CN101656704B - 降低ofdm信号峰均比的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及降低OFDM信号峰均比的方法和装置，尤其涉及其中的对限幅率参数和EVM约束参数的选取。为了解决进行降低峰均比操作所采用的限幅率参数和EVM约束参数不适应实时变化的问题，给出降低OFDM信号峰均比的方法和装置，其中的方法，当判定系统状况满足预设的实时变化条件时，设出多个限幅率-EVM约束参数组合；对于其中的每个参数组合，检测在当前系统状况下采用该参数组合进行降低峰均比操作所得的峰均比和误码率；从上述多个限幅率-EVM约束参数组合中提取峰均比和误码率均满足系统要求的一组，然后在检测到系统状况再次达到预设的实时变化条件之前，采用所提取的参数组合进行降低峰均比操作。

Description

降低OFDM信号峰均比的方法和装置

技术领域

本发明涉及降低OFDM信号峰均比的方法和装置，尤其涉及其中的对限幅率参数和EVM约束参数的选取。

背景技术

OFDM的基本原理是将高速的数据流通过串并变换分成多个低速数据流，然后分别放到相应的子载波上同时并行地传送。一个OFDM符号内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以采用正交幅度调制(QAM)。另外，OFDM中引入的保护间隔能有效地克服多径信道的时延扩展，消除码间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)，因此避免了采用复杂的均衡器。

在OFDM的发送端，输入为二进制比特流，然后采用M-QAM对信源产生的数据进行一次预调制，也就是将各个并行信道上的二进制数据映射为信号星座图上的点，即形成复数形式的数据序列X_k。各子信道上的调制方式可以不同也可以相同。在比较平缓的子信道上加载较多的比特调制，而对衰落大的子信道加载较少的比特调制。由快速傅立叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)对该复数并行序列进行第二次调制，即用一组彼此正交的正弦和余弦信号对信号进行调制，得到调制后的并行时域基带信号x_n，即一个符号中的N个采样值。经过OFDM调制后的时域基带信号可以用下式来表示：

$x_n=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k\exp \frac{j2\mathrm{\πkn}}{N},n=\mathrm{0,1,2}...N-1$

将x_n通过并串变换，将各通道的数据流合并为串行数据流后，插入循环前缀(Cyclic Prefix，CP)形式的保护间隔，它可以消除多径衰落引起的ISI，这样就得到一个OFDM信号。这一OFDM符号是由各子信道数据流合并而成，将会出现峰均比(Peakto Average Power Rate，PAPR)过高的问题。

降低PAPR最简单的方法就是对OFDM信号峰值进行限幅。即对时域基带信号x_n进行限幅操作：

${\stackrel{\‾}{x}}_n=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n,& \left|x_n\right|\≤\mathrm{Th}\\ \mathrm{Th}\·e^{j\∠x_n},& \left|x_n\right|>\mathrm{Th}\end{array}\right.,0\≤n\≤N-1$

其中x_n为原信号，Th为限幅门限。当信号小于限幅门限时，信号不变；当信号大于限幅门限时，将信号的模限制为门限大小，并保持与原信号相同的幅角。

再定义限幅率C，用来衡量限幅水平：

$C=\frac{\mathrm{Th}}{\mathrm{\σ}}$

其中，σ为OFDM信号平均功率的方根值。

在载波数为N的条件下，基带信号的平均功率的方根值为

例如：N＝128则σ＝11，因此，C＝1对应于Th＝11，这就意味着OFDM信号在平均功率的程度上限幅。

由于限幅的影响，这种方法将在频域中体现为带内噪声和带外噪声，带内噪声会导致整个系统的误比特率性能降低，带外噪声会降低频谱效率。信号在经过非线性部件之前进行限幅，虽然可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值从而降低峰均比，但会对系统自身造成干扰，导致系统的误码率升高(本文所称误码率，是指信号在经发射机、传输信道和接收机之后的最终信号的误码率)。为了减少这种畸变，降低误码率，需要把信号变换到频域上进行修正操作，即把误差向量(Error Vector)的模(即其绝对值/长度)限定在某个值之内，此操作称为误差向量幅值(Error Vector Magnitude，EVM)约束。修正操作，相当于把失真程度限制在设定范围内，以达到降低误码率的目的。但EVM约束将会重新提高信号的峰均比。

