CN101478521A - 一种自适应带内处理的削峰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应带内处理的削峰方法，首先，它将输入的具有较高PAPR值的(原始4倍过采样)OFDM信号经过FFT后把时域信号变为频域信号，同时，原始4倍过采样OFDM信号经过简单削峰后，再经过FFT把时域信号变为频域信号，根据两路频域信号求得的EVM值，自适应地进行带内处理，在进行带内处理的同时进行带外处理，之后，再经过IFFT变换，使之变成具有较低PAPR值的OFDM信号发送出去。本方法不仅能够很好的抑制简单削峰后频谱的带外辐射，而且还能够很好的控制EVM值，以及能得到较好的PAPR性能，是一种简单而有用的削峰方法。

Description

一种自适应带内处理的削峰方法

技术领域

本发明属于3G，4G通信领域，涉及正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)通信系统中峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)问题，具体涉及一种自适应带内处理的削峰方法。

背景技术

在第三代移动通信系统正在大规模商业化的前夕，对第四代移动通信系统，即4G的研究也已经在通信界广泛的展开。与前三代移动通信系统相比，4G提供的数据传输速率有了极大的提高，预计可达20Mb/s甚至更高。

高速的数据传输要求有较宽的频谱，而频谱又是移动通信中最缺乏的资源；另外，由于移动通信信道是一个多变的环境，会出现衰落和多径效应，在这样的环境里进行高速数据传输会增加接收端均衡器的复杂性。为了能有效地解决上述问题，需要一种新的传输技术正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，以其高效的频谱利用率和良好的抗多径衰落性能成为4G的核心传输技术。

OFDM多载波调制技术，其主要思想是：在发送端，将信道分成若干正交子信道，将已经过QPSK，QAM或16QAM等调制技术调制的高速数据流通过串并变换转换成并行的低速数据流，再经过IFFT变换调制到等频率间隔的相互正交的子载波上，再添加上循环前缀后进行并行传输。在接收端，进行与发送端相反的操作，用FFT变换分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并解调成数字信号。因此，在OFDM系统中，由于FFT、IFFT的使用，可以大大降低系统的复杂度。其原理框图如图1所示。

一个OFDM符号的数学表达式如下：

其中，N为相互正交的子信道数目，d_n是经过QPSK，QAM，16QAM等调制技术调制后得到的要发送的复信号，f_n是不同子信道的载波频率。在OFDM系统中，为了保持子信道间的正交性，子载波频率 $f_n=\frac{n}{T},$ n是子信道号，T是一个OFDM符号的周期。

一个信号的峰均比PAPR指的是峰值功率与平均功率之比。其定义式如式(6)。

$\mathrm{PAPR}\left(\mathrm{dB}\right)=10{\log }_{10}\frac{\underset{0\≤t\≤T}{\max {\left|S\left(t\right)\right|}^2}}{E\left({\left|S\left(t\right)\right|}^2\right)}---\left(6\right)$

其中，S(t)表示经过反傅立叶变换后所得到的一个时域OFDM符号。从OFDM的数学表达式(5)可以看出，在某个时刻，如果多个子载波以同一个方向相加时，就会产生很大的峰值，即具有非常大的峰均比，从而要求功率放大器具有很大的线性区域。否则，当信号峰值进入放大器的非线性区域时，就会使信号产生畸变，产生子载波之间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波之间的正交性，影响系统性能。

高峰均比是影响OFDM技术应用的一个关键问题，必须采用合适的技术来降低OFDM系统的峰均比。为了降低OFDM系统的PAPR，国内外学者进行了大量深入的研究，提出了很多方法。目前解决高峰均比问题主要有两种途径：一是提高功率放大器的性能，一是降低OFDM信号的峰均比。为了使高峰均比信号无失真的发送出去，功率放大器需要具有很大的线性范围和很大的回退(Back-off)，但是这样的功率放大器效率很低，这对利用电池供电的便携和移动应用是一个致命的影响。因此，从提高功率放大器的性能着手解决OFDM系统存在的高峰均比问题有一定的局限性。实际应用中，更多的是从OFDM信号本身的角度出发，采取措施降低大峰值信号的出现概率或是避免大峰值信号的出现。

