CN101313547A - 降低正交频分复用信号中峰均功率比的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于有效降低OFDM信号中的峰均功率比(PAPR)的系统和方法。该方法包括下述步骤：在时域对信号进行过采样，使用包含双曲线正切的公式将信号的幅值逐渐削波到预定水平，对由于非线性削波产生的信号的带外频谱部分进行带通滤波，以处于预定的屏蔽范围内，并发送所述信号。

Description

降低正交频分复用信号中峰均功率比的方法和系统

技术领域

本发明涉及无线通信系统，更具体地说，涉及用于降低正交频分复用(OFDM)信号中峰均功率比的方法和系统。

背景技术

正交频分复用(OFDM)在多个单独子载波上调制信息码元。OFDM信号包括多个彼此正交的、在不同的等间隔频率上调制的子载波。OFDM调制是用于在多径衰落信道上高速传输数据的有效的调制技术。其优点在于，因为其对于多径衰落信道的高频谱效率和鲁棒性，OFDM可用于宽带数字通信应用。IEEE 802.11和IEEE 802.16标准规定了用于高速无线通信的OFDM。

IEEE标准802.16-2004定义了两个物理层(PHY)，这两个物理层被称为无线城域网正交频分复用物理层(WirelessMAN-OFDM PHY)和无线城域网正交频分多址接入物理层(WirelessMAN-OFDMA PHY)。该标准的相关部分包括IEEE标准802.16-2004(IEEE标准802.16-2001的修订版)；局域网和城域网第16部分的IEEE标准：固定宽带无线接入系统的空中接口；以及IEEE P802.16e D9版草案中局域网和城域网第16部分的IEEE标准：固定和移动宽带无线接入系统的空中接口；用于在执照频段中组合固定和移动操作的物理和媒介接入控制层的修订。

在OFDM中，信道中可用的带宽被分割成平行传输的N个窄带子载波频率。在这N个等间隔的载波上同时传输数据。将这些子载波设计成具有保持其相应波形正交所需要的最低频率间隔。OFDM使用快速傅里叶逆变换(IFFT)生成信号波形。IEEE标准802.16-2004中的WirelessMAN-OFDM基于256次IFFT。IEEE P802.16e D9版草案中的OFDMA PHY模式包括IFFT尺寸2048(与IEEE标准802.16-2004向后兼容)、1024、512和128。OFDM的主要缺点之一是传输信号的幅值是变动的。

N个指数信号的叠加会导致N倍于平均功率的峰值功率。峰值功率的一种常用度量是峰均功率比(PAPR)：

$\mathrm{PAPR}=\frac{\underset{0\≤t\≤\mathrm{NT}}{\max }{\left|x\left(t\right)\right|}^2}{\mathrm{ave}\left({\left|x\left(t\right)\right|}^2\right)}=\frac{\underset{0\≤t\≤\mathrm{NT}}{\max }{\left|x\left(t\right)\right|}^2}{1/\left(\mathrm{NT}\right)\underset{t=0}{\overset{\mathrm{NT}}{\∫}}{\left|x\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中，x(t)是OFDM传输信号，T是采样周期，N是OFDM码元的子载波数。

随着OFDM信号中子载波数的增加，OFDM信号的幅值变得更像是噪声而具有非常大的动态范围。因此，发射器中的RF功率放大器(PA)应具有大的输入回退(backoff)，在这种情况下，功率转换是低效的。例如，B级PA的最大功率效率是78.5％。然而，对于PAPR为10dB的输入信号，该效率下降到7.85％。从而，为了达到100mW的功率水平，直流功率消耗为1.3瓦。这种高直流消耗会降低电池寿命。因此，需要用于降低OFDM信号的PAPR的方法。

有几个不同的技术是公知的。

块编码：A.E.Jones、T.A.Wilkinson和S.K.Barton，“Block codingscheme for reduction of peak to mean envelope power ratio of multicarriertransmission schemes”，Electronics Letters，vol.30，no.25，pp.2098-2099，Dec.1994。选择降低PAPR的码字进行传输。已有一些降低PAPR的码序列，例如Shapiro-Rudin序列、Golay码、M序列、Binary Barker和Newmanphases。然而，块编码需要进行穷尽搜索以得到好的码。随着N的增加，这变得不可能。

选择映射：R.W.

