《電子技術(shù)應(yīng)用》
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降低WOFDM系統(tǒng)PAPR的改進PTS-μ律算法
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
吳 虹1,2,徐錫燕1,2,馬肖旭1,2,唐 然1,2,劉 兵1,2
1.南開大學 電子信息與光學工程學院,天津300350; 2.南開大學 天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點實驗室,天津300350
摘要: 基于小波變換的正交頻分復(fù)用(WOFDM)系統(tǒng)存在較高的峰值平均功率比(PAPR),針對傳統(tǒng)降低PAPR方法的高計算復(fù)雜度和低誤碼性能的問題,提出一種改進的部分傳輸序列(PTS)技術(shù),并將其與μ律壓擴進行聯(lián)合處理。仿真結(jié)果表明,改進的PTS技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比,以犧牲少量的PAPR性能大大降低了系統(tǒng)的計算復(fù)雜度。經(jīng)改進的PTS技術(shù)和μ律壓擴聯(lián)合處理,在計算復(fù)雜度不高的前提下,將WOFDM系統(tǒng)的PAPR值降低了4.7 dB,而誤碼性能僅損失1.4 dB。
中圖分類號: TN911.72
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.024
中文引用格式: 吳虹,徐錫燕,馬肖旭,等. 降低WOFDM系統(tǒng)PAPR的改進PTS-μ律算法[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
PAPR reduction in wavelet-based OFDM using improved PTS-μ law algorithm
Wu Hong1,2,Xu Xiyan1,2,Ma Xiaoxu1,2,Tang Ran1,2,Liu Bing1,2
1.College of Electronic Information and Optical Engineering,Nankai University,Tianjin 300350,China; 2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology,Nankai University,Tianjin 300350,China
Abstract: Wavelet-based orthogonal frequency division multiplexing(WOFDM) system has the problem of high peak-to-average ratio(PAPR). Aiming at the high computational complexity and low bit error(BER) performance of the traditional technique to reduce PAPR, a PAPR reduction algorithm using improved partial transmit sequence(PTS) technology and μ-law companding method is proposed in the paper. Simulation results show that the improved PTS technology greatly reduces the computational complexity with only a little PAPR performance lost compared to the traditional technology. Combining improved PTS technology with μ-law companding method, in the premise of low computational complexity, the PAPR value in WOFDM system reduces by 4.7 dB with only 1.4 dB BER lost.
Key words : wavelet transform;OFDM;PAPR;μ-law companding;PTS

0 引言

    作為多載波調(diào)制技術(shù),基于小波的正交頻分復(fù)用(Wavelet-based Orthogonal Frequency Division Multiplexing,WOFDM)能有效地抑制載波間干擾和符號間干擾,無需插入保護間隔,頻帶利用率更高。但是WOFDM系統(tǒng)中經(jīng)小波調(diào)制后的信號不具有恒定包絡(luò),因此不可避免地存在較高的峰均比(Peak-to-average Ration,PAPR)問題[1]。目前,針對WOFDM系統(tǒng)降低PAPR問題,一種解決方案是優(yōu)化小波調(diào)制部分[2],另一種方案是將正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系統(tǒng)中降PAPR的算法應(yīng)用到WOFDM系統(tǒng)中。文獻[3]研究的信號預(yù)畸變技術(shù)就是應(yīng)用該原理降PAPR,效果明顯且實現(xiàn)簡單,但該技術(shù)屬于非線性變換,容易導致系統(tǒng)性能變差。文獻[4]研究的概率類技術(shù)對系統(tǒng)的誤碼率性能沒有影響,但計算復(fù)雜度高。WOFDM系統(tǒng)中降低PAPR的方法各有優(yōu)缺點,傳統(tǒng)的部分傳輸序列(Partial Transmit Sequence,PTS)方法需要搜索所有的相位因子向量,計算量極大;μ律壓擴方法隨著μ取值的增大會引起系統(tǒng)誤碼性能的降低。針對傳統(tǒng)降PAPR方法高計算復(fù)雜度和低誤碼性能問題,本文提出一種低復(fù)雜度的改進PTS算法,并將其與μ律壓擴進行聯(lián)合處理,進一步降低WOFDM系統(tǒng)的PAPR。

1 WOFDM系統(tǒng)及其PAPR

    WOFDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在WOFDM系統(tǒng)中,不同信道的信號調(diào)制不同節(jié)點的小波函數(shù),總的調(diào)制信號[5]可以表示為:

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2 PTS技術(shù)原理

    WOFDM系統(tǒng)中PTS技術(shù)的原理圖如圖2。

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    首先,將長度為N的數(shù)據(jù)序列X分割成V個互不重疊且只在N/V個位置上有值,其余位置為0的子序列{Xv,v=1,…,V}。分割方法有相鄰分割、交織分割和隨機分割。此時原序列可以表示為:

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    PTS技術(shù)就是在相位因子集合R中尋找最優(yōu)的相位因子向量,使其滿足:

    tx1-gs7.gif

其中,argmin(·)表示函數(shù)取得最小值時所使用的判決條件。

    一般令B1恒為1,那么傳統(tǒng)PTS技術(shù)中共有O=KV-1個備選信號,因此需要計算O個信號的PAPR值來尋找最佳相位因子向量,計算復(fù)雜度高。

3 改進型PTS技術(shù)

    文獻[6]分析了PTS技術(shù)中生成的相位因子向量的獨立性,得出非獨立相位因子向量生成的備選信號的PAPR值是相同的,因此可以去掉非獨立的相位因子向量來降低系統(tǒng)的計算復(fù)雜度。獨立相位因子向量可以表示為:

    tx1-gs8.gif

    文獻[7]分析了所有相位因子向量之間的關(guān)系,簡化了產(chǎn)生備選信號的運算過程,但沒有改變產(chǎn)生備選信號的數(shù)量。本文在獨立相位因子向量的基礎(chǔ)上,結(jié)合相位因子向量之間的關(guān)系,針對R={±1,±j},提出改進的低復(fù)雜度PTS技術(shù),步驟如下:

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    經(jīng)過以上的步驟可轉(zhuǎn)換成V′=V/2或者V′=(V+1)/2且R={±1}時的PTS方法,然后根據(jù)文獻[8]的循環(huán)迭代方法對相位因子進行迭代翻轉(zhuǎn),降低搜索范圍,進一步減少計算量。

4 仿真結(jié)果及計算復(fù)雜度分析

    WOFDM系統(tǒng)中,采用16QAM調(diào)制方式,子載波數(shù)N為72。將本文提出的改進PTS技術(shù)與傳統(tǒng)PTS技術(shù)的降PAPR性能進行比較,如圖3。

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    由圖3可知,V=4時,改進PTS技術(shù)與傳統(tǒng)PTS技術(shù)的PAPR性能基本相同;V>4時,改進PTS技術(shù)相比傳統(tǒng)方法,PAPR性能略有損失;V=8時,僅相差不到0.2 dB。表1為傳統(tǒng)PTS技術(shù)和改進PTS技術(shù)搜索次數(shù)對比。

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    由表1可知,隨著V的增大,改進PTS技術(shù)的相位因子向量搜索次數(shù)得到很大程度的降低。同時,由于改進PTS技術(shù)采用分組方式,第二組直接在第一組的基礎(chǔ)上求得備選信號,使其求得備選信號的復(fù)數(shù)加法和復(fù)數(shù)乘法數(shù)量降為原來的一半,簡化了產(chǎn)生備選信號的運算過程。

5 改進PTS技術(shù)和μ律壓擴的聯(lián)合算法

5.1 聯(lián)合算法原理

    為了進一步降低WOFDM系統(tǒng)的PAPR,同時又不過多地增加系統(tǒng)復(fù)雜度,在改進PTS技術(shù)的基礎(chǔ)上,引入μ律壓擴方法。μ律壓擴是在發(fā)射端對大功率信號進行壓縮,小功率信號進行放大,從而使平均功率保持不變來降低系統(tǒng)的PAPR。

    μ律壓擴的表達式是:

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    μ律壓擴方法實現(xiàn)簡單,能夠有效地抑制信號PAPR的同時不引入很大的計算量,但會引發(fā)信號畸變,并且隨著μ值的增大系統(tǒng)誤碼性能越差。而將改進PTS技術(shù)和μ律壓擴進行聯(lián)合可以在降低相同的PAPR方面比只使用改進PTS技術(shù)引入的計算量小,也比只使用μ律壓擴引入的誤碼率小,實現(xiàn)計算復(fù)雜度、誤碼性能、PAPR性能三方面的折中。

    聯(lián)合算法的原理框圖如圖4。

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5.2 仿真結(jié)果及分析

    在WOFDM系統(tǒng)中,采用16QAM調(diào)制方式,子載波數(shù)N為72。針對μ=1和μ=3時,μ律壓擴方法降低PAPR的性能如圖5,誤碼(Bit Error Rate,BER)性能如圖6。

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    由圖5和圖6可以看出,μ=1時,PAPR較原系統(tǒng)有3.2 dB的改善,但BER性能較原系統(tǒng)有1.4 dB的損失;μ=3時,PAPR較原系統(tǒng)有4.5 dB的改善,但BER性能較原系統(tǒng)有3.2 dB的損失。這說明隨著μ的增大,PAPR性能越好,但也使得系統(tǒng)的BER性能變差。因此,從誤碼性能方面考慮,在聯(lián)合算法中,選取μ=1時的μ律壓擴方法。

    聯(lián)合算法中,改進PTS技術(shù)的分割塊數(shù)為4時即可滿足系統(tǒng)的性能要求,計算復(fù)雜度低且較傳統(tǒng)技術(shù)PAPR性能沒有損失。當μ=1,V=4,R={±1,±j}時WOFDM系統(tǒng)的CCDF和BER仿真結(jié)果分別如圖7、圖8。

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    從圖7中可以看出,在CCDF為10-2時,系統(tǒng)的原始PAPR值為9.8 dB,單獨采用改進PTS技術(shù)時PAPR得到2.8 dB的改善,單獨采用μ律壓擴時PAPR得到3.2 dB的改善,而采用聯(lián)合算法后PAPR得到4.7 dB的改善。從圖8中可以看出,聯(lián)合算法的BER性能較原系統(tǒng)有1.4 dB的損失,由于PTS技術(shù)的操作是線性的,不會引入額外的誤碼率,因此BER性能的損失是由μ律壓擴引起的。由此可以看出該聯(lián)合算法在計算復(fù)雜度不高的情況下,能在降PAPR性能方面和BER性能方面尋求平衡點。

6 總結(jié)

    本文研究PTS的改進技術(shù),提出改進PTS和μ律壓擴聯(lián)合的降低WOFDM系統(tǒng)PAPR的算法。理論和仿真結(jié)果表明,改進的PTS技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比,以犧牲少量的PAPR性能大大地降低了系統(tǒng)的計算復(fù)雜度。把改進的PTS技術(shù)和μ律壓擴聯(lián)合,能夠在計算復(fù)雜度不高的情況下,將系統(tǒng)的PAPR降低了4.7 dB,而BER性能僅損失1.4 dB。

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作者信息:

吳  虹1,2,徐錫燕1,2,馬肖旭1,2,唐  然1,2,劉  兵1,2 

(1.南開大學 電子信息與光學工程學院,天津300350;

2.南開大學 天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點實驗室,天津300350)

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