CN100553244C - 一种低复杂度正交频分复用通信系统降低峰平比方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低复杂度的正交频分复用通信系统中降低峰平比方法，该方法通过对OFDM调制的基带信号进行幅度压缩，而在接收端对收到信号进行扩张，并恢复信号。本发明能使信号峰值功率与平均功率的比值降低，从而抑制了系统的峰平比，并对信号的影响可以忽略。本发明实现容易，能用于各类采用OFDM进行调制的通信系统。

Description

一种低复杂度正交频分复用通信系统降低峰平比方法

技术领域：

本发明涉及一种低复杂度正交频分复用通信系统降低峰平比方法，属于使用电磁波技术的数字通信领域，特别涉及数字电视、单载波OFDM通信系统、多载波OFDM通信系统、无线局域网(WLAN)等采用OFDM调制的数字通信系统。

背景技术：

正交频分复用调制(OFDM)因其信道利用率很高、有很好的抗衰落能力而被广泛利用。然而，在OFDM通信系统中，随着载波数增加，叠加后信号的峰平比(PAPR)的数值较大。因此，调制信号的动态范围较大，这就要求系统中功放具有较高的线性放大范围，以避免传输信号的频谱扩散和非线性失真，同时也要求后续的D/A转换器具有较大的转换宽度，这就增加了系统成本和实现难度。

目前，降低OFDM通信系统信号峰平比的方法主要有：限幅法、加窗法、部分传输序列法、选择映射法、基于分组编码法以及压扩法。限幅法给系统引入了新的噪声，导致系统性能下降。加窗法需要在上采样以后的较高速率下对信号进行处理，因此实现较难，且会影响信号频谱特性。部分传输序列法和选择映射法虽然有效降低了PAPR，但是计算量太大，且需要发送边信息。基于分组编码法只发送PAPR小的序列而避免使用PAPR大的序列，为此需挑选序列，当子载波数较大时需要巨大的计算量和庞大的查找表。

压扩法降低PAPR是一种较新的方法，现有方法主要有以下几种：

在方法W.Xianbin，T.T.Tihung and C.S.Ng，Resuction of Peak-to-Average Power Ratio ofOFDM systems using a companding technique.IEEE Trans.on Broadcasting，1999(45)，Sep.1999，pp：303-307.中，由Wang提出的压扩法对非线性失真很敏感。

对于压扩转换法方法X.Huang，J.Lu，J.Zheng and J.Chuang，Reduction of peak-to-averagepower ratio of OFDM signals with companding transmform，Electronics letters，April.2001，pp：506-507.和Xianbin Wang，T.T.Tjhung，and Yiyan Wu，On the SER and spectral analysis ofa-law companded multicarrier modulation，IEEE Trans.on vehicular technology，2003(52)，Sept.2003，1408-1412.，这两种压扩法的表达式均借鉴了语音信号信源编码中非均匀量化方法，且计算复杂度不低。

对于上海交通大学由胡亮亮和周跃峰等人提出的“正交频分复用通信系统峰平比的幅度压扩抑制方法”(专利申请号：02136339.0)提供的压扩算法，其计算复杂度较高。

发明内容：

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种计算复杂度更低的新的适用于正交频分复用通信系统峰平比的幅度压缩扩张算法，该法是一种数值变换的预失真方法。在发端，将OFDM调制后的子载波基带信号进行幅度压缩，降低PAPR，同时进行功率调整以补偿幅度压缩中造成的功率改变；在收端进行幅度扩张，恢复出发端压缩之前的信号。最终达到，在几乎不损伤信号的前提下，降低系统的PAPR。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：在发送端，将OFDM调制后的子载波基带信号送入压缩单元进行幅度压缩，降低信号峰平比，同时进行功率调整以补偿幅度压缩中造成的功率改变；在接收端进行相反操作，对接收到的信号进行幅值扩张从而恢复出和发送端压缩之前一样的信号。

本方案是在现有的正交频分复用系统中通过加入压缩器和扩张器来实现的。

本发明的组成：

本发明提供了一种降低峰平比的OFDM系统，采用OFDM信号传输压缩器和扩张器来实现，如图3和图4所示，所述的压缩器包括：Part A：加法器单元；Part B：常数a单元；Part C：取自然对数单元。所述的扩张器包括：Part A：取以e为底的指数单元；Part B：常数a单元；Part C：减法器单元。

本发明的创新部分是包括压缩器和扩张器在内的单元，其余部分均与现有技术相同。

本发明的具体操作步骤如下：

1、编码后串行比特流在转换后成并行比特流。在这N_c个不同子信道中的比特在映射(MAP)模块中映射成复数C_n，其中：

C_n＝a_n+ib_n    a_n，b_n∈{±1，±3，…}    n＝0，1，2，…，N_c-1     (1)

表示OFDM符号中的第n个复数信号。在原始信号尾部加入(K-1)N_c个零点形成过采样，产生KN_c点输入信号C_n。在发射端，输入信号C_n通过IFFT后，第k个OFDM符号基带信号表示为：

