CN101771643A - 一种信号处理的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号处理的方法，所述方法包括：将待处理的频域信号变换为第一时域信号；对第一时域信号进行峰值估计，得到时域控制信号，所述时域控制信号与第一时域信号叠加后的峰值平均功率比不大于设定的门限值；将所述时域控制信号转换为频域控制信号，转换后的频域控制信号由承载待处理的频域信号的子载波中的预留子载波承载；将待处理的频域信号与频域控制信号叠加，将叠加后的信号变换为第二时域信号。通过本发明，在降低PAPR的情况下，减少迭代次数，降低系统复杂度。本发明公开了一种信号处理的设备。

Description

一种信号处理的方法和设备

技术领域

本发明涉及通信领域的数据传输技术，尤其涉及通信领域中的一种信号处理的方法和设备。

背景技术

在正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统中，根据中心极限定理，如果系统中的子载波个数N足够大(如N＞100)，N个等载波间隔的OFDM信息可以等效成均值为0、方差为δ²的高斯分布，因此，在某些时刻不同子载波在相位和时间上可能线性叠加，产生幅度较大的脉冲峰值，随着子载波个数的增加，脉冲峰值可能会更大。较大的脉冲峰值会使OFDM系统中的峰值平均功率比(PAPR)起伏较大，这对于射频的线性功放提出了很高的要求，同时由于PAPR较大，发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高并且发送效率也较低，而接收端对前端放大器及A/D变换器的线性度也较高，因此，需要尽可能地降低系统中的PAPR值。为了降低OFDM的PAPR，现有技术提出了子载波预留技术(Tone Reservation，TR)技术。

在OFDM符号的全部N个子载波中，只有一部分子载波用于承载有效数据，其余不承载有效数据的子载波为预留子载波。预留子载波常位于频带的中心和两端，用于频谱成形或抑制频带间的干扰。在现有的OFDM系统中，可以通过对频域信号补零的方法实现子载波的预留，从而能够通过预留的子载波来抑制频带间的干扰。对频域信号补零的方法如图1所示，首先对有效信号进行串并转换，然后在数据串的末端通过补零的方式将数据扩展成长度为N的数据，接着对扩展后的数据进行快速傅立叶逆变换(Inverse Fast FourierTransform，IFFT)，最后将IFFT变换后的数据进行并串转换，得到用于补零的预留子载波。

执行补零方案后的OFDM系统中，用于补零的预留子载波并没有传输有效数据，并且这些预留子载波是正交的，即使承载额外的信号也不会使有效数据失真和不会导致其他子载波间的干扰，因此，可以考虑利用预留子载波降低系统的PAPR。如图2所示，利用预留子载波降低系统的PAPR的具体步骤为：首先，对频域的有效信号进行串并转换，得到X₀-X_N-1，然后在数据串的末端补充用于降低PAPR的控制信号C₀-C_N-1，从而将数据扩展成长度为N的数据串，接着对扩展后的数据进行IFFT变换，最后将IFFT变换后的数据进行并串转换。如图3所示，由于在频域增加了具有特殊结构的控制信号C₀-C_N-1，当通过IFFT变换后，频域的控制信号C₀-C_N-1转换为时域的控制信号c(t)，将该时域的控制信号c(t)和时域有效信号x(t)叠加，如图3虚线所示，叠加后的时域信号的PAPR降低了。进一步，利用高功率放大器(HPA)对叠加后的时域信号进行放大，对信道和噪声处理后发送给接收端。接收端对叠加后的时域信号进行离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)后，从中选择出频域的有效信号。

子载波预留技术可以有效地降低OFDM系统中的PAPR，提高系统的性能，但是，传统的子载波预留技术在将时域的控制信号c(t)和时域有效信号x(t)叠加时，采用梯度的最小均方误差方法，这样会导致迭代次数多，需要多个高性能设备(如DSP)的共同工作才能实现，增加了方法实现的复杂度，提高了实现成本，降低了系统的传输效率。