采用不同的限幅率-EVM约束参数组合进行降低峰均比操作，峰均比和误码率也各不相同。理想的情况是，峰均比和误码率均降至足够低的水平。但在现实中，峰均比和误码率是一对矛盾：限幅率越低，EVM约束限制范围越宽，峰均比就越低，同时误码率就越高。目前的做法是，固定设置好在当前系统状况下满足系统峰均比和误码率要求的一套限幅率参数和EVM约束参数，然后一直采用这套参数进行降低峰均比的操作。但系统状况往往是实时变化的，例如：

A.信道变化：通信距离、信道质量等信道参数发生变化，导致采用同一套参数进行降低峰均比的操作的误码率发生变化，尤其是在用于无线通信的时变信道中，

B.发射设备变化：诸如调制方式改变等原因，发射机的发射参数发生变化，

C.接收设备变化：接收机的接收参数发生变化，

对于时变信道，经过一段足够长的时间，即使不对系统状况进行检测，根据经验也可以判定其系统状况肯定发生了足以改变峰均比和/或误码率的变化。一旦系统状况发生实时变化导致采用同一套参数进行降低峰均比的操作的峰均比和误码率随之发生变化，原固定设置的一套参数在新的系统中就很可能不能满足系统的要求。

发明内容

发明目的

本发明旨在解决进行降低峰均比操作所采用的限幅率参数和EVM约束参数不适应实时变化的问题。

基本技术方案

降低OFDM信号峰均比的方法，其采用限幅率参数和EVM约束参数进行降低峰均比操作，其特征是，当判定系统状况满足预设的实时变化条件时，设出多个限幅率-EVM约束参数组合；对于其中的每个参数组合，检测在当前系统状况下采用该参数组合进行降低峰均比操作所得的峰均比和误码率；从上述多个限幅率-EVM约束参数组合中提取峰均比和误码率均满足系统要求的一组，然后在检测到系统状况再次达到预设的实时变化条件之前，采用所提取的参数组合进行降低峰均比操作。

降低OFDM信号峰均比的装置，其采用限幅率参数和EVM约束参数进行降低峰均比操作，包括：当判定系统状况满足预设的实时变化条件时，设出多个限幅率-EVM约束参数组合的第一装置；对于其中的每个参数组合，检测在当前系统状况下采用该参数组合进行降低峰均比操作所得的误码率的第二装置；从上述多个限幅率-EVM约束参数组合中提取峰均比和误码率均满足系统要求的一组，然后在检测到系统状况的实时变化再次达到预设的实时变化条件之前，采用所提取的参数组合进行降低峰均比操作的第三装置。

所述的第三装置在峰均比和误码率均满足系统要求的前提下，提取最低误码率所对应的限幅率-EVM约束参数组合。

如果所述最低误码率对应至少两个限幅率-EVM约束参数组合，则所述的第三装置提取其中的限幅率最低的参数组合。

所述的第三装置在峰均比和误码率均满足系统要求的前提下，提取最低峰均比所对应的限幅率-EVM约束参数组合。

，如果所述最低峰均比对应至少两个限幅率-EVM约束参数组合，则所述的第三装置提取其中的误码率最低的参数组合。

所述的第一装置判定系统状况满足预设的实时变化条件包括下述A、B、C、D中的至少一个：

A.检测到通信距离、信道质量等信道参数发生变化，导致采用同一套参数进行降低峰均比的操作的误码率发生变化，

B.检测到发射机的发射参数发生变化，

C.检测到接收机的接收参数发生变化，

D.自上次判定系统状况发生了预定的实时变化起已经经过了一个设定的时间长度。

有益效果

上述技术方案在判定系统满足预设的实时变化条件时，根据当前系统状况下各限幅率-EVM约束参数组合与误码率的对应关系，从这多个参数组合中提取峰均比和误码率均满足系统要求的一组，故在系统状况发生本次实时变化之后直至发生下一次实时变化之前，采用所提取的参数组合进行降低峰均比操作就能够适应实时变化的系统状况，就实时地在最新的系统状况下满足了系统的要求。在峰均比和误码率均满足系统要求的前提下，如果有多组可选，根据实际的需要，可以优先选择峰均比最低的一组，也可以优先选择误码率最低的一组。

