CN101262460A - 一种降低峰均比的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低峰均比的方法，包括：(a)根据预留子载波的位置信息，利用音调保留算法确定消峰内核序列kernel(i)，i∈[1，N]；(b)确定当前待消峰处理序列data(i)中的功率峰值val_max，并根据beta(i)＝val_max－target*const*e^j*θ(val)确定测试值beta(i)，其中target为消峰目标功率值，constant为消峰步长，θ(val)为所述功率峰值val_max所对应的相位角；(c)对消峰内核序列kernel(i)进行一次循环移位，得到迭代消峰内核序列kernel’(i)；(d)利用data’(i)＝data(i)－beta(i)*kernel’(i)确定消峰处理结果序列data’(i)。采用本发明的方法和装置可以有效地降低OFDM系统中的峰均比。

Description

一种降低峰均比的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种降低峰值对平均功率比(简称峰均比，peak-to averagepower ratio，PAPR)的装置和方法，属于通信技术领域。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术是一种多载波传输技术，近年来，该技术在无线通信中得到了广泛使用，如地面数字电视广播(Digital Video Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)、数字音频广播(Digital Audio Broadcasting，DAB)、室内无线网络(IEEE802.11a/g，HIPERLAN/2)和宽带无线接入(IEEE802.16)等。在超3G(Beyond 3G，B3G)移动通信的研究中，OFDM也被认为是一种非常具有发展前景的关键技术。

OFDM系统把高速数据流通过串并变换，分配到N个并行的子信道中，且N个子信道的数据同时被调制到相互正交的子载波并进行传输，由此，子信道上的符号传输速率降低为原数据流的1/N，较低的符号速率有利于克服频率选择性衰落。相应的，符号周期扩展成原来的N倍，提高了对抗无线信道多径时延扩展的能力，使高速数据流能够在具有多径衰落的频带上进行传输。同时，由于子载波间存在正交性，因此与传统的频分复用系统相比，OFDM系统具有更高的频谱利用率。此外，OFDM系统还可以使用傅立叶逆变换/傅立叶变换(IFFT/FFT)实现快速调制和解调，并利用不同数量的子信道实现无线数据业务上下行链路的非对称性。

由于OFDM调制信号是由N个独立子载波所组成，当N值充分大时，由中央极限定理可知OFDM信号中的实部及虚部信号近似为高斯分布，振幅大小分布为瑞利分布，即其传送的符号有较高的峰均比。当每个子载波被同相相加时，会产生一个比平均功率高N倍的峰值，而过大的峰均比易引起放大器工作处于饱和状态，因此需要放大器具有很宽的线性范围和功率预留，以避免传输信号的非线性失真，这必将增加系统的成本和实现难度。因此如何通过适当的方法降低峰均比是OFDM急待解决的关键问题之一，

针对上述问题，现有技术中也已经提出了限幅、限幅滤波、编码、部分传送序列(partial transmit sequence，PTS)、选择性映射(selected mapping，SLM)和音调保留(Tone Reservation，TR)等多种解决方法，其中：

(1)限幅、限幅滤波：该方法通过直接在信号峰值采用非线性操作来强制降低峰值功率。这种方法易于实现，且与载波数无关，不影响编码速率。但是OFDM信号经过限幅后频谱特性会发生变化，导致带外功率辐射的增大和子载波间的干扰，由此将降低整个系统的误比特率性能；

(2)编码：该方法的优点是系统相对简单，降低峰均比的性能也较为稳定；但是随着子信道数的增加，系统吞吐量迅速下降，频带利用率较低；

(3)选择性映射和部分发送序列：这两种方法都可以有效并且无失真地降低峰均比，且适用于任意数量的子载波，子载波调制的种类也不受限制。但是这两种方法都需要经过多次IFFT运算，运算复杂度高，不利用于实时处理；

(4)音调保留：在专利号为6,512,797，发明名称为“PRAK TO AVERAGEPOWER RATIO REDUCTION”的美国专利中提出了利用音调保留算法来进行峰均比处理的方法，但是该方法需要损失部分数据子载波，使得传输速率变低。且该专利并没有涉及峰均比实时处理的实现过程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种降低峰均比的方法和装置，使得OFDM系统中峰均比降低。

