CN101888361A - 峰均比处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种峰均比处理方法和装置。其中，该峰比处理方法包括：对于峰值大小高于或等于预定峰值门限的基带信号，确定该基带信号的截断信号；根据上述截断信号确定上述基带信号的消峰系数；根据上述消峰系数对上述基带信号进行牛顿迭代处理，使上述基带信号的峰值低于预定峰值门限。通过本发明，可以提高信号的质量，降低整个系统的复杂度，并且不会带来负面效果。

Description

峰均比处理方法和装置

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种峰均比处理方法和装置。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multipexing，简称为OFDM)技术是一种多载波传输技术。该技术在无线通信中得到了广泛的应用，例如，地面数字电视广播(Digital Video Broadcasting-Terrestral，简称为DVB-T)、数字音频广播(Digital Audio Broadcasting，简称为DAB)、室内无线网络(IEEE802.11a/g，简称为HIPERLAN/2)和宽带无线接入(IEEE802.16)等。并且，OFDM也是超3G(Beyond 3G，简称为B3G)移动通信的关键技术。

在具体实现过程中，OFDM系统将高速数据流进行串并转换，分配到N个并行的子信道中，且该N个子信道的数据同时被调制到相互正交的子载波上并行进行传输，由此，子信道上的符号传输速率降低为原数据的1/N，较低的符号速率有利于克服频率选择性衰落。相应地，符号周期扩展为原来的N倍，提高了对抗无线信道多径时延扩展的能力，使得高速数据流能够在具有多径衰落的频带上进行传输。同时，由于子载波之间存在正交性，因此与传统的频分复用系统相比，OFDM系统具有更高的频谱利用率。此外，OFDM系统还可以使用傅里叶逆变换/傅里叶变换(IFFT/FFT)实现快速调制和解调，并利用不同数量的子信道实现无线数据业务上/下行链路的非对称性。

由于OFDM调制信号是由N个独立子载波所组成，当N值充分大时，由中央极限定理可知OFDM信号中的实部及虚部信号近似为高斯分布，振幅大小为瑞利分布，即其传送的符号有较高的峰均比。当每个子载波被同相相加时时，会产生一个比平均功率高N倍的峰值，而过大的峰均比易导致放大器的工作处于饱和状态，因此需要放大器具有很宽的线性范围和功率预留，以避免传输信号的非线性失真，这必将增加系统的成本和实现难度。因此，如何通过适当的方法降低峰均比是OFDM基带解决的关键问题之一。

针对上述问题，现有技术中也已经提出了限幅、限幅滤波，编码，部分传输序列(partial transmit sequence，简称为PTS)，选择映射(selected mapping，简称为SLM)，音调保留(Tone Reservation，简称为TR)等多种解决方法，下面对这几种方法的工作原理进行描述。

(1)限幅、限幅滤波：该方法通过直接在信号峰值采用非线性操作来强制降低峰值功率。这种方法的优点是易实现，且与载波数无关，不影响编码速率，缺点是OFDM信号经过限幅后频谱特性会发生变化，导致带外功率辐射的增大和子载波间的干扰，从而导致整个系统的误比特流性能的降低。

(2)编码：该方法的优点是系统相对简单，并能够稳定地降低峰均比的性能，缺点是随着子信道数的增加，会导致系统吞吐量的迅速下降和频带利用率的降低。

(3)选择映射和部分发送序列：这两种方法可以有效并且无失真的降低峰均比，且适用于任意数量的子载波，子载波调制的种类也不受限制。但是这两种方法都需要经过多次IFFT运算，运算复杂度高，不利于实时处理；

(4)音调保留：该方法是一种无失真且能有效降低OFDM系统PAPR的方法，该方法的基本原理是：发射端保留一部分专门的子载波，用于产生抑制PAPR的消峰信号，接收机端则直接忽略这些被保留的用来抑制PAPR的子载波上的数据，从其他正常的用来传输信息的数据子载波中恢复有用的信号即可。传统的预留子载波算法随机生成一系列的数据序列，经IFFT变化后，作为时域消峰信号存储起来。然后将这些消峰信号与预留子载波处数据为“0”的OFDM符号的时域信号(经IFFT变换得到)分别相加，找到其中能使合成信号具有最小PAPR值的那个序列，将其插入到预留子载波处，与信息序列一起在经过IFFT变换后，作为传输信号。

