CN101202726A - 基于星座扩展和空余子载波降低ofdm中峰均比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于星座扩展和空余子载波降低OFDM中峰均比的方法，涉及多载波信号峰值处理方法，为解决现有方法不能很好降低OFDM中峰均比的问题而发明。本发明通过在发送端将时域信号进行削波，将被削掉的时域部分再投射到频域；对应承载数据的子载波，用星座扩展法则来判决；对应空余的子载波，则直接保留这些频域信号；将经过判决处理后的频域信号再投射到时域，生成峰值抵消信号，并将该峰值抵消信号加到削波操作之前的正交频分复用时域信号上。很好地降低了OFDM中峰均比使得功率放大器可以高效的工作。

Description

基于星座扩展和空余子载波降低OFDM中峰均比的方法

技术领域

本发明涉及多载波信号峰值处理方法，尤其涉及降低多载波信号峰值均比的方法。

背景技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)是一种多载波传输技术，它把高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个正交子信道中进行传输，具有很强的抗衰落和抗码间干扰(ISI)的能力，被认为是下一代无线通信的关键技术。但是OFDM技术有一个很严重的缺陷是有很高的峰均比(peak to average power ratio)。在某一时刻，若多个载波以同一方向进行累加，就会产生很大的峰值。这就需要放大器具有很大的线性放大范围。现在已有一些方法用来降低峰均比，如限幅、编码、相位旋转等，其中在文献Brain Scott Krongold and Douglas L. Jones“PAR Reduction in OFDM via ActiveConstellation Extension，”IEEE TRANSACTIONS ON BROADCASTING，VOL.49，NO.3 SEPTEMBER2003中，提出了利用星座扩展的方法来降低OFDM的峰均比的方法，但是当采用这种方法显著降低峰均比时，会增大信号的发射功率。Alan Gatherer and MichaelPolley，”Controlling clipping probability in DMT transmission，”in proceedings ofthe 31st Asilomar Conference on Signals，Systems，and Computers，1997，pp.578-584提出利用空余的子载波来插入信号以降低峰均比，但是这种方法收敛太慢，并且只能很小的降低峰均比。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供基于星座扩展和空余子载波降低OFDM中峰均比的方法，该方法大大降低了多载波信号峰值均比，使得功率放大器可以高效的工作。

为达到上述目的，本发明基于星座扩展和空余子载波降低OFDM中峰均比的方法，包括：

(1)在发送端将时域信号进行削波，将被削掉的时域部分再投射到频域；

(2)对应承载数据的子载波，用星座扩展法则来判决；对应空余的子载波，则直接保留这些频域信号；

(3)将经过判决处理后的频域信号再投射到时域，生成峰值抵消信号，并将该峰值抵消信号加到削波操作之前的正交频分复用时域信号上。

其中，所述步骤(1)具体为：

(11)在发送端以给定的数据块中的频域X中的数据符号开始，应用逆快速傅立叶变换得到时域信号xⁱ；

(12)对任意|x[n]|≥A的抽样进行削波：

$\stackrel{\‾}{x}\left[n\right]=\left\{\begin{array}{c}x\left[n\right],\left|x\right[n\left]\right|\≤A\\ {\mathrm{Ae}}^{\mathrm{j\θ}\left[n\right]},\left|x\right[n\left]\right|>A\end{array}\right.$

所述

x[n]＝|x[n]|e^jθ[n]，A为削波幅度；

(13)计算被削的信号部分：

c_clip[n]＝x[n]-xⁱ[n]，所述c_clip为被削的信号；

(14)对c_clip应用快速傅立叶变换得到频域信号C_clip。

相应地，所述步骤(2)具体为：

(21)频域信号C_clip对应于各子信道上的星座点，若C_clip中的元素处于对应星座点的可扩展方向，则保持此元素不变；若C_clip中的元素处于对应星座点的不可扩展方向，则将元素置零；

