CN101459646A - 一种基于多载波连续相位调制系统减小峰均功率比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出子载波分组CPM(Subcarriers Grouped CPM－SGC)方法，用于匹配PTS算法中的信息分组，并依据SGC中每个分组的调制指数来确定PTS算法中每个信息分组的辅助信息的取值空间。本发明的特点为在显著降低系统PAPR的同时，接收端不必知道每个PTS分组内辅助信息取值也能正常解调，且系统的抗噪声性能不受影响。

Description

一种基于多载波连续相位调制系统减小峰均功率比的方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，是降低基于连续相位调制(CPM)的多载波(尤其适用与正交频分复用系统OFDM)系统高峰均功率比(PAPR)的有效方法。该发明适用于单天线和多天线系统。

背景技术

OFDM技术是一种移动通信环境下的多载波传输技术，其最大的特点就是将可用频带划分成若干个子信道，从而将频率选择性信道转化成一系列正交的平坦衰落信道。OFDM可以有效的对抗多径效应，极大地提高了数据传输速率和频谱利用率。OFDM在数字视频/音频广播(DVB-T/DAB)、无线局域网(IEEE802.11Serial、Hiper-LAN/2)、数字用户线(xDSL)等领域中都获得了广泛的应用。但是，OFDM系统由于存在着多个正交的子载波，其输出是多个子载波信号的叠加，因此，当所有信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率会远远大于信号的平均功率，从而导致OFDM系统高的峰均功率比(PAPR)。这种高的PAPR会造成系统的非线性失真，严重影响系统的性能，这也是OFDM系统最大的缺点之一。PTS算法是降低OFDM系统峰均功率比的常用算法，但是在该算法中发送端必须告知接收端PTS算法中每个信息分组的辅助信息才能实现可靠传输，如果辅助信息在传输的过程中出错，那么接收端将无法正确解调。另外传递辅助信息也会降低系统的传输效率。

连续相位调制(CPM：Continuous Phase Modulation)是一种恒定包络相位连续的调制技术，与其他调制技术相比，具有很高的频谱利用率和功率效率。由于包络恒定，它对功放的非线性特性不敏感，可以使用C类(非线性)功率放大器。而相位连续，使得其带外辐射小，产生的邻道干扰较小。CPM已调信号中信息数据包含在瞬时的载波相位或频率上，相位的记忆作用保证载波相位在时间上是连续的，避免了相位的突跳，使得CPM信号频谱更为紧凑。这些优良特性使得CPM在近年来得到了深入的研究，在移动通信、卫星通信及遥感测绘等领域获得广泛重视。例如我国第二代移动通信GSM系统采用的就是二进制CPM调制中的GMSK调制。

由上可知，OFDM、CPM技术都有着各自强大的技术优势，将两种技术相结合，可大大提高通信系统的传输性能，但如何降低系统中多载波带来的高峰均功率比也是一个十分重要的问题。

发明内容

部分传输序列(PTS：Partial Transmit Sequence)是降低多载波系统PAPR的一种常用的方法。该算法描述如下：定义一个OFDM复用器的输入向量，然后以相邻分割的方法将其分割成V组，用X_v表示。将这V组数据分别乘以辅助信息(为了减小复杂度，辅助信息的取值必须在某一有限的空间内)后再合并这些分组，随后通过OFDM复用器。通过选择最优的辅助信息的组合，获得OFDM复用器的输出有最低的PAPR。参考IDFT变换的线性性质： $x\′=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{IDFT}\left(b_v{X}_v\right)=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v\mathrm{IDFT}\left(X_v\right)=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v{x}_v,$ 可以先对每个PTS分组先做IDFT变换得到x_v，然后选择最优的b₁，b₂......b_v的组合，使得x′的峰均功率比最小，其中b_v表示第v个PTS分组的辅助信息。需要指出的是，在实际应用中为了降低算法的复杂度，往往采用依次确定b_v取值的算法，该算法找到的辅助信息组合可能不是最优解。在PTS算法中，接收端为了正确解调，必须知道每个分组的辅助信息，所以发端必须要将这一信息传递给收端，如果辅助信息在传输的过程中出错，那么接收端将无法正确解调，另外传递辅助信息也会降低系统的传输效率。本发明用PTS算法来降低OFDM-CPM系统的PAPR，用SGC方法把PTS算法与CPM调制过程相结合，这样接收端在不知道每个PTS分组辅助信息取值的条件下也能正常解调，且系统的抗噪声性能不受任何影响。该发明主要分为两个模块：SGC模块与PAPR处理模块。