音调保留方法的优点为不需要发送边带信息，也不会带来频带干扰，对于接收机的要求不高，接收机的设计较为简单，缺点是该算法只能在有限的几个序列中选择一个作为消峰序列，可选范围很小，不能有效降低信息序列的PAPR，并且需要较多的预留子载波才能取得一定的PAPR降低效果。

针对相关技术中无法在不带来负面效果的前提下有效降低峰均比的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

考虑到相关技术中无法在不带来负面效果的前提下有效降低峰均比的问题而提出本发明，为此，本发明的主要目的在于提供一种峰均比处理方法，以解决上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种峰均比处理方法。

根据本发明的峰比处理方法包括：对于峰值大小高于或等于预定峰值门限的基带信号，确定该基带信号的截断信号；根据上述截断信号确定上述基带信号的消峰系数；根据上述消峰系数对上述基带信号进行牛顿迭代处理，使上述基带信号的峰值低于预定峰值门限。

在确定上述基带信号的截断信号之前，该方法还包括：对上述基带信号进行相位旋转，将该基带信号转换为实基带信号。

优选地，如果与上述基带信号方向相反的反向基带信号的峰值大小高于或等于上述预定峰值门限，则根据上述截断信号确定上述基带信号的消峰系数

包括：其中，Clip A为上述基带信号的截断信号的大小，Clip B为上述反向基带信号的截断信号的大小。

优选地，上述基带信号的截断信号的大小为上述基带信号的峰值大小与上述预定峰值门限的差；上述反向基带信号的截断信号的大小为上述反向基带信号的峰值大小与上述预定峰值门限的差。

优选地，如果与上述基带信号方向相反的反向基带信号的峰值大小小于上述预定峰值门限，则确定上述基带信号的消峰系数

为1。

进一步地，根据上述消峰系数对上述基带信号进行牛顿迭代处理包括：根据以下公式进行迭代：

其中，i为迭代次数，uⁱ为迭代步长，且uⁱ的大小为上述截断信号的大小。

根据本发明的又一个方面，提供了一种峰均比处理装置。

根据本发明的峰均比处理装置包括：第一确定模块、第二确定模块和迭代处理模块。其中，第一确定模块，用于确定峰值大小高于或等于预定峰值门限的基带信号的截断信号；第二确定模块，用于根据上述截断信号确定上述基带信号的消峰系数；迭代处理模块，用于根据上述消峰系数对上述基带信号进行牛顿迭代处理，使上述基带信号的峰值低于上述预定峰值门限。

进一步地，该装置还包括：相位转换模块，用于对上述基带信号进行相位旋转，将上述基带信号转换为实基带信号。

优选地，上述第二确定模块包括：第一确定子模块，用于根据以下公式确定上述基带信号的消峰系数

其中，Clip A为上述基带信号的截断信号的大小，Clip B为上述反向基带信号的截断信号的大小；第二确定子模块，用于确定上述消峰系数

为1。

优选地，上述迭代处理模块用于根据以下公式进行迭代：

其中，i为迭代次数，uⁱ为迭代步长，且uⁱ的大小为上述截断信号的大小。

借助本发明的上述至少一个技术方案，通过牛顿迭代算法降低了OFDM系统的峰均比并且实现了载波的预留，提高了信号的质量，降低了整个系统的复杂度，并且不会带来负面效果。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据相关技术的预留子载波的原理示意图；

