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ofdm通信系統(tǒng)中papr抑制方法研究畢業(yè)論文(參考版)

2024-08-30 16:42本頁面
  

【正文】 在我們對限幅方法做了相應的改進,確定了相關(guān)參數(shù)之后,我們確定了 2A 為4 倍均值,限幅值為式( )之后??梢哉f限幅的方法可以折中的選擇已經(jīng)到此為止了。但是可以看出,就是取值為峰值一半之后,限幅帶來的噪聲和干擾還是很明顯,所以我們繼續(xù)在限幅值上做出了一些改進,以峰值為基礎,令 )_4_( P ow e rMP ow e rSx ??為 tempx_ ,如式: |_|/__4_ te m pxte m pxP o w e rMte m px ??? ( ) OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 21 以下是我們在選取 2A 為 4 倍均值,峰值為式( )時的仿真情況。下面是我們選取 2A 為 4 倍均值,限幅之后幅值為峰值一半時的情況,如式: 2/))_4(_())_4(_( P ow e rMP ow e rSxP ow e rMP ow e rSx ????? ( ) 0 50 100 150 200 250 3001 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81頻率 /f幅度限幅后的頻域信號 圖 2A 為 4 倍均值,峰值一半為限幅值時限幅濾波之后的頻域信號圖 4 5 6 7 8 9 10 11 12102101100P A P R 0 [ d B ]CCDF (Pr[PAPRPAPR0])O r i g n a lO n e c l i p 圖 2A 為 4 倍均值,峰值一半為限幅值時限幅濾波之后的 PAPR 與 CCDF關(guān)系圖 可見限幅值的取值也很大程度的影響了限幅帶來的噪聲和干擾,在選取了限幅值為峰值一半之后,噪聲和干擾都被很大程度的減小了,而且系統(tǒng)也有很好的PAPR 性能。 OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 20 為了使 OFDM 系統(tǒng)能夠很好的運用,我們必須想辦法在限幅的方法上做出改進,以適應實際需求。 雖然 A 的取值可以折中帶來的干擾、噪聲和改善 PAPR 這兩者的關(guān)系。 0 50 100 150 200 250 3001 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81頻率 /f幅度限幅后的頻域信號 圖 2A 為 4 倍均值時限幅濾波之后的頻域信號圖 4 5 6 7 8 9 10 11 12102101100P A P R 0 [ d B ]CCDF (Pr[PAPRPAPR0])O r i g n a lO n e c l i p 圖 2A 為 4 倍均值時限幅濾波之后的 PAPR 與 CCDF 關(guān)系圖 在選擇了 4 倍均值作為 2A 后,明顯發(fā)現(xiàn),帶來的帶內(nèi)噪聲和干擾不是很強烈,系 統(tǒng)的 PAPR 也得到了很好的限制。 可見,我們在實際的運用中不能簡單的把 A 取固定值,這樣要么出現(xiàn)噪聲和干擾特別嚴重的情況,要么出現(xiàn)高 PAPR 沒有被限制的情況,所以我們在選 擇 A的取值上需要做一些調(diào)整。當 A的值越小,帶來的干擾和噪聲就越大,同時,對信號的限幅效果也越明顯。以下是我們選取限幅值 2A 為 、 、 時限幅濾波之后的頻域信號圖和 PAPR 與 CCDF 關(guān)系圖。 0 50 100 150 200 250 3001 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81頻率 /f幅度第一次限幅后的頻域信號 圖 限幅濾波后頻域信號圖 限幅插值濾波法存在的問題及其改進 在確定采用限幅方法之后,我們發(fā)現(xiàn)我們采取限幅 方法限制 PAPR 在實際運用中還需要做一些改善,那就是限幅值 A 的選擇問題。 