《电子技术应用》

降低WOFDM系统PAPR的改进PTS-μ律算法

2017年电子技术应用第6期 作者:吴 虹1,2,徐锡燕1,2,马肖旭1,2,唐 然1,2,刘 兵1,2
2017/7/14 13:03:00

吴  虹1,2,徐锡燕1,2,马肖旭1,2,唐  然1,2,刘  兵1,2 

(1.南开大学 电子信息与光学工程学院,天津300350;

2.南开大学 天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室,天津300350)


    摘  要: 基于小波变换正交频分复用(WOFDM)系统存在较高的峰值平均功率比(PAPR),针对传统降低PAPR方法的高计算复杂度和低误码性能的问题,提出一种改进的部分传输序列(PTS)技术,并将其与μ律压扩进行联合处理。仿真结果表明,改进的PTS技术与传统方法相比,以牺牲少量的PAPR性能大大降低了系统的计算复杂度。经改进的PTS技术和μ律压扩联合处理,在计算复杂度不高的前提下,将WOFDM系统的PAPR值降低了4.7 dB,而误码性能仅损失1.4 dB。

    关键词: 小波变换;正交频分复用;峰均比;μ律压扩;部分传输序列

    中图分类号: TN911.72

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.024


    中文引用格式: 吴虹,徐锡燕,马肖旭,等. 降低WOFDM系统PAPR的改进PTS-μ律算法[J].电子技术应用,2017,43(6):94-97.

    英文引用格式: Wu Hong,Xu Xiyan,Ma Xiaoxu,et al. PAPR reduction in wavelet-based OFDM using improved PTS-μ law algorithm[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):94-97.

0 引言

    作为多载波调制技术,基于小波的正交频分复用(Wavelet-based Orthogonal Frequency Division Multiplexing,WOFDM)能有效地抑制载波间干扰和符号间干扰,无需插入保护间隔,频带利用率更高。但是WOFDM系统中经小波调制后的信号不具有恒定包络,因此不可避免地存在较高的峰均比(Peak-to-average Ration,PAPR)问题[1]。目前,针对WOFDM系统降低PAPR问题,一种解决方案是优化小波调制部分[2],另一种方案是将正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统中降PAPR的算法应用到WOFDM系统中。文献[3]研究的信号预畸变技术就是应用该原理降PAPR,效果明显且实现简单,但该技术属于非线性变换,容易导致系统性能变差。文献[4]研究的概率类技术对系统的误码率性能没有影响,但计算复杂度高。WOFDM系统中降低PAPR的方法各有优缺点,传统的部分传输序列(Partial Transmit Sequence,PTS)方法需要搜索所有的相位因子向量,计算量极大;μ律压扩方法随着μ取值的增大会引起系统误码性能的降低。针对传统降PAPR方法高计算复杂度和低误码性能问题,本文提出一种低复杂度的改进PTS算法,并将其与μ律压扩进行联合处理,进一步降低WOFDM系统的PAPR。

1 WOFDM系统及其PAPR

    WOFDM系统的基本结构如图1所示。在WOFDM系统中,不同信道的信号调制不同节点的小波函数,总的调制信号[5]可以表示为:

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2 PTS技术原理

    WOFDM系统中PTS技术的原理图如图2。

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    首先,将长度为N的数据序列X分割成V个互不重叠且只在N/V个位置上有值,其余位置为0的子序列{Xv,v=1,…,V}。分割方法有相邻分割、交织分割和随机分割。此时原序列可以表示为:

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    PTS技术就是在相位因子集合R中寻找最优的相位因子向量,使其满足:

    tx1-gs7.gif

其中,argmin(·)表示函数取得最小值时所使用的判决条件。

    一般令B1恒为1,那么传统PTS技术中共有O=KV-1个备选信号,因此需要计算O个信号的PAPR值来寻找最佳相位因子向量,计算复杂度高。

3 改进型PTS技术

    文献[6]分析了PTS技术中生成的相位因子向量的独立性,得出非独立相位因子向量生成的备选信号的PAPR值是相同的,因此可以去掉非独立的相位因子向量来降低系统的计算复杂度。独立相位因子向量可以表示为:

    tx1-gs8.gif

    文献[7]分析了所有相位因子向量之间的关系,简化了产生备选信号的运算过程,但没有改变产生备选信号的数量。本文在独立相位因子向量的基础上,结合相位因子向量之间的关系,针对R={±1,±j},提出改进的低复杂度PTS技术,步骤如下:

