CN101374126B - 一种正交频分复用系统峰均功率比抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正交频分复用OFDM系统峰均功率比PAPR抑制方法，包括：根据限幅门限对输入的OFDM信号进行峰值判别，确定需要处理的幅值；将输入的正交频分复用信号相位旋转使需要处理的幅值的方向位于实轴上；利用子载波预留方法对旋转后信号的实部进行峰均功率比处理；判断是否符合峰均功率比要求，是直接结束，否则利用改进牛顿迭代公式进行峰值处理。这种抑制方法利用牛顿迭代算法在最大幅值方向上进行PAPR处理，在处理复基带信号时，PAPR处理性能有明显改善，并且计算复杂度大幅度降低。

Description

一种正交频分复用系统峰均功率比抑制方法

技术领域

本发明涉及无线通讯，具体涉及一种正交频分复用OFDM系统峰均功率比PAPR抑制方法。

背景技术

正交频分复用Orthogonal Frequency Division Multiplexing(简称OFDM)系统最主要的弱点是它存在峰均功率比Peak to Average Power Ratio(简称PAPR)过高的问题。人们对此进行深入研究，提出了许多解决方案，其中重要的有：削波与滤波、编码、子载波插入、子载波预留、星座图扩展、部分传输序列、选择映射、交织。其中的子载波预留方法有较好的应用前景，子载波预留方法，其主要思想是：在频域数据中预留一部分子载波C，利用C产生的峰值削减信号c来降低OFDM信号的PAPR值。根据无失真传输的要求，预留子载波信号应满足：

$X_k+C_k=\left\{\begin{array}{cc}{X}_k,& k\∈u^c\\ C_k,& k\∈u\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中X_k表示第k个子载波处的数据信号，C_k表示第k个子载波处的预留信号，u^c表示数据子载波集合，u为预留子载波集合。相应的降低峰均功率比问题可转化为最大最小化问题：

$C^{*}=\arg \underset{C\∈\mathrm{\ζ}}{\min }\left|\right|F^{-1}(X+C)\left|\right|---\left(2\right)$

其中C表示频域预留子载波信号，ζ表示由预留子载波信号集合u生成的信号空间，X表示频域数据信号，F^-1表示离散傅里叶逆变换IDFT变换。

文献[B.S.Krongold and D.L.Jones，”An Active-Set Approach for OFDMPAR Reduction via Tone Reservation，”in IEEE Trans.SignalProcessing，vol.52，no.2，pp.495-509，Feb.2004.]中，对子载波预留方法进行改进，提出了积极集子载波预留方法。该方法能很好的解决实基带信号峰值问题，但在处理复基带信号时，效果不能令人满意，而工程中人们处理的通常是复基带信号；而目前没有或没有一种对复基带信号具有良好效果的抑制PAPR的方法被公开。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种正交频分复用系统峰均功率比抑制方法，能有效解决复基带OFDM信号PAPR过高的问题。

本发明的上述技术问题这样解决，提供一种正交频分复用OFDM系统峰均功率比PAPR抑制方法，包括以下步骤：

1.1)限幅门限A对输入的正交频分复用OFDM信号进行峰值判别，确定需要处理的幅值，该幅值为矢量，具有幅度和相位(方向)；

1.2)将输入的正交频分复用OFDM信号进行相位旋转，使其需要处理的幅值的方向位于实轴上；

1.3)利用子载波预留方法对旋转后信号的实部进行峰均功率比PAPR处理。

这样通过信号处理达到峰均功率比PAPR的抑制效果。

按照本发明提供的抑制方法，所述需要处理的幅值是多个，所述步骤1.2)和1.3)针对从该多个需要处理的幅值的方向中选取的若干方向逐一重复进行，包括以下三种：

(一)所述需要处理的幅值是多对、每对相交成180度或基本成180度，所述步骤1.2)和1.3)针对每对需要处理的幅值的一个方向逐一重复进行(每次处理正反两个方向)。

(二)所述需要处理的幅值的方向是多个随机方向，所述步骤1.2)和1.3)针对每个需要处理的幅值的方向逐一重复进行。

(三)第(一)和(二)种的混合体。

按照本发明提供的抑制方法，所述重复进行的顺序是按对应幅值大小从大到小针对各被选取方向进行，其中对应一对需要处理的幅值的对应幅值是该对幅值中幅值最大者。

按照本发明提供的抑制方法，该抑制方法还包括步骤：

1.4)判断在需要处理的幅值方向处理后的信号是否符合正交频分复用OFDM系统可接受峰均功率比PAPR，是，跳过步骤1.5)直接结束，否则进入下一步；

1.5)利用牛顿迭代公式 $x^{\left(i\right)}=x^{(i-1)}-{\mathrm{\μ}}^i{\hat{P}}^i$ 进行峰值处理，其中：按最大值进行归一化处理的峰值削减信号 ${\hat{P}}^i=\underset{k=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k{P}_{\mathrm{nk}},$ P_nk由预留子载波位置确定的峰值削减原型信号P₀循环右移到选择信号α_k的位置得到，迭代步长μⁱ等于输入的正交频分复用信号最大幅值减限幅门限A，选择信号α_k是输入的正交频分复用信号中幅值减限幅门限A大于0.5μⁱ的信号集合，i为迭代次数，x为数据信号。