为此，本发明提供一种降低峰均比的方法，包括：

(a)根据预留子载波的位置信息，利用音调保留算法确定消峰内核序列kernel(i)，i∈[1，N]，其中：N为一个OFDM符号的长度；

(b)确定当前待消峰处理序列data(i)中的功率峰值val_max，并根据beta(i)＝val_max-target*const*e^j*θ(val)确定测试值beta(i)，其中target为消峰目标功率值，constant为消峰步长，θ(val)为所述功率峰值val_max所对应的相位角；

(c)对消峰内核序列kernel(i)进行一次循环移位，得到迭代消峰内核序列kernel’(i)；

(d)利用data’(i)＝data(i)-beta(i)*kernel’(i)确定消峰处理结果序列data’(i)。

进一步地，所述的步骤(a)中，预留子载波的位置是根据是根据IEEE802.16中子信道的定义确定的，所述的预留子载波的位置为空闲的子信道或者传输信噪低于设定值的子信道。

进一步地，所述的步骤(b)中，功率峰值val_max是根据val_max＝max(|data(i)|)计算确定的。

进一步地，所述的步骤(b)中，消峰目标功率值为5.1dB。

进一步地，所述的步骤(c)中，消峰步长为21.33325。

进一步地，所述的步骤(b)中，迭代消峰内核序列kernel’(i)进一步地是通过下述方法得到的：

确定待消峰处理序列data(i)中的功率峰值val_max所对应的位置pos；

根据kernel’(i)＝kernel(mod(i+1-pos，1024))确定迭代消峰内核序列kernel’(i)。

进一步地，该方法还包括：

设定消峰迭代次数；

生成所述的消峰处理结果序列data’(i)时，所述消峰迭代次数增加一次；且当前消峰迭代次数小于设定的消峰迭代次数时，以消峰处理结果序列data’(i)刷新当前待消峰处理序列data(i)。

本发明还提供一种降低峰均比的装置，包括：内核序列生成模块，用于利用音调保留算法确定消峰内核序列kernel(i)；以及消峰模块，用于对待消峰处理序列data(i)中的数据进行消峰；所述的消峰模块进一步地包括：

存储单元，用于暂存待消峰处理序列data(i)，i∈[1，N]，其中：N为一个OFDM符号的长度；

功率峰值确定单元，用于确定并暂存待消峰处理序列data(i)中的功率峰值val_max；

归一化单元，用于根据功率峰值确定单元中确定的功率峰值val_max，确定并暂存其相位角θ(val)；

迭代消峰内核序列生成单元，用于读取内核序列生成模块中的消峰内核序列kernel(i)后，将其进行一次循环移位，得到迭代消峰内核序列kernel’(i)；

测试值生成单元，用于根据功率峰值确定单元中的功率峰值val_max和归一化单元中的相位角θ(val)，利用beta(i)＝val_max-target*const*e^j*θ(val)确定并暂存测试值beta(i)，其中：target为消峰目标功率值，constant为消峰步长；

消峰处理单元，用于根据存储单元中的待消峰处理序列data(i)，测试值生成单元中的测试值beta(i)以及迭代消峰序列内核生成单元中的迭代消峰内核序列kernel’(i)，利用data’(i)＝data(i)-beta(i)*kernel’(i)，计算得到消峰处理结果序列data’(i)。

进一步地，所述的消峰模块还包括：

迭代控制单元，用于设定消峰迭代次数，且接收到迭代信号时，进行一次迭代计数，且当其判定当前迭代次数小于设定的消峰迭代次数时，读取消峰处理单元中的当前消峰处理结果序列data’(i)，并以其刷新存储单元中的当前待消峰处理序列data(i)，当其判定当前迭代次数为设定值时，将迭代次数设置为初始值；

此时，当所述消峰单元处理单元生成消峰处理结果序列data’(i)时，向迭代控制单元发送迭代信号。

进一步地，所述的功率峰值确定单元中，功率峰值val_max是根据val_max＝max(|data(i)|)计算确定的。

进一步地，所述的迭代消峰内核序列生成单元中，对获取的消峰内核序列kernel(i)进行一次循环移位后得到迭代消峰内核序列kernel’(i)是根据kernel’(i)＝kernel(mod(i+1-pos，1024))计算确定的，此时，功率峰值确定单元，还用于确定并暂存待消峰处理序列data(i)中的功率峰值val_max所对应的位置pos。

