CN101414994A - 多载波系统降低峰均功率比的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的多载波系统降低峰均功率比的方法，首先将输入信号进行调制，变换成时域信号；接着将时域信号通过TR算法进行削峰；再将削峰之后的信号通过内插和滤波；并通过非线性算法将滤波后的信号进行削峰。本发明还提供一种多载波系统降低峰均功率比的装置，包括第一削峰装置，用于将输入的时域信号通过TR算法进行削峰；射频拉远模块，与所述第一削峰装置连接，对削峰后的信号进行内插后进行滤波；第二削峰装置，与所述射频拉远模块连接，用于将滤波后的信号通过非线性算法进行削峰。本发明有效的将再生峰值降低，而且再生峰值的概率很小使得对系统性能的影响微乎其微。

Description

多载波系统降低峰均功率比的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于OFDM/OFDMA多载波系统的降低峰均功率比PAPR的方法及装置。

背景技术

由于OFDM/OFDMA是多载波系统，其信号在时域上表现为N个正交子载波信号的叠加。当N个子载波信号都以相同的相位求和时，所得信号的峰值功率是平均功率的N倍。通常，PAPR与载波数N之间呈现正比的关系。尽管在实际中这种情况出现的概率很低，但为了无失真地传输这些高峰均比的OFDM/OFDMA信号，对一些部件的线性度要求很高，例如要求功率放大器、数模转换器和模数转换器等具有很大的线性动态范围。若信号的变化范围超出器件的线性范围，则会产生明显的带内失真和带外辐射，从而导致误码率的升高。所以，信号的峰均比的大小对OFDM/OFDMA系统性能有着直接的影响。

由上面的论述可以看出，如何有效地降低OFDM/OFDMA系统的峰均功率比就显得十分必要，这将直接关系到整个OFDM/OFDMA系统的性能和实现成本。

现有技术中一种降低PAPR的方法通过CTR算法对PAPR进行抑制，将输入信号经过IFFT变换后，首先使用clipping算法对子载波信号进行限幅运算后，再通过TR(子载波预留)算法进行削峰处理，通过用CTR算法中的两次削峰可以有效降低PAPR，但是，对于OFDM/OFDMA系统来说，例如Wimax系统，经过削峰后的时域信号要经过插值滤波，而此项操作会引起峰值再生，有可能重新超过PAPR门限值，因此现有技术中的降低PAPR的方法无法抑制内插滤波后产生的峰值再生问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多载波系统降低峰均功率比的方法及装置，能够解决插值滤波时产生的峰值再生问题。

本发明提供的多载波系统降低峰均功率比的方法，包括步骤：

将输入信号进行调制，变换成时域信号；

将所述时域信号通过TR算法进行削峰；

削峰之后的信号通过内插和滤波；

通过非线性算法将滤波后的信号进行削峰。

本发明还提供一种多载波系统降低峰均功率比的装置，包括：

第一削峰装置，用于将输入的时域信号通过TR算法进行削峰；

射频拉远模块，与所述第一削峰装置连接，对削峰后的信号进行内插后进行滤波；

第二削峰装置，与所述射频拉远模块连接，用于将滤波后的信号通过非线性算法进行削峰。

本发明将TR算法和非线性算法结合起来，对数据信号进行削峰的时候，峰值概率较大，为了使对信号性能的影响减小的最小，采用TR算法；对于再生的峰值来讲，峰值概率很小，为了实现简单方便，采用非线性算法，扬长避短，这样大大降低了复杂度，并有效的将再生峰值降低，而且再生峰值的概率很小使得对系统性能的影响微乎其微。