按照本发明提供的抑制方法，所述步骤1.5)包括首先进行相位复原，所述相位复原是针对所述步骤1.2)中的旋转进行，所述相位复原和旋转可以是对应的一次或多次。

按照本发明提供的抑制方法，所述峰值削减原型信号P₀这样获得：令预留子载波处为冲击信号，其余位置为零，然后对该信号进行逆向快速傅立叶变换IFFT变换得到。

按照本发明提供的抑制方法，所述限幅门限A由正交频分复用系统可接受峰均功率比决定。

按照本发明提供的抑制方法，所述限幅门限A通过仿真获得。

本发明提供的一种正交频分复用系统峰均功率比抑制方法，采用在最大幅值方向上进行峰值处理的子载波预留方法，进一步结合改进的牛顿迭代算法，降低了子载波预留方法的计算开销，与B.S.Krongold和D.L.Jones提出的积极集子载波预留方法相比，本方法在有效处理复基带信号峰值的同时，明显降低了系统计算复杂度。这种基于最大幅值方向的子载波预留方法是一种更为简单、有效的峰值处理方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是本发明PAPR抑制方法的流程示意图；

图2是OFDM信号峰值分布示意图；

图3是本发明方法与积极集子载波预留方法的仿真效果对比示意图。

具体实施方式

首先，说明本发明方法，如图1所示，包括以下步骤：

101)对输入的OFDM信号进行峰值判别，确定最大幅值方向；

102)将原OFDM信号进行相位旋转，使最大幅值方向位于实轴上；

103)取出旋转后信号的实部，利用子载波预留方法进行处理；

其中：子载波预留(Tone Reservation，TR)方法是现有方法，具体是在频域数据中预留一部分子载波C，利用C产生的峰值削减信号c来降低OFDM信号的PAPR值。根据无失真传输的要求，预留子载波信号应满足：

$X_k+C_k=\left\{\begin{array}{cc}{X}_k,& k\∈u^c\\ C_k,& k\∈u\end{array}\right.$

其中X_k表示第k个子载波处的数据信号，C_k表示第k个子载波处的预留信号，u^c表示数据子载波集合，u为预留子载波集合。相应的降低峰均功率比问题可转化为最大最小化问题：

$C^{*}=\arg \underset{C\∈\mathrm{\ζ}}{\min }\left|\right|F^{-1}(X+C)\left|\right|$

其中C表示频域预留子载波信号，ζ表示由预留子载波集合u生成的信号空间，X表示频域数据信号，F^-1表示IDFT变换。

104)判断是否满足系统PAPR要求，满足则结束，不满足则进行下一步；

105)针对步骤102)中的多次相位旋转进行相位复原；

106)迭代参数估计，具体可分为以下步骤：

步骤1)设置预留子载波位置，得到相应的峰值削减原型信号P₀。令预留子载波处为冲击信号，其余位置为零，然后对该信号进行IFFT变换得到P₀，并预先存储；

步骤2)确定限幅门限A。该值对本方法的影响较大，可在数据处理之前通过仿真得到。

107)迭代过程的在线估计，具体可分为以下步骤：

步骤1)取出输入实序列信号中幅值超过限幅门限A的信号，得到截断信号Clip。取出Clip中的最大幅值作为迭代步长μⁱ，并取该值的1/2作为选择门限；

步骤2)从Clip信号中取出高于选择门限的幅值记为α(含符号)，并记录其位置；

步骤3)得到峰值削减信号 ${\hat{P}}^i=\underset{k=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k{P}_{\mathrm{nk}},$ 并对其按最大值进行归一化处理，其中P_nk由P₀循环右移到α_k的位置得到；

步骤4)利用牛顿迭代公式进行峰值处理，即：

$x^{\left(i\right)}=x^{(i-1)}-{\mathrm{\μ}}^i{\hat{P}}^i---\left(5\right)$

进一步，结合图2具体说明以上步骤101)～102)，OFDM信号峰值分布如图2所示，根据中心极限定理，对于较大子载波数N，OFDM信号采样点的实部和虚部都服从高斯分布；信号的幅度服从瑞利分布。如果采用过采样，可认为N个子载波的过采样信号与αN个子载波的未过采样信号的概率分布大致相同[6]。高斯分布和瑞利分布的概率密度函数如下：

高斯分布： $p\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{{(x-u)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}},\mathrm{\σ}>0---\left(3\right)$