在SGC模块，设定系统的子载波分组数目为V，每个子载波分组内的子载波数目为K+1，输入信息经过串并变换后分为V路。V路数据输入均以K个符号为一组进入CPM调制器，根据CPM调制的特点，每路将有(K+1)个调制符号输出，将每路CPM调制器的(K+1)个输出符号分配到与之对应的子载波组的(K+1)个子载波上，然后对系统的所有子载波上的数据进行正交频分复用。

在优化PAPR算法处理模块，用SGC中每个分组内调制器的调制指数来确定PTS算法中相应分组的辅助信息的取值空间。为了保证发射功率不变，本发明对辅助信息做出限定：要求b_v＝exp(jθ_v)，其中θ_v∈[0 2π]，这样就可以保证在降低系统PAPR的同时不增大系统的发射功率。同时看到在本发明中辅助信息的作用主要是把每个PTS分组内的调制信号的相位都旋转一定角度，而不改变分组内相邻符号间的相对相位关系，所以在本发明中可以称辅助信息为相位旋转因子。由CPM调制的特性可知，该调制方式利用相邻符号间的相位关系来传递信息，所以如果PTS算法中分组数等于SGC模块中子载波分组的个数，每个PTS分组内的信息都来自同一个调制器的输出，从而保证每个CPM调制器输出符号的相对相位关系保持不变，接收端也不需要知道每个PTS分组的相位旋转也能正确解调。但是考虑到噪声的存在，如果接收端不知道每个分组的相位旋转值，这样在接收信号星座点映射时就易受噪声干扰，系统抗噪声性能下降。本发明通过进一步限制相位旋转因子取值空间来解决上述问题。在确定CPM调制器的调制指数后，就确定该调制器输出信号在信号空间上的相位状态(星座点)，这些相位状态都分布在单位圆上，其坐标用s_k(k＝1，2.....K)表示，K表示相位状态的数量。如果相位旋转因子在s_k(k＝1，2.....K)中进行选择，在本发明中PTS算法就相当于把每个分组内的调制输出信号的相位从一个星座点转到另一个星座点，所以在接收端星座映射时，抗噪声的能力并没有受到任何影响。

附图说明

图1显示了所用系统的模型图。

图2为降低峰均功率比模块的模型图。

图3为采用本发明中子载波分组CPM的方法对降低系统PAPR的效果图。

图4显示了使用本发明前后系统抗噪声性能。

具体实施方式

定义系统的子载波分组个数为V，对于一个OFDM符号说明该发明的具体实施方式。下面通过附图对本发明进行详细阐述。

图1显示了所用系统的模型图。

在步骤101，对串行数据流b_i(i＝1，2…)进行串并变换，数据流被分成V组并行支路。

在步骤102，CPM调制器确定调制指数，并且每个调制器选定的调制指数传给降低峰均功率比模块。调制指数的选取原则如下：对于4CPM，h＝2/5、4/5时，状态数都为5，误码性能最好；对于8CPM，h＝2/9、4/9、8/9时，状态数都为9，误码性能最好。同时还要考虑到调制指数对频带利用率的影响，由相关文献可知，在同样条件下，调制指数越小频带利用率越高。所以4CPM的最优的调制指数为2/5、8CPM时最优的调制指数为2/9。

