CN101778071A - 一种降低ofdm信号峰均功率比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低OFDM信号峰均功率比的方法，通过增大数据块中一些数据符号的幅值来降低OFDM信号的峰均功率比。该方法首先对OFDM信号按照一定的门限进行剪切(由于时域剪切会对频域数据块引入噪声)，然后对引入了噪声的频域数据块进行如下处理：计算出每个失真的数据符号到原始数据符号的投影，如果这个投影的模比原始数据符号的模大，那么用这个投影代替原始数据符号，否则保持原始数据符号不变，从而得到新的频域数据块和新的时域信号；如果这个新的时域信号的峰均功率比复合我们的要求，则将其加上循环前缀后送给高功率放大器，否则，重复进行上述的步骤。本发明在不影响误码率的前提下较大地降低OFDM信号的峰均功率比，还可以降低计算复杂度。

Description

一种降低OFDM信号峰均功率比的方法

技术领域

本发明属于采用正交频分复用信号(OFDM)的无线和有线通信技术领域，具体涉及一种新的部分幅值增大方法降低OFDM信号的峰均功率比。

背景技术

在移动无线信道中，信号从发射天线经过一个时变多径信道到达接收天线，会产生时间选择性衰落和频率选择性衰落。信道的时变特性引起信号频谱的展宽，导致Doppler效应，造成信号随时间呈选择性衰落。根据多径信道在频域中表现出的频率选择性衰落特性，人们提出了正交频分复用(OFDM)技术。OFDM将串行高速的信道转变成多个低速并行的子信道，这样对于每个子信道而言，原始的频率选择性衰落转变成平坦型瑞利衰落，从而可以大大降低多径衰落的影响。尽管OFDM技术在抗信道频率选择性衰落方面具有独特的优势，但OFDM技术仍然存在一些重要问题没有得到很好地解决。其中一项很关键的技术难点就是峰均功率比问题。如果信号的峰均功率比很高，发射机功率放大器的线性动态范围将要求很宽，并且要求A/D和D/A的精度必须很高。使用宽线性动态范围的功率放大器和精度高的A/D，D/A将使得发射机的成本将大大增加。使用低线性动态范围的功率放大器和精度高的A/D，D/A虽然可以降低成本，但发送信号将会严重失真，从而导致系统性能的严重下降。为了降低OFDM信号对发送功率放大器的要求，需要降低OFDM信号的峰均功率比。为了降低OFDM信号的峰均功率比，人们提出了很多解决方案。在这些方案中，采用剪波法降低峰均功率比最为引人注目。

剪波法(参见x.Li and J.Cimini.Effects of Clipping and Filtering on the Performance ofOFDM，“IEEE COMMUNICATIONS LETTERS”VOL.2，NO.5，MAY 1998.)是一种常用的降低OFDM信号峰均功率比的方法，它对OFDM信号的幅值进行剪切，保持OFDM信号的相位不变，如下所示：

${\tilde{x}}_n=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n& \left|x_n\right|<A,\\ {\mathrm{Ae}}^{{\mathrm{j\&theta;}}_n}& \left|x_n\right|\&GreaterEqual;A,\end{array}\right.---\left(I\right)$

上式中，n＝0，1，...，N-1，N表示时域信号的个数，x_n是原始时域信号，

为剪切以后的时域信号，θ_n是x_n的相位，

A为剪切门限。由于对OFDM时域信号进行了剪波，所以对频域数据块会引入一个噪声，从而减小了星座点之间的最小距离，系统的误码率由此会上升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低OFDM信号峰均功率比的方法，该方法在不影响误码率的前提下较大地降低OFDM信号的峰均功率比，本发明的进一步的目的是在不影响峰均功率比降低程度的情况下，较大地降低了计算复杂度。

本发明提供的第一种降低OFDM信号峰均功率比的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

一种降低OFDM信号峰均功率比的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(A1)将原始的输入比特流通过映射转变成数据符号X_k，k＝0，...，N-1，k表示数据块中数据符号的位置，N为数据块中数据符号的个数，得到原始的频域数据块X＝[X₀，X₁，...，X_N-1]；

(A2)对频域数据块X进行N点傅里叶逆变换，得到时域信号x＝[x₀，x₁，...，x_N-1]；

(A3)对得到的时域信号进行剪波，得到剪切信号然后再对

进行N点傅里叶变换，得到失真的频域数据块

(A4)计算每个失真的数据符号

k＝0，...，N-1到相应的原始数据符号X_k的投影

${\hat{X}}_k=\mathrm{Re}\left[{\hat{X}}_k\frac{X_k^{*}}{\left|X_k\right|}\right]\frac{X_k}{\left|X_k\right|},k=0,...,N-1,$

其中，Re[]表示取实部，*表示共轭；

(A5)对原始的频域数据块中的每个数据符号X_k，k＝0，...，N-1都进行如下的处理：

${\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k=\left\{\begin{array}{cc}{X}_k,& \left|{\hat{X}}_k\right|<\left|X_k\right|,\\ {\hat{X}}_k,& \left|{\hat{X}}_k\right|\&GreaterEqual;\left|X_k\right|,\end{array}\right.$