$S_k=\frac{1}{\sqrt{N_c}}\underset{n=0}{\overset{{\mathrm{KN}}_c-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\stackrel{\‾}{C}}_n{e}^{j2\mathrm{\πk}{f}_n}\right],k=\mathrm{0,1,2},...,{\mathrm{KN}}_c-1---\left(2\right)$

其中，f_n＝n/KN_CT_s，K是过采样因子，K＝1对应Nyquist采样，且T_s为采样周期。

2、发送端经过OFDM调制后的基带信号送入功率调整单元以及延时补偿单元进行功率调整和时延补偿。根据压缩操作中信号平均功率改变的比率对信号功率值进行调整以补偿压缩操作对信号功率造成的影响，然后在时延补偿单元中调整信号通路的时延，使信号传输达到同步。

3、计算出基带信号幅值后送入压缩器，对信号的幅度进行压缩操作。具体操作为：

假设发射端信号通过压缩器后信号为S′_k，于是有：

S′_k＝ln(S_k+a)    k＝0，1，2，…，KN_c-1    a为大于1的常数

(3)

注意：在压缩之前，须加入保护间隔以避免ISI，在此为了叙述简单而省略。

4、经过压缩后的信号幅值除以压缩前的幅值得到压缩比率，将这一比率乘以经过功率调整以及时延补偿的基带信号，完成发送端的压缩操作。此时，信号的峰平比得到了较大的抑制。

5、假设h(t)是多径衰落信道，n(t)包括加性高斯白噪声和其他系统噪声。假设信道估计和同步性能均非常理想，于是在接收端信号可以表示为：

R(t)＝h(t)*S′(t)+n(t)                (4)

6、在接收端，接收基带信号被送入功率调整单元以及时延补偿单元，功率调整单元的调整参数是发送端功率参数的倒数。

7、接收到的基带信号求出幅值，进入幅值扩张器，恢复出原信号R‘(t)。其中的具体操作为：

R′(t)＝exp(R(t))-a                  (5)

8、经过扩张操作后的信号幅值除以扩张前的幅值得到扩张比率，将这一比率乘以经过延时补偿以及功率调整后的基带信号，从而完成扩张操作。

定义压扩增益为：

$G=\frac{{\mathrm{PAPR}}_{s\left(t\right)}}{{\mathrm{PAPR}}_{s^{\′}\left(t\right)}}---\left(6\right)$

上述操作步骤中所使用的a为压扩参数，a值越大，所产生的压扩增益越多。但是，这一参数值过大会使信号间的区分度降低但压扩增益值增加不大，因此一般取a为2到4即可得到较好的降低PAPR效果同时保证信号区分度。

本发明在OFDM通信系统的发送端通过压缩使幅度值较大的峰值信号幅度降低，而幅度较小的峰值信号的幅度得到提升，因此使信号峰值功率与平均功率的比值降低较大，从而抑制了系统的峰平比。在现有技术如专利02136339.0中，则是仅仅对幅度较小信号的幅值提高，而对幅度较大的峰值信号基本不变，所以，相对而言，其降低PAPR的幅度相对本发明而言就小些。这也是本发明与专利02136339.0的不同之处。

另外，因为扩张操作是压缩操作的逆过程，所以，在收端能够恢复出发送端没有进行压缩时的原始信号，这样就可以作到对信号的损伤可以忽略。

在本发明中，因为不需要传送额外的边信息，而且该压缩器和扩张器的计算量也很小，所以，本发明与现有方法相比具有优势。

同时，经过OFDM通信系统链路仿真也证明，与其他常规方法相比，本发明对于降低系统PAPR的效果十分明显，而且压扩操作对系统性能的影响在低信噪比下可以忽略。

附图说明：

图1是常规的OFDM系统框图。

图2是包含压扩技术抑制PAPR的OFDM系统框图。如图所示，在发送端加入幅度压缩器的位置为OFDM调制以及IFFT后、上采样与成型滤波之前；在接收端加入幅值扩张单元的位置为下采样与成型滤波之后、FFT与OFDM解调之前。

图3为发送端的幅值压缩单元结构。

图4为接收端的幅值扩张单元结构。

图5为压扩参数与压扩增益的关系图。如图所示，随着a的增大，压扩增益逐渐增大，但当增到一定程度时，压扩增益增加的幅度越来越小。该图中仿真主要参数为：QPSK调制、子载波数为128，SNR＝10dB，AWGN信道。由图2知，当a大于2时，PAPR可以降低7.6～8.1dB，而文献X.Huang，J.Lu，J.Zheng and J.Chuang，Reduction of peak-to-average power ratio of OFDMsignals with companding transmform，Electronics letters，April.2001，pp：506-507.中对于不同压扩率，其PAPR可以降低3～7.5dB。显然，本专利可获得更大的压扩增益。一般a值可以选择为2～4之间的值，能获得较大增益。

