CN101431505B - 降低正交频分复用系统峰均功率比的发射系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了降低正交频分复用系统峰均功率比的发射系统及其方法，它包括依次连接的二进制随机信号发生器模块、编码映射模块、串并转换模块、分配器模块，分配器模块与多个乘法器模块连接，各乘法器模块与辅助信息组合器模块及至少一个相应的快速傅立叶逆变换模块连接，各快速傅立叶逆变换模块与最优候选信号选择模块连接，最优候选信号选择模块与PAPR值比较器模块连接；PAPR值比较器模块与阶段计数器模块、阶段数比较器模块和相位加权序列/辅助信息发生器模块依次连接组成反馈回路，相位加权序列/辅助信息发生器模块与各个乘法器模块连接。

Description

降低正交频分复用系统峰均功率比的发射系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于递归选择性映射方法的降低正交频分复用系统峰均功率比的发射系统及其方法，属于数字通信技术领域。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术作为核心技术之一被广泛地应用于各种通信系统中，像无线局域网(WLAN)、数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)以及非对称数字用户线(ADSL)标准等等。OFDM是一种多载波传输技术，它可以有效地对抗多径衰落，并以较高的频谱利用率实现无线环境下的高速数据传输。但是，峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)过高是OFDM技术的主要缺陷之一。这就要求功率放大器具有良好的线性特性，否则将引起带内失真和带外辐射，从而导致系统误码率增加和相邻信道干扰。因此，PAPR问题是OFDM技术实用化的一大障碍。

对于一个包含N个子载波的OFDM系统，在一个符号时间间隔内，其基带信号可表示为

$x_n=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k{e}^{j2\mathrm{\πkn}/N},0\≤n\≤N-1---\left(1\right)$

其中，X_k，k＝0，1，…，N-1，是由二进制输入信号经PSK或QAM调制后得到的频域子载波信号；x_n是经OFDM调制后得到的输出信号，n是离散的时间索引。

OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，相加后的信号可能产生较大的峰值功率，从而带来较高的峰均功率比(PAPR)。PAPR定义为：每个OFDM符号中的峰值功率与同一个OFDM符号的平均功率的比值，即

$\mathrm{PAPR}\left(x\right)=10{\log }_{10}\frac{\underset{0\≤n\≤N-1}{\max }\left\{{\left|x_n\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|x\right|}^2\right\}}---\left(2\right)$

其中，E{·}表示数学期望运算，x＝[x₀，x₁，…，x_N-1]^T。

由于PAPR是随机的，因此，通常用超过某一确定值PAPR₀的概率来估计系统PAPR的统计分布特性，也就是系统的PAPR性能。这一概率被称为互补累积分布函数(ComplementaryCumulative Distribution Function，CCDF)，可表示为

$\mathrm{CCDF}(N,{\mathrm{PAPR}}_0)=P\{\mathrm{PAPR}>{\mathrm{PAPR}}_0\}=1-{(1-e^{-{\mathrm{PAPR}}_0})}^N---\left(3\right)$

近年来，降低PAPR已成为热点研究问题。目前，已经有一些比较有价值的降低PAPR方法。但是，这些方法要么对PAPR性能改善不大，要么计算复杂度较高，都不能达到令人十分满意的效果。第一类是信号畸变技术，它通过在峰值功率点对OFDM信号进行限幅来达到降低PAPR的目的。尽管这是一类最简单直观的方法，但是它同时也增加了OFDM符号的带内干扰和带外辐射，给系统带来了严重的性能损失。第二类方法是编码方法，Golay码已被用于前向纠错的OFDM系统中，并获得了较好的降低PAPR的效果。但是这种方法的缺陷在于可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量较大时，编码效率会非常低。第三类方法是基于加扰序列的方法，它主要是利用不同的加扰序列对OFDM符号进行加权处理，从而选择PAPR值最小的OFDM符号用于传输。选择性映射(Selected Mapping，SLM)就是一种最简单的相位加扰降低系统PAPR的方法。