得到新的频域数据块X＝[X₀，X₁，...，X_N-1]，对X其进行N点傅里叶逆变换，得到新的时域信号x＝[x₀，x₁，...，x_N-1]；

(A6)计算出新的时域信号x的峰均功率比，如果，该峰均功率比小于一个预设的峰均功率比阈值，则转到步骤(3)，否则，加上循环前缀后将其传送至功率放大器。

由于所提出的方法的计算复杂度比较高，因此对其进行了一些改进，其特征在于：该方法包括下述步骤：

(B1)将原始的输入比特流通过映射转变成数据符号X_k，k＝0，...，N-1，从而得到频域数据块X＝[X₀，X₁，...，X_N-1]；

(B2)对频域数据块X进行N点傅里叶逆变换，得到时域信号x＝[x₀，x₁，...x_N-1]；

(B3)对得到的时域信号进行剪波，得到剪切信号

计算出噪声信号

其中对噪声信号

求N点傅里叶逆变换得到噪声数据块

(B4)计算每个噪声符号

k＝0，...，N-1到相应的原始符号X_k的投影

${\hat{F}}_k=\mathrm{Re}\left[{\tilde{F}}_k\frac{X_k^{*}}{\left|X_k\right|}\right]\frac{X_k}{\left|X_k\right|},k=0,...,N-1,$

其中，Re[]表示取实部，*表示共轭；

(B5)对噪声数据块中的每个噪声符号

k＝0，...，N-1进行如下的处理

${\stackrel{\&OverBar;}{F}}_k=\left\{\begin{array}{cc}0,& |{\hat{F}}_k+X_k|<\left|X_k\right|,\\ {\hat{F}}_k,& |{\hat{F}}_k+X_k|\&GreaterEqual;\left|X_k\right|,\end{array}\right.$

经过上述方法处理后，得到新的噪声数据块F＝[F₀，F₁，...，F_N-1]，对其进行N点傅里叶逆变换，再得到新的时域噪声信号f。

(B6)联合

和f计算参数μ：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|\tilde{f}\left(n\right)\right|\left|\stackrel{\&OverBar;}{f}\left(n\right)\right|}{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|\tilde{f}\left(n\right)\right|}^2},$

(B7)计算新的时域信号x，x＝x+μf，再计算x的峰均功率比，如果，该峰均功率比小于预设的峰均功率比阈值，则转到步骤(B3)，否则，加上循环前缀后将其传送至功率放大器。

在上述二种技术方案中，可以优选下述方式对OFDM信号的幅值进行剪切：

${\tilde{x}}_n=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n& \left|x_n\right|<A,\\ {\mathrm{Ae}}^{j{\mathrm{\&theta;}}_n}& \left|x_n\right|\&GreaterEqual;A,\end{array}\right.$

上式中，n＝0，1，...，N-1，N表示时域信号的个数，x_n是原始时域信号，

为剪切以后的时域信号，θ_n是x_n的相位，

A为剪切门限。

针对剪波法导致系统误码率的上升，本发明提出了部分幅值增大法，目的在于不影响OFDM系统的误码率前提下，有效地降低OFDM信号的峰均功率比，即：稍微增大频域数据块中一些数据符号的幅值来降低OFDM信号的峰均功率比同时保持星座点之间的最小距离不变。部分幅值增大法可以很好的降低OFDM信号的峰均功率比，同时由于保持了星座点之间最小距离不变，从而对误码率也不会造成恶化的影响。为了降低部分幅值增大法的计算复杂度，本发明还对所提出的部分幅值增大法进行了一些改进，目的在于不影响部分幅值增大法降低峰均功率比的前提下，降低其计算复杂度。

附图说明

图1是本发明中利用部分幅值增大法降低峰均功率比的OFDM系统的原理框图；

图2是本发明中对部分幅值增大法改进之后的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图两组具体参数对本发明进一步说明：

本发明方法也称部分幅值增大法，其流程如图1所示。

为了降低峰均功率比同时降低部分幅值增大法的计算复杂度，本发明还对部分幅值增大法进行了局部改进，其流程如图2所示

预设的峰均功率比阈值的通常设定范围为5～9dB。剪切门限通常设定范围为5～15dB，具体根据所选择的调制方式确定。

实例：

调制方式采用QPSK和16HEX两种情况，子载波的个数分别为256和1024，剪切门限分别为7.96dB和13.96dB，在CCDF＝10^-4时，预设的峰均功率比阈值为7dB。

1峰均功率比的降低效果

仿真结果表明，本发明能够很好的降低OFDM信号的峰均功率比，并且不会造成系统误码率的上升。在CCDF＝10^-4，子载波个数为256，调制方式为QPSK情况下，部分幅度增大法在迭代次数为28次的时候能够取得5.0dB的PAPR降低的效果，采用改进的部分幅度增大法，只用2次迭代就去的了峰均功率比降低5.0dB的效果，说明收敛算法确实能够很好的降低部分幅值增大法的计算复杂度。当子载波个数为1024，调制方式为16HEX情况下，部分幅度增大法在迭代次数为28次的时候能够取得4.8dB的PAPR降低的效果，采用改进的部分幅度增大法，只用3次迭代就去的了峰均功率比降低4.8dB的效果。综上所述，本发明能够很好的降低OFDM信号的峰均功率比，对其改进以后能够极大的减小部分幅度增大法的计算复杂度。