发明内容

本发明实施例提供一种信号处理的方法和设备，在降低PAPR的情况下，减少迭代次数，降低系统复杂度。

一种信号处理的方法，所述方法包括：

将待处理的频域信号变换为第一时域信号；

对第一时域信号进行峰值估计，得到时域控制信号，所述时域控制信号与第一时域信号叠加后的峰值平均功率比不大于设定的门限值；

将所述时域控制信号转换为频域控制信号，转换后的频域控制信号由承载待处理的频域信号的子载波中的预留子载波承载；

将待处理的频域信号与频域控制信号叠加，将叠加后的信号变换为第二时域信号。

一种信号处理的设备，所述设备包括：第一转换模块、控制信号确定模块、第二转换模块和叠加模块，其中：

第一转换模块，用于将待处理的频域信号变换为第一时域信号，并将所述叠加模块叠加后的信号变换为第二时域信号；

控制信号确定模块，用于对所述第一时域信号进行峰值估计，得到时域控制信号，所述时域控制信号与第一时域信号叠加后的峰值平均功率比不大于设定的门限值；

第二转换模块，用于将所述时域控制信号转换为频域控制信号，转换后的频域控制信号由承载待处理的频域信号的子载波中的预留子载波承载；

叠加模块，用于将待处理的频域信号与频域控制信号叠加。

本发明实施例将用于降低PAPR的时域控制信号转换为频域控制信号，转换后的频域控制信号由承载待处理的频域信号的子载波中的预留子载波承载；将待处理的频域信号与频域控制信号叠加，将叠加后的信号变换为第二时域信号，减少了信号叠加时的迭代次数，降低系统复杂度。

附图说明

图1为现有技术中对频域信号补零的框图；

图2为现有技术中利用预留子载波降低系统的PAPR的框图；

图3为现有技术中利用预留子载波降低系统的PAPR的原理图；

图4为本发明实施例一中信号处理的方法流程示意图；

图5为本发明实施例二中信号处理的设备结构示意图；

图6为利用本发明实施例一的方法和没有采用PAPR降低技术的峰均比仿真示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明实施例进行详细描述。

如图4所示，为本发明实施例一中信号处理的方法流程示意图，该方法包括：

步骤1：将待处理的频域信号X进行IFFT变换得到第一时域信号x。

待处理的频域信号X是一个OFDM符号中的信号。

步骤2：对变换得到的第一时域信号x进行峰值估计，得到时域控制信号x_p，所述时域控制信号x_p与第一时域信号x叠加后得到的时域叠加信号的PAPR值不大于设定的PAPR门限值P。

本步骤可以通过公式(1)表示：

PAPR(x-x_p)＝p    (1)

其中：PAPR()表示计算一个信号的峰值平均功率比；x-x_p表示将x和x_p叠加后得到的时域叠加信号；P表示设定的PAPR门限值。

步骤3：判断时域控制信号x_p是否为零序列，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤4。

判断时域控制信号x_p是否为零序列也就是判断第一时域信号x的PAPR值是否大于门限值P，若不大于P，表示变换第一时域信号x的PAPR值满足要求，不需要再对该信号进行降低峰值平均功率比的操作；否则，表示第一时域信号x的PAPR值过大，需要进行降低峰值平均功率比的操作。

步骤4：将所述时域控制信号x_p转换为频域控制信号C，转换后的频域控制信号C由预留的子载波承载。

在本步骤中，首先要确定预留子载波及相关的信息，然后将所述时域控制信号转换为频域控制信号后，由所述预留子载波承载。所述预留的子载波为承载待处理的频域信号X的子载波中的预留子载波。

步骤5：将待处理的频域信号X与频域控制信号C叠加，得到处理后的频域信号X_new。

本步骤可以通过公式(2)表示。

X_new＝X-C    (2)

步骤6：对得到的处理后的频域信号X_new进行IFFT变换得到第二时域信号x’。

由于频域控制信号C是通过时域控制信号x_p得到的，因此，最终得到的第二时域信号x’的PAPR值不大于设定的门限值，与第一时域信号x相比，降低了PAPR值。在本实施例一中，第一时域信号可以看作待处理的时域信号x，第二时域信号可以看作已进行降低PAPR值处理后的时域信号x’。

此时，对一个OFDM符号中的信号处理过程结束。

步骤7：结束对当前待处理的频域信号的处理，继续处理下一个OFDM符号，并跳转至步骤1。

通过以上7步的描述，由于迭代过程是在频域执行，因此，在时域部分，控制信号和待处理的信号不需要进行多次迭代，降低了系统的复杂度。

下面对实施例一中各步骤地具体实现过程进行描述。

在步骤2中，对第一时域信号x进行峰值估计，得到时域控制信号x_p的方法是以第一时域信号x的振幅和所述门限值P为调整系数，来调整第一时域信号，调整后的第一时域信号作为所述时域控制信号x_p。具体的算法如下：

