CN101674279A - 一种用于降低ofdm信号峰均比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及OFDM领域，特别是涉及一种用于降低OFDM信号峰均比的方法。本发明提供一种用于降低OFDM信号峰均比的方法，包括限幅步骤，时域－频域变换步骤，修正步骤和频域－时域变换步骤，其中的修正步骤包括：(11)从限幅后的频域数据分离出数据子载波数据，导频子载波数据和空余子载波数据；(12)对数据子载波数据根据系统EVM约束进行修正；(13)对导频子载波数据进行复位操作，复位为限幅前数据；(14)对空余子载波数据根据系统的频谱模板进行修正。本发明的技术方案，通过对数据子载波数据，导频子载波数据和空余子载波数据进行分别修正，使不同的子载波数据采用不同的修正方式。在降低峰均比的同时，有效地减少了限幅带来的各种不良影响。

Description

一种用于降低OFDM信号峰均比的方法

技术领域

本发明涉及OFDM领域，特别是涉及一种用于降低OFDM信号峰均比的方法。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种特殊的多载波(Multi-Carriers Modulation，MCM)传输方案，它既是一种调制技术，也是一种复用技术。它具有许多其它无线通信技术所无法比拟的优越性。同时，它也是一种并行技术，其将一个高速的数据流分割成许多低速数据流，并调制到若干相互正交的子载波上来实现数据的高速传输。由于每个子载波的调制信号速率较低，这样码元的周期相对较长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，再加上每个码元又采用了循环前缀(Cyclic Prefix，CP)作为保护间隔，所以符号间干扰所带来的影响明显减少。OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间互相正交就可以从重叠的子载波上分离出数据信息。

OFDM的子载波内含数据子载波(Data Subcarriers)、空余子载波(NullSubcarriers)和导频子载波(Pilot Subcarriers)。

在OFDM通信系统中，使用在频率上具有同步关系的多个载波来调制信号，由于各载波的包络值统计独立，随着载波数的增加，叠加后信号的峰值功率与平均功率的比值，即峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)的数值较大。因此，调制信号的动态范围相当大，首先要求D/A转换器具有较大的动态范围，又要求系统中的功放具有较高的线性放大范围，以避免传输信号的非线性失真。这样就增加了系统成本和实现难度。

降低PAPR最直接而有效的方法就是对OFDM信号峰值进行限幅。假设信号经过星座图映射、IFFT、并串转换后为x_n，0≤n≤N-1，对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，将信号的模值限制为门限大小，并保持与原信号相同的幅角。

信号在经过非线性部件之前进行限幅，就可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值。尽管限幅非常简单，但是它也会为OFDM系统带来相关的问题。首先，对OFDM符号幅度进行畸变，会对系统自身造成干扰，从而导致系统的BER性能降低。其次，OFDM信号的非线性畸变会导致带外噪声功率值的增加，其原因在于限幅操作可以被认为是OFDM采样符号与矩形窗函数相乘，如果OFDM信号的幅值小于门限值时，则该矩形窗函数的幅值为1；而如果信号幅值需要被限幅时，则该矩形窗函数的幅值应该小于1。根据时域相乘等效于频域卷积的原理，经过限幅的OFDM符号的频谱等于原始OFDM符号频谱与窗函数频谱的卷积，因此其带外频谱特性主要由两者之间频谱宽度较大的信号来决定，也就是矩形窗函数的频谱来决定。

限幅带来的带内噪声不能通过滤波进行消除，会导致整个系统的误比特率性能降低。带内噪声的一个衡量标准为带内信号的误差向量幅值(Error VectorMagnitude，EVM)。EVM可以由限幅后信号产生的误差矢量定义。定义带内的误差矢量：

E_k＝X_k-X_k，X_k＝FFT(x_n)

其中k表示第k个子载波，X_k和X_k分别为限幅前后数据的频域形式，亦即在星座图上表现形式，可通过FFT变换获得。在此基础上可以定义EVM，即星座图中相对于最远星座点功率的平均误差：

$\mathrm{EVM}\left\{{\stackrel{\‾}{x}}_n\right\}=\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|E_k\right|}^2}$