选择性映射(SLM)的原理是用U个长度为N且相互独立的相位加权序列分别与基带信号X＝[X₀，X₁，…，X_N-1]^T进行点乘，然后同时进行IFFT变换，从中选择PAPR值最小的信号用于传输。这里，设相位加权序列为 $P^{\left(u\right)}={[P_0^{\left(u\right)},P_1^{\left(u\right)},\·\·\·,P_{N-1}^{\left(u\right)}]}^T,u=\mathrm{1,2},\·\·\·,U,$ 其中 $P_k^{\left(u\right)}=\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k^{\left(u\right)}\right),k=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1,$ ${\mathrm{\φ}}_k^{\left(u\right)}\∈\left[\mathrm{0,2}\mathrm{\π}\right).$ 则进行点乘运算后得到的序列为 $X^{\left(u\right)}={[{X_{0}P}_0^{\left(u\right)},X_1{P}_1^{\left(u\right)},\·\·\·,{X_{N-1}P}_{N-1}^{\left(u\right)}]}^T,u=\mathrm{1,2},\·\·\·,U,$ 然后进行IFFT变换，变换后的序列为 $x^{\left(u\right)}={[x_0^{\left(u\right)},x_1^{\left(u\right)},\·\·\·,x_{N-1}^{\left(u\right)}]}^T,u=\mathrm{1,2},\·\·\·,U.$ 最后，从这U个序列中选出PAPR值最小的序列用于传输。

通常情况下，为了不给系统带来性能损失，U个相位加权序列中应包含一个全1的序列，即保持OFDM信号不做任何改变。这里，通常把输入序列与相位加权序列进行点乘运算并进行IFFT变换后得到的序列称为候选序列，也就是说有多少个相位加权序列就可以得到多少个候选信号，也就可以得到多少个PAPR值，最后选择PAPR值最小的候选信号用于传输。

但是，选择性映射方法所需的计算复杂度非常大，这也成为实现该方法的最大障碍。

在专利申请号为03816132.X和200610081461.1的发明专利中，这两项发明均提供了一种基于选择性映射方法的设备，它们所涉及的重点是辅助信息的处理，以确保在接收端能够正确地获得所需信号，但却依然采用原始的选择性映射方法，而并没有涉及到计算复杂度方面的问题，其发明专利的发射系统框图如图1a、图1b所示。

由于这两项发明所采用的都是传统的选择性映射方法，所以其计算复杂度非常大的问题依然存在，严重影响了系统的实现，这一点便成为了这两项发明的最大缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，即计算复杂度非常大的问题，提供一种计算复杂度较低、峰均功率比性能较好且能满足实际应用要求的降低正交频分复用系统峰均功率比的发射系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于递归选择性映射(Recursive Selected Mapping，RSLM)方法降低正交频分复用系统峰均功率比的发射系统，该方法具有计算复杂度较低、峰均功率比性能较好且能满足实际应用要求等优点。其系统构成为：它包括二进制随机信号发生器模块，该模块依次与编码映射模块、串并转换模块、分配器模块连接，分配器模块则与多个乘法器模块连接，每个乘法器模块与至少一个相应的快速傅立叶逆变换模块连接，全部的快速傅立叶逆变换模块均与最优候选信号选择模块连接，最优候选信号选择模块与PAPR值比较器模块连接；PAPR值比较器模块还与阶段计数器模块、阶段数比较器模块和相位加权序列/辅助信息发生器模块依次连接组成反馈回路，相位加权序列/辅助信息发生器模块则与各个乘法器模块连接；PAPR值比较器模块将所获得的最优候选信号的PAPR值与其自身设定的门限值相比较，若该PAPR值小于该门限值，则输出该候选信号，即OFDM信号，否则进入反馈回路。

一种降低正交频分复用系统峰均功率比系统的递归选择性映射方法，它的方法为：

将整个优化过程分为多个阶段进行，各阶段采用不同的相位加权因子集合，每一阶段中用于优化的相位加权序列个数是相同的，并设定适当的门限值以降低系统的计算复杂度；如果第一阶段优化得到的PAPR最低值小于该门限值，则直接用该PAPR最低值所对应的候选信号进行传输，否则，进入第二阶段优化，以此类推；如果各阶段的PAPR最低值均大于该门限值，则选择最后阶段中PAPR值最小的候选信号进行传输

它的具体步骤为，其流程图如图2所示：

(1)确定门限值Th、总阶段数J以及各个阶段要产生的候选信号个数C(由于每产生一个候选信号都需要一个相位加权序列，所以每个阶段中所产生的相位加权序列个数也是C)；