第一步：利用公式(3)的算法计算确定PAPR门限值P：

$P=Q\×\sqrt{2}\×\mathrm{std}\left(X\right)---\left(3\right)$

其中：P表示设定的PAPR门限值；Q表示限幅因子，其值可以根据系统的具体参数而定，取值范围为

一般取值为1；std(X)表示第一时域信号x的标准偏差，所述标准偏差是方差的算术平方根。

第二步：比较第一时域信号x的振幅|x|和PAPR门限值P，在第一时域信号x的振幅大于PAPR门限值P时，确定与第一时域信号x的振幅和PAPR门限值P相关的调整系数，利用该调整系数调整第一时域信号x，调整后的时域信号为时域控制信号x_p。

调整系数为

时，计算时域控制信号x_p的算法如公式(4)所示：

$x_p\left(i\right)=x\left(i\right)(1-\frac{P}{\left|x\left(i\right)\right|})---\left(4\right)$

其中，i是一个变量，其取值为[0，N-1]，N表示待处理的频域信号X的子载波个数；x_p(i)是时域控制信号x_p的表达式；x(i)是第一时域信号x的表达式；|x(i)|是第一时域信号x的振幅。

本发明中的调整系数不限于这一种，其它利用第一时域信号的振幅和PAPR门限值构造的调整系数也是本发明构思下的实现方式。

在步骤4中，将时域控制信号x_p转换为频域控制信号C的实现方法如下：

第一步：根据第一时域信号x的幅值，设定一个加权矢量D，其求解过程如公式(5)所示：

D＝|x(i)|²    (5)

第二步：根据得到的加权矢量D确定加权矩阵S，如公式(6)所示。

$S={\left[\begin{array}{ccccc}{D}_0& 0& ...& ...& 0\\ 0& D_1& 0& ...& 0\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 0& 0& D_i& ...& 0\\ 0& ...& ...& 0& D_{N-1}\end{array}\right]}_{N\×N}---\left(6\right)$

其中：加权矩阵S是一个N×N的矩阵，N为承载待处理的频域信号X的子载波个数；D_i为加权矢量，i取值为[0，N-1]。

第三步：利用得到的加权矩阵S和时域控制信号x_p计算频域控制信号C，计算方法包括以下两种：

第一种：根据公式(7)计算获得频域控制信号C的表达式C(i)。

C(i)＝(A^HSA)^-1·A^H·S·x_p(i)    (7)

其中：C为频域控制信号；A为IFFT变换的逆矩阵；S为加权矩阵。

第二种：预先设定三个频域参数：b_k、e_k、g_k，p，其表达式分别如公式(8)、(9)、(10)所示：

$b_k=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i(A_{i,\mathrm{tk}}\·x_p^H\left(i\right)+A_{i,\mathrm{tk}}^H\·x_p\left(i\right))---\left(8\right)$

$e_k=-\frac{1}{2j}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i(A_{i,\mathrm{tk}}\·x_p^H\left(i\right)+A_{i,\mathrm{tk}}^H\·x_p\left(i\right))---\left(9\right)$

$g_{k,p}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i\·A_{i,\mathrm{tk}}^H\·A_{i,\mathrm{tk}}---\left(10\right)$

其中：A为IFFT变换的逆矩阵；N为承载待处理的频域信号X的子载波个数；i是一个变量，其取值为[0，N-1]；D为公式(5)所示的加权矢量；p的取值为[1，M]，M为预留子载波的个数；tk为预留子载波的序号集合，假如承载待处理的频域信号X的子载波个数N为1024，其中，第1、5、7、8子载波为预留子载波，tk为第1、5、7、8子载波的序号集合，目的是确保后续得到的频域控制信号C由这些子载波承载。