0 50 100 150 200 250 3001 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81頻率 /f幅度限幅前的頻域信號 圖 限幅前頻域信號圖 OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 16 0 50 100 150 200 250 3001 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81頻率 /f幅度限幅后的頻域信號 圖 限幅后頻域信號圖 明顯出現(xiàn)了帶內(nèi)噪聲和帶外干擾之后,由于帶內(nèi)噪聲我們無法消除,所以只能通過濾波的方式去除帶外干擾。 AAg (x )x 圖 限幅方法原理圖 傳統(tǒng)限幅方法帶來的問題及插值濾波方法的提出 限幅帶來的如此直接簡單的非線性操作肯定可以有效的降低 OFDM 系統(tǒng)的PAPR,但是,他也會帶來帶內(nèi)噪聲和帶外干擾。如圖 為限幅原理圖,其中 x 為限幅前的信號幅度, )(xg 為限幅后的信號幅度。 OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 15 第三章 基于限幅方法 PAPR 抑制算法 限幅方法限制 OFDM 系統(tǒng) PAPR 原理 作為最簡單、最直接的降低 OFDM 系統(tǒng) PAPR 的方法, Clipping 算法是直接對信號做非線性處理,對較大 PAPR 的信號進行限幅。這類方法可以有效的降低信號的 PAPR值,但是他的缺點和編碼類技術(shù)類似的,計算復雜度太大。 概率類不像編碼類技術(shù)那樣完全的避開信號的峰值,他是著眼于高峰值出現(xiàn)的概率,使高峰值出現(xiàn)的概率降低。該類技術(shù)是線性操作,他不會使信號產(chǎn)生畸變,因此也沒有限幅類技術(shù)帶來的噪聲和干擾。但是因為他是非線性操作,因此會帶來帶內(nèi)噪聲和帶外干擾,而且破壞了載波間的正交性,從而降低了系統(tǒng)的誤碼率性能和頻譜效率。三種方法各自有各自的特點,也各自有各自的缺陷。它們都利用了 N 個 A 向量中的元素具有單位幅度的限制,即: njn eA ?? ,]2,0[ ??? , Nn??1 ,即為純的相位旋轉(zhuǎn)。 該類方法的目的就是尋找 N 點向量 A和 B,從而使得傳輸?shù)姆?)(YIFFTy?具有較低概率的峰值。 這種技術(shù)最基本的方法就是通過線性變換,如 nnnn BXAY ??? , Nn??1 。主要包括 SLM(選擇性映射技術(shù))、PTS(部分傳輸序列技術(shù))、 PS(沖擊整形技術(shù))。概率類技術(shù)是著眼于降低 OFDM 信號中高 PAPR 出現(xiàn)的概率??偠灾?,對于較少子載波數(shù)的 OFDM 系統(tǒng),編碼類技術(shù)是一種較為可行的解決方法。設編碼后的信息速率為 R,則有: NrNq cP A P RPqR 22m a x2l og }])({[log ??? ( ) 其中, N 為子載波 數(shù), }{xPr 表示 x 的概率, q 為信號星座大小。 我們用 c 表示碼子, C 表示所有碼子的集合。 ( 2)編碼類技術(shù)。但是另一方面,隨著 ? 的增加系統(tǒng)的誤碼率也隨之增加。 如圖 給出了利用 MCT 變換的 OFDM 系統(tǒng)的框圖。V 表示接收信號 kn,r 的平均幅值。,39。如果接受信號為 knknknkn zsh ,r ??? ,其中 kn,h 表示衰落信道中的乘性噪聲, kn,z 表示均值為 0,方差為 2n? 的加性高斯白噪聲。值得注意的是,如果平均幅值等于 C 變換的轉(zhuǎn)折點,而且 C 變換能夠滿足關(guān)于轉(zhuǎn)折點呈現(xiàn)奇對稱,就可以保證發(fā)送信號的平均功率經(jīng)過 C 變換以后基本保持不變。其中 knx, 是經(jīng)過 IFFT 變換的 OFDM 信號, MCT{? }表示壓縮擴展轉(zhuǎn)換,并且這種變換滿足如下兩個條件: 當 mx?|| 時, |x||C{x}| ? ;否則, |||}{| xxC ? ,其中 m 表示 C 表換的轉(zhuǎn)折點; 滿足 )|}{(|)|(| 22 XCExE ? ,即保證變換前后的平均功率大致相等。這樣不僅可以減少 OFDM 系統(tǒng)中的 PAPR 值,而且還可以增強小功率信號的抗干擾能力。 除了限幅法以外,還有一種信號畸變方法就是對信號實施壓縮擴展。雖然實現(xiàn)非常簡單,但是也會有許多問題,前文已經(jīng)詳細敘述。 