(2)确定各阶段采用的相位加权因子集合，即用该集合中的元素产生用于优化的相位加权序列；

(3)令m＝1，m表示当前处于第m阶段优化；

(4)用第m阶段的相位加权因子集合随机产生C个相位加权序列，并分别与X进行点乘，获得C个候选信号X^(u)，u＝1，2，…，C；

(5)计算第m阶段C个候选信号的PAPR值，并从中选出最小值PAPR_min；

(6)若PAPR_min<Th，则用该最小值对应的候选信号进行传输并终止搜索；否则，令m＝m+1；

(7)当m≤J时，则返回步骤(4)；否则，则用第J阶段PAPR_min所对应的候选信号进行传输并终止搜索。

与传统选择性映射方法相比，本发明方法具有以下两点优势：

(1)由于各阶段采用不同的相位加权因子集合，使得不同阶段候选信号之间的相关性得到降低，所以，与传统SLM方法相比，当相位加权序列个数确定以后，本发明方法可以获得更好的PAPR性能改善。

(2)设定适当的门限值使得计算复杂度得到最优化，从而使得系统总体的计算复杂度得到明显的降低。这一优势的证明如下：

对于每一个候选信号来说，其所需的计算量是相同的，因此，我们可以把所需的候选信号的个数作为衡量计算复杂度的标准。

首先，定义α为一个候选信号的PAPR值大于某一门限值Th的概率。

α＝CCDF(N，Th)＝P{PAPR>Th}＝1-(1-e^-Th)^N                (4)

其中，N为OFDM系统的子载波数。

当一个输入序列被传输到第m阶段时，该阶段要产生的候选序列个数为C_m，m＝1，2，…，J，其中J为总阶段数。因此，当第m阶段优化过程结束后，输出信号的PAPR值大于门限值Th的概率λ_m为

${\mathrm{\&lambda;}}_m={\mathrm{\&alpha;}}^{C_1+C_2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+C_m}---\left(5\right)$

由于各阶段产生的相位加权序列个数是相同的，则每一阶段中所获得的候选序列个数也是相同的，即

C₁＝C₂＝…＝C_m＝C，m＝1，2，…，J  (6)

其中，C表示各个阶段要产生的候选信号个数。

此时，式(5)可写成

${\mathrm{\&lambda;}}_m={\mathrm{\&alpha;}}^{C_1+C_2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+C_m}={\mathrm{\&alpha;}}^{\mathrm{mC}},m=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,J---\left(7\right)$

则总阶段数为J时的本发明方法所需要的平均候选信号个数Q为

$Q=C_1+{\mathrm{\&lambda;}}_1{C}_2+{\mathrm{\&lambda;}}_2{C}_3+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+{\mathrm{\&lambda;}}_{J-1}{C}_J$

$=C+{\mathrm{\&alpha;}}^{C}C+{\mathrm{\&alpha;}}^{2C}C+,\&CenterDot;\&CenterDot;+{\mathrm{\&alpha;}}^{(J-1)C}C---\left(8\right)$

$=\frac{C(1-{\mathrm{\&alpha;}}^{\mathrm{JC}})}{1-{\mathrm{\&alpha;}}^C}$

显然，当C足够大、α足够小时，其中α由门限值Th决定，则(8)式可以近似写成

Q≈C                                (9)

因此，由上面的推导可得，当条件满足时，本发明方法所需的平均候选信号个数约为C，也就是说，在通常情况下，只需进行第一阶段的优化即可获得用于传输的候选信号，换句话说，只有很少的信号需要进行后面各阶段的优化过程。所以，只要合理地确定各个阶段要产生的候选信号个数C、总阶段数J以及门限值Th，与传统SLM方法相比，本发明方法的计算复杂度可以得到明显地降低，同时PAPR性能也不会损失。

附图说明

图1a是传统选择性映射的发射系统；

图1b是另一种传统选择性映射的发射系统；

图2是本发明提出的递归选择性映射方法的流程图；

图3是本发明提出的基于递归选择性映射方法降低正交频分复用系统峰均功率比的发射系统框图；

图4是在不同门限值Th下，本发明提出的OFDM发射系统所获得的PAPR性能(J＝2，C＝10)；

图5是在不同参数下，本发明提出的OFDM发射系统所获得的PAPR性能(Th＝7.3dB)。

其中，1为二进制随机信号发生器模块，2为编码映射模块，3为串并转换模块，4为分配器模块，5为乘法器模块，6为辅助信息组合器模块，7为快速傅立叶逆变换模块，8为相位加权序列/辅助信息发生器模块，9为最优候选信号选择模块，10为PAPR值比较器模块，11为阶段计数器模块，12为阶段数比较器模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图3是本发明提出的基于递归选择性映射方法降低正交频分复用系统峰均功率比的发射系统框图。