目前降低OFDM信号PAPR的技术总体上可分为三类：限幅类技术、编码类技术和信号扰码技术。限幅类技术的基本思想是通过对信号进行某种非线性处理，以达到降低峰均比的目的。

削峰法(Clipping)就是属于限幅类技术，是降低峰均比最简单最直接的方法。它的根据是高峰均比发生的可能性极小，可以在降低其它方面的性能下达到低PAPR的目的。尽管如此，简单的削峰方法会产生很大的带外辐射。同时，也会引起带内信号的畸变，产生较大的误码率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种自适应带内处理的削峰方法，本发明改善简单的削峰方法产生的过大的带外辐射以及引起的带内信号畸变，并可根据设定的EVM门限值Th以及当时的削峰比CR，来决定是否要进行带内处理，从而在控制EVM的前提下，得到比较理想的PAPR性能。本发明通过如下技术方案实现：

自适应带内处理的削峰方法包括：将输入的原始OFDM信号经过FFT后把时域信号变为频域信号，并取出带内信号，同时，OFDM信号经过简单削峰后，再经过FFT把时域信号变为频域信号，并分离出带内带外信号；根据该两路带内频域信号求得的EVM值与当时的削峰比CR，进行自适应带内处理，在进行带内处理的同时进行带外处理；再经过IFFT变换，得到最终的OFDM信号。

一种自适应带内处理的削峰方法可以由如下模块来实现：简单削峰模块，第一FFT变换模块1，第二FFT变换模块2，I FFT变换模块，带外处理模块，自适应带内处理模块和带外功率频谱密度值存储模块。

所述简单削峰模块，把输入的原始4倍过采样OFDM信号峰值幅度限制在已设定的门限范围内，从而输出幅度不会超过门限的信号送入第二FFT变换模块2；

所述第一FFT变换模块1，把输入的原始4倍过采样OFDM信号经过串并转换后，再经过FFT变换，把时域信号变成频域信号，并分离出带内信号送到自适应带内处理模块；

所述第二FFT变换模块2，把简单削峰模块输出的信号经过串并转换后，再经过FFT变换，把时域信号变成频域信号，并分离出带内、带外信号分别送到自适应带内处理模块、带外处理模块；

所述自适应带内处理模块，根据设定的EVM门限值Th以及当时的削峰比CR，来决定是否要进行带内处理，即是否要把第一FFT变换模块1，第二FFT变换模块2所送来的信号，按式(3)得出相应的带内信号；

所述带外处理模块，把第二FFT变换模块2所送来的信号，根据带外处理模块里面保存的频谱罩，按式(2)处理后，得出相应的带外信号；

带外功率频谱密度值存储模块；

所述带外功率频谱密度值存储模块，存储了一些由式(1)决定的具体数值，用作频谱罩；

$y=\left\{\begin{array}{c}-80(x-0.5)-\mathrm{30,0.5}\≤x\≤1\\ -20(x-0.25)-\mathrm{25,0.25}\≤x\≤0.5\\ 0,\left|x\right|\≤0.25\\ 20(x+0.5)-30,-0.5\≤x\≤-0.25\\ 80(x+1)-70,-1\≤x\≤-0.5\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，x表示标准化了的频率，|x|<0.25表示带内信号，0.25<|x|<1表示4倍过采样的带外门限。y表示功率频谱密度，单位为dB。

所述I FFT变换模块，合并自适应带内处理模块、带外处理模块所送来的带内、带外信号，然后经过I FFT变换，使频域信号转换为时域信号，再经过并串变换，把信号变成时域串行信号发送出去。