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    经过以上的步骤可转换成V′=V/2或者V′=(V+1)/2且R={±1}时的PTS方法,然后根据文献[8]的循环迭代方法对相位因子进行迭代翻转,降低搜索范围,进一步减少计算量。

4 仿真结果及计算复杂度分析

    WOFDM系统中,采用16QAM调制方式,子载波数N为72。将本文提出的改进PTS技术与传统PTS技术的降PAPR性能进行比较,如图3。

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    由图3可知,V=4时,改进PTS技术与传统PTS技术的PAPR性能基本相同;V>4时,改进PTS技术相比传统方法,PAPR性能略有损失;V=8时,仅相差不到0.2 dB。表1为传统PTS技术和改进PTS技术搜索次数对比。

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    由表1可知,随着V的增大,改进PTS技术的相位因子向量搜索次数得到很大程度的降低。同时,由于改进PTS技术采用分组方式,第二组直接在第一组的基础上求得备选信号,使其求得备选信号的复数加法和复数乘法数量降为原来的一半,简化了产生备选信号的运算过程。

5 改进PTS技术和μ律压扩的联合算法

5.1 联合算法原理

    为了进一步降低WOFDM系统的PAPR,同时又不过多地增加系统复杂度,在改进PTS技术的基础上,引入μ律压扩方法。μ律压扩是在发射端对大功率信号进行压缩,小功率信号进行放大,从而使平均功率保持不变来降低系统的PAPR。

    μ律压扩的表达式是:

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    μ律压扩方法实现简单,能够有效地抑制信号PAPR的同时不引入很大的计算量,但会引发信号畸变,并且随着μ值的增大系统误码性能越差。而将改进PTS技术和μ律压扩进行联合可以在降低相同的PAPR方面比只使用改进PTS技术引入的计算量小,也比只使用μ律压扩引入的误码率小,实现计算复杂度、误码性能、PAPR性能三方面的折中。

    联合算法的原理框图如图4。

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5.2 仿真结果及分析

    在WOFDM系统中,采用16QAM调制方式,子载波数N为72。针对μ=1和μ=3时,μ律压扩方法降低PAPR的性能如图5,误码(Bit Error Rate,BER)性能如图6。

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    由图5和图6可以看出,μ=1时,PAPR较原系统有3.2 dB的改善,但BER性能较原系统有1.4 dB的损失;μ=3时,PAPR较原系统有4.5 dB的改善,但BER性能较原系统有3.2 dB的损失。这说明随着μ的增大,PAPR性能越好,但也使得系统的BER性能变差。因此,从误码性能方面考虑,在联合算法中,选取μ=1时的μ律压扩方法。

    联合算法中,改进PTS技术的分割块数为4时即可满足系统的性能要求,计算复杂度低且较传统技术PAPR性能没有损失。当μ=1,V=4,R={±1,±j}时WOFDM系统的CCDF和BER仿真结果分别如图7、图8。

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    从图7中可以看出,在CCDF为10-2时,系统的原始PAPR值为9.8 dB,单独采用改进PTS技术时PAPR得到2.8 dB的改善,单独采用μ律压扩时PAPR得到3.2 dB的改善,而采用联合算法后PAPR得到4.7 dB的改善。从图8中可以看出,联合算法的BER性能较原系统有1.4 dB的损失,由于PTS技术的操作是线性的,不会引入额外的误码率,因此BER性能的损失是由μ律压扩引起的。由此可以看出该联合算法在计算复杂度不高的情况下,能在降PAPR性能方面和BER性能方面寻求平衡点。

6 总结

    本文研究PTS的改进技术,提出改进PTS和μ律压扩联合的降低WOFDM系统PAPR的算法。理论和仿真结果表明,改进的PTS技术与传统方法相比,以牺牲少量的PAPR性能大大地降低了系统的计算复杂度。把改进的PTS技术和μ律压扩联合,能够在计算复杂度不高的情况下,将系统的PAPR降低了4.7 dB,而BER性能仅损失1.4 dB。

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