朱志成，黃波，劉南杰

　　(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 江蘇 南京 210003)

      摘要：針對非連續(xù)正交頻分復(fù)用調(diào)制信號高峰均比特點，提出了一種新的降峰均比方法。首先，將符號序列進(jìn)行離散傅里葉變換；接著，將變換之后的數(shù)據(jù)按照當(dāng)前的頻譜空洞分布以及后續(xù)旁瓣抑制處理，劃分成一個或多個最小子載波數(shù)受限的數(shù)據(jù)載波塊，并在數(shù)據(jù)載波塊之間插入合適的零數(shù)據(jù)塊予以擴(kuò)展；最后，將擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)通過快速傅里葉逆變換實現(xiàn)調(diào)制。以閉式表達(dá)式的形式給出了原始符號和經(jīng)過擴(kuò)展調(diào)制之后的信號之間的關(guān)系，從理論推導(dǎo)和仿真分析驗證了該技術(shù)的有效性和可行性。

　　關(guān)鍵詞：非連續(xù)正交頻分復(fù)用；峰值平均功率比；數(shù)據(jù)載波塊；離散傅里葉變換擴(kuò)展

0引言

　　與連續(xù)正交頻分復(fù)用系統(tǒng)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)相似，非連續(xù)正交頻分復(fù)用(NonContinuous Orthogonal Frequency Division Multiplexing, NCOFDM)系統(tǒng)中同樣存在高峰均比(PeaktoAverage Power Ratio, PAPR)問題［1］?；谛盘柣冾惤礟APR技術(shù)［2］會引起帶內(nèi)頻譜擴(kuò)展；基于編碼類降PAPR技術(shù)［3］存在編碼效率低下問題，尤其是子載波數(shù)越大效率越低。

　　在LTE上行鏈路中，為了降低移動臺處理復(fù)雜度，引入了單載波頻分復(fù)用技術(shù)(Singlecarrier FrequencyDivision Multiple Access, SCFDMA) ［4］。它首先將要發(fā)送的符號做離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)，然后通過快速傅里葉迸變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)完成調(diào)制。與SCFDMA系統(tǒng)相類似的DFT擴(kuò)展降PAPR技術(shù)［5］通過將待發(fā)送的M個符號做M階的DFT后，按照一定的策略映射到N(N≥M)個子載波中，再經(jīng)過N階IFFT完成調(diào)制。

　　受SCFDMA及DFT擴(kuò)展降PAPR技術(shù)的啟發(fā)，同時考慮到NCOFDM系統(tǒng)旁瓣抑制技術(shù)［6］中廣泛采用的子載波加權(quán)結(jié)合預(yù)留保護(hù)帶方法［67］，本文提出一種基于數(shù)據(jù)載波塊中最小子載波數(shù)受限的DFT擴(kuò)展（Discrete Fourier TransformData Carrier Block, DCBDFT）降PAPR技術(shù)。該技術(shù)能夠在降低NCOFDM系統(tǒng)PAPR的同時，兼顧后續(xù)旁瓣抑制處理。

1DFT-DCB降PAPR技術(shù)的原理

　　1.1DFT-DCB的實現(xiàn)方案

　　DFTDCB技術(shù)方案如圖1所示。在發(fā)射端，待發(fā)射數(shù)據(jù)流經(jīng)過符號映射并通過串并轉(zhuǎn)換后得到符號序列S=(s0,s1,…,sM－1)，S經(jīng)過DFT變換得到X=(x0,x1,…,xM－1)，X再按照一定的映射策略，實現(xiàn)DCB映射，得到信n=1N∑K－1k=0 ∑lDCB,k－1ii=0 ∑M－1idx=0sidxe－j2π∑knum=0lDCB,num－1+iiMidx×ej2πnN∑knum=0(lZero,num+lDCB,num－1)+ii(6)號=(0,1,…,N－1)，其中N≥M。再通過一個N階的IFFT完成調(diào)制。在接收端存在一個相對應(yīng)的逆處理過程，不再講述。