所述简单削峰模块，设定一个峰值门限A_max，比较门限A_max和输入信号幅度

的大小，根据式(2)处理输入的信号，然后输出信号

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}_n^{\left(L\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n^{\left(L\right)},& \left|x_n^{\left(L\right)}\right|\&le;A_{\max }\\ A_{\max }{e}^{j\&angle;x_n^{\left(L\right)}},& \left|x_n^{\left(L\right)}\right|>A_{\max }\end{array}\right.---\left(2\right).$

所述自适应带内处理模块中，根据设定的EVM门限值Th以及当时的削峰比CR，来决定是否要进行带内处理的：

当要求EVM门限值Th≤0.3时，如果削峰比CR≤2，则根据式(3)来求得简单削峰后的带内信号；如果削峰比CR>2，则不进行带内处理这一步；

当要求EVM门限值0.3<Th≤0.6时，如果削峰比CR≤1.7，则根据式(3)来求得简单削峰后的带内信号；如果削峰比CR>1.7，则不进行带内处理这一步；

当要求EVM门限值Th>0.6时，如果削峰比CR≤1.5，则根据式(3)来求得简单削峰后的带内信号；如果削峰比CR>1.5，则不进行带内处理这一步；

${\tilde{X}}_k^{\left(L\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k^{\left(L\right)}& ,\left|E_k\right|\&le;\mathrm{Th}\&CenterDot;S_{\max }\\ X_k^{\left(L\right)}+\mathrm{Th}\&CenterDot;S_{\max }{e}^{j\&angle;E_k}& ,\left|E_k\right|>\mathrm{Th}\&CenterDot;S_{\max }\end{array}\right.---\left(3\right),$

其中

分别是简单削峰之前和简单削峰之后信号的频谱采样值， $E_k={\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k^{\left(L\right)}-X_k^{\left(L\right)},$ Th为误差矢量幅度EVM的门限值，S_max是采用QPSK，16QAM，64QAM等调制星座图的最大幅度值，当分别采用QPSK，16QAM，64QAM调制，并且星座图功率归一化因子C分别取时，S_max分别取值1，

根据EVM的定义式(4)可知，经过式(3)这样处理后，计算出来的EVM值不会大于Th，从而能控制误码性能，

$\mathrm{EVM}\left\{{\tilde{x}}_n^{\left(L\right)}\right\}=\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k\&Element;I}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|E_k\right|}^2}---\left(4\right).$

所述带外处理模块中，把第二FFT变换模块2所送来的值与带外功率频谱密度值存储模块中保存的频谱罩比较，如果第二FFT变换模块2所送来的值比设定的频谱罩大，就把高于的部分削去，也即相当于一个简单的削峰处理。

所述带外功率频谱密度值存储模块，用一块ROM存储器来实现，里面存储的频谱罩的值由式(1)决定。

设置自适应带内处理的根据是：当EVM门限值Th确定后，并且当CR大于一定的值时，不要经过(3)式这样的处理就可以使实际的EVM值小于Th，这样就减少了方法实现的复杂度。同时，经过(3)式这样的带内处理后，就会引起时域OFDM信号的峰值再生，使削峰的效果变差。所以，设置自适应带内处理就能在满足EVM的条件下，得到更好的PAPR性能。

仿真结果及本发明的优点分析

仿真参数：16QAM调制方式，FFT变换长度N＝1024，过采样因子L＝4，每个子载波的符号数为500，总共1024*4*500＝2048000个独立随机的子OFDM符号。得到图4，图5所示的结果，在处理过程中设置的EVM门限值为0.06，CR为1.8。

图3为经过简单削峰后，削峰比CR与EVM的关系图，从图中可以看出，当设置的削峰比CR越小时，会产生带内信号越大的畸变，即EVM值越大。

图4为原始信号、经过简单削峰后的信号、经过自适应带内处理后的信号的功率频谱密度图，其中最小的实线表示原始信号的功率频谱密度，可见它在带外是没有辐射的；最粗的实线表示经过简单削峰后的信号功率频谱密度，可见它在带外辐射是比较大的；点划线表示经过自适应带内处理后的信号的功率频谱密度，可见在一定程度上抑制了带外辐射，其中带外处理过程中用到的频谱罩如图2所示。