R.F.H.Fisher和J.B.Huber，“Reducing thepeak-to-average power ratio of multicarrier modulation by selectedmapping”，Electronics Letters，vol.32，no.22，pp.2056-2057，Oct.1996。发射器为同一信息数据块生成一组候选数据块。选择具有最小PAPR的最佳映射进行传输。为了实施，发射器需要几次IFFT运算，并且为这些序列确定对应的PAPR。需要把使用了哪个候选的辅助信息与信息数据块一起传输给接收器。随着候选数量增加，复杂程度也会增加。

部分传输序列：S.H.Muller和J.B.Huber，“OFDM with reduced peakto average power ratio by optimum combination of partial transmitsequences”，Electronics Letters，vol.33，no.5，pp.368-369Feb.1997。将N个码元的信息数据块分割成子块。通过相位因子对各子块中的子载波进行加权。选择所述相位因子使得所得的PAPR最小。通常，将相位因子限制为W个元素以降低复杂程度。需要把使用了哪个相位因子的辅助信息与信息数据块一起传输给接收器。复杂程度随着W的增加而增加。

交织：P.V.Eetvelt、G.Wade和M.Tomlinson，“Peak to average powerreduction for OFDM schemes by selective scrambling”，Electronics Letters，vol.32，no.21，pp.1963-1964，Oct.1996。使用一系列交织器来搜索具有最小PAPR的序列。必须把使用了哪个交织器的辅助信息传输给接收器。该方法具有与所有需要辅助信息的方法相同的问题，因为辅助信息中的错误会导致传输信号的丢失。

频带保留(tone reservation)和频带注入(tone injection)：J.Tellado，“Peak to average power reduction for multicarrier modulation”，斯坦福大学2002年博士论文。在一个OFDM码元中，为降低PAPR而保留一些子载波。通过求解凸优化问题来确定这些子载波的传输值。PAPR的降低量取决于保留的子载波的数量及它们的位置。对于适应IEEE 802.16的突发传输，可以为此目的而使用具有较低SNR的子载波。然而，用于降低PAPR的子载波的位置应相应地改变。这导致了额外的复杂程度。如果固定子载波位置，则减小了带宽。频带注入增加了星座图(constellation)的大小，使得初始星座图中的各星座点映射到几个星座点。可以将数据块中的各传输码元映射为几个等价星座点中的一个。频带注入的问题是该技术会增加功率。

波峰窗口(peak windowing)：M.Pauli和H.P.Kuchenbecker，“On thereduction of the out of band radiation of OFDM signals”，IEEE conferenceproceedings ICC，vol.3，pp.1304-1308，1998。在该方法中，通过用高斯窗乘上大峰值信号来降低PAPR。以产生频带外频谱部分和频带内噪声为代价来实现降低PAPR。

压缩扩展：X.Wang、T.T.Tjhung和C.S.Ng，“Reduction ofpeak-to-average power ratio of OFDM system using a compandingtechnique”，IEEE Transactions on Broadcasting，vol.45，no.3，pp.303-307，Sept.1999。该方法与压缩扩展语音信号类似。因为OFDM信号在不常出现大波峰这一方面与语音类似，所以可以使用μ-law压缩扩展技术来降低PAPR。然而，压缩扩展也导致频带外频谱部分，并且只有在更高SNR下才能改善码元错误率。PAPR降低到大约

幅值削波和滤波：X.Li和L.Cimini，“Effects of clipping and filteringon the performance of OFDM”，IEEE Communication Letters，vol.2，no.5，pp.131-133，May 1998；以及H.A.Suraweera、K.Panta、M.Feramez和J.Armstrong，“OFDM peak-to-average power reduction scheme with spectralmasking”，Symposium on Communication Systems Networks and DigitalSignal Processing(CSNDSP 2004)，July 2004。幅值削波将输入信号的峰值包络线限制在预定值内。削波函数的非线性特性引起的噪声落在频带内(BER性能下降)和频带外(频谱效率降低)。削波后的滤波可以降低频带外噪声。最常用的幅值削波运算如下式：

$x_n^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n,& \left|x_n\right|<A\\ {\mathrm{Ae}}^{j{\mathrm{\&phi;}}_n},& \left|x_n\right|\&GreaterEqual;A\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，φ_n是x_n的相位，A是预定的削波水平。该方法被称为硬削波(HC)。Suraweera等人的屏蔽只是使用硬削波去除了部分OOB辐射。他们通过在频域中在传输信号中插入许多0来进行过采样。这要求非常大的IDFT值来生成过采样信号。