它包括串型连接的二进制随机信号发生器模块1、编码映射模块2、串并转换模块3和分配器模块4，分配器模块4将并行数据流复制成若干路并分配给相应的乘法器模块5，每个乘法器模块5分别与辅助信息组合器模块6及至少一个相应的快速傅立叶逆变换模块7串联，各个快速傅立叶逆变换模块7均与最优候选信号选择模块9连接，最优候选信号选择模块9与PAPR值比较器模块10相连；PAPR值比较器模块10同时还与阶段计数器模块11、阶段数比较器模块12和相位加权序列/辅助信息发生器模块8串联，模块8则与各个乘法器模块5相连，组成反馈回路。其中，二进制随机信号发生器模块1，用于产生要传输的数据；编码映射模块2用于将二进制信号映射为基带频域信号；串并转换模块3完成数据从串行到并行的转换；分配器模块4完成并行数据流的复制和分配；乘法器模块5，用于完成数据的相位加权处理；辅助信息组合器模块6用于将辅助信息与相位加权后的序列组合在一起；快速傅立叶逆变换模块7用于实现OFDM信号的调制；相位加权序列/辅助信息发生器模块8，用于产生不同的相位加权序列和辅助信息，从而产生不同的候选信号；最优候选信号选择模块9，即选出当前阶段中具有最低PAPR值的候选信号；PAPR值比较器模块10用于将选出的最优候选信号的PAPR值与预先设定的门限值进行比较；阶段计数器模块11用于记录当前处于第几阶段的优化过程；阶段数比较器模块12，用于判断该系统是否完成了所有阶段的优化过程。

下面结合发明框图2，对本发明所设计的发射系统的工作过程原理进行详细说明。

待传输的二进制数据经过编码映射、串并转换和分配器后在每一并行支路上输出相同的基带复数频域序列；各个支路上的数据流分别与相位序列发生器所产生的相位加权因子相乘，从而完成数据流的相位加权，与此同时，辅助信息发生器按照一一对应的关系产生与之对应的辅助信息，该信息用于保证在接收端可以正确地解调出所需数据；接着，按照一定的功率比例关系进行相加求和，并经IFFT变换完成OFDM调制，再经最优候选信号选择器选出PAPR值最小的候选信号；从最优候选信号选择器输出的信号直接进入PAPR值比较器，与预先设定的门限值进行比较，若该信号的PAPR值小于该门限值，则该比较器产生“YES”表明直接输出该信号，即OFDM信号，否则产生“NO”信号；同时，阶段计数器加1，表明要进入下一阶段的优化过程，阶段数比较器将当前的阶段数与总阶段数进行比较，若当前阶段数小于总阶段数，则可以进入该阶段的优化过程，否则结束全部的优化过程并将上一阶段中获得的最优候选信号(OFDM信号)用于传输。

关于在接收端如何正确解调所需数据的问题，可以直接采用现存的选择性映射接收机即可，这里不再详细叙述。

本发明所获得的效果可以通过图4、图5及仿真实验中所获得的具体数据进一步说明。

为了说明本发明相对于传统的选择性映射方法发射系统可以大大地降低OFDM系统计算复杂度且PAPR性能几乎不受损失的优点，图4和图5给出了采用本发明提出的基于递归选择性映射方法的OFDM发射系统在不同参数下所获得的PAPR性能。

仿真条件：采用MATLAB仿真平台，随机产生10⁶个OFDM信号，QPSK调制，子载波数为128，采用4倍过采样。

首先，关于计算复杂度，传统选择性映射方法所需的候选信号个数为16，而在仿真过程中，所获得的关于本发明方法的相关数据如下：总阶段数J为2、3和4时，所需的平均候选信号个数分别为10.7、10.76和10.77，系统的计算复杂度分别被降低了33.13％、32.75％和32.69％；但是，最重要的是，在大幅度降低计算复杂度的同时，从图4和图5可以看出，与传统选择性映射方法相比，本发明方法可以获得几乎相同或者更好的PAPR性能，完全可以满足OFDM系统对PAPR性能的要求。

此外，在实际的应用中，还可以根据实际所需的性能，对PAPR值比较器设定不同的门限值，以求获得不同的系统性能。

Claims (3)