图5为原始信号、经过简单削峰后的信号、经过自适应带内处理后的信号以及经过带内(不是自适应的)带外处理后的信号的峰均比图。其中实线表示原始信号的峰均比，从图中可看出，原始信号的峰均比是很高的，大约有10e-5的OFDM符号的峰均比超过10dB。带有小方块标记的表示经过简单削峰后的信号峰均比，虚线表示经过自适应带内处理后的信号峰均比，带有米号标记的表示经过带内(不是自适应的)带外处理后的信号的峰均比。

从图3中可以看出，当CR≥2时，EVM<0.03，当CR≥1.7时，EVM<0.06，所以那样设计的自适应模块是合理的。

从图4中可以看出，简单削峰会造成很大的带外辐射，而经过带外处理后，能够很好的抑制频谱的带外辐射。

从图5中可以看出，相当于简单削峰来说，经过自适应带内处理、带外处理后，PAPR值会略有升高，但是，经过这样的处理后比仅仅通过带内处理(公式(2)，不是自适应的)、带外处理后信号的PAPR值要低。

从这些仿真结果中可以看出，本文的自适应带内处理的削峰方法，不仅能够很好的抑制简单削峰后频谱的带外辐射，而且还能够很好的控制EVM值，以及能得到较好的PAPR性能，是一种简单而有用的削峰方法。

附图说明

图1为OFDM系统原理框图；

图2为带外处理的频谱罩；

图3为削峰比与EVM关系图；

图4为功率频谱密度图；

图5为峰均比图；

图6为本发明的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明所提供的方法，可以用FPGA或DSP芯片编程实现。如图6所示，4倍过采样的原始OFDM输入信号分成两路，一路送到第一FFT变换模块1，经过串并转换后，再经过FFT变换，把时域信号变成频域信号，并分离出带内信号送到自适应带内处理模块；另一路送到简单削峰模块，经过削峰处理之后，把输出信号输入第二FFT变换模块2，在第二FFT变换模块2中信号经过串并转换后，再经过FFT变换，把时域信号变成频域信号，并分离出带内、带外信号分别送到自适应带内处理模块、带外处理模块，经过自适应带内处理模块、带外处理模块处理之后，再经过IFFT模块处理变换到时域并经并串变换后就得到了最终的OFDM信号。

所述简单削峰模块，把输入的原始4倍过采样OFDM信号峰值幅度限制在已设定的门限范围内，从而输出幅度不会超过门限的信号。具体为设定一个峰值门限A_max，比较门限A_max和输入信号幅度

的大小，根据式(2)处理输入的信号，然后输出信号

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}_n^{\left(L\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n^{\left(L\right)},& \left|x_n^{\left(L\right)}\right|\&le;A_{\max }\\ A_{\max }{e}^{j\&angle;x_n^{\left(L\right)}},& \left|x_n^{\left(L\right)}\right|>A_{\max }\end{array}\right.---\left(2\right)$

所述自适应带内处理模块，根据设定的EVM门限值Th以及当时的削峰比CR，来决定是否要进行带内处理的。具体是这样工作的：

当要求EVM门限值Th≤0.3时，如果削峰比CR≤2，则根据式(3)来求得简单削峰后的带内信号；如果削峰比CR>2，则不进行带内处理这一步；

当要求EVM门限值0.3<Th≤0.6时，如果削峰比CR≤1.7，则根据式(3)来求得简单削峰后的带内信号；如果削峰比CR>1.7，则不进行带内处理这一步；

当要求EVM门限值Th>0.6时，如果削峰比CR≤1.5，则根据式(3)来求得简单削峰后的带内信号；如果削峰比CR>1.5，则不进行带内处理这一步；

${\tilde{X}}_k^{\left(L\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k^{\left(L\right)}& ,\left|E_k\right|\&le;\mathrm{Th}\&CenterDot;S_{\max }\\ X_k^{\left(L\right)}+\mathrm{Th}\&CenterDot;S_{\max }{e}^{j\&angle;E_k}& ,\left|E_k\right|>\mathrm{Th}\&CenterDot;S_{\max }\end{array}\right.---\left(3\right),$