上述的大多数技术增加了计算的复杂程度，并且一些技术由于需要辅助信息而降低了效率。

而且，对于需要辅助信息的技术还存在其他潜在的问题。辅助信息中的错误可能导致整个传输信号的丢失。

发明内容

本发明的一个实施方式提供用于降低OFDM信号中峰均功率比(PAPR)的系统和方法。所述方法包括下述步骤：对信号进行过采样；使用包含双曲线正切的公式对信号的幅值逐渐削波到预定水平；对由于非线性削波产生的信号的带外频谱部分进行带通滤波，以处于预定的屏蔽范围内；并发送该信号。

本发明优点在于，因为不需要现有技术中所需要的辅助信息，所以频谱效率没有明显降低。可以通过诸如turbo编码这样的信道编码技术，在误码率方面对少量并可控的信号劣化量进行补偿。传输的信号与诸如DVB-T、IEEE 802.11和IEEE 802.16这样的使用OFDM的现有标准兼容，并且可以在发射器中完整实施。

所述方法独立于源编码、信道编码、调制技术和导频插入。与现有技术相比，本发明在频域中使用滤波去除了所有带外辐射。过采样率相对较低，例如4，并且在时域中使用线性插值进行过采样，而不是像现有技术那样在频域中进行。与现有技术的硬削波相比，逐渐进行软削波，从而对于相同的PAPR降低量得到更好的误码率。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的包括PAPR降低的OFDM传输器系统的示意图；

图2是根据本发明的一个实施方式的PAPR降低的框图；

图3是根据本发明的一个实施方式的过采样的示意图；

图4是根据本发明的一个实施方式的幅值削波的框图；

图5是根据本发明的一个实施方式的幅值削波非线性函数的图；

图6是根据本发明的一个实施方式的频谱屏蔽的图；

图7是根据本发明的一个实施方式的PAPR降低性能的图；和

图8是根据本发明的一个实施方式的OFDM系统的误码率性能的图。

具体实施方式

图1示出降低正交频分复用(OFDM)信号中峰均功率比(PAPR)的系统和方法100。对输入信号x_i 101进行串-并(S/P)转换110。快速傅里叶逆变换(IFFT)120生成复值基带信号121

$x_n=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_k+{\mathrm{jb}}_k)e^{\frac{j2\mathrm{\&pi;kn}}{N}},$ 0≤n≤N-1

(3)

其中N是一个OFDM码元中的子载波数，a_k和b_k是复值调制码元的实部和虚部，所述复值调制信号可以是QPSK、16-QAM或64-QAM调制信号。根据本发明，在加上循环前缀之后，基带信号通过PAPR降低模块200。PAPR降低模块200的输出被提供给用于生成模拟基带信号的数模转换器(D/A)130。同相和正交相信号用于传输复值基带信号的实部和虚部。将模拟基带信号提供给射频(RF)发射器(TX)140，其中将传输信号141上变频为预期的RF载波频率并进行放大。

如图2所示，PAPR降低200通过因子N来对OFDM基带信号x_n 121进行过采样300。与现有技术相比，本方法在时域中进行过采样。

然后将各个过采样信号401通过幅值削波器400和滤波器222，来去除带外频谱部分。反复进行该削波和滤波处理220，以逐渐降低PAPR直到它满足预定的屏蔽。与现有技术相比，本方法使用线性滤波器在频域中进行滤波。与现有技术的一次硬削波相比，本方法因为反复进行功率降低，我们称之为“软”削波。

图3示出根据本发明的实施方式在时域中的过采样处理300。可以通过两个步骤来实施过采样。首先，在样值之间插入310(L-1)个0，信号x′_n为

${x^{\&prime;}}_n=\left\{\begin{array}{cc}{x}_{n/L},& n=0,L,2L,...\\ 0,& \end{array}\right.---\left(4\right)$

插入0之后，使用插值滤波器对信号x′_n进行插值320

$s_n=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_l{x^{\&prime;}}_{n-l},---\left(5\right)$

其中，n是采样指数，f_l是插值滤波器320的第l个分头，f_l，0≤l≤L-1，并且L是滤波器长度。线性插值滤波器可以具有脉冲响应

f_l＝1-l/L，l＝0，…，L-1

也可以使用其他插值滤波器(诸如多项式插值或者三次样条插值)。

如图4所示，过采样之后，将过采样信号s_n 401中各样值的幅值逐渐削波400至预定水平。

幅值削波函数410是根据无记忆非线性函数的有意变形。所述函数的基础幅值调制如公式(6)所示。信号的相位不改变。在功率放大器之前将信号s_n 401有意削波到预定水平。削波函数采用双曲线正切函数形式，即

s′_n＝A tanh(C|s_n|)            (6)