其中N是子载波数目，S_max是星座图中星座点最大幅度。

限幅带来的带外噪声可以通过滤波消除，但这将导致峰值再生。通常时域的滤波器都是比较复杂的，因此现有方案使用一种新型的滤波器，在频域中对信号进行处理，即使用双向快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)操作来实现频域滤波。其结构框图如图1所示。这种算法的基本思想是首先将经过扰码、编码、交织、映射后的OFDM信号经过I倍过采样，即信号的中间插入(N-1)*I个零值，然后对过采样后的信号进行N*I点IFFT操作，变换到时域，对时域信号进行限幅，然后再进行N*I点FFT操作变换到频域，此时频域中间的信号值便是进行限幅所产生的带外噪声。去掉带外噪声，只取原来信号所在频带的频域值，进行N点IFFT操作，即完成了用双向FFT实现频域滤波的限幅算法。但这一算法仅仅考虑了带外子载波的作用，没有考虑有效子载波和空余子载波的作用的区别，不能减少带内失真，在一定程度上不能满足频谱模板的要求。

现有技术方案中，在大幅度降低峰均比的同时，兼顾了两点：一、将带内信号的EVM控制在某个指标以下，这个指标称为EVM约束；二、减少限幅带来的带内失真的同时，过采样带来的带外功率谱要在频谱模板以下。此方案有效减少了带内失真，但并没有根据带内子载波的不同类别对其分别处理，而是将带内的各类子载波统一处理，因此频域处理的效果未能达到最优，造成的带内噪声影响较大。另外，此方案没有直接将带外噪声置零，避免PAPR上升和造成带外功率浪费。但通信链路后级的数据处理点数是过采样前的数值，而不能处理过采样后的点数，即使带外噪声在频谱模板之下，在后级处理时也需要置零或者移除，所以保留带外功率谱是没有作用的。

现有降低峰均比的技术问题在于：

1)没有充分考虑OFDM信号各类子载波的组成及其作用，因此频域处理的效果未能达到最优；

2)没有考虑有效子载波和空余子载波的作用的区别，不能充分减少带内失真，不能满足频谱模板的要求。

由于上述原因，造成了峰均比下降效果虽然明显，但带来了如带内噪声较大、对信道估计造成不良影响等问题。

发明内容

本发明提供了一种用于降低OFDM信号峰均比的方法，以解决现有技术中峰均比下降而带来了带内噪声较大、对信道估计造成不良影响等问题。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种用于降低OFDM信号峰均比的方法，包括如下步骤：

对OFDM信号进行限幅的限幅步骤；

对限幅后的数据进行傅立叶变换(FFT)得到限幅后的频域数据的时域-频域变换步骤；

对限幅后的频域数据进行修正的修正步骤；

对修正后的数据进行反傅立叶变换(IFFT)得到修正后时域数据的频域-时域变换步骤；

修正步骤包括如下步骤：

(11)从限幅后的频域数据分离出数据子载波数据，导频子载波数据和空余子载波数据；

(12)对数据子载波数据根据系统EVM约束进行修正；

(13)对导频子载波数据进行复位操作，复位为限幅前数据；

(14)对空余子载波数据根据系统的频谱模板进行修正。

上述的技术方案的核心思想是对OFDM数据的三类带内子载波分别进行不同的处理。

数据子载波数据，是OFDM符号内的有用信号，这些信号承载着重要的数据资料，需要符合系统的EVM约束，保证系统的误码率。EVM约束的具体值，应根据系统和具体情况决定。

导频子载波用于传输信道估计的参考信号，估计的信道信息将被用于补偿由信道造成的失真以恢复传输的数据。因此，从这个意义上来说，导频子载波比其它的子载波更重要。把导频子载波数据恢复到限幅前数据，能增强信道估计的效果。

作为保护频带的非承载数据的空余子载波，由于空余子载波上的功率信号，对于时域信号的峰均比抑制有贡献，因此没有必要全部将其置零，否则造成功率浪费，同时也使时域上的峰均比再生。因此对空余子载波根据频谱模板进行修正，以满足系统频谱模板的要求。具体的频谱模板需要根据不同的系统以及实际情况设置。

