OFDM系統峰均比改善及系統實現
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近年來研究人員通過分析，提出很多有效降低PAPR的方法[4]，主要分為以下三類：(1)限幅濾波技術，由于OFDM系統較大峰值出現的概率非常小，它是一種非常直接和有效的降低PAPR的方法。然而，它將導致帶內干擾和帶外噪聲[5]。(2)編碼類技術，降低PAPR為線性過程，它不會使信號產生畸變，但其計算復雜度較高，編解碼較麻煩，且系統信息速率低，應用該算法的系統不適合用QAM調制和子載波數多的情況。(3)概率類技術，包括通過部分傳輸序列(PTS)和選擇映射(SLM)兩種方法，這類算法屬于非畸變減小PAPR的方法，可減少大峰值功率信號出現的概率。該方法需要一定的系統帶寬發送冗余信息，如果傳輸出錯，系統會出現地板效應[6]。
本文中采用限幅濾波技術并進行了算法優化[7]。該方法不僅能降低系統的PAPR，而且可以有效地消除帶外噪聲，并將帶內失真控制在一個可以接受的范圍內。此外，結合實際系統設計要求，此方法減低算法的復雜度并詳細介紹了其應用方法及仿真結果。
1 OFDM系統設計及其峰均比問題
1.1 OFDM系統結構
圖1是本文所采用的基于訓練序列的OFDM系統結構圖。如圖所示，對輸入的隨機二進制數據比特進行編碼、調制、過采樣、串并轉換、插入保護子載波和Pilot、IFFT運算、時域信號用FFT轉換到頻域，然后人為地將帶外信號置零,再用 IFFT將信號轉換到時域，這樣就完成了對信號的濾波過程。通過這樣處理(即濾波)后的信號沒有任何帶外干擾，與未限幅的OFDM 信號一樣。接下來，系統加入時域連續導頻（preamble）、插入循環前綴、并串轉換，最后經天線發射。而在接收端具有相應的信號處理過程，此外時域連續導頻用于同步模塊和信道估計模塊，同步模塊是估計和糾正接收信號的載波頻率偏移，信道估計模塊旨在不斷對信道進行跟蹤。最后接收端對所有的OFDM符號都進行修正，恢復原始的二進制數據。
信號預畸變方法對OFDM信號中幅度超過門限的部分進行限幅，但是限幅使OFDM信號產生失真，頻譜的帶外輻射分量較大，前切后需要濾波，濾除譜的帶外分量，濾波后又會使OFDM信號的PAPR回升，同時接收端誤比特率(BER)上升，因此，選擇適宜的限幅失真處理流程及濾波模型至關重要。
1.2 OFDM系統峰均比問題及限幅濾波法
OFDM系統PAPR定義為信號峰值功率與平均功率的比值，數學表達式如下：
峰均比超過某一門限值z的概率，即互補累積分布函數(CCDF)是最常用來衡量PAPR減小技術的一個指標，PAPR的CCDF表示數據塊PAPR大于某一給定門限的概率，假設OFDM符號周期內每個采樣值之間是不相關的，則OFDM符號周期的N個采樣值當中每個樣值的PAPR都大于門限的概率,即得到OFDM系統的PAPR分布：
從以上幾個式子可以看出，OFDM信號具有很高的峰均比,在子載波為N的情況下，OFDM信號可能出現的最大PAPR為N，因此，必須降低系統的峰均比。但同時研究也表明，當N足夠大時，OFDM信號近似服從高斯分布，出現很高峰值的概率是很低的。在實際工程應用中，常采用信號的瞬時峰均比來衡量系統性能。其數學表達式為：
本文在IFFT之前就對信號進行了過采樣處理，如圖1虛線所示。首先將時域信號用FFT轉換到頻域，然后人為地將帶外信號置零，再用IFFT將信號轉換到時域，就完成了對信號濾波的過程。這樣濾波后的信號沒有任何帶外干擾，與未限幅的信號一樣。盡管會使IFFT的變換點數成倍增加，但這樣的結構非常有助于對限幅失真信號的濾波處理，可有效地利用OFDM系統本身的功能模塊來達到頻譜帶外濾波的目的，有利于系統峰均比的降低，同時過采樣還可以明顯地提高系統調制解調的信息恢復率，改善接收機誤碼率性能。在實際系統中采用128個子載波，其IFFT變換點數的增大不會造成系統硬件復雜度的增加。因此，在實際應用中，主要限制帶內限幅噪聲的累積，而限幅噪聲是在發送端產生的，在衰落信道中將隨信號一起衰減，就減輕它對系統誤碼率的影響。
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