1.一种基于递归选择性映射方法降低正交频分复用系统峰均功率比的发射系统，其特征是，它包括二进制随机信号发生器模块，该模块依次与编码映射模块、串并转换模块、分配器模块连接，分配器模块则与多个乘法器模块连接，每个乘法器模块与辅助信息组合器模块及至少一个相应的快速傅立叶逆变换模块连接，全部的快速傅立叶逆变换模块均与最优候选信号选择器模块连接，最优候选信号选择器模块与PAPR值比较器模块连接；PAPR值比较器模块还与阶段计数器模块、阶段数比较器模块和相位加权序列/辅助信息发生器模块依次连接组成反馈回路，相位加权序列/辅助信息发生器模块则与各个乘法器模块连接；PAPR值比较器模块将所获得的最优候选信号的PAPR值与其自身设定的门限值相比较，若该PAPR值小于该门限值，则输出该候选信号，即OFDM信号，否则进入反馈回路；

其中，二进制随机信号发生器模块，用于产生要传输的数据；编码映射模块用于将二进制信号映射为基带频域信号；串并转换模块完成数据从串行到并行的转换；分配器模块完成并行数据流的复制和分配；乘法器模块，用于完成数据的相位加权处理；辅助信息组合器模块用于将辅助信息与相位加权后的序列组合在一起；快速傅立叶逆变换模块用于实现OFDM信号的调制；相位加权序列/辅助信息发生器模块，用于产生不同的相位加权序列和辅助信息，从而产生不同的候选信号；最优候选信号选择器模块，即选出当前阶段中具有最低PAPR值的候选信号；PAPR值比较器模块用于将选出的最优候选信号的PAPR值与预先设定的门限值进行比较；阶段计数器模块用于记录当前处于第几阶段的优化过程；阶段数比较器模块，用于判断该系统是否完成了所有阶段的优化过程；

待传输的二进制数据经过编码映射、串并转换和分配器后在每一并行支路上输出相同的基带复数频域序列；各个支路上的数据流分别与相位序列发生器所产生的相位加权因子相乘，从而完成数据流的相位加权，与此同时，辅助信息发生器按照一一对应的关系产生与之对应的辅助信息，该信息用于保证在接收端可以正确地解调出所需数据；接着，按照一定的功率比例关系进行相加求和，并经IFFT变换完成OFDM调制，再经最优候选信号选择器选出PAPR值最小的候选信号；从最优候选信号选择器输出的信号直接进入PAPR值比较器，与预先设定的门限值进行比较，若该信号的PAPR值小于该门限值，则该比较器产生“YES”表明直接输出该信号，即OFDM信号，否则产生“NO”信号；同时，阶段计数器加1，表明要进入下一阶段的优化过程，阶段数比较器将当前的阶段数与总阶段数进行比较，若当前阶段数小于总阶段数，则可以进入该阶段的优化过程，否则结束全部的优化过程并将上一阶段中获得的最优候选信号即OFDM信号用于传输。

2.一种如权利要求1所述的递归选择性映射方法，其特征是，该方法为：

将整个优化过程分为多个阶段进行，各阶段采用不同的相位加权因子集合，每一阶段中用于优化的相位加权序列个数是相同的，并设定适当的门限值以降低系统的计算复杂度；如果第一阶段优化得到的PAPR最低值小于该门限值，则直接用该PAPR最低值所对应的候选信号进行传输，否则，进入第二阶段优化，以此类推；如果各阶段的PAPR最低值均大于该门限值，则选择最后阶段中PAPR值最小的候选信号进行传输。

3.如权利要求2所述的递归选择性映射方法，其特征是，它的具体步骤为：

(1)确定门限值Th、总阶段数J以及各个阶段要产生的候选信号个数C，由于每产生一个候选信号都需要一个相位加权序列，所以每个阶段中所产生的相位加权序列个数也是C；

(2)确定各阶段采用的相位加权因子集合，利用该集合中的元素产生用于优化的相位加权向量；

(3)令m＝1，m表示当前处于第m阶段优化；

(4)用第m阶段的相位加权因子集合随机产生C个相位加权序列，并分别与X进行点乘，

获得C个候选信号X^(u)，u＝1，2，…，C；

(5)计算第m阶段C个候选信号的PAPR值，并从中选出最小值PAPR_min；

(6)若PAPR_min＜Th，则用该最小值对应的候选信号进行传输并终止搜索；否则，令m＝m+1；

(7)当m≤J时，则返回步骤(4)；否则，则用第J阶段PAPR_min所对应的候选信号进行传输并终止搜索。

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