图6为本发明与现有技术性能比较图。如图所示，当信噪比为10dB时，线性压缩扩张法、选择映射法、部分传输序列法其降低PAPR的性能依次增强，性能最好的是本专利建议的算法----非线性压缩扩张法。显然，该非线性压缩扩张算法性能大大优越于常规方法。图6的主要仿真参数与图5相同，此时a选择为3。此时的系统性能如图7所示，图中比较在相同情况下，使用压扩算法和不使用压扩算法时的系统性能。仿真表明：本专利建议的非线性压扩算法在信噪比小于10dB时，对系统性能影响可以忽略。

具体实施方式：

下面通过具体的实施对本发明的技术方案作进一步的描述。

将本发明应用于OFDM系统。该系统采用QPSK调制，a值为3，子载波数为128，SNR＝10dB，AWGN信道。具体步骤为：

1、发送端将OFDM调制的基带信号送入功率调整单元以及时延补偿单元进行功率调整和时延补偿。即：将信号功率降低为原来的k倍(0＜k＜1)，然后在调整信号时延，使信号传输达到同步。

2、计算压缩前的信号幅度值，并对基带信号幅度值按照(3)式进行压缩操作。

3、计算压缩后信号的幅度值，并利用压缩后的信号幅度值除以压缩前的信号幅度值得到压缩比率，将该比率乘以经过功率调整以及时延补偿的基带信号，完成发送端的压缩操作。

4、接收到的基带信号通过功率调整单元以及时延补偿单元，在功率调整单元中使信号的功率增大为接收到信号的1/k倍。

5、计算基带信号的幅度，将基带信号送入幅度扩张器，按照(5)式进行操作，并得到扩张后的信号幅度。

6、由扩张操作后的信号幅度除以扩张操作前的幅度得到扩张比率，将这一比率乘以经过延时补偿以及功率调整后的基带信号，完成扩张操作。

Claims (3)

1、一种低复杂度的正交频分复用通信系统降低峰平比方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1编码后串行比特流在转换后成并行比特流，比特流在映射模块中映射成复数C_n，

其中：

C_n＝a_n+ib_n a_n，b_n∈{±1，±3，…} n＝0，1，2，…，N_c-1    (1)

表示OFDM符号中的第n个复数信号，N_c为子载波数，在原始信号尾部加入(K-1)N_c个零点形成过采样，产生KN_c点输入信号C_n；在发射端，输入信号C_n通过IFFT后，第k个OFDM符号基带信号表示为：

$S_k=\frac{1}{\sqrt{N_c}}\underset{n=0}{\overset{{\mathrm{KN}}_c-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\stackrel{\‾}{C}}_n{e}^{j2\mathrm{\πk}{f}_n}\right],k=\mathrm{0,1,2},\·\·\·,{\mathrm{KN}}_c-1---\left(2\right)$

其中，f_n＝n/KN_cT_s，K是过采样因子，K＝1对应Nyquist采样，且T_s为采样周期；

步骤2发送端经过OFDM调制后的基带信号加保护间隔后，送入功率调整单元以及时延补偿单元进行功率调整和时延补偿，具体根据压缩操作是按照信号平均功率改变的比率将信号功率值降低为原来的L倍，0＜L＜1，以补偿压缩操作对信号功率造成的影响，然后在时延补偿单元中调整信号通路的时延，使信号传输达到同步；

步骤3计算出信号幅值后送入压缩器，对信号的幅度进行压缩操作，具体操作为：

假设发射端信号通过压缩器后信号为S′_k，于是有：

S′_k＝ln(S_k+a) k＝0，1，2，…，KN_c-1 a为压扩参数，a为大于1的常数

(3)；

步骤4经过压缩后的信号幅值除以压缩前的幅值得到压缩比率，将这一比率乘以经过功率调整以及时延补偿的基带信号，完成发送端的压缩操作，此时，信号的峰平比得到了较大的抑制；

步骤5假设h(t)是多径衰落信道，n(t)包括加性高斯白噪声和其他系统噪声，S′(t)为发射端发送信号，假设信道估计和同步性能均非常理想，于是在接收端信号可以表示为：

R(t)＝h(t)*S′(t)+n(t)    (4)；

步骤6在接收端，接收基带信号被送入功率调整单元，使信号增大为原来的L倍，并送入时延补偿单元；

步骤7接收到的基带信号求出幅值，进入幅值扩张器，恢复出原信号R’(t)，其中的具体操作为：

R’(t)＝exp(R(t))-a    (5)；

步骤8经过扩张操作后的信号幅值除以扩张前的幅值得到扩张比率，将这一比率乘以经过延时补偿以及功率调整后的基带信号，从而完成扩张操作。

2、如权利要求1所述的一种低复杂度的正交频分复用通信系统降低峰平比方法，其特征在于：对信号的幅度进行压缩和扩张操作的压扩参数a取值为2到4。

3、如权利要求1所述的一种低复杂度的正交频分复用通信系统降低峰平比方法，其特征在于：可用于单载波、多载波以及无线局域网协议和数字广播电视协议采用OFDM进行调制的通信系统。

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