作为一种优选方案，步骤(11)还分离出带外子载波，所述的修正步骤还包括对带外子载波置零的带外子载波修正步骤。

带外子载波是由于在IFFT前补零进行过采样时得到的，能更充分反映时域信号的功率大小，对限幅操作有帮助，在频带上看属于带外信号，在最后保护处理中需要滤除，以防止带外噪声，导致PAPR上升和造成带外功率浪费。

对于为限幅服务的由于过采样产生的带外子载波，在限幅后应该滤除，即进行降采样，对带外子载波置零，将信号点数调整为原来值。

作为另外一种优选方案，步骤(12)的具体步骤如下：

(31)计算限幅后的数据子载波数据的EVM；

(32)如果其不符合EVM约束，则将数据子载波数据调整至符合EVM约束。

作为再一种优选方案，步骤(14)的具体步骤如下：

(41)确定限幅后的空余子载波的功率；

(42)如果空余子载波的功率超过频谱模板函数对应子载波的功率，则将空余子载波的功率值调整至小于或等于频谱模板函数对应子载波的功率值。

本发明还提供一种用于降低OFDM信号峰均比的系统，包括：

对OFDM信号进行限幅的限幅模块；

对限幅后的数据进行傅立叶变换得到限幅后的频域数据的时域-频域变换模块；

对限幅后的频域数据进行修正的修正模块；

对修正后的数据进行反傅立叶变换得到修正后的时域数据的频域-时域变换模块；

修正模块包括：

(51)从限幅后的频域数据分离出数据子载波数据，导频子载波数据和空余子载波数据的分离模块；

(52)对数据子载波数据根据系统EVM约束进行修正的数据子载波修正模块；

(53)对导频子载波数据进行复位操作，复位为限幅前数据的导频子载波修正模块；

(54)对空余子载波数据根据系统的频谱模板进行修正的空余子载波修正模块；

作为进一步的优选方案，分离模块还分离出带外子载波，修正模块还包括对带外子载波置零的带外子载波修正模块。

作为另外一种优选方案，所述的数据子载波修正模块包括：

(71)用于计算限幅后的数据子载波数据的EVM的模块；

(72)用于其如果不符合EVM约束，则将数据子载波数据调整至符合EVM约束的模块。

作为再一种优选方案，所述的空余子载波修正模块包括：

(81)用于确定限幅后的空余子载波的功率的模块；

(82)用于如果空余子载波的功率超过频谱模板函数对应子载波的功率，则将空余子载波的功率值调整至小于或等于频谱模板函数对应子载波的功率值的模块。

本发明的技术方案，通过对数据子载波数据，导频子载波数据和空余子载波数据进行分别修正，使不同的子载波采用不同的修正方式。子载波分类处理，能够兼顾不同子载波的作用和指标，对数据子载波进行EVM约束能控制其误码率；对导频子载波进行复位提高了信道估计的准确性；对空余子载波进行抑制能防止干扰相邻频带。从而在降低峰均比的同时，有效地减少了限幅带来的各种不良影响。

附图说明

图1为使用双向FFT操作来实现频域滤波的结构框图。

图2为本发明的系统框图。

图3为本实施例的一种频谱模板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图2所示为本发明的系统框图。本发明对经过限幅后的OFDM数据进行FFT转换为频域数据，对OFDM频域数据进行分类处理。

首先对频域中的OFDM的子载波进行分类：数据子载波(Data Subcarriers)、空余子载波(Null Subcarriers)和导频子载波(Pilot Subcarriers)。以256点的OFDM系统为例，低频空余子载波28个，高频空余子载波27个，空余子载波索引为：-128、-127.....-101，101、102......127。导频子载波为-88、-63、-38、-13、18、38、63、88。其它均为数据子载波，分布如图3所示。另外，带外子载波是由于在IFFT前补零进行过采样时得到的，在频带上看属于带外信号，对限幅操作有帮助，但在最后保护处理中需要滤除。

在现有的限幅类方法中，常常采取限幅滤波的常规方法实现峰均比抑制。限幅后，信号峰均比有所下降，而信号由于限幅的影响产生带内失真和带外泄漏，带内失真是不可避免的，但可以在系统规定范围内进行修正以满足系统的需求，特别是EVM和BER等指标。令信号经过星座图映射、IFFT、并串转换后为x_n，0≤n≤N-1。对x_n进行限幅操作：