图2是根据本发明实施例的OFDM信号的峰值分析示意图；

图3是根据本发明实施例中峰均比处理方法的流程图；

图4是根据本发明实施例中峰均比处理方法的详细处理流程图；

图5是利用本发明的峰均比处理方法对OFDM信号进行处理前后的峰均比的效果对比图；

图6是根据本发明方法实施例的峰均比处理装置的框图；

图7是根据本发明方法实施例的峰均比处理装置的优选结构实例的框图。

具体实施方式

功能概述

为了便于理解，在对本发明实施例进行说明之前，首先对现有技术中的预留子载波的方法进行描述。

图1是根据相关技术的子载波预留方法的原理示意图，如图1所示，该方法的具体处理过程为：在L个预留子载波上安排适当的数据，使得这L个预留子载波上的数据Ck(k＝i1，i2，...iL，其中，i1，i2，...iL为预留子载波的索引)对应的时域信号c(n)恰好可以抑制原来的OFDM符号的峰值，也即在原来OFDM符号的峰值处c(n)的幅度恰好为该峰值点信号的幅度与门限值的差，相位则正好与该峰值点信号的相位相反。目前，通过对该子载波预留方法进行了改进，提出了积极集子载波预留方法，积极集子载波预留方法经过有限次迭代就能令对应的最大最小化问题达到收敛，但对复基带信号处理方法的效率较低，算法开销过大。

基于此，本发明提供一种优化的子载波预留方案，下面对本发明的基本思想进行说明：根据中心极限定理，对于较大子载波数N，OFDM信号采样点的实部和虚部都服从高斯分布，信号的幅度服从瑞利分布。如果采用过采样，可以认为N个子载波的过采样信号与αN个子载波的过采样信号的概率分布大致相同。高斯分布和瑞利分布的概率密度函数如下：

$p\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\∂}{e}^{-\frac{{(x-u)}^2}{2{\∂}^2}},\∂>0---\left(1\right)$

$f\left(z\right)=\frac{z}{{\∂}^2}\exp (-\frac{z^2}{2{\∂}^2}),z\≥0---\left(2\right)$

由上述概率密度函数可知，原OFDM信号的实部、虚部和幅度出现较大幅值的概率很小。下面在复平面上表示出OFDM信号。图2中，圆圈的半径为预定的峰值门限，该预定的峰值门限可以由系统可接受的PAPR值(例如，设置为8dB)确定。可以看到，超过预定的峰值门限的子载波数目不多且相位随机分布，因此，考虑到可以对超过预定的峰值门限的子载波对应的若干个方向进行峰值处理(例如，每次处理正反两个方向的两个子载波)。

图2是根据本发明实施例的OFDM信号的峰值分析示意图，如图2，A点是峰值点，定义原点至A点方向位峰值处理方向，对应得到垂直方向(图中原点值B点方向)和两轴间的夹角区域(如图中C点所在区域)。如果将坐标轴转到原点至A点方向，取信号实部并利用子载波预留方法进行PAPR处理，那么，峰值A点和接近负半轴的较大幅值D点将被降到期望幅值附近，重复进行这样的处理，直到所有较大幅值都降到期望值附近。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在以下的描述中，为了解释的目的，描述了多个特定的细节，以提供对本发明的透彻理解。然而，很显然，在没有这些特定细节的情况下，也可以实现本发明，此外，在不冲突的情况下，即在不背离所附权利要求阐明的精神和范围的情况下，下述实施例以及实施例中得各个细节可以进行各种组合。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种峰均比处理方法。

图3是根据本发明实施例的峰均比处理方法的流程图，如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤S302，对于峰值大小高于或等于预定峰值门限的基带信号，对基带信号进行相位旋转，将基带信号转换为实基带信号，并确定该基带信号的截断信号，其中，基带信号的截断信号的大小为基带信号的峰值大小与预定峰值门限的差。

