CMMB发射机OFDM射频调制方案的设计

胡 峰，金立标，李鉴增

(中国传媒大学，北京 100024)

0 引言

CMMB在物理层采用OFDM结构作为调制方案，OFDM复用技术的引入可以获得较高的传输速率［3］。但OFDM系统会产生比较高的峰值平均功率比(PAPR)信号，这是多载波调制相对于单载波调制最大的劣势。本文针对CMMB发射机模型给出了一种预失真的峰均比抑制方法，该方法主要包含削波和星座图扩展两部分。削波可以有效地将整体的峰均比抑制到一个很低水平，但是削波势必会引入信号的失真，从星座图上看，表现为信号的离散和带外噪声，所以在工程上会引入星座图扩展(ACE)的方法，来控制星座点的离散，尽可能恢复信号的抗干扰能力。本文提出的星座图扩展的方案直接将带外噪声去除，等效于实现了理想频域滤波的功能，这样做的另一个优势是降低了对滤波器的性能要求。通过对峰均比进行有效地抑制，可以将时域信号保持在一个相对稳定的动态范围，这样在经过功放时可以很好的节省功率资源，并且有效地保持信号的抗干扰能力。

1 CMMB发射机系统模块

1.1 CMMB帧结构和时隙结构

CMMB信道标准采用基于时隙的物理帧结构进行设计(见图1)，时域中的传输帧长度为1 s，分为40个时隙。每个时隙为25 ms，它包含一个信标和53个OFDM符号。信标由发射机识别信号和两个相同的同步信号组成［2］。

图1 时隙结构

1.2 CMMB发射机系统

TS流经过外编码、外交织以及内编码和内交织之后所形成的比特流经过星座映射形成系统要发送的数据信息，CMMB常用的是QPSK调制和16QAM调制，这里着重介绍QPSK(8M模式)发射机所对应的射频调制系统。CMMB发射机功能框图如图2所示。

图2 发射机功能框图

1.2.1 OFDM成形

经过QPSK调制的数据作为频域信号经过IFFT转换成OFDM符号，不考虑时隙之间调制的差别，每个时隙包含53个OFDM符号，每个OFDM符号包含3076 个有效子载波和1020 个插0符号，其中有效子载波包含82个连续导频和384个离散导频以及2610 个数据子载波。在8M模式下，每个时隙含有138330 个数据子载波，其中前138240 个数据子载波用于承载星座映射的数据符号，最后90个数据子载波填充0［1］。OFDM的频谱结构主要由插入连续导频和离散导频，以及承载有效数据组成。

连续导频为在同一时隙的每个OFDM符号上传送相同信息的子载波。82个连续导频其中64个分为4组传输同样的传输指示信息，其余18个传送固定比特0。384个离散导频发送固定的1+0j。奇偶时隙的位置不同。插入导频之后，需要进行扰码处理，使之随机化，扰码的公式为

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数据子载波、离散导频和连续导频等，均由一个复伪随机序列进行加扰。在星座图上，相当于模值不变，相位移动 45°，135°，－45°，－135°。加扰之后星座图如图 3 所示。

1.2.2 PAPR抑制

图3 加扰后的星座图

作为发射机的主要部分，本文主要探讨的是峰均比的抑制过程。以下将针对完整的CMMB结构进行综述，峰均比的抑制主要分为两个部分:削波和星座图扩展。通过削波滤波的方式有效地降低峰均比的水平。削波的过程产生了带内失真和带外噪声，通过滤波的过程来消除带外噪声的影响，而一方面带外噪声本身对峰均比也有一定的抑制作用，通过大量的实验表明，滤波会带来峰值的回升。整体而言，削波滤波对峰均比有很好的抑制作用，然而这种预失真的过程会将频域信号彻底离散，极大地降低了信号的抗干扰能力，于是引入星座图扩展的方法，通过在星座图上对信号进行适当的搬移，一方面尽可能提高信号的抗干扰能力，这里主要用调制误差函数(MER)来衡量，一方面尽可能保持峰均比的水平。

在星座图扩展的过程中，导频部分是不能移动的，所以削波产生的导频失真将重新移回到理想位置。为了方便进行星座图扩展的操作，通过45°移相将数据体搬移到QPSK的星座图模式，星座图扩展之后再进行－45°的相位恢复，这个过程主要是针对加入导频和扰码之后作出的调整。

另外为了降低滤波器的性能，有效控制带肩比，在星座图扩展的过程中，将带外噪声去除，这样就等于实现了理想滤波器的功能。消除带外主要是考虑到当带肩比满足发射机性能指标的条件下，带外噪声对峰均比抑制的贡献非常小，如果寻求这部分的贡献，必须尽可能的提升滤波器的指标，由此在星座图扩展的过程中消除带外噪声，一方面比较容易实现，一方面频谱成形滤波器的指标可以有效地降低。

1.2.3 成帧

信标部分在射频调制的过程中也是完全不能修改的，因此在完成峰均比抑制之后成帧的过程中再加入信标。这样做主要是考虑到削波的过程会引入误差，而峰均比抑制方案往往通过迭代的方式寻找最优解，在整个处理过程中加入信标会带来不必要的麻烦。正如图2所示，峰均比抑制只处理各个时隙的OFDM符号部分，在削波和星座图扩展结束之后加入完整的信标。信标部分并没有高峰均比的问题，不会影响整体的峰均比水平。