进一步地，可以分别将公式(8)、(9)、(10)变形为频域矩阵E＝[e_k ]_M×1、B＝[b_k]_M×1、

和

其中，Re(G)表示取G的实部，Im(G)表示取G的虚部，M为预留子载波的个数。

根据E、B、H构造出公式(11)：

${\left\{\begin{array}{c}{\left[R_k\right]}_{M\×1}\\ {\left[I_k\right]}_{M\×1}\end{array}\right\}}_{2M\×1}=H_{2M\×2M}^{-1}\left[\begin{array}{c}B\\ E\end{array}\right]---\left(11\right)$

其中，[R_k]_M×1表示频域控制信号C在预留子载波中的序列C_tk的实部，[I_k]_M×1表示频域控制信号C在预留子载波中的序列C_tk的虚部，即频域控制信号C在预留子载波中的序列C_tk＝R_k+jI_k。频域控制信号C在非预留子载波中的序列为0，因此，频域控制信号C的表达式如下：

$C\left(j\right)=\left\{\begin{array}{cc}{C}_{\mathrm{tk}}& j\∈\left\{\mathrm{tk}\right\}\\ 0& j\∉\left\{\mathrm{tk}\right\}\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中：tk为预留子载波的序号集合；tk的取值为[1，N]，j的取值为[1，N]；C(j)表示频域控制信号C序列中的一个元素，表示在第j个子载波的序列。

与本发明实施例一属于同一发明构思下的，本发明实施例二提供一种信号处理的设备，如图5所示，所述设备包括：第一转换模块11、控制信号确定模块12、第二转换模块13和叠加模块14，其中：第一转换模块11用于将待处理的频域信号变换为第一时域信号，并将所述叠加模块14叠加后的信号变换为第二时域信号；控制信号确定模块12用于对所述第一时域信号进行峰值估计，得到时域控制信号，所述时域控制信号与第一时域信号叠加后的峰值平均功率比不大于设定的门限值；第二转换模块13用于将所述时域控制信号转换为频域控制信号，转换后的频域控制信号由承载待处理的频域信号的子载波中的预留子载波承载；叠加模块14用于将待处理的频域信号与频域控制信号叠加，并将叠加后的信号发送给第一转换模块11。

所述信号处理的设备还包括信号判断模块15，用于判断所述控制信号确定模块12得到的所述时域控制信号是否是零序列，若是零序列，则结束对所述待处理的频域信号的处理，若不是零序列，则触发所述第二转换模块13。

所述控制信号确定模块12包括：调整系数确定子模块21和调整子模块22，其中：调整系数确定子模块21用于确定调整系数，所述调整系数与第一时域信号的振幅和所述门限值相关；调整子模块22用于利用所述调整系数调整第一时域信号，调整后的第一时域信号作为所述时域控制信号。

所述第二转换模块13包括：子载波确定子模块23和执行子模块24，其中：子载波确定子模块23用于确定承载待处理的频域信号的子载波中的预留子载波；执行子模块24用于将所述时域控制信号转换为频域控制信号，并由确定的所述预留子载波承载频域控制信号。

进一步地，调整系数确定子模块21确定的调整系数可以如公式(4)中的调整系数；调整子模块22可以按照公式(4)的算法调整第一时域信号；执行子模块24可以利用公式(8)、(9)、(10)和(11)获得频域控制信号。

本发明实施例一和实施例二提供的方法和设备，由于不需要在时域进行信号迭代，因此，在降低PAPR的同时使系统的算法更加简单，降低了对发送端的高功率放大器的线性度要求，同时克服了传统子载波预留技术收敛性差的问题。

如图6所示，为利用本发明实施例一的方法和没有采用PAPR降低技术的峰均比仿真示意图，表1为本发明实施例一方法中设置的仿真参数。

子载波数	512
		左右保护子载波数	52，51
调整方式	正交调幅QAM
		限幅门限	4dB
仿真符号数	1000
		子载波预留比例	5％，10％
预留子载波个数	25，51
		预留子载波方式	随机选择
过采样倍数	4

表1

从图6中可以看出，利用本发明的子载波预留技术能够有效降低OFDM系统的峰均比，当预留子载波的个数是子载波总数的10％时，可以降低超过4dB的峰均比，并且，预留子载波个数越多，降低的峰均比也越多。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种信号处理的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将待处理的频域信号变换为第一时域信号；