(22)若C_clip对应于未承载数据的空余子信道，C_clip中的元素组保持不变。

相应地，所述步骤(3)具体为：

(31)将频域信号C_clip再应用逆快速傅立叶变换生成时域峰值抵消信号c；

(32)计算迭代步长u的值，

$u\left[n\right]=\frac{E-\left|x^i\right[n\left]\right|}{\left|c\right[n\left]\right|+\left|c\right[n_{\max }\left]\right|}$ 所述xⁱ为抽样的时域信号，E为最大抽样幅度，n_max为最大抽样幅度Eⁱ的抽样位置，c为抵消信号值；

(33)进行迭代计算：

xⁱ⁺¹＝xⁱ+uc所述xⁱ为抽样的频域信号，u为迭代步长，c为抵消信号。

所述步骤(32)中迭代步长u的值为：

$u=\arg \underset{u}{\min }{\left|\right|x^i+{\mathrm{uc}}^i||}_{\∞}^2$

所述的最大抽样幅度 $E=\underset{n}{\max }\left|x^i\right[n\left]\right|,$ 最大抽样幅度的抽样位置 $n_{\max }=\arg \underset{n}{\max }\left|x^i\right[n\left]\right|$ 对于每一个采样，计算cⁱ[n]沿着抽样xⁱ[n]的相位方向上的投影的符号：

c_proj[n]＝sign{Re{xⁱ[n]c^*[n]}}c_proj[n_max]＝-1或c_proj[n_max]＝0，且选取u[n]中的最小值u作为迭代步长。

所述削波幅度A＝2{E|X[n]|}，所述的X[n]为抽样频域信号。

本发明利用了星座扩展和空余的子载波，这样得到的时域峰值抵消信号c接近c_clip，从而可以抵消时域信号的一些峰值。且采用优化的步长来加快收敛的速度，并减少了步长计算的复杂度，使得功率放大器可以高效的工作提高了OFDM系统的整体性能。

附图说明

图1为本发明的峰值与现有星座扩展法的峰值比较示意图；

图2为本发明的误码率与现的星座扩展法的误码率比较示意图。

具体实施方式

本发明利用星座扩展法和空余子载波来降低峰均比。如果系统中没有空余的子载波，可以预留一些子载波用来降低峰均比。本发明在发送端将频域信号进行IFFT(逆快速傅立叶变换)之后的时域信号按照一定幅度进行削波，将被削掉的时域部分取反投射到频域。对应承载数据的子载波，可用星座扩展法则来判决；而对应空余的子载波，则直接保留这些频域信号。将经过判决处理后的频域信号再投射到时域，便生成了峰值抵消信号，将此峰值抵消信号加到削波操作之前的OFDM时域信号上，会抵消时域信号的一些大的峰值，从而可获得很大的峰均比的降低。

采用一定的步长进行迭代计算，以获得更大的峰均比的降低。

具体算法描述如下：

1)以给定的数据块中的X(频域)中的数据符号开始，应用IFFT得到Xⁱ，这里i＝0.

2)对任何|x[n]|≥A的抽样进行削波，以获得：

$\stackrel{\‾}{x}\left[n\right]=\left\{\begin{array}{c}x\left[n\right],\left|x\right[n\left]\right|\≤A\\ {\mathrm{Ae}}^{\mathrm{j\θ}\left[n\right]},\left|x\right[n\left]\right|>A\end{array}\right.---\left(1\right)$

这里

x[n]＝|x[n]|e^jθ[n]                              (2)

3)计算被削的信号部分：

c_clip[n]＝x[n]-xⁱ[n]                             (3)

4)对c_clip应用FFT(快速傅立叶变换)得到频域信号C_clip

5)对于频域信号C_clip，对应于各子信道上的星座点，若C_clip中的元素处于对应星座点的可扩展方向，则保持此元素不变；若C_clip中的元素处于对应星座点的不可扩展方向，则将此元素置零。对应于空余的子信道(未承载数据)，C_clip中的元素组保持不变。最后对处理后的C_clip应用IFFT(逆快速傅立叶变换)，得到时域峰值抵消信号c。

6)计算迭代步长u的值，通过峰值平衡的方法获得。

$u\left[n\right]=\frac{E-\left|x^i\right[n\left]\right|}{\left|c\right[n\left]\right|+\left|c\right[n_{\max }\left]\right|}---\left(4\right)$