1.2.4 射频调制

当数据组成完整的帧结构之后，经过频谱成形，再经过功率放大器就可以形成一整套的射频信号，上变频之后经发射天线发射出去。这一部分最主要的还是功率放大器问题，因为一般的功率放大器会产生非线性失真，所以很多发射机厂商在非线性失真这一块做了很多工作，以抵消信号在功率放大过程中带来的信号失真，或者是在有效的信号抗干扰性能和带肩比的前提之下，有效地降低功率回退(IBO)。

2 峰均比抑制技术

2.1 峰均比定义

过高的峰均功率比是OFDM技术中的一个巨大的缺陷，可以定义为一个符号周期内的瞬时功率峰值与信号功率平均值之比

2.2 高PAPR对功放的影响

高PAPR带来的最严重的问题是在发射端和接收端的功率放大器上，输入输出模型可以用式(4)来表示［4］

式中:u为输入电平值;usat为饱和电平值;p为一个整数，现有实用放大器中通常取值为10。对于较大的p值来说，可以近似为软限幅器，即只要小于最大的动态范围，该放大器就是线性的;而一旦超过最大门限值，则对该峰值信号进行限幅，如图4所示。

当p取100时近似于理想的功放线性模型，当p取2时，近似于实际中的功放模型，当p=10时，类似于经过校正的功放模型。由于一般的功率放大器的动态范围是有限的，所以当OFDM系统内这种变化范围较大的信号进入放大器的非线性区域时，信号就会产生非线性失真，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。

图4 p取不同值时功率放大器的输入输出示意图

2.3 预失真技术

2.3.1 限幅滤波理论

降低PAPR最简单的方法就是限幅(Clipping)法。不过限幅会产生信号的畸变，信号的失真引起带外噪声和带内信号的离散，从而造成系统性能的下降，降低了整个系统的频谱效率。因此，在限幅之后有必要加入滤波器以改善因为限幅引起的带外频谱恶化。

限幅法的基本原理就是预先设定限幅门限A，对OFDM信号包络超过门限的部分进行直接削除。公式为

2.3.2 星座图扩展技术

结合QPSK调制为例来具体说明ACE算法步骤。应用星座扩展区域限制条件修正频域信号，在可扩展区域内的则保留，在可扩展区域外的则按规则修正，修正规则如图5。假设待发送的频域数据位于原始星座图中的点B＇处，如果该点落在了点A，则保持虚部不变修正实部将A修正为A＇;如果落在B点，则同时修正实部和虚部将B修正为B＇;如果落在C点，则保持实部不变修正虚部，将C修正为C＇;如果落在D点，由于在可扩展区域内因此无须修正。

将修正后的频域信号做IFFT变换至时域。如果此时的PAPR已经小于预设的PAPR门限或者迭代次数i达到了预设的最大迭代次数则将该数据体部分输出，否则i=i+1，跳转到迭代处理。

3 实验结果分析

CMMB物理层关键技术研究及平台仿真根据CMMB系统框图设计。这里选取2个时隙的CMMB信号的作为测试数据，通过削波和星座图扩展技术来降低峰均比，选取工程上常用的CCDF曲线作为衡量标准。并通过p=10的功放模型来模拟经过非线性校正的功放模型，上变频之后经过的信道模型设置为高斯信道。选取BER曲线作为信号抗干扰能力的衡量标准。

图5 星座图扩展

图6表示经过多次迭代的CCDF曲线，这里的CCDF曲线表述的是OFDM信号所有时域电平的分布规律。通过比较10－3处PAPR分布情况，原始信号的峰均比为8.36 dB，经过五次迭代之后的峰均比为6.43 dB，平均功率增加0.4268 dB。这样通过核算之后的净增益为1.5 dB。图7为经过5次削波和星座图扩展的频谱图，此时的带肩比为80 dB。该处带肩比的取得得益于在星座图扩展的过程中去除噪声的影响，虽然牺牲了约0.05 dB的峰均比增益，却有效地降低了频谱成形时的滤波器指标。

图8为射频信号经过高斯信道后的BER分布曲线，此处的信号经过功率放大器的处理，设置MER为40 dB，此时原始信号和经过ACE处理的信号功率回退分别为6.3 dB和7.9 dB。经过ACE处理后的BER的增益为0.13 dB，此时功率回退的净增益为1.73 dB。

图8 经过高斯信道的误码率曲线

4 小结

CMMB作为高性能的移动多媒体广播系统，其手持电视产品受到了广大消费者的喜爱和接受。本文设计的CMMB发射机射频调制方案，将重点放在处理OFDM峰均比过高的问题上，通过采用削波和星座图扩展的方案将峰均比限制在一定的水平，进而有效地提高了功率放大器的性能指标，最终在保持信号抗干扰能力的前提下，有效降低了CMMB发射机的功耗。

本文为广电总局数字多媒体广播技术在Ⅲ波段应用研究项目阶段成果。

［1］GY/T 220.1—2006，移动多媒体广播第1部分:广播信道帧结构、信道编码和调制［S］.2006.

［2］李栋.数字多媒体广播［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［3］JIANG Xiaobo，LI Hongyuan，LI Fangyuan，et al.Design of baseband receiver based on CMMB［C］//Proc.Intelligent Signal Processing and Communication Systems(ISPCS)，2000.［S.l.］:IEEE Press，2010:1－4.

［4］BRETON B L.WP4－A.II.Evaluation platform－PAPR ACE function［G］//B21C－CELTIC project CP4－004.［S.l.］:CELTIC，2009:1－18.