进一步地，所述的内核序列生成模块中，确定消峰内核序列kernel(i)的预留子载波位置是根据是根据IEEE802.16中子信道的定义确定的，所述的预留子载波的位置为空闲的子信道或者传输信噪低于设定值的子信道。

从上述可知，本发明的方法和装置中将能够有效地降低峰均比，且如果将消峰处理的子载波与实际传输的各子载波的信噪比相结合，选取传输信道条件较差的子载波作为降低峰均比处理的预留子信道，进行消峰处理，还可以进一步地不损失子载波。在另一方面，如果本发明所提出的装置采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)来实现，则由于FPGA本身具有较快的响应速度，本装置也将具有较好的实时处理效果，系统占用资源少，处理效率高，还具有良好的实现性和可移植性。

附图说明

图1为本发明实施例中降低峰均比的方法流程图；

图2为本发明实施例中降低峰均比装置的结构示意图；

图3-图5为利用本发明的方法和装置在三种不同情况下，对OFDM信号进行处理前后的峰均比效果对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地介绍，但不作为对本发明的限定。

参考图1所示，一种降低峰均比的方法，包括如下步骤：

步骤101，获取用于消峰处理的预留子载波位置a＝{a₁，a₂，a₃…a_n}(n＜N)，其中：n为预留子载波的总数，N为一个OFDM符号的长度；

在该步骤中，预留子载波的位置可以是根据IEEE802.16中子信道的定义来确定，其可以为某些空闲的子信道或者传输信噪低于设定值、即信噪比较差的子信道；

步骤102，根据预留子载波的位置，生成预留子载波序列 $b\left(i\right)=\left\{\begin{array}{c}1,i\∈a\\ 0,i\∉a\end{array}\right.,i\∈[1,N];$

步骤103，对上述预留子载波序列b(i)进行IFFT运算，由此得到消峰内核序列kernel(i)，kernel(i)＝IFFT(b(i))；

步骤104，确定待消峰处理序列data(i)，(i∈[1，N])的功率峰值val_max以及该功率峰值在对应序列中的位置pos；

在该步骤中，待处理序列data(i)的功率峰值val_max可以通过如下方法确定：val_max＝max(|data(i)|)，(i∈[1，N])；

步骤105，将消峰内核序列kernel(i)进行一次循环移位，得到迭代消峰内核序列kernel’(i)，其中：kernel’(i)＝kernel(mod(i+1-pos，1024))，(i∈[1，N])；

步骤106，计算测试值beta(i)＝val_max-target*const*e^j*θ(val)，其中：target为消峰目标功率值，优选值为5.1dB，constant为消峰步长，优选值为21.3325；e^j*θ(val)为通过坐标旋转数字计算机(cordic)算法确定的归一化值，具体过程如下：

确定待消峰处理序列data(i)中获取val_max处数据的实部值a、虚部值b，此时，该处相位角θ(val)＝atan(a/b)，利用e^j*θ(val)＝cos(θ(val))+isin(θ(val))即可计算出e^j*θ(val)值；

步骤107，利用上述步骤中得到的数据，按照进行消峰处理，得到消峰处理结果序列data’(i)＝data(i)-beta(i)*kernel’(i)，i∈[1，N]。

由此，通过上述步骤完成了降低OFMD系统中峰均比的过程。此处需要说明一点，上述步骤101-103是通过音调保留算法确定消峰内核序列kernel(i)，通过步骤104-107完成一次消峰处理过程。

对上述方法作一点说明：如果用于消峰处理的预留子载波位置是传输信噪较差的子信道，则通过上述方法可以较小损失，甚至不损失子载波。

对应的，本实施例还提供一种降低峰均比的装置，包括：内核序列生成模块KERNAL_GEN和消峰模块PAPR_MAIN，其中：

内核序列生成模块KERNAL_GEN，用于得到消峰内核序列kernel(i)，其主要包括：

预留子载波获取单元，用于获取和暂存预留子载波的载波位置信息a＝{a₁，a₂，a₃…a_n}(n＜N)，其中：预留子载波的位置可以是根据IEEE802.16中子信道的定义来确定，可以为某些空闲的子信道或者传输信噪低于设定值、即信噪比较差的子信道；

预留子载波序列生成单元，用于根据预留子载波获取单元中存储的预留子载波的载波位置信息生成预留子载波序列 $b\left(i\right)=\left\{\begin{array}{c}1,i\∈a\\ 0,i\∉a\end{array}\right.,i\∈[1,N];$