瑞利分布： $f\left(z\right)=\frac{z}{{\mathrm{\σ}}^2}\exp (-\frac{z^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}),z\≥0---\left(4\right)$

由上述概率密度函数可知，原OFDM信号的实部、虚部和幅度出现较大幅值的概率很小。下面在复平面上表示出OFDM信号。图中，实线圆代表最大期望幅值的限定范围(其半径即限幅门限A)，由系统可接受的PAPR值(设为8dB)求得。可以看到，超过这一范围的幅值数目不多并且相位随机分布。因此，可以在较大幅值出现的若干个方向进行峰值处理(每次处理正反两个方向)。

在图2中，A、B、C、D点是需要处理的峰值点，定义坐标原点至A点方向为峰值处理主方向，对应得到垂直方向(图2中原点至B方向)和夹角区域(如图2中C点所在区域)。如果将坐标轴转到原点至A点方向，取信号实部并利用子载波预留方法进行PAPR处理，那么，峰值A点和接近负半轴的较大幅值D点将被降到期望幅值附近；但是垂直方向附近和夹角区域的较大幅值则不会被降低。重复进行这样的处理，直到所有较大幅值都降到期望幅值附近。

在主方向进行峰值处理时，当峰值降低到期望幅值附近时出现概率变大，这时峰值会在期望幅值附近浮动，但并不影响PAPR处理的效果。

最后，结合与B.S.Krongold和D.L.Jones的积极集子载波预留(Active-SetTone Reservation)方法的性能对比进一步说明本发明：①积极集子载波预留方法进行一次相位旋转，在每个方向上使用积极集算法迭代10次；本发明方法进行5次相位旋转，在每个主方向上使用牛顿迭代算法迭代5次。②二者的性能曲线如图3所示，可以看到，在互补累积分布函数complementarycumulative distribution function(简称CCDF)为10^-3时峰均功率比同样能够降低0.5dB。因此本发明方法能在改善PAPR处理性能的前提下，大大降低了系统的计算开销

综上所述，本发明基于子载波预留方法给出了利用牛顿迭代算法在最大幅值方向上进行PAPR处理的优良方法。与B.S.Krongold和D.L.Jones提出的积极集子载波预留方法相比，本发明方法在处理复基带信号时，PAPR处理性能有明显改善，并且计算复杂度大幅度降低。因此，这是一种可行而高效的降低OFDM系统峰均功率比的方法。

Claims (8)

1.一种正交频分复用系统峰均功率比抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1)根据限幅门限A对输入的正交频分复用信号进行峰值判别，确定需要处理的幅值；

1.2)将输入的正交频分复用信号相位旋转使需要处理的幅值的方向位于实轴上；

1.3)使用子载波预留方法对旋转后信号的实部进行峰均功率比处理；

所述需要处理的幅值是多个，所述步骤1.2)和1.3)针对从该多个需要处理的幅值的方向中选取的若干方向逐一重复进行；

该抑制方法还包括步骤：

1.4)判断在需要处理的幅值方向处理后的信号是否符合正交频分复用系统可接受峰均功率比，是，跳过步骤1.5)直接结束，否则进入下一步；

1.5)利用牛顿迭代公式

进行峰值处理，其中：按最大值进行归一化处理的峰值削减信号

P_nk由预留子载波位置确定的峰值削减原型信号P₀循环右移到选择信号α_k的位置得到，迭代步长μⁱ等于输入的正交频分复用信号最大幅值减限幅门限A，选择信号α_k是输入的正交频分复用信号中幅值减限幅门限A大于0.5μⁱ的信号集合，i为迭代次数，x为数据信号。

2.根据权利要求1所述抑制方法，其特征在于，所述需要处理的幅值是多对、每对相交成180度或基本成180度，所述步骤1.2)和1.3)针对每对需要处理的幅值的一个方向逐一重复进行。

3.根据权利要求1所述抑制方法，其特征在于，所述需要处理的幅值的方向是多个随机方向，所述步骤1.2)和1.3)针对每个需要处理的幅值的方向逐一重复进行。

4.根据权利要求2或3所述抑制方法，其特征在于，所述重复进行的顺序是按对应幅值大小从大到小针对各被选取方向进行。

5.根据权利要求1所述抑制方法，其特征在于，所述步骤1.5)包括首先进行相位复原，所述相位复原是针对所述步骤1.2)中的旋转进行，所述相位复原和旋转是对应的一次或多次。

6.根据权利要求1所述抑制方法，其特征在于，所述峰值削减原型信号P₀这样获得：令预留子载波处为冲击信号，其余位置为零，然后对该信号进行逆向快速傅立叶变换变换得到。

7.根据权利要求1所述抑制方法，其特征在于，所述限幅门限A由正交频分复用系统可接受峰均功率比决定。

8.根据权利要求7所述抑制方法，其特征在于，所述限幅门限A通过仿真获得。

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