取最小值作为u的值，这里的E为要计算的最大抽样幅度，n_max为最大抽样幅度的抽样的位置。

7)进行迭代计算：

xⁱ⁺¹＝xⁱ+uc                              (5)

8)如果可接受的PAR(峰均比)或一定的迭代次数没有达到，则i＝i+1，跳转到上述步骤2)，继续进行。

上述迭代计算过程中，要想获得比较好的收敛速度，只通过有限的收敛获得显著的峰均比的降低。那么选一个好的迭代步长u是必需的。在第i次迭代时，最优的u满足：

$u^{*}=\arg \underset{u}{\min }{\left|\right|x^i+{\mathrm{uc}}^i\left|\right|}_{\∞}^2---\left(6\right)$

在最优的u^*，将会有许多个抽样(一般为两个)幅度的平衡，但是很难确定是哪些抽样。采用一个更实用的方法近似u^*。对于频域信号C_clip，对应于各子信道上的星座点，若C_clip中的元素处于对应星座点的不可扩展方向，则此元素置零。只有在C_clip中的元素处于对应星座点的可扩展方向和对应的是空余的子信道(未承载数据)时，保持C_clip中的元素不变。那么将C_clip转换到时域时，进行迭代计算xⁱ⁺¹＝xⁱ+uc，降低一个峰值抽样的同时，可能会导致其它抽样幅值的升高。假设最大峰值抽样是这两个抽样中的一个，那么，经过一次迭代，如果当最大峰值抽样的幅值降低到某一数值v时，在那些幅值增大的抽样中，最大的幅值也为v时，实现了两个抽样幅度的平衡。这时的步长就近似u^*。具体算法如下：

(11)对于xⁱ，计算抽样幅度，确定最大抽样幅度Eⁱ及抽样的位置n_max。

$E=\underset{n}{\max }\left|x^i\right[n\left]\right|,$ $n_{\max }=\arg \underset{n}{\max }\left|x^i\right[n\left]\right|---\left(7\right)$

(12)对每一个采样，计算cⁱ[n]沿着抽样xⁱ[n]的相位方向上的投影的符号：

c_proj[n]＝sign{Re{xⁱ[n]c^*[n]}}                            (8)

(13)当c_proj[n]＝1时，进行迭代意味着抽样xⁱ[n]的幅值会增大。若c_proj[n_max]＝1，则进行迭代会导致最大峰值的幅值会增大，应停止迭代。若c_proj[n_max]＝-1或c_proj[n_max]＝0，在不同的步长的情况下，最大峰值抽样会和这些幅值增大的抽样达到峰值平衡。计算：

$u\left[n\right]=\frac{E-\left|x^i\right[n\left]\right|}{\left|c\right[n\left]\right|+\left|c\right[n_{\max }\left]\right|}---\left(9\right)$

(14)选取u[n]中的最小值u作为最优的迭代步长，如果达到峰均比的要求或达到设定的迭代次数，则停止迭代。

新步长计算的计算量更小，每一符号的每一次迭代都减少N次乘法运算。且不会产生峰值收敛的非线性，迭代次数增加时，会获得更大的峰均比的降低幅度。

上述步骤中，削波幅度A的选择：

A的选择对于获得最优的PAR来说是很重要的，A的取值过小，会导致削波的部分c_clip中的非零元素太多，计算量比较大；如果A的取值过大，那么收敛会很慢，并且得不到较好PAR值。在仿真系统中，采用A＝2{E|X[n]|}，这样会获得较好的峰均比的降低。

仿真系统采用IEEE802.16a的OFDM物理层参数，采用QPSK调制，削波幅度A＝2{E|X[n]|}。当采用1000个符号时，采用3次迭代，得到的性能如下：

本发明方法与星座扩展法的PAR比较：由图1可知，在10^-3概率处，本发明的方法比星座扩展法多降低PAR约1个db，比未采用算法的原始信号的峰均比降低了4个db。

本发明方法与星座扩展法的误码率的比较：由图2可见，本发明的方法的误码率比星座扩展法要低。由于两种方法均增大了信号的发射功率，因此在相同的信噪下，两种方法的误码率均比原始系统的误码率要高。但新算法的误码率比原始系统的误码率只稍高一点点。