改进的技术方案

上述基础技术方案，优选地在峰均比和误码率均满足系统要求的前提下，提取最低误码率所对应的限幅率-EVM约束参数组合。更优选地，如果所述最低误码率对应至少两个限幅率-EVM约束参数组合，则提取其中的限幅率最低的参数组合。

上述基础技术方案，优选地在峰均比和误码率均满足系统要求的前提下，提取最低峰均比所对应的限幅率-EVM约束参数组合。更优选地，如果所述最低峰均比对应至少两个限幅率-EVM约束参数组合，则提取其中的误码率最低的参数组合。

附图说明

附图是具体实施方式的流程图。

具体实施方式

如附图，对OFDM信号依次进行星座图映射、频域-时域转换(IFFT)、限幅、时域-频域转换(FFT)、EVM约束、频域-时域转换(IFFT)。

预设判定系统状况发生实时变化的条件：

A.当通信距离、信道质量等信道参数发生变化时，检测误码率，如果其与信道参数发生变化前的误码率不同，则判定系统状况发生了实时变化，

B.如果检测到发射机的发射参数发生变化，则判定系统状况发生了实时变化，

C.如果检测到接收机的接收参数发生变化，则判定系统状况发生了实时变化，

D.当自上次判定系统状况发生了实时变化起已经经过了一个设定的时间长度时，也判定系统状况发生了实时变化。

实时阶段：

当出现上述四种情况的至少一种时，就判定系统状况发生了实时变化。所述的系统状况的变化包括信道状况的变化和设备状况的变化。

设出多个限幅率-EVM约束参数组合，策略有多种，例如先设多个初始的限幅率参数，就每个初始的限幅率参数，对EVM约束参数以固定的步长单调递增或递减取值；又例如先设多个初始的EVM约束参数，就每个初始的EVM约束参数，对限幅率参数以固定的步长单调递增或递减取值；又例如限幅率参数和EVM约束参数同时以固定的步长单调递增或递减取值；又例如，把前述固定步长改为非固定步长。

然后，对于其中的每个参数组合，检测在当前系统状况下采用该参数组合进行降低峰均比操作后的峰均比和误码率。

从上述多个限幅率-EVM约束参数组合中提取峰均比和误码率均满足系统要求的一组，可以提取最低误码率所对应的限幅率-EVM约束参数组合，更优选地，如果所述最低误码率对应至少两个限幅率-EVM约束参数组合，则提取其中的限幅率最低的参数组合，从而在最低误码率的基础上达到其中的最低峰均比；也可以提取最低峰均比所对应的限幅率-EVM约束参数组合，更优选地，如果所述最低峰均比对应至少两个限幅率-EVM约束参数组合，则提取其中的EVM约束最小的参数组合，从而在最低峰均比的基础上达到其中的最低误码率。

然后采用所提取的参数组合进行降低峰均比操作，直至判定系统状况满足预设的实时变化条件时，就重新执行实时阶段的各个步骤，以确保最新的系统状况下满足系统要求。

因为接收机不可能完全准确地获知发射机实际传输的信息，所以，为了计算误码率，可以通过比较解码器前后的比特数来计算，假定解码器能校正错误比特，则解码前后的比特数差异与比特差错率有关。计算误码率的另一种方法是用标准定义的数据来测试下行信道的误码率，由于传输数据已知，用户站能直接与接收到的符号相比较，然后通过反馈信道将测试结果返回给基站。

上述改变均在发射机中，接收机无需作任何改变。

本发明中的自适应控制器可以采用多种搜索策略，以下提出部分搜索策略，但具体实施时不限于这些策略：

遍历搜索，达到最优的误码率；

在检测到误码率变差的情况下，设置目前限幅率为搜索初值，进行限幅率单调递增的搜索，即只采用限幅率增加的策略以降低误码率；

在检测到误码率变差的情况下，设置目前EVM约束为搜索初值，进行EVM约束单调递增的搜索，即只采用EVM约束增加的策略以降低误码率。

Claims (8)