消峰内核序列生成单元，用于根据预留子载波序列生成单元中存储的预留子载波序列b(i)进行IFFT变换，生成并暂存消峰内核序列kernel(i)，即kernel(i)＝IFFT(b(i))。

消峰模块PAPR_MAIN，用于通过迭代的方法对待消峰处理序列data(i)，(i∈[1，N])中的数据进行消峰处理，其主要包括：

存储单元，用于暂存待消峰处理序列data(i)，(i∈[1，N])；

功率峰值确定单元，用于根据存储单元中的存储的待消峰处理序列data(i)，根据val_max＝max(|data(i)|)确定并暂存待消峰处理序列data(i)中的功率峰值val_max以及其对应位置pos；

归一化单元，用于根据功率峰值确定单元中确定的功率峰值val_max，按照cordic算法，确定并暂存其归一化值e^j*θ(val)，其中θ(val)为功率峰值val_max处对应的相位角；

迭代消峰内核序列生成单元，用于读取消峰内核生成单元中存储的消峰内核序列kernel(i)后，根据功率峰值确定单元中存储的功率峰值位置pos，通过计算kernel’(i)＝kernel(mod(i+1-pos，1024))获得消峰内核序列kernel(i)进行一次循环移位后的迭代消峰内核序列kernel’(i)；

测试值生成单元，用于根据功率峰值确定单元中存储的功率峰值val_max和归一化单元中存储的归一化值e^j*θ(val)，利用beta(i)＝val_max-target*const*e^j*θ(val)确定并暂存测试值beta(i)，其中：target为消峰目标功率值，constant为消峰步长；在该单元中的运算可以通过乘法器、减法器等现有技术中的运算器实现；

消峰处理单元，用于根据存储单元中的data(i)，测试值生成单元中存储的beta(i)以及迭代消峰序列生成单元中存储的kernel’(i)，利用data’(i)＝data(i)-beta(i)*kernel’(i)，i∈[1，N]，得到消峰处理结果序列data’(i)。

在另一个实施例中，在降低峰均比的方法中为了得到更好的效果，可以采用多次迭代消峰处理过程，此时，在上述实施例方法的步骤107之后，将步骤107中得到消峰处理结果序列data’(i)按照预定的迭代次数策略对待消峰处理序列data(i)进行刷新，然后继续执行步骤104-107，此时预定的迭代次数策略可以为，在未达到设定的迭代次数的情况下，重复此步骤，而在达到设定的迭代次数的情况下，迭代结束，迭代次数重新设置为初始值，等待下一个数据的消峰时使用，此时最后一次得到的消峰处理结果序列data’(i)即为消峰处理后的结果。此时需要说明的一点是，预定的迭代次数是根据一个OFDM符号时间以及进行一次消峰处理的时间得到的，对一组数据的多次迭代消峰必须在一个OFDM符号时间内完成。

对应于上述增加迭代次数的方法，在上述的降低峰均比装置的消峰模块PAPR_MAIN中需要增加迭代控制单元，用于判断消峰处理是否在预定的迭代次数范围内，当消峰处理单元中生成结果序列时，向迭代控制单元发送迭代信号，迭代控制单元接收到迭代信号后进行计数，当计数未达到预定次数时，读取消峰处理单元中生成消峰处理结果序列data’(i)，并以其刷新存储单元中的待消峰处理序列data(i)。

为了提高峰均比降低的处理效率，可以在对一个OFDM符号进行处理时，采用并行处理模式，即，根据OFDM符号长度为2的幂函数这一特点，同时采用并行的多个降低峰均比的装置，此时每个降低峰均比的装置功能相同，但是在同时处理同一组数据中不同位置的数据，为此，在一定的时间内可以增加消峰迭加的次数，达到更好地消峰效果。

经过上述消峰方法和装置处理后，OFDM信号的峰均比将有效降低。图3-图5所示即为在不同情况下利用本发明对信号进行处理前后，OFDM信号峰均比的效果对比图。

应当理解的是，对本发明技术所在领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思进行相应的等同改变或者替换，而所有这些改变或者替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (12)