在步骤102，每次把各个支路上连续K(V(K+1)＝总子载波个数)个符号依次送入CPM调制器，调制器将输入符号映射成相应的复数星座点c_k，v，c_k，v＝cos(θ_k，v)+jsin(θ_k，v)，表示第v个SGC分组内第k个的星座点输出。其中 ${\mathrm{\&theta;}}_{k,v}=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{k-1,v}\mathrm{\&pi;h}+\mathrm{\&phi;}& k=2\\ a_{k-1,v}\mathrm{\&pi;h}+\mathrm{\&pi;h}\underset{q=1}{\overset{k-2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{q,v}+\mathrm{\&phi;};& 2<k<K+1\end{array}\right.,$ φ代表调制器初始相位，且c_1，v＝cos(φ)+jsin(φ)。

在步骤103，每个支路上CPM调制器的输出信号c_k，v经过串并变换形成(K+1)路数据流，对(K+1)路信号进行补零操作后形成V(K+1)路数据流，然后将V(K+1)路数据流送入IFFT变换器。补零操作后每个分组内的数据描述如下：对于第v个分组内IFFT变换器的输入{X_n，v v＝1，2......V}，n的取值范围为[1 V(K+1)]，当n在[(v-1)(K+1)+1 v(K+1)]区间内递增时，X_n,v的值依次由c_k，v的值来填充；X_n，v在其它n值处用0来填充。

上述过程完成SGC。

在步骤104，对每个分组内的V(K+1)路数据进行V(K+1)点的IFFT变换，进行正交频分复用。

在步骤105，进行降低峰均功率比的操作。图2给出了优化PAPR算法处理模块的操作流程。每个IFFT变换器的输出{x_v v＝1，2......V}来表示，x_v为V(K+1)×1维列向量。将这V个IFFT变换器输出以 $x\&prime;=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_v{x}_v$ 的方式合并，为了保证发射功率不变，要求辅助信息的b_v＝exp(jθ_v)，其中θ_v∈[0 2π]，所以可称辅助信息为相位旋转因子。其中x′为一个OFDM符号间隔内输出的时域波形(IFFT运算时采用了四倍过采样)，该模块要做的就是降低x′的峰均功率比。当b₁，b₂......b_v的值均为1，x′就为没有进行降低峰均功率比处理的OFDM符号。接下来要确定每个分组相位旋转因子的取值空间，并确定相位旋转因子b₁，b₂......b_v的组合，达到降低峰均功率比的目的。

在步骤201，辅助信息取值、优化模块的工作可以分为两个步骤：

步骤1，确定各个分组的相位旋转因子的取值空间。系统把每个分组调制器选用的调制指数信息告知该模块，该模块通过各个调制器采用的调制指数来确定相应分组的相位旋转因子的取值空间。例如如果知道第v个分组内调制器采用调制指数为2/3的CPM调制，该调制模式星座图上其相位状态的坐标为： $s=\{(-0.5+\sqrt{3}/2i),(-0.5-\sqrt{3}/2i),(1+0i)\},$ 该模块就确定第v个PTS分组的相位旋转因子的取值空间就为s。由于不同分组可以根据不同的QoS要求或信道条件采用不同的调制指数或调制电平，所以各个分组的相位旋转因子取值空间可能不同。

步骤2，选择合理的V个分组的相位旋转因子的组合。首先设定b₁，b₂......b_v的值均为1，计算此时OFDM符号的PAPR，然后依据步骤1中确定的第一个分组的相位旋转因子的取值空间改变b₁的值并重新计算PAPR，b₁取值遍历第一个分组的相位旋转因子的取值空间，最后选择PAPR最小时的b₁的值为该分组的相位旋转因子。在b₁取值的基础上按照上述方法计算b₂的值，依次计算下去直到确定b₁，b₂......b_v的最终组合。

在步骤202，根据确定的b₁，b₂......b_v的组合，按照公式 $x\&prime;=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_v{x}_v$ 合并各个支路。