插值后限幅濾波,首先通過把時域信號進行 FFT 轉(zhuǎn)換到頻域,然后人為的將帶外信號置零,再用 IFFT 將信號轉(zhuǎn)換到時域,這就完成了信號的濾波過程,這樣濾波之后的信號是沒有帶外干擾的。接著對信號進行限幅,限幅是非線性過程,之后會產(chǎn)生帶內(nèi)噪聲和帶外干擾。 OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 12 插值后限幅濾波法是先用更大長度的 IFFT 把輸入的數(shù)據(jù)從頻域搬到時域。如果數(shù)字信號直接被限幅,限幅后造成的帶內(nèi)噪聲會全部遺留下來,并且不能通過濾波減少這些噪聲。 然而,限幅是一個非線性的過程,他會帶來非常嚴重的帶內(nèi)噪聲和帶外干擾。 限幅法是最簡單、最直接的降低 OFDM 系統(tǒng)高 PAPR 的方法。它的主要思想是在信號發(fā)送到發(fā)射機功率放大器之前,先經(jīng)過非線性處理,對較大峰值的信號進行預畸變處理,使其不會超過放大器的動態(tài)范圍。 ( 1)信號畸變類技術(shù)。在其他條件相同的情況下,擁有更好的系統(tǒng)性能(誤碼率、傳輸速率、信號功率要求等等)的算法必然可以更好的運用到實際中。算法不能限制信號的調(diào)制方式,能適應各種調(diào)制方式才能運用到更多的現(xiàn)實場景中。好的降低 PAPR 算法必須適應任何數(shù)目的子載波。 ( 2) 子載波個數(shù)。這對于系統(tǒng)的實現(xiàn)和操作都是很重要的,而且不僅僅是算法原因,系統(tǒng)復雜度很多時候會牽扯到設備的復雜度,從而會 間接的提高設備成本等等。而一種降低 PAPR 方法的好壞有以下幾點考慮的因素: ( 1) 系統(tǒng)復雜度??芍?, OFDM 信號的幅值 r 服從瑞利分布,其概率密度函數(shù) 22)( ra rerp ?? ;而其功率分布則要服從兩個自由度的中心 2? 分布的概率密度函數(shù)為 ypower eyp ??)( ,因此可以計算得到其累積分函數(shù)( CDF)為: ? ??????? zP ow e r zdyyzFzP o w e rP 0 )e x p (1)e x p ()(}{ ( ) 對于子載波為 N 的 OFDM 系統(tǒng),假設 OFDM 符號周期內(nèi)每一個采樣值之間都不相關(guān),即沒有采樣的時候,則 OFDM 符號周期內(nèi)的 N 個采樣值中每個樣值的功率都小于門限值 z 的概率分布,而由于平均功率歸一化,這也就是 zPAPR? 的概率,即累積分布函數(shù) CDF 的表達式為: OFDM 通信系統(tǒng)中 PAPR 抑制 方法研究 11 NzNP o w e r ezFzPAPRP )1()(}{ ????? ( ) 評價降低 OFDM 系統(tǒng) PAPR 的技術(shù)好壞的因素 目前所提出的各種降低 PAPR 方法的技術(shù)都是以一些其他的技術(shù)指標的犧牲為代價的,例如增加信號功率、增加誤碼率、降低數(shù)據(jù)傳輸速率、增加算法復雜度、增加設備成本等等。kX 獨立同分布,均值為 0,方差為 1。 OFDM 系統(tǒng)中 PAPR 的分布 對于包含 N 個子載波的 OFDM 系統(tǒng),經(jīng)過 IFFT 計算得到的功率歸一化復基帶信號是: ??? ??10 )je x p (1)( Nk k ftkXNtx ( ) 其中 kX 表示第 k 個子載波上的調(diào)制信號。 有時也會用到 CF(峰均包絡幅度比)來描述 OFDM 系統(tǒng)的峰均比,它定義為基帶調(diào)制信號的幅值幅度和均方根幅度之比,其定義如下: 210 ||||m a xlo g10nnxE xCF ? ( ) 放大器非線性對 OFDM 中 PAPR 的影響 高 PAPR 帶來的影響主要體現(xiàn)在發(fā)射機和接受機的功率放大器上。 E{}表示數(shù)學期望,即均值。 OFDM 系統(tǒng)的 PAPR 的定義 OFDM 系統(tǒng)中,信號是由多個獨立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號疊加而成的,這
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