1. 一种降低峰均比的方法，包括：

(a)根据预留子载波的位置信息，利用音调保留算法确定消峰内核序列kernel(i)，i∈[1，N]，其中：N为一个OFDM符号的长度；

(b)确定当前待消峰处理序列data(i)中的功率峰值val_max，并根据beta(i)＝val_max-target*const*e^j*θ(val)确定测试值beta(i)，其中target为消峰目标功率值，constant为消峰步长，θ(val)为所述功率峰值val_max所对应的相位角；

(c)对消峰内核序列kernel(i)进行一次循环移位，得到迭代消峰内核序列kernel’(i)；

(d)利用data’(i)＝data(i)-beta(i)*kernel’(i)确定消峰处理结果序列data’(i)。

2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(a)中，预留子载波的位置是根据是根据IEEE802.16中子信道的定义确定的，所述的预留子载波的位置为空闲的子信道或者传输信噪低于设定值的子信道。

3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(b)中，功率峰值val_max是根据val_max＝max(|data(i)|)计算确定的。

4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(b)中，消峰目标功率值为5.1dB。

5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(c)中，消峰步长为21.33325。

6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(b)中，迭代消峰内核序列kernel’(i)进一步地是通过下述方法得到的：

确定待消峰处理序列data(i)中的功率峰值val_max所对应的位置pos；

根据kernel’(i)＝kernel(mod(i+1-pos，1024))确定迭代消峰内核序列kernel’(i)。

7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

设定消峰迭代次数；

生成所述的消峰处理结果序列data’(i)时，所述消峰迭代次数增加一次；且当前消峰迭代次数小于设定的消峰迭代次数时，以消峰处理结果序列data’(i)刷新当前待消峰处理序列data(i)。

8. 一种降低峰均比的装置，包括：内核序列生成模块，用于利用音调保留算法确定消峰内核序列kernel(i)；其特征在于，该装置还包括：消峰模块，用于对待消峰处理序列data(i)中的数据进行消峰；所述的消峰模块进一步地包括：

存储单元，用于暂存待消峰处理序列data(i)，i∈[1，N]，其中：N为一个OFDM符号的长度；

功率峰值确定单元，用于确定并暂存待消峰处理序列data(i)中的功率峰值val_max；

归一化单元，用于根据功率峰值确定单元中确定的功率峰值val_max，确定并暂存其相位角θ(val)；

迭代消峰内核序列生成单元，用于读取内核序列生成模块中的消峰内核序列kernel(i)后，将其进行一次循环移位，得到迭代消峰内核序列kernel’(i)；

测试值生成单元，用于根据功率峰值确定单元中的功率峰值val_max和归一化单元中的相位角θ(val)，利用beta(i)＝val_max-target*const*e^j*θ(val)确定并暂存测试值beta(i)，其中：target为消峰目标功率值，constant为消峰步长；

消峰处理单元，用于根据存储单元中的待消峰处理序列data(i)，测试值生成单元中的测试值beta(i)以及迭代消峰序列内核生成单元中的迭代消峰内核序列kernel’(i)，利用data’(i)＝data(i)-beta(i)*kernel’(i)，计算得到消峰处理结果序列data’(i)。

9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的消峰模块还包括：

迭代控制单元，用于设定消峰迭代次数，且接收到迭代信号时，进行一次迭代计数，且当其判定当前迭代次数小于设定的消峰迭代次数时，读取消峰处理单元中的当前消峰处理结果序列data’(i)，并以其刷新存储单元中的当前待消峰处理序列data(i)，当其判定当前迭代次数为设定值时，将迭代次数设置为初始值；

此时，当所述消峰单元处理单元生成消峰处理结果序列data’(i)时，向迭代控制单元发送迭代信号。

10. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的功率峰值确定单元中，功率峰值val_max是根据val_max＝max(|data(i)|)计算确定的。

11. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的迭代消峰内核序列生成单元中，对获取的消峰内核序列kernel(i)进行一次循环移位后得到迭代消峰内核序列kernel’(i)是根据kernel’(i)＝kernel(mod(i+1-pos，1024))计算确定的，此时，功率峰值确定单元，还用于确定并暂存待消峰处理序列data(i)中的功率峰值val_max所对应的位置pos。

12. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的内核序列生成模块中，确定消峰内核序列kernel(i)的预留子载波位置是根据是根据IEEE802.16中子信道的定义确定的，所述的预留子载波的位置为空闲的子信道或者传输信噪低于设定值的子信道。

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