由于本发明利用了星座扩展和空余的子载波，这样得到的时域峰值抵消信号c接近c_clip，从而可以抵消时域信号的一些峰值。本发明采用优化的步长来加快收敛的速度，并减少了步长计算的复杂度，使得功率放大器可以高效的工作，且提高了OFDM系统的整体性能。

Claims (6)

1.一种基于星座扩展和空余子载波降低OFDM中峰均比的方法，其特征在于，包括：

(1)在发送端将时域信号进行削波，将被削掉的时域部分再投射到频域；

(2)对应承载数据的子载波，用星座扩展法则来判决；对应空余的子载波，则直接保留这些频域信号；

(3)将经过判决处理后的频域信号再投射到时域，生成峰值抵消信号，并将该峰值抵消信号加到削波操作之前的正交频分复用时域信号上。

2.根据权利要求1所述的基于星座扩展和空余子载波降低OFDM中峰均比的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：

(11)在发送端以给定的数据块中的频域X中的数据符号开始，应用逆快速傅立叶变换得到时域信号xⁱ；

(12)对任意|x[n]|≥A的抽样进行削波：

$\stackrel{\‾}{x}\left[n\right]=\left\{\begin{array}{c}x\left[n\right],\left|x\right[n\left]\right|\≤A\\ {\mathrm{Ae}}^{\mathrm{j\θ}\left[n\right]},\left|x\right[n\left]\right|>A\end{array}\right.$

所述

x[n]＝|x[n]|e^jθ[n]，A为削波幅度；

(13)计算被削的信号部分：

$c_{\mathrm{clip}}\left[n\right]=\stackrel{\‾}{x}\left[n\right]-x^i\left[n\right]$ ，所述c_clip为被削的信号；

(14)对c_clip应用快速傅立叶变换得到频域信号C_clip。

3.根据权利要求2所述的基于星座扩展和空余子载波降低OFDM中峰均比的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：

(21)频域信号C_clip对应于各子信道上的星座点，若C_clip中的元素处于对应星座点的可扩展方向，则保持此元素不变；若C_clip中的元素处于对应星座点的不可扩展方向，则将元素置零；

(22)若C_clip对应于未承载数据的空余子信道，C_clip中的元素组保持不变。

4.根据权利要求3所述的基于星座扩展和空余子载波降低OFDM中峰均比的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：

(31)将频域信号C_clip再应用逆快速傅立叶变换生成时域峰值抵消信号c；

(32)计算迭代步长u的值，

$u\left[n\right]=\frac{E-\left|x^i\right[n\left]\right|}{\left|c\right[n\left]\right|+\left|c\right[n_{\max }\left]\right|}$ 所述xⁱ为抽样的时域信号，E为最大抽样幅度，n_max为最大抽样幅度Eⁱ的抽样位置，c为抵消信号值；

(33)进行迭代计算：

xⁱ⁺¹＝xⁱ+uc 所述xⁱ为抽样的频域信号，u为迭代步长，c为抵消信号。

5.根据权利要求4所述的基于星座扩展和空余子载波降低OFDM中峰均比的方法，其特征在于，所述步骤(32)中迭代步长u的值为：

$u=\arg \underset{u}{\min }\left|\right|x^i+{\mathrm{uc}}^i{\left|\right|}_{\∞}^2$

所述的最大抽样幅度 $E=\underset{n}{\max }\left|x^i\right[n\left]\right|,$ 最大抽样幅度的抽样位置 $n_{\max }=\arg \underset{n}{\max }\left|x^i\right[n\left]\right|$ 对于每一个采样，计算cⁱ[n]沿着抽样xⁱ[n]的相位方向上的投影的符号：c_proj[n]＝sign{Re{xⁱ[n]c^*[n]}}，c_proj[n_max]＝-1或c_proj[n_max]＝0，且选取u[n]中的最小值u作为迭代步长。

6.根据权利要求2所述的基于星座扩展和空余子载波降低OFDM中峰均比的方法，其特征在于，所述削波幅度A＝2{E|X[n]|}，所述的X[n]为抽样频域信号。

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