降低OFDM峰均比的方法

降低OFDM峰均比的方法

摘要：OFDM可最大限度地利用频谱资源。然而由于OFDM 符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生较大的峰值功率，从而带来较大的峰值平均功率比，本文对峰均比产生的原因进行了探讨，并分析了在OFDM系统中降低峰均比的几种方法。

关键词：OFDM 峰均比中频削峰基带削峰基带中频联合削峰

1峰均比产生的原因

1.1 OFDM系统发送端模型

OFDM系统发送端一般由基带单元，中频单元和射频单元三部分构成，在OFDM系统发送端的基带单元，输入的比特流经过串、并变换成为N个并行流，接着对其调制，产生OFDM符号，然后通过IFFT变换，产生一个过采样的时域波形输出；在中频单元，对输入的过采样时域波形首先进行数字上的采样，然后由D/A转换器输出中频模拟信号；在射频单元，将输入的中频模拟信号频谱上搬移到相应的射频频段上，之后经功率放大器输出。

1.2峰均比的定义

时域复信号x(n)的瞬时功率为/x(n)/,其平均功率为，信号最大峰

值的瞬时功率与信号平均功率之比即为峰均比，用dB表示形式如下：对于OFDM系统来说，表示经过IFFT运算之后所得到的输出信号，即当N个子信号都以相同的相位求和时，所得信号的功率就会是平均功率的N倍，因而基带信号峰均比可以为

PAR=10lgN

例如，N=256的情况中，OFDM系统的PAR=24dB，当然这是一种非常极端的情况，OFDM的峰均比通常不会达到这一数值。

实际中由于远远高于平均功率的峰值出现的概率很小，一般都把PAR作为参考指标，PAR则表示x(n)的瞬时功率与平均功率之比大于PAR的概率为0.0001

1.3峰均比对系统的影响

由于一般的放大器都不是线性的，而且其动态范围也是有限的，所以当OFDM系统内这种变化范围较大的信号通过非线性部件（例如进入放大器的非线性区域）时，信号会产生非线性失真，产生谐波，造成较明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变，导致整个系统性能的下降，而且同时还会增加A/D和D/A转换器的复杂度并且降低它们的准确性。

PAPR较大是OFDM所面临的一个重要问题，必须要考虑如何减小大峰值功率信号的出现概率，从而避免非线性失真的出现。克服这

一问题最容易想到的方法就是采用大动态范围的线性放大器，或者对非线性放大器的工作点进行补偿，但是这样所带来的缺点就是功率放大器的效率会大大降低，绝大部分能量都转化为热能被浪费掉，而且成本也会加大，这些在移动设备中都是绝对不允许的。

2 OFDM系统中降低峰均比的几种方法

OFDM系统中降低峰均比的方法依据削峰处理在系统中所处位置可分为中频削峰、基带削峰和基带中频联合削峰三类。

2.1 中频削峰

中频削峰是在中频单元的D/A转换器之间，对幅度大于系统动态范围的发送信号进行限幅。限幅是最简单和直接的降低OFDM系统内PAPR的方法，在信号经过非线性部件之间进行限幅，就可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值。

尽管限幅本身非常简单，但它却会为OFDM系统带来相关的问题。首先，在带内对OFDM符号幅度进行畸变，这种带内失真是无法用滤波方法去除的，会对系统造成自身干扰，从而导致系统的BER 性能降低。OFDM信号的非线性畸变会导致带外辐射功率值的增加，其原因在于限幅操作可以被认为是OFDM采样符号与矩形窗函数相乘。如果OFDM的幅值小于门限值时，则该矩形窗函数的幅值为1；而如果信号幅值需要被限幅时，则该矩形窗函数的幅值应该小于1。根据时域相乘等于频域卷积的原理，经过限幅的OFDM符号的频谱

等于原始OFDM频谱与窗函数频谱的卷积，因此其带外频谱特性主要由两者之间频谱宽度较大者来决定，也就是由矩形窗函数的频谱来决定。这种带外辐射功率可以用滤波的方法加以去除，但是滤波方法也会重新生成新的峰值，甚至导致某些点的幅度值会超过原始值。为了防止这种重新生成的峰值带来的危害，也可以使用迭代限幅滤波方法或者与其他抑制PAPR方法结合。

由于限幅会造成频谱扩散和引入噪声，现有的中频削峰技术都是在寻求某种程度上改善这种噪声的折中方式。

（1）接收端重构

接收端重构是指接收端估计发生的限幅，并且补偿给相应的接收信号，从而试图消除发送端限幅的负面影响。该方法需要接收端估计限幅大小和限幅位置这两个参数，也可以采用发送端记录所减去峰值的位置、幅度等信息，并用边信息SI传送到接收端，由此信息对信号进行恢复，从而提高系统性能。从频域来看，接收端重构方法包括峰值定位、生成近似脉冲以及频域低通滤波等步骤。在假设边信息无误传送的基础上，该方法不但灵活有效，而且几乎不受非线性失真的影响。但是，如何使边信息的效率更高和无误地传输边信息（加编码会增加系统复杂度）以及随之而来发射功率的加大，这些都是该方法无法回避的问题。

（2）修正限幅峰值

修正限峰值有两种，一种是通过额外的信号处理技术降低限幅的负面影响，如峰值加窗等方法。选择窗函数的原则就是：其频谱特性比较好，带宽要尽可能地窄，而且也不能在时域内过长，以避免对更多个时域采样信号造成影响。第二种是在限幅的附近使用一个加性纠正函数。这两种修正限幅峰值的方法都减轻了限幅的影响，从而减少了带外辐射。

2.2基带削峰

基带削峰是指在基带单元对IFFT变换之前或之后的数据进行处理，从而消除或降低基带单元输出信号，产生较大峰均比的概率。基带削峰主要有两类方案，一类是分组编码方案，一类是概率性方案。

（1）分组编码方案

分组编码方案会限制可传输信号的范围（集合），只有那些峰值幅度低于门限的信号可以发送，这样就完全消除了限幅的负面影响。

当OFDM系统中的调制方式为恒模调制方式（如MPSK）时，可以利用块编码抑制PAPR。因为不用的码字对应的星座图上的点通过同样的OFDM系统后产生的PAPR是不同的，通过编码方法使采用的可允许码组中不包括会生成较大PAPR的码字，从而减小了整个系统的PAPR。当然，采用编码方法除了必然增加的硬件复杂度外，还必须考虑在码率和峰值功率中做出权衡。因为采用编码所获得的PAPR性能增益，是以在相同数据传输速率的条件下增加带宽，以及