其中分别是简单削峰之前和简单削峰之后信号的频谱采样值， $E_k={\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k^{\left(L\right)}-X_k^{\left(L\right)},$ Th为误差矢量幅度EVM的门限值，S_max是采用QPSK，16QAM，64QAM等调制星座图的最大幅度值，当分别采用QPSK，16QAM，64QAM调制，并且星座图功率归一化因子C分别取

时，S_max分别取值1，

根据EVM的定义式(4)可知，经过式(3)这样处理后，计算出来的EVM值不会大于Th，从而能控制误码性能，

$\mathrm{EVM}\left\{{\tilde{x}}_n^{\left(L\right)}\right\}=\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k\&Element;I}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|E_k\right|}^2}---\left(4\right).$

所述带外处理模块，把第二FFT变换模块2所送来的值与带外功率频谱密度值存储模块里面保存的频谱罩比较，如果第二FFT变换模块2所送来的值比设定的频谱罩大，就把高于的部分削去，也即相当于一个简单的削峰处理。

所述带外功率频谱密度值存储模块，可用一块ROM存储器来实现，里面存储了一些由式(1)决定的具体数值，用作频谱罩；

$y=\left\{\begin{array}{c}-80(x-0.5)-\mathrm{30,0.5}\&le;x\&le;1\\ -20(x-0.25)-\mathrm{25,0.25}\&le;x\&le;0.5\\ 0,\left|x\right|\&le;0.25\\ 20(x+0.5)-30,-0.5\&le;x\&le;-0.25\\ 80(x+1)-70,-1\&le;x\&le;-0.5\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，x表示标准化了的频率，|x|<0.25表示带内信号，0.25<|x|<1表示4倍过采样的带外门限。y表示功率频谱密度，单位为dB。如图2所示。

Claims (6)

1、一种自适应带内处理的削峰方法，其特征在于包括如下步骤：将输入的原始OFDM信号经过FFT后把时域信号变为频域信号，并取出带内信号，同时，OFDM信号经过简单削峰后，再经过FFT把时域信号变为频域信号，并分离出带内带外信号；根据该两路带内频域信号求得的EVM值与当时的削峰比CR，进行自适应带内处理，在进行带内处理的同时进行带外处理；再经过IFFT变换，得到最终的OFDM信号。

2、根据权利要求1所述的自适应带内处理的削峰方法，其特征在于，所述原始OFDM信号为4倍过采样OFDM信号。

3、根据权利要求2所述的一种自适应带内处理的削峰方法，其特征在于该方法通过如下模块实现：

简单削峰模块，把输入的原始4倍过采样OFDM信号峰值幅度限制在已设定的门限范围内，从而输出幅度不会超过门限的信号送入第二FFT变换模块(2)；所述简单削峰具体为：设定一个峰值门限A_max，比较门限A_max和输入信号幅度

的大小，根据式(2)处理输入的信号，然后输出信号

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}_n^{\left(L\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n^{\left(L\right)},& \left|x_n^{\left(L\right)}\right|\&le;A_{\max }\\ A_{\max }{e}^{j\&angle;x_n^{\left(L\right)}},& \left|x_n^{\left(L\right)}\right|>A_{\max }\end{array}\right.---\left(2\right);$

第一FFT变换模块(1)，把输入的原始4倍过采样OFDM信号经过串并转换后，再经过FFT变换，把时域信号变成频域信号，并分离出带内信号送到自适应带内处理模块；

第二FFT变换模块(2)，把简单削峰模块输出的信号经过串并转换后，再经过FFT变换，把时域信号变成频域信号，并分离出带内、带外信号分别送到自适应带内处理模块、带外处理模块；