步骤S304，根据截断信号确定基带信号的消峰系数。

步骤S306，根据消峰系数对基带信号进行牛顿迭代处理，使基带信号的峰值低于预定峰值门限，具体地，可以根据以下公式对基带信号进行牛顿迭代处理包括：根据进行迭代：

其中，i为迭代次数，uⁱ为迭代步长，且uⁱ的大小为截断信号的大小。

在具体实施过程中，如果与基带信号方向相反的反向基带信号的峰值大小高于或等于预定峰值门限，则根据截断信号确定基带信号的消峰系数

包括：

其中，Clip A为基带信号的截断信号的大小，Clip B为反向基带信号的截断信号的大小；如果与基带信号方向相反的反向基带信号的峰值大小小于预定峰值门限，则确定基带信号的消峰系数

为1。

通过本发明实施例提供的技术方案，当采用基于最大峰值方向的峰值处理方法时，采用改进的牛顿迭代算法，因为PAPR问题和经典的最大最小化问题有所区别：峰值只需要有明显下降并满足要求即可，无需达到或近似达到最优解。本发明中的牛顿迭代算法与现有技术中的积极集算法相比复杂度较小，且降低峰均比的效果也很好。这样，通过牛顿迭代算法降低了OFDM系统的峰均比并且实现了载波的预留，提高了信号的质量，降低了整个系统的复杂度，并且不会带来负面效果。

下面结合图2和图4对图3所示的方法进行举例说明，图4是根据本发明方法实施例的峰均比处理方法的详细处理流程图，如图4所示，该方法包括以下步骤：

步骤S401，根据预先设置的峰值门限(假设为N)对输入的OFDM符号的每个子载波所对应复基带信号的峰值进行判断，确定峰值大小高于或等于该峰值门限的复基带信号，以及所确定的复基带信号的峰值方向，并对每个确定的复基带信号进行步骤S402至S405的处理，下面仅以图2中所示的A点所在的复基带信号为例进行说明，将该复基带信号称为复基带信号A(假设复基带信号A的峰值为P)，其中，B点所在的复基带信号为与复基带信号A方向相反的复基带信号B(假设复基带信号B的峰值为Q)，由图2可以看出，复基带信号B的峰值也高于峰值门限。

步骤S402，对OFDM符号进行相位旋转操作，使得复基带信号A的峰值方向位于实轴上，当然，此时复基带信号B的峰值方向也位于实轴上。

步骤S403，确定复基带信号A的截断信号Clip A，其中，ClipA＝P-N，并将该Clip A作为迭代步长uⁱ，进一步地，如果复基带信号B的峰值大小Q大于或等于N，则需要确定出Clip B，其中，ClipB＝Q-N，如果复基带信号B的峰值大小Q小于N，则不需要对复基带信号B的峰值进行处理。

步骤S404，确定复基带信号A的消峰系数

开对

按最大值进行归一化处理，在该步骤中，需要考虑到复基带信号B的峰值大小，以确定例如，如果复基带信号B的峰值大小Q大于或等于N，则

如果复基带信号B的峰值大小Q小于N，则

步骤S405，利用牛顿迭代公式对复基带信号A进行峰值处理，其中，i为迭代次数，通过多次迭代，直至复基带信号A的峰值大小满足系统的PAPR要求。

通过重复上述步骤S402至S405对其他峰值大小超过或等于峰值阈值的复基带信号进行类似的处理，这里不再赘述。

图5是利用本发明的方法对OFDM信号进行处理前后的峰均比效果的对比图，从图5中可以看出采用此算法能够有效降低OFDM系统的峰均比。

装置实施例

在本实施例中，提供了一种峰均比处理装置。

如图6所示，根据本实施例的峰均比处理装置包括：第一确定模块1、第二确定模块2、和迭代处理模块3。

图6中所示的各个模块的功能如下：

第一确定模块1，用于确定峰值大小高于或等于预定峰值门限的基带信号的截断信号；第二确定模块2，连接至第一确定模块1，用于根据截断信号确定基带信号的消峰系数；迭代处理模块3，连接至第二确定模块2，用于根据消峰系数对基带信号进行牛顿迭代处理，使基带信号的峰值低于预定峰值门限。

