号是N个正交子信道的信号之和，其中各子信道的载波是sin或cos函数.当所有子信道信号以峰值相加时，,OFDM信号将产生最大峰值。峰均功率比PAPR: 定义为OFDM信号的最大峰值功率和同一信号平均功率之比:
                    
  通常情况下，OFDM信号的最大峰值功率是平均功率的N倍，即PAPR的最大值为N,随着子信道数N的增加,PAPR的最大值也会线性增大，这就对发送端前端放大器的线性范围提出了很高的要求.尽管出最大PAPR的概率很低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比的OFDM信号，发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高且发送效率极低，同时接收端对前端放大器以及变换器的线性度要求也会很高。因此.高PAPR大大降低了OFDM系统的性能甚至影响了这一技术的广泛应用.
1一种基于破坏序列一致性的降低PAPR的有效方法
 1.1 此方法的基本原理
在发送端产生一定长度的m序列,如果按照一定的规则把这些m序列加入到发送序列中,这样就打散了要传输信息一致性的问题,使得很高的峰值功率不再出现，并通过具有窗函数功能的选择器选出PAPR最小的一路进行传输。假定发送符号长度为N，产生的m序列长度为M，则最后需要N+M个子载波进行调制，所以频谱损失率为M/（N+M）。但选取合适大小的M，则这种方法的频谱利用率仍然比单载波系统的频谱利用率高。
因为额外传送”多余”的伪随机信号势必要多占用一定的频带，因此，一般情况下选取的M不应过在，一般不超过N/10（传输序列长度）。这样频谱损失不会大于10%，从而保证OFDM的频谱利用率大于90%，仍然比单载波系统的频谱利用率高很多，这样，OFDM频谱利用率高这一优点仍将以保持。
1.2 方案构思
  这里,对256副载波系统采用16m序列,并对信源采用Turbo编码.边信息S由(8,4)有里德密勒编码电路编成8-bit码字(S,P),值为256的复合信号(V  ,1.5S,1.5P)映射到OFDM系统的256个副载波上.其中,U:124bit,  V:248bit,  :248bit,S:4bit, P:4bit.通过这种方法,PAPR的增加值可以限制在以下范围内:
10log -10log    ,
 但这是以降低系统的频带利用率为代价的.可见在m序列的长度M的选取问题上,PAPR的降低和频谱利用率是一对不可调和的矛盾,因此在设计
   
图1 原理方框图

中必须对序列长度M进行分析.
  2基于编码技术减小PAPR的方法
   编码技术是利用改变相位来减小PAPR的方法,此方法较有吸引力.因为我们知道编码还具有纠错能力,在实现PAPR减小的同时又能做FEC(Forward Error Correction)的编码方法提高了频谱利用率.
  2.1 随机相位校正技术基本原理
     在此技术中,每一个子载波的随机相位校正算法为此载波分配一随机相位.通过相位调整可将OFDM信号表示为(未抽样前):
                            
这里2πΦn 是第n个子载波的相位变化量.通过为每一个子载波增加一个随机相位将改变OFDM信号的PV(power vaiance,功率差异).在随机相位校正算法中,每个子载波的相位是通过随机的增量改变的,如下式表示:

   
这里i为重复系数,  为第n个子载波在第i次重复时的相位的初始值 可认为是0.此算法的流程图如下:

                  图2  流程图

    在此算法中不同相位的增量对减小OFDM信号功率差异的作用不同,在满足功率差小于门限值过程中相位每次的变化量与重复比较次数之间存在一定的关系.相位每次的变化量较小时,比较的次数就较大.当相位每次的变化量太小时产生的变化相位对减小PAPR效果不佳,加大变化量能有效地改善PAPR.通过增加变化量还可以减小满足PV所需的重复比较次数越大.这是很明显的.因为当PV的门限值越小为子载波选择适当的相位就越难.
在实际中运用随机相位来减小PAPR将引起系统复杂性和辅助信息的需要.因为在发关系发送端和接收端要求能识别相位的变化量.为了解决这个问题,可以引入随机相位增量的量化和组合的概念.用BPSK或QPSK来量化相位变化量可减少用来表示每个相位变化量的字节数,而这些字节数正是引起复杂性的原因.组合就是将子载波组成一组,在同一组的子载波具有相同的相位增量.通过组合更能有效地降低算法的性.
2.2 随机相位校正技术的发展
   前面介绍的算法基本原理,PV的门限值是固定的.然而根据选定的随机相位增量可能PV的门限值减小,这样可以在算法中动态地减小门限值,这种算法可提供更小的PAPR.
     第一步,计算原OFDM符号的PV值,接着根据这个PV值设定一门限值,
     第二步,从零初始相位开始,产生随机相位增量并加到符号上.接着计算这时符号的PV值,并与门限值进行比较,如果这时的PV值小于门限值,则所选的相位增量是对的,相位校正,同时新的门限值产生,即PV值的90%.否则新的相位增量产生并加在符号上,同时门限值不变.当新的相位还没有被校正,新的相位增量的变化量被改变.当相位增量的变化量到达某一定值时算法结束.
3 结束语
   OFDM是克服多径衰落,实现高速数据传输的有效技术,OFDM一个很大问题就是峰平比较大.本文介绍两种有效的降低PAPR的方法.当然,目前还有一些方法,如部分传输序列,选择映射,峰值抵消等技术.在此不作介绍.总之降低峰平比为基于OFDM的新一代移动通信系统提供强有力的支持,OFDM将作为下一代高速移动通信的主流方式.
                              参考文献
1 房海东,杨知行,潘长勇.一种降低正交频分复用峰均功率比的方法[J].电讯技术,2002-5:92-95
2 胡亮亮,周跃峰等.OFDM系统中基于非均匀量化的PAPR抑制方法[J].通信技术2003-3:28-30
3 尹长川等.多载波宽带无线通信技术[M].北京邮电大学出版社2004
4 Zhi-Xing Yang ,Yu-Peng Hu,Chang-Yong Pan,LinYang.Design of a 3780-Point IFFT Processor for TDS-OFDM[J].IEEE TRANSACTIONS ON BROADCASTING,2001,1.
5 Armstrong J.Peak-to –average power reduction for OFDM by repeated clipping and frequency domain filtering.Electronics letters.2002,35(5).
6 A Bahai,B Saltzberg.Multi-carrier Digital Communications:Theory and Applications of OFDM[M].Kluwer/Plenum,1999.
7 G  Wade,et al. Peak-to average power reduction for OFDM schemes by selective scrambling[J].Electronics letters,1996,32(21).