附图说明

图1为本发明多载波系统降低峰均功率比的方法的流程图；

图2为现有技术中TR算法削峰的流程图；

图3为现有技术中clipping算法的原理图；

图4为现有技术中clipping算法的限幅的原理图；

图5为本发明多载波系统降低峰均功率比的方法的仿真结果图；

图6为本发明多载波系统降低峰均功率比的方法的另一仿真结果图；

图7为本发明多载波系统降低峰均功率比的装置的一个实施例的原理框图。

具体实施方式

OFDM/OFDMA系统的输入信号经过傅立叶反变换IFFT变换成时域信号后存在较大的峰均功率比，本发明首先经过TR算法削峰减小其PAPR，经过插值滤波后，峰值会再生，此时利用非线性算法再重新削峰一次，将PAPR减小到目标阈值以下。

具体过程如图1所示：本发明将输入信号进行调制，经过IFFT变换成时域信号(步骤1)；由于该时域信号通常存在较大的PAPR，因此，首先将该时域信号通过TR算法进行削峰(步骤2)；将PAPR降低到门限值以下，值得指出的是，为减小峰值再生时PAPR值超过门限值的信号的概率，此时可将TR削峰的门限值稍微降低一些；然后将削峰之后的信号通过内插和滤波(步骤3)；本发明为了抑制插值滤波后引起的峰值再生问题，将滤波后的信号通过非线性算法将滤波后的信号进行削峰(步骤4)。

步骤1中的输入信号包括数据子载波和预留子载波，假设OFDM/OFDMA信号时域采样点即数据子载波为x＝[x₀，x₁，…，x_N-1]，预留子载波信号为p＝[p₀，p₁，…，p_N-1]，则根据OFDM/OFDMA调制后时域信号得到的时域信号为：x′＝x+p＝IDFT(X+P)，其中X＝[X₀，X₁，…，X_N-1]，为OFDM/OFDMA系统调制前数据子载波矢量，P＝[P₀，P₁，…，P_N-1]为预留子载波矢量。在TR算法中，X和P通常不同时为空，如 $X_k+P_k=\left\{\begin{array}{cc}{X}_k,& k\∈U^X\\ P_k,& k\∈U^P\end{array}\right.,$ 其中U^X表示数据子载波序列，U^P表示可用于预留子载波降低PAPR的子载波序列。

对于步骤1和步骤2，可以通过以下过程实现：

如图2所示，假设预留子载波个数为L，数据子载波个数为N-L，数据子载波的时域振幅波形x有多个峰值，而预留子载波的时域波形p是个非理想的冲激波形，执行步骤1时，首先记录下N-L个数据子载波的位置信息(步骤20)和L个预留子载波的位置信息(步骤21)，将数据子载波和预留子载波信号分别经过N点傅立叶反变换IFFT(步骤22)；当通过步骤2对某个数据子载波进行削峰处理时，计算变换后的该数据子载波的峰均功率比PAPR，比较该PAPR是否大于预定的门限值，如果是，则通过TR算法进行削峰处理：首先找到该数据子载波的峰值位置(步骤23)，将预留子载波p移位到该数据子载波的相应的位置，通过现有技术中的梯度算法进行削峰处理(步骤24)。如果该PAPR不大于预定的门限值，则输出信号准备进行步骤3。

本发明中步骤4中的非线性算法有多种选择，例如，Clipping算法、峰值抵消peak cancel算法，noise shaping算法，峰值加窗peak window等非线性削峰技术。

以下以Clipping算法作为一优选实例进行介绍。图3示出了步骤4中使用的Clipping算法的实现框图：将经过内插和滤波后的时域信号S_k进行限幅处理，输出限幅后的信号

图4给出了限幅的基本原理，图中γ是限幅门限值，当OFDM/OFDMA时域信号S_k，n的幅度|S_k，n|大于该门限值，则将其幅度值缩减为γ，相位保持不变；当OFDM/OFDMA时域信号S_k，n的幅度|S_k，n|不大于该门限值，则保持原信号不变，从而得到限幅后的信号