2比特误差率的效果

调制方式采用16HEX，子载波的个数分别为1024，剪切门限为13.96dB。

仿真结果表明，若使用本发明所述方法降低峰均功率比，OFDM信号通过高功率放大器和加性高斯白噪声(AWGN)信道，在比特误差率为10^-3，所需信噪比为14dB，而剪波法需要22dB。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种降低OFDM信号峰均功率比的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(A1)将原始的输入比特流通过映射转变成数据符号X_k，k＝0，...，N-1，k表示数据块中数据符号的位置，N为数据块中数据符号的个数，得到原始的频域数据块X＝[X₀，X₁，...，X_N-1]；

(A2)对频域数据块X进行N点傅里叶逆变换，得到时域信号x＝[x₀，x₁，...，x_N-1]；

(A3)对得到的时域信号进行剪波，得到剪切信号然后再对

进行N点傅里叶变换，得到失真的频域数据块

(A4)计算每个失真的数据符号

k＝0，...，N-1到相应的原始数据符号X_k的投影

${\hat{X}}_k=\mathrm{Re}\left[{\tilde{X}}_k\frac{X_k^{*}}{\left|X_k\right|}\right]\frac{X_k}{\left|X_k\right|},k=0,...,N-1,$

其中，Re[]表示取实部，*表示共轭；

(A5)对原始的频域数据块中的每个数据符号X_k，k＝0，...，N-1都进行如下的处理：

${\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k=\left\{\begin{array}{cc}{X}_k,& \left|{\hat{X}}_k\right|<\left|X_k\right|,\\ {\hat{X}}_k,& \left|{\hat{X}}_k\right|\&GreaterEqual;\left|X_k\right|,\end{array}\right.$

得到新的频域数据块X＝[X₀，X₁，...，X_N-1]，对X其进行N点傅里叶逆变换，得到新的时域信号x＝[x₀，x₁，...，x_N-1]；

(A6)计算出新的时域信号x的峰均功率比，如果，该峰均功率比小于一个预设的峰均功率比阈值，则转到步骤(3)，否则，加上循环前缀后将其传送至功率放大器。

2.另一种降低OFDM信号峰均功率比的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(B1)将原始的输入比特流通过映射转变成数据符号X_k，k＝0，...，N-1，从而得到频域数据块X＝[X₀，X₁，...，X_N-1]；

(B2)对频域数据块X进行N点傅里叶逆变换，得到时域信号x＝[x₀，x₁，...x_N-1]；

(B3)对得到的时域信号进行剪波，得到剪切信号

计算出噪声信号

其中

对噪声信号

求N点傅里叶逆变换得到噪声数据块

$\tilde{F}=[{\tilde{F}}_0,{\tilde{F}}_1,...,{\tilde{F}}_{N-1}];$

(B4)计算每个噪声符号

k＝0，...，N-1到相应的原始符号X_k的投影

${\hat{F}}_k=\mathrm{Re}\left[{\tilde{F}}_k\frac{X_k^{*}}{\left|X_k\right|}\right]\frac{X_k}{\left|X_k\right|},k=0,...,N-1,$

其中，Re[]表示取实部，*表示共轭；

(B5)对噪声数据块中的每个噪声符号

k＝0，...，N-1进行如下的处理

${\stackrel{\&OverBar;}{F}}_k=\left\{\begin{array}{cc}0,& |{\hat{F}}_k+X_k|<\left|X_k\right|,\\ {\hat{F}}_k,& |{\hat{F}}_k+X_k|\&GreaterEqual;\left|X_k\right|,\end{array}\right.$

经过上述方法处理后，得到新的噪声数据块F＝[F₀，F₁，...，F_N-1]，对其进行N点傅里叶逆变换，再得到新的时域噪声信号f。

(B6)联合和f计算参数μ：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|\tilde{f}\left(n\right)\right|\left|\stackrel{\&OverBar;}{f}\left(n\right)\right|}{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|\tilde{f}\left(n\right)\right|}^2},$

(B7)计算新的时域信号x，x＝x+μf，再计算x的峰均功率比，如果，该峰均功率比小于预设的峰均功率比阈值，则转到步骤(B3)，否则，加上循环前缀后将其传送至功率放大器。

3.根据权利要求1或2所述的降低OFDM信号峰均功率比的方法，其特征在于：按照下式对OFDM信号的幅值进行剪切：

${\tilde{x}}_n=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n& \left|x_n\right|<A,\\ {\mathrm{Ae}}^{{\mathrm{j\&theta;}}_n}& \left|x_n\right|\&GreaterEqual;A,\end{array}\right.$

上式中，n＝0，1，...，N-1，N表示时域信号的个数，x_n是原始时域信号，

为剪切以后的时域信号，θ_n是x_n的相位，

A为剪切门限。

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