上述过程完成降低峰均功率比模块的操作。

在步骤106，对降低峰均功率比模块输出的数据进行串并变换，得到一个OFDM符号间隔内的时域信号。

在步骤107中对该时域信号添加循环前缀，得到最终的输出信息。该步骤主要用以抵抗ISI与ICI。

性能分析

对本发明中优化PAPR处理模块的效果进行了仿真分析。

仿真条件：每个调制器都选用了4CPM的调制方式、调制指数为2/5；系统总的子载波数为256，子载波分组数为16；采用COST207 Typical Urban信道模型，5M带宽、6径；2×2的V-BLAST系统模型。

仿真结果：图3表明本发明中结合SGC与PTS的方法可以大大降低系统大峰值符号出现的概率。如图3所示，在不使用该方法时，OFDM符号的PAPR超过13dB的概率约为10^-4，而使用该方法后，PAPR超过9dB的概率仅约为10^-4，可见该方法可大大降低系统的峰均功率比。从图4可以看出，接收端在不知道各个分组相位旋转因子的前提下也可以正常解调，同时该发明并没有降低系统的抗噪声性能，BER性能曲线与采用此发明前的系统的理想性能曲线基本吻合。

Claims (6)

1、一种降低OFDM-CPM系统峰均功率比的有效方法，该方法通过SGC有效结合CPM调制与PTS算法，用CPM的调制指数来确定PTS算法中每个分组的辅助信息的取值空间。本发明不用发送PTS算法中每个信息分组的辅助信息给接收端，这也在一定程度上提高了系统的传输效率，而且在降低系统峰均功率比的同时保证系统的发射功率与抗噪声性能保持不变。

2、根据权利要求1，采用子载波分组CPM调制技术(SGC)，其特征在于：将输入信息流经过串并变换分为V路，每路信息分别经历不同的CPM调制器；同样以相邻分割的方法将系统子载波分割为V组，每组子载波分别承载相应的CPM调制器输出的信息。

3、根据权利要求1，在保证发射功率不变的前提下，降低系统的PAPR。本发明对PTS算法中的辅助信息b_v的取值空间进限制：定义一个OFDM符号间隔内OFDM复用器的输入数据为X，将X以相邻的方法分割成V组分别由{X_v v＝1，2......V}来表示。将V个分组以 $X\&prime;=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_v{X}_v$ 的方式合并，要求b_v＝exp(jθ_v)，其中θ_v∈[0 2π]，这样保证系统的发射功率保持不变，所以在本发明中也可将辅助信息b_v称作相位旋转因子。

4、根据权利要求1与权利要求2，有效结合PTS算法与CPM调制过程。要求PTS算法中的信息分组个数与SGC中子载波的分组个数相等，从而保证每个PTS分组内的信息都属于同一个CPM调制器的输出。同时要求PTS算法中每个分组的辅助信息的取值空间由相应的SGC分组中调制器的参数确定。

5、根据权利要求1，接收端不必知道每个PTS分组所选用的辅助信息。根据权利要求3中b_v的取值，PTS算法只是把每个分组内符号的相位旋转一定角度，而相邻符号间的相对相位关系保持不变。CPM调制信号就是靠相邻符号间的相对相位关系来传递信息，根据权利要求4，每一个PTS信息分组内的符号来源于同一个调制器的输出，所以接收端将不必知道每个PTS分组的辅助信息。该方法不需要发送额外信息给接收端，从而提高了传输效率。

6、根据权利要求1与权利要求4，确定在不降低系统抗噪声性能的条件下PTS算法中每个信息分组的相位旋转因子(辅助信息)的取值空间。在设定每个SGC分组所使用的CPM调制的调制指数后，就可以确定该分组内调制信号在信号空间上的相位状态(星座点)，这些相位状态都分布在单位圆上，其坐标用s_k(k＝1，2.....K)表示，K表示相位状态的数量。如果相位旋转因子在s_k(k＝1，2.....K)中进行选择，这样相当于把每个分组内的调制信号的相位从一个星座点转移到另一个星座点，从而保证接收信号在星座点映射时抗干扰性能没有削弱。所以可以保证在降低系统PAPR的同时系统的抗噪声性能不受影响。

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