　　1.2DFT-DCB降PAPR技術(shù)的理論分析

　　如圖1所示，DCB映射后，信號經(jīng)過IFFT，得到時間域信號=(0,1,…,N－1)，這里：

　　從式（1）可以看出，時間域信號的特性由DCB映射之后的m的分布決定，PAPR特性也不例外。m的分布由DCB映射策略確定，以DCB為單位，DCB映射過程如圖2所示。

　　設(shè)第k個數(shù)據(jù)載波塊DCB［k］的長度為lDCB,k，其中0≤k≤K－1，并且對任意k，要求lDCB,kLmin，這里的Lmin即為了兼顧旁瓣抑制而對數(shù)據(jù)載波塊子載波數(shù)的最小要求。數(shù)據(jù)載波塊DCB［k］之間和數(shù)據(jù)載波塊序列的首尾插入長度為lZero,k的零元素塊ZERO［k］={0,…,0}，一方面是考慮授權(quán)用戶使用頻段，另一方面為了減少對授權(quán)用戶的干擾而預(yù)留的保護(hù)帶，其中0≤lZero,k，0≤k≤K。參照式(1)，擴(kuò)展之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過IDFT，得到調(diào)制之后的信號為：

　　其中，DCB［k］［ii］表示第k個數(shù)據(jù)載波塊DCB中的第ii個元素，ii≥0，并且：

　　原始符號S經(jīng)過DFT得到待發(fā)射信號向量X中的元素：

　　X被分隔成K個DCB塊，可得DCB［k］［ii］和X元素之間的對應(yīng)關(guān)系：

　　將式(3)和式(5)代入式(2)可得到：

　　式(6)表達(dá)了原始的符號序列S經(jīng)過DC-DFT擴(kuò)展，再經(jīng)過IFFT之后的發(fā)射信號。顯然，在S一定的情況下，的PAPR特性由lDCB,k、lZero,k決定，或者說由DCB的映射策略決定。從式(6)可以看出，很難從數(shù)學(xué)上對一般情況下的DCB-DFT性能進(jìn)行分析，需要通過仿真實驗進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2仿真及結(jié)果分析

　　為了驗證DFTDCB技術(shù)的有效性和可行性，建立仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　考慮實際應(yīng)用情況，仿真中調(diào)制方式選擇常用的QPSK和16QAM；總的數(shù)據(jù)子載波數(shù)M分別取32和256，以分別對應(yīng)窄帶應(yīng)用場景和寬帶應(yīng)用場景；仿真中采用5 000組隨機產(chǎn)生的符號序列，以統(tǒng)計到10－3概率下的PAPR特性，IFFT和FFT計算中子載波數(shù)取N=1 024?！?/p>

　　現(xiàn)實中頻譜空洞分布具有隨機性，仿真中隨機選擇每個DCB中子載波的大?。ú恍∮贚min=8），并且隨機插入一定數(shù)目的零填充塊，同時要注意保持?jǐn)U展之后的數(shù)據(jù)長度N=1 024。因為無法一一列舉，仿真中統(tǒng)計了104次的隨機序列輸入仿真結(jié)果，如圖4和圖5所示?！?/p>

　　從圖4和圖5可以看出，QPSK和16QAM兩種調(diào)制方式下，DFT-DCB技術(shù)對傳統(tǒng)的OFDM傳輸系統(tǒng)的PAPR性能都有較好的改善效果。在10－3概率處，對于QPSK調(diào)制方式，總數(shù)據(jù)載波數(shù)為32和256時，能夠獲得最差大約1 dB的PAPR改善；而對于16QAM調(diào)制方式，總數(shù)據(jù)載波數(shù)為32時，能夠獲得的最差PAPR改善性能非常有限，總數(shù)據(jù)載波數(shù)為256時，能夠獲得最差大約1 dB的改善性能。這也說明DF-DCB性能與調(diào)制方式以及具體的映射策略密切相關(guān)。

3結(jié)論

　　理論分析和仿真結(jié)果均表明，本文提出的DFTDCB技術(shù)能夠有效降低NC-OFDM系統(tǒng)的PAPR，降低的性能與調(diào)制方式、總數(shù)據(jù)載波數(shù)以及映射策略密切相關(guān)。同時，DFT-DCB通過限制DCB中子載波最小數(shù)目，為NC-OFDM系統(tǒng)后續(xù)的旁瓣抑制處理提供了便利。

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