对第一时域信号进行峰值估计，得到时域控制信号，所述时域控制信号与第一时域信号叠加后的峰值平均功率比不大于设定的门限值；

将所述时域控制信号转换为频域控制信号，转换后的频域控制信号由承载待处理的频域信号的子载波中的预留子载波承载；

将待处理的频域信号与频域控制信号叠加，将叠加后的信号变换为第二时域信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对第一时域信号进行峰值估计，得到时域控制信号，包括以下步骤：

确定调整系数，所述调整系数与第一时域信号的振幅和所述门限值相关；

利用所述调整系数调整第一时域信号，调整后的第一时域信号作为所述时域控制信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，利用调整系数调整第一时域信号得到时域控制信号，包括以下步骤：

利用公式

计算获得所述时域控制信号；

其中：i是取值为[0，N-1]的变量，N是承载待处理的频域信号的子载波个数；P是设定的门限值；x_p(i)是时域控制信号表达式；x(i)是第一时域信号的表达式；|x(i)|是第一时域信号的振幅，

是调整系数。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，

所述门限值是利用公式

计算确定的；

其中，P是设定的门限值；Q是取值为

的限幅因子；std(X)是第一时域信号的标准偏差。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述时域控制信号转换为频域控制信号，包括以下步骤：

确定承载待处理的频域信号的子载波中的预留子载波；

将所述时域控制信号转换为频域控制信号，并由确定的所述预留子载波承载频域控制信号。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述时域控制信号转换为频域控制信号，包括以下步骤：

将设定的三个频域参数b_k、e_k和g_k，p变形为频域矩阵E、B、G和H，

E＝[ek]_M×1、B＝[b_k ]_M×1、

其中：A为快速傅立叶逆变换的逆矩阵；N为待处理的频域信号的子载波个数；i为取值[0，N-1]的变量；D为加权矢量；tk为预留子载波的序号集合；Re(G)表示取G的实部，Im(G)表示取G的虚部；

利用频域矩阵E、B和H获得的如下公式，确定频域控制信号在预留子载波中的序列：

${\left\{\begin{array}{c}{\left[R_k\right]}_{M\×1}\\ {\left[I_k\right]}_{M\×1}\end{array}\right\}}_{2M\×1}=H_{2M\×2M}^{-1}\left[\begin{array}{c}B\\ E\end{array}\right]$

其中：[R_k]_M×1表示频域控制信号在预留子载波中的序列的实部，[I_k]_M×1表示频域控制信号在预留子载波中的序列的虚部。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加权矢量是利用以下公式计算确定的：

D＝|x(i)|²

其中：|x(i)|是第一时域信号的振幅。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，得到时域控制信号之后，并且将所述时域控制信号转换为频域控制信号之前，所述方法还包括以下步骤：

判断所述时域控制信号是否是零序列；

若是零序列，则结束对所述待处理的频域信号的处理；

若不是零序列，则执行将所述时域控制信号转换为频域控制信号的步骤。

9.一种信号处理的设备，其特征在于，所述设备包括：第一转换模块、控制信号确定模块、第二转换模块和叠加模块，其中：

第一转换模块，用于将待处理的频域信号变换为第一时域信号，并将所述叠加模块叠加后的信号变换为第二时域信号；

控制信号确定模块，用于对所述第一时域信号进行峰值估计，得到时域控制信号，所述时域控制信号与第一时域信号叠加后的峰值平均功率比不大于设定的门限值；

第二转换模块，用于将所述时域控制信号转换为频域控制信号，转换后的频域控制信号由承载待处理的频域信号的子载波中的预留子载波承载；

叠加模块，用于将待处理的频域信号与频域控制信号叠加。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述控制信号确定模块，包括：

调整系数确定子模块，用于确定调整系数，所述调整系数与第一时域信号的振幅和所述门限值相关；

调整子模块，用于利用所述调整系数调整第一时域信号，调整后的第一时域信号作为所述时域控制信号。

11.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述第二转换模块，包括：

子载波确定子模块，用于确定承载待处理的频域信号的子载波中的预留子载波；

执行子模块，用于将所述时域控制信号转换为频域控制信号，并由确定的所述预留子载波承载频域控制信号。

12.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：

信号判断模块，用于判断所述控制信号确定模块得到的所述时域控制信号是否是零序列，若是零序列，则结束对所述待处理的频域信号的处理，若不是零序列，则触发所述第二转换模块。

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