其中，A和C是基于PAPR减少要求而预定的常数。

图5示出C＝0.8和A＝1/0.6的幅值削波非线性函数500的示例。

在幅值“软”削波之后，带通滤波器222去除带外频谱部分。因为在过采样信号上执行非线性逐渐削波函数，所以该处理可能导致时域信号的局部峰值再次增长。因此，可以使用反复的多次削波400和滤波222，以反复降低PAPR，同时基于预定的带外屏蔽，将带外频谱发散控制在可接受的水平。

将滤波函数的通带限制在调制后的基带信号的信息承载频率带宽内。阻带的衰减满足最大容许的带外发射。通过以美国联邦无线通信委员会(FCC)对于特定OFDM信号的功率频谱密度函数强制推行的频谱屏蔽所表示的频带外发射要求，来定义滤波器所需的频谱屏蔽的特性。

图6示出DVB-T系统的频谱屏蔽的具体示例，参见ETSI数字电视广播(DVB)；在此引入1997年8月ETS 300 744的“数字地面电视(DVB-T)的框架结构、信道编码和调制”作为参考。

发明效果

本发明的一个实施方式提供了根据IEEE P802.16e标准D9版草案的用于降低OFDM信号的PAPR的实际系统和方法。在该示例中，过采样率是4。子载波的数量为1024。根据QPSK对传输信息码元进行调制。频域滤波去除了所有的带外频谱部分。

图7示出与没有削波的原始信号705相比的PAPR降低701-704，分别表示C＝0.2的第一次幅值软削波，C＝0.2的第二次幅值软削波，C＝0.4的第一次幅值软削波，C＝0.4的第一次幅值软削波。横坐标是PAPR的互补CDF，其定义如下

互补CDF＝概率(PRPR＞PAPR0)        (7)

其中，PAPRo如纵坐标所示。

图8示出，在根据本发明的一个实施方式的OFDM系统中，分别对应C＝0.2的第一次幅值软削波、C＝0.2的第二次幅值软削波、C＝0.4的第一次幅值软削波、C＝0.4的第一次幅值软削波的加性高斯白噪声(AWGN)801信道的误码率(BER)性能802-805。

如图7和8所示，当C设置为0.4时，重复两次削波和滤波可以将PAPR降低到4dB；在降低PAPR的同时使误码率的增加最小，该误码率的增加可以通过turbo编码来进行补偿。

尽管以优选实施方式的示例的形式描述本发明，但是应理解，在本发明的精神和范围内可以进行各种改变和修改。因此，所附权利要求的目的是涵盖所有落入本发明的真实精神和范围内的变化和修改。

Claims (12)

1.一种用于降低正交频分复用信号中的峰均功率比的方法，该方法包括以下步骤：

生成基带信号；

在时域中对所述基带信号进行过采样；和

对过采样信号反复地进行削波和滤波，然后发送削波和滤波后的信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述基带信号是正交频分复用信号。

3.如权利要求1所述的方法，该方法还包括：

将串行输入信号转换成N个并行子载波信号；和

对各子载波信号进行快速傅里叶逆变换，从而生成所述基带信号。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述过采样步骤还包括下述步骤：

在所述基带信号的样值之间插入0；和

对包含所插入的0的所述基带信号进行插值。

5.如权利要求1所述的方法，其中根据削波函数进行所述削波。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述削波函数是双曲线正切函数。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述双曲线正切函数是

S′_n＝Atanb(|s_n|)

其中，A和C是预定的常数，s是所述的基带信号的样值。

8.如权利要求7所述的方法，其中根据PAPR降低要求选择C和A。

9.如权利要求7所述的方法，其中C＝0.8，A＝1/0.6。

10.如权利要求1所述的方法，其中在频域中进行所述滤波。

11.如权利要求4所述的方法，其中插入率中为4。

12.一种用于降低正交频分复用信号中的峰均功率比的系统，该系统包括：

生成基带信号的装置；

在时域中对所述基带信号进行过采样的装置；和

对过采样信号反复地进行削波和滤波，然后发射削波和滤波后的信号的装置。

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