1.降低OFDM信号峰均比的方法，其采用限幅率参数和EVM约束参数进行降低峰均比操作，其特征是，当判定系统状况满足预设的实时变化条件时，设出多个限幅率-EVM约束参数组合；对于其中的每个参数组合，检测在当前系统状况下采用该参数组合进行降低峰均比操作所得的峰均比和误码率；从上述多个限幅率-EVM约束参数组合中提取峰均比和误码率均满足系统要求的一组，然后在检测到系统状况再次达到预设的实时变化条件之前，采用所提取的参数组合进行降低峰均比操作；

判定系统状况满足预设的实时变化条件包括下述A、B、C、D中的至少一个：

A.检测到通信距离、信道质量发生变化，导致采用同一套参数进行降低峰均比的操作的误码率发生变化，

B.检测到发射机的发射参数发生变化，

C.检测到接收机的接收参数发生变化，

D.自上次判定系统状况发生了预定的实时变化起已经经过了一个设定的时间长度；

其中所述EVM为误差向量幅值，所述限幅率-EVM约束参数组合中，EVM约束为把误差向量的模，限定在某个值之内，此操作称为误差向量幅值约束，所述限幅率为对OFDM信号峰值进行限幅时，用来衡量限幅水平：

其中，σ为OFDM信号平均功率的方根值，Th为限幅门限。

2.根据权利要求1所述的降低OFDM信号峰均比的方法，在峰均比和误码率均满足系统要求的前提下，提取最低误码率所对应的限幅率-EVM约束参数组合，且如果所述最低误码率对应至少两个限幅率-EVM约束参数组合，则提取其中的限幅率最低的参数组合。

3.根据权利要求1所述的降低OFDM信号峰均比的方法，在峰均比和误码率均满足系统要求的前提下，提取最低峰均比所对应的限幅率-EVM约束参数组合，且如果所述最低峰均比对应至少两个限幅率-EVM约束参数组合，则提取其中的误码率最低的参数组合。

4.降低OFDM信号峰均比的装置，其采用限幅率参数和EVM约束参数进行降低峰均比操作，其特征是，包括：当判定系统状况满足预设的实时变化条件时，设出多个限幅率-EVM约束参数组合的第一装置；对于其中的每个参数组合，检测在当前系统状况下采用该参数组合进行降低峰均比操作所得的误码率的第二装置；从上述多个限幅率-EVM约束参数组合中提取峰均比和误码率均满足系统要求的一组，然后在检测到系统状况的实时变化再次达到预设的实时变化条件之前，采用所提取的参数组合进行降低峰均比操作的第三装置；

所述的第一装置判定系统状况满足预设的实时变化条件包括下述A、B、C、D中的至少一个：

A.检测到通信距离、信道质量发生变化，导致采用同一套参数进行降低峰均比的操作的误码率发生变化，

B.检测到发射机的发射参数发生变化，

C.检测到接收机的接收参数发生变化，

D.自上次判定系统状况发生了预定的实时变化起已经经过了一个设定的时间长度；

其中所述EVM为误差向量幅值，所述限幅率-EVM约束参数组合中，EVM约束为把误差向量的模，即其绝对值/长度，限定在某个值之内，此操作称为误差向量幅值约束，所述限幅率为对OFDM信号峰值进行限幅时，用来衡量限幅水平：

其中，σ为OFDM信号平均功率的方根值，Th为限幅门限。

5.根据权利要求4所述的降低OFDM信号峰均比的装置，所述的第三装置在峰均比和误码率均满足系统要求的前提下，提取最低误码率所对应的限幅率-EVM约束参数组合。

6.根据权利要求5所述的降低OFDM信号峰均比的装置，如果所述最低误码率对应至少两个限幅率-EVM约束参数组合，则所述的第三装置提取其中的限幅率最低的参数组合。

7.根据权利要求4所述的降低OFDM信号峰均比的装置，所述的第三装置在峰均比和误码率均满足系统要求的前提下，提取最低峰均比所对应的限幅率-EVM约束参数组合。

8.根据权利要求7所述的降低OFDM信号峰均比的装置，如果所述最低峰均比对应至少两个限幅率-EVM约束参数组合，则所述的第三装置提取其中的误码率最低的参数组合。

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