其中，第二确定模块2可以包括：

第一确定子模块21，用于根据以下公式确定基带信号的消峰系数

其中，Clip A为基带信号的截断信号的大小，Clip B为反向基带信号的截断信号的大小；第二确定子模块22，用于确定消峰系数

为1。

其中，第一确定子模块21用于在反向基带信号的峰值大小也大于或等于预定峰值门限的情况下确定消峰系数，而在反向基带信号的峰值大小小于预定峰值门限的情况下，由第二确定子模块22确定消峰系数(使得该系数为1)。

并且，上述迭代处理模块可以用于根据以下公式进行迭代：

其中，i为迭代次数，uⁱ为迭代步长，且uⁱ的大小为截断信号的大小。

图7是根据本发明的峰均比处理装置的优选结构的框图。如图7所示，在图6所示的结构的基础上，图7所示的装置还包括：

相位转换模块4，连接至第一确定模块1，用于对基带信号进行相位旋转，将基带信号转换为实基带信号，从而进行后续的确定过程。

此外，图6和图7所示的装置同样能够实现图3和图4所示的处理并达到类似图5的效果，其过程和原理之前已经描述，这里不再重复。

通过上述装置，提高信号的质量，降低了整个系统的复杂度，并且不会带来负面效果。

如上所述，借助于本发明提供的峰均比处理方法和装置，本发明提出一种降低OFDM系统峰均功率比的预留子载波方法，利用此方法能够很好的降低OFDM系统中复信号的峰均比，并且此方法采用了改进的牛顿迭代算法，降低了系统的复杂度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种峰均比处理方法，其特征在于，包括：

对于峰值大小高于或等于预定峰值门限的基带信号，确定该基带信号的截断信号；

根据所述截断信号确定所述基带信号的消峰系数；

根据所述消峰系数对所述基带信号进行牛顿迭代处理，使所述基带信号的峰值低于所述预定峰值门限。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述基带信号的所述截断信号之前，所述方法还包括：

对所述基带信号进行相位旋转，将所述基带信号转换为实基带信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

如果与所述基带信号方向相反的反向基带信号的峰值大小高于或等于所述预定峰值门限，则根据所述截断信号确定所述基带信号的消峰系数

包括：

$\widehat{P^m}=(\mathrm{clipA}+\mathrm{clipB})/\mathrm{clipA},$

其中，Clip A为所述基带信号的截断信号的大小，Clip B为所述反向基带信号的截断信号的大小。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述基带信号的截断信号的大小为所述基带信号的峰值大小与所述预定峰值门限的差；

所述反向基带信号的截断信号的大小为所述反向基带信号的峰值大小与所述预定峰值门限的差。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

如果与所述基带信号方向相反的反向基带信号的峰值大小小于所述预定峰值门限，则确定所述基带信号的消峰系数

为1。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述消峰系数对所述基带信号进行牛顿迭代处理包括：

根据以下公式进行迭代： $x\left(i\right)=x(i-1)-u^i\widehat{P^m},$

其中，i为迭代次数，uⁱ为迭代步长，且uⁱ的大小为所述截断信号的大小。

7.一种峰均比处理装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于确定峰值大小高于或等于预定峰值门限的基带信号的截断信号；

第二确定模块，用于根据所述截断信号确定所述基带信号的消峰系数；

迭代处理模块，用于根据所述消峰系数对所述基带信号进行牛顿迭代处理，使所述基带信号的峰值低于所述预定峰值门限。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

相位转换模块，用于对所述基带信号进行相位旋转，将所述基带信号转换为实基带信号。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块包括：

第一确定子模块，用于根据以下公式确定所述基带信号的消峰系数

其中，Clip A为所述基带信号的截断信号的大小，Clip B为所述反向基带信号的截断信号的大小；

第二确定子模块，用于确定所述消峰系数

为1。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述迭代处理模块用于根据以下公式进行迭代： $x\left(i\right)=x(i-1)-u^i\widehat{P^m,}$

其中，i为迭代次数，uⁱ为迭代步长，且uⁱ的大小为所述截断信号的大小。

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