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

限幅前信号x_n，0≤n≤N-1的傅里叶变换为X_k，k∈U，D∪P∪N∪O＝U，其中D为数据子载波集合，P为导频子载波集合，N为空余子载波集合，O为带外子载波集合，互不相交。对这四类子载波采用以下修正方法，X′_k为修正后的信号。

$X_k^{\′}\left\{\begin{array}{cc}\≤\mathrm{Th}\·S_{\max }{e}^{j\∠E_k}& ,k\∈D\\ =x_k& ,k\∈P\\ \≤M\left(k\right)& ,k\∈N\\ =0& ,k\∈O\end{array}\right.$

数据子载波EVM约束的具体选取，应根据不同系统的具体要求而定。若系统采用了限幅操作而造成EVM，数据子载波继续保持其在频域上的幅角，而幅度则限制在EVM约束之下，EVM约束取值有多种选择，本实施例取限幅门限与星座点最大幅度的乘积Th·S_max。

导频子载波由于其在OFDM信道估计中的重要作用，同时也影响到信号检测过程，因此要保证其不受限幅影响，在OFDM频域信号中，导频子载波复位为原值x_k。即导频子载波的EVM设置为零，不能受到限幅操作的影响。

其中M(k)是关于频率k的频谱模板的函数。对于不同的应用场合，频谱模板的函数有所不同，如图3所示，表现为图中A/B/C/D等值的具体不同。

Claims (8)

1、一种用于降低OFDM信号峰均比的方法，包括如下步骤：

对OFDM信号进行限幅的限幅步骤；

对限幅后的数据进行傅立叶变换得到限幅后的频域数据的时域-频域变换步骤；

对限幅后的频域数据进行修正的修正步骤；

对修正后的数据进行反傅立叶变换得到修正后的时域数据的频域-时域变换步骤；

其特征在于，所述的修正步骤包括如下步骤：

(11)从限幅后的频域数据分离出数据子载波数据，导频子载波数据和空余子载波数据；

(12)对数据子载波数据根据系统EVM约束进行修正；

(13)对导频子载波数据进行复位操作，复位为限幅前数据；

(14)对空余子载波数据根据系统的频谱模板进行修正。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(11)还分离出带外子载波，所述的修正步骤还包括对带外子载波置零的带外子载波修正步骤。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(12)的具体步骤如下：

(31)计算限幅后的数据子载波数据的EVM；

(32)如果其不符合EVM约束，则将数据子载波数据调整至符合EVM约束。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(14)的具体步骤如下：

(41)确定限幅后的空余子载波数据的功率；

(42)如果空余子载波的功率超过频谱模板函数对应子载波的功率，则将空余子载波的功率值调整至小于或等于频谱模板函数对应子载波的功率值。

5、一种用于降低OFDM信号峰均比的系统，包括：

对OFDM信号进行限幅的限幅模块；

对限幅后的数据进行傅立叶变换得到限幅后的频域数据的时域-频域变换模块；

对限幅后的频域数据进行修正的修正模块；

对修正后的数据进行反傅立叶变换得到修正后的时域数据的频域-时域变换模块；

其特征在于，所述的修正模块包括：

(51)从限幅后的频域数据分离出数据子载波数据，导频子载波数据和空余子载波数据的分离模块；

(52)对数据子载波数据根据系统EVM约束进行修正的数据子载波修正模块；

(53)对导频子载波数据进行复位操作，复位为限幅前数据的导频子载波修正模块；

(54)对空余子载波数据根据系统的频谱模板进行修正的空余子载波修正模块；

6、根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述分离模块还分离出带外子载波，所述的修正模块还包括对带外子载波置零的带外子载波修正模块。

7、根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的数据子载波修正模块包括：

(71)用于计算限幅后的数据子载波数据的EVM的模块；

(72)用于其如果不符合EVM约束，则将数据子载波数据调整至符合EVM约束的模块。

8、根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的空余子载波修正模块包括：

(81)用于确定限幅后的空余子载波的功率的模块；

(82)用于如果空余子载波的功率超过频谱模板函数对应子载波的功率，则将空余子载波的功率值调整至小于或等于频谱模板函数对应子载波的功率值的模块。

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