CN101917378B - 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，对传统的多音预留技术进行了改进，在峰值消除信号乘上一个优化因子，从而加快了传统多音预留技术的收敛速率，保持了较佳的降低OFDM信号峰均功率比的性能，实现了低复杂度情况下快速降低OFDM信号的峰均功率比。

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）的无线通信技术领域，具体涉及基于多音预留降低OFDM信号峰均功率比的方法。

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，导致多普勒（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技术是指将频域分割成多个子信道，各相邻子信道间相互正交重叠，从而提高频谱的利用效率。可见，OFDM一方面能够克服频率选择性衰落；另一方面，取小于相干时间的一段时间间隔作为一个OFDM符号的持续时间，从而可以大大降低信道的时间选择性衰落对传输系统的影响。

然而，OFDM技术仍然存在一些重要问题没有得到很好地解决。其中一个难点和关键技术就是如何对高峰均功率比（峰值功率和平均功率之比）的控制。由于OFDM信号是由多个子载波信号叠加而成，与恒包络信号如单载波信号相比，OFDM信号的峰均功率比将是非常的高。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。线性动态范围宽的功率放大器，将使得发射机的成本大大增加。线性动态范围低的功率放大器虽然可以降低成本，但发送信号将会严重失真，从而导致系统性能的严重下降。因此，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。

目前，人们提出了很多方法来降低OFDM信号的峰均功率比。其中，多音预留（Tone Reservation）技术是一种有效的方法，该方法主要是通过预留一些子载波（称为预留子载波）形成降低峰均功率比的信号，然后将其叠加到其它子载波（称为数据子载波）所对应的时域信号上，使得总的时域信号的峰均功率比大大降低。假设OFDM系统的子载波数为N，选择其中M个子载波作为预留子载波，在预留的子载波上放置降低峰均功率比的符号，记为C(k)；其余N-M个子载波为数据子载波，在数据子载波上放置将要发送的数据符号，记为X(k)。X(k)+C(k)，(k＝0,1,...,N-1)便是频域数据块。然后，对频域数据块进行N点反快速傅里叶变换（IFFT）便得到时域信号x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]。传统的多音预留方法的主要思想是：先对时域信号x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]进行剪波处理，即

$\tilde{x}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x\left(n\right),& \left|x\left(n\right)\right|\≤A\\ {\mathrm{Ae}}^{\mathrm{j\θ}\left(n\right)},& \left|x\left(n\right)\right|>A\end{array}\right.$

其中θ(n)为信号x(n)的相位，A为剪波门限，得到新的时域信号

明显地，剪波噪声为

(n＝0,1,…,N-1)。再通过快速傅里叶变换（FFT）得到相应的频域信号为F＝FFT{f}，其中，F＝[F(0),F(1),…,F(N-1)],f＝[f(0),f(1),…,f(N-1)]。然后，只保留预留子载波上的F值，令其它子载波上的值为0，便得到峰值消除信号的频域数据C；再对C进行逆快速傅里叶变换（IFFT），得到时域的峰值消除信号：c＝IFFT{C}，然后将c和原始时域信号加起来，再重复上述过程。

可见，传统的多音预留方法，其降低OFDM信号峰均功率比存在着收敛速度慢、计算复杂度高的缺点，不能完全满足现实通信中的发展需求。

发明内容

本发明提出了一种降低OFDM信号峰均功率比的方法，目的在于实现低复杂度情况下快速降低OFDM信号的峰均功率比。

一种降低OFDM信号峰均功率比的方法，包括下述步骤：

（1）令迭代次数LOOP＝0，计算时域信号x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]的峰均功率比PAPR₀，N为子载波个数；

（2）令LOOP＝LOOP+1，对时域信号x进行剪波处理，得到时域剪波噪声信号f＝[f(0),f(1),...f(N-1)，对时域剪波噪声信号f进行N点快速傅立叶变换得到频噪声数据块F＝[F(0),F(1),...,F(N-1)]；