可见，经过限幅处理后的时域信号

与原信号S_k，n有如下关系： ${\tilde{S}}_{k,n}=\left\{\begin{array}{c}{S}_{k,n},\left|S_{k,n}\right|\≤\mathrm{\γ}\\ {\mathrm{\γe}}^{j{\mathrm{\φ}}_{k,n}},\left|S_{k,n}\right|>\mathrm{\γ}\end{array}\right.,$ n＝0，1，...，N-1，其中γ表示限幅门限，|S_k，n|表示S_k，n的包络，φ_k，n表示S_k，n的相位。

上文所述的TR算法的主要优点在于：对带外频谱的影响很小；对EVM的影响几乎为零，是种无失真的减小PAPR方法；但是TR算法对预留子载波占用一定的资源，降低了频谱利用率。而clipping算法简单，引入的计算复杂度很低；并且抑制峰均比效果明显。但clipping算法对OFDM/OFDMA符号幅度进行畸变，会对系统造成自身干扰，从而导致系统的误比特率(BER)性能降低，且限幅门限值越低，系统BER性能越差；OFDM/OFDMA信号的非线性畸变会导致带外辐射功率值的增加，其原因在于限幅操作可以被认为是OFDM/OFDMA采样符号与矩形窗函数相乘。本实施例将TR算法和clipping算法结合起来，对原始信号进行削峰的时候，峰值概率较大，为了使对信号性能的影响减小的最小，采用TR算法；对于再生的峰值来讲，峰值概率很小，为了实现简单方便，采用clipping算法，扬长避短，这样大大降低了复杂度，并有效的将再生峰值降低，而且再生峰值的概率很小使得对系统性能的影响微乎其微。图5和图6为使用本发明上述方法中的各步骤降低PAPR的仿真结果，由图中可以看出。仿真EVM为e-5数量级。

相对于上述多载波系统降低峰均功率比的方法，本发明还提供了一种实现该方法的装置，请参见图7，该装置包括：第一削峰装置801、射频拉远RRU模块802以及第二削峰装置803。第一削峰装置801将输入的时域信号通过TR算法进行削峰；RRU模块802与第一削峰装置801连接，对削峰后的信号进行内插滤波；第二削峰装置803与RRU模块802连接，将滤波后的信号通过非线性算法进行削峰。

对于图7中的各削峰装置进行削峰的过程可以参见上文所述的方法中的相应步骤，在此不再赘述。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1、一种多载波系统降低峰均功率比的方法，其特征在于，包括步骤：

将输入信号进行调制，变换成时域信号；

将所述时域信号通过TR算法进行削峰；

削峰之后的信号通过内插和滤波；

通过非线性算法将滤波后的信号进行削峰。

2、根据权利要求1所述的多载波系统降低峰均功率比的方法，其特征在于：

所述多载波系统为OFDM系统或OFDMA系统。

3、根据权利要求1或2所述的多载波系统降低峰均功率比的方法，其特征在于，所述非线性算法为clipping算法。

4、根据权利要求1或2所述的多载波系统降低峰均功率比的方法，其特征在于，所述非线性算法包括峰值抵消算法，noise shaping算法，峰值加窗算法。

5、一种多载波系统降低峰均功率比的装置，其特征在于，包括：

第一削峰装置，用于将输入的时域信号通过TR算法进行削峰；

射频拉远模块，与所述第一削峰装置连接，对削峰后的信号进行内插后进行滤波；

第二削峰装置，与所述射频拉远模块连接，用于将滤波后的信号通过非线性算法进行削峰。

6、根据权利要求4所述的多载波系统降低功率比的装置，其特征在于，所述多载波系统为OFDM系统或OFDMA系统。

7、根据权利要求5或6所述的多载波系统降低峰均功率比的装置，其特征在于，所述非线性算法为clipping算法。

8、根据权利要求5或6所述的多载波系统降低峰均功率比的装置，其特征在于，所述非线性算法包括峰值抵消算法，noise shaping算法，峰值加窗算法。

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