基于压扩变换的OFDM系统PAPR抑制技术研究

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正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术具有较高频谱效率以及较低的实现复杂度,并且它可以有效对抗频率选择性衰落,因此它被广泛应用在许多无线通信系统中。但是OFDM系统也存在其固有的缺陷,它的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)非常高,而且带外(Out-of-Band,OOB)辐射较高,对时频偏移十分敏感。当通过非线性的高功率放大器(High Power Amplifier,HPA)的时候,大幅值信号就很容易超出线性工作区的范围,从而造成比较严重的信号失真。相较于现有的其他PAPR抑制技术,压扩技术具有其独特的优越性,即在实现较好的PAPR抑制的同时,可以保持较低的算法复杂度。但是,压扩技术仍然存在诸如误码率(Bit Error Ratio,BER)性能不佳,OOB辐射抑制性能较差,算法复杂性较高以及其他等方面的问题,还需要做进一步的改进。因此,基于压扩变换的OFDM系统PAPR抑制技术的研究具有重要的意义和必要性。论文的主要内容和创新之处如下所述:第一,针对非线性压扩算法复杂度普遍较高的问题,论文首先根据参考文献中提到的压扩算法设计准则提出了一种通用性较强的“三段式”设计模型,并在此基础上提出了一种基于二次函数的高效、可调节且低复杂度的非线性压扩算法。在该压扩算法中,小幅值信号保持不变,大幅值信号进行限幅处理,中间部分信号利用设计好的二次函数进行放大,从而尽可能地降低压扩失真和OOB泄露。论文在功率守恒以及分段点连续的联合约束条件下,分析并得出了压扩函数参数的求解方法,之后给出了四组可使算法综合性能较好的备选参数。另外,论文还提出了一种分析算法复杂度的方法,该方法直接统计并对比压扩函数各类算术运算的次数以及被压扩的采样数,通过对比结果可以简单直观地看出该压扩算法具有非常低的复杂度。论文对比和分析了不同条件下PAPR抑制效果、BER性能和OOB抑制性能的仿真结果,证明无论是在高调制阶数、高信噪比(Singal-to-Noise Ratio,SNR)范围还是经过非线性HPA的条件下,该算法的性能相比其他对比方案都能取得较大的优势,从而可以适配多样化的系统需求。第二,针对采用硬限幅的非线性压扩算法在高调制阶数的条件下容易产生地板效应的问题,论文提出了一种基于sigmod函数的非线性压扩算法。在该压扩算法中,小幅值信号保持不变,较大幅值的信号则使用设计好的sigmod函数进行放大和限幅。该算法利用了 sigmod函数自身的特性,可以同时完成软限幅和功率补偿两个操作,避免了其压扩前后大幅值信号的“多对一”映射,从而更好地对抗高调制阶数时BER曲线产生的地板效应。论文给出了功率守恒和分段点连续的约束方程,并通过理论分析得出了使压扩干扰最小的参数选择依据,这有助于在实际应用中根据通信环境和需求来调整参数的选择。仿真结果表明,该算法具有很高的PAPR调节范围,并且在高调制阶数的情况下具有更好的BER性能和功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)性能。
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