自适应带内处理模块，根据设定的EVM门限值Th以及当时的削峰比CR，来决定是否要进行带内处理；

带外处理模块，把第二FFT变换模块(2)所送来的信号，根据带外处理模块里面保存的频谱罩，按式(2)处理后，得出相应的带外信号；

带外功率频谱密度值存储模块，存储了一些由式(1)决定的具体数值，用作频谱罩：

$y=\left\{\begin{array}{c}-80(x-0.5)-\mathrm{30,0.5}\&le;x\&le;1\\ -20(x-0.25)-\mathrm{25,0.25}\&le;x\&le;0.5\\ 0,\left|x\right|\&le;0.25\\ 20(x+0.5)-30,-0.5\&le;x\&le;-0.25\\ 80(x+1)-70,-1\&le;x\&le;-0.5\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，x表示标准化了的频率，|x|<0.25表示带内信号，0.25<|x|<1表示4倍过采样的带外门限，y表示功率频谱密度，单位为dB；

IFFT变换模块，用于合并自适应带内处理模块、带外处理模块所送来的带内、带外信号，然后经过IFFT变换，使频域信号转换为时域信号，再经过并串变换，把信号变成时域串行信号发送出去。

4、根据权利要求3所述的一种自适应带内处理的削峰方法，其特征在于所述自适应带内处理模块包括：

当要求EVM门限值Th≤0.3时，如果削峰比CR≤2，则根据式(3)来求得简单削峰后的带内信号；如果削峰比CR>2，则不进行带内处理这一步；

当要求EVM门限值0.3<Th≤0.6时，如果削峰比CR≤1.7，则根据式(3)来求得简单削峰后的带内信号；如果削峰比CR>1.7，则不进行带内处理这一步；

当要求EVM门限值Th>0.6时，如果削峰比CR≤1.5，则根据式(3)来求得简单削峰后的带内信号；如果削峰比CR>1.5，则不进行带内处理这一步；

${\tilde{X}}_k^{\left(L\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k^{\left(L\right)}& ,\left(E_k\right)\&le;\mathrm{Th}\&CenterDot;S_{\max }\\ X_k^{\left(L\right)}+\mathrm{Th}\&CenterDot;S_{\max }{e}^{j\&angle;E_k}& ,\left(E_k\right)>\mathrm{Th}\&CenterDot;S_{\max }\end{array}\right.---\left(3\right),$

其中

分别是简单削峰之前和简单削峰之后信号的频谱采样值， $E_k={\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k^{\left(L\right)}-X_k^{\left(L\right)},$ Th为误差矢量幅度EVM的门限值，S_max是采用QPSK，16QAM，64QAM等调制星座图的最大幅度值，当分别采用QPSK，16QAM，64QAM调制，并且星座图功率归一化因子C分别取

时，S_max分别取值

根据EVM的定义式(4)可知，经过式(3)这样处理后，计算出来的EVM值不会大于Th，从而能控制误码性能，

$\mathrm{EVM}\left\{{\tilde{x}}_n^{\left(L\right)}\right\}=\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k\&Element;I}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left|E_k\right|}^2}---\left(4\right).$

5、如权利要求2所述的一种自适应带内处理的削峰方法，其特征在于：

所述带外处理模块中，把第二FFT变换模块(2)所送来的值与带外功率频谱密度值存储模块中保存的频谱罩比较，如果第二FFT变换模块(2)所送来的值比设定的频谱罩大，就把高于的部分削去，也即相当于一个简单的削峰处理。

6、如权利要求2所述的一种自适应带内处理的削峰方法，其特征在于：

所述带外功率频谱密度值存储模块，用一块ROM存储器来实现，里面存储的频谱罩的值由式(1)决定。

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