（3）构建峰值消除信号的频域形式C＝[C(0),C(1),...,C(N-1)]，其中 $C\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}F\left(k\right),& k\∈R\\ 0,& k\∈R^c\end{array}\right.,$ k＝0,1,…,N-1，R为预留子载波集合，R^c为数据子载波集合，再对C进行反快速傅立叶变换得到峰值消除信号的时域形式c＝[c(0),c(1),...,c(N-1)]；

（4）优化峰值消除信号，记为

其中

Κ＝{nx(n)|＞A},n＝0,1,…,N-1；

（5）更新时域信号

并计算当前时域信号x的峰均功率比PAPR_LOOP，若PAPR_LOOP-1-PAPR_LOOP＞ε，则当前时域信号x为最终待发送信号，否则，返回步骤（2），其中ε为迭代收敛控制变量。

本发明对传统的多音预留方法进行了改进，对用于消除峰值的信号乘以了一个优化因子，从而加快了峰均功率比降低的收敛速度，使得计算复杂度大大降低，经过仿真实验验证，可以降低80%以上。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明中降低OFDM信号峰均功率比方法的原理框图；

图3是本发明产生快速收敛的峰值消除信号的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明：

如图1所示，我们设该OFDM系统的总子载波数为N，其中预留M个子载波用于降低峰值，预留子载波的集合R随机确定，输入的频域数据块设为X＝[X(0),X(1),…,X(N-1)]；其中X(k)＝0（k∈R）；当时，X(k)为调制信号。

包括下述步骤：

为方便说明算法，设迭代次数的变量为LOOP，迭代收敛控制变量为ε（即相邻两次迭代的峰均功率比的差值不超过ε，一般情况下ε＝0.01~0.1)，预留子载波集合为R。

（1）对于N个子载波而言，其中M个预留子载波上的值设置为0，定义预留子载波的集合为R＝{i_o,i₁，...,i_M-1}，其中，i_m(m＝0,1,…,M-1)用来指示集合R中第m个预留子载波在频域数据块中所处的位置。将输入的比特数据流经正交振幅调制（QAM）后，放置在N-M个数据子载波上，定义R^c为集合R在N＝{0,1,...,N-1}的补集，用来指示数据子载波在频域数据块中的位置。对于传输的频域数据块X＝[X(0),X(1),…,X(N-1)]而言，X(k)＝0,k∈R；对X进行IFFT，这样就得到了频域信号所对应的OFDM时域信号x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]。令LOOP＝0，计算当前时域信号的峰均功率比，记为PAPR₀；

如图2所示，以下为对信号峰均功率比的降低过程：

（2）输入信号的剪波处理部分：

令LOOP＝LOOP+1，对时域信号x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]进行剪波处理，便得到时域失真信号如下：

$\tilde{x}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}x\left(n\right),& \left|x\left(n\right)\right|\≤A\\ {\mathrm{Ae}}^{\mathrm{j\θ}\left(n\right)},& \left|x\left(n\right)\right|>A\end{array}\right.,$ n＝0,1，...,N-1，

其中θ(n)为信号x(n)的相位，A为剪波门限。剪切以后的时域噪声信号表示为:f＝[f(0),f(1),...,f(N-1)]，其中

对时域噪声信号进行N点FFT得到得到频噪声数据块F＝[F(0),F(1),...,F(N-1)]；

（3）保留M个预留子载波上的F的值，将N-M个数据子载波的值设为0，则得到峰值消除信号的频域形式C＝[C(0),C(1),...,C(N-1)]，其中 $C\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}F\left(k\right),& k\∈R\\ 0,& k\∈R^c\end{array}\right.,$ (k＝0,1,…,N-1)；再对C进行IFFT得到峰值消除信号的时域信号c＝[c(0),c(1),...,c(N-1)]；

（4）产生快速收敛的峰值消除信号（如图3所示）：

根据（I）式计算出优化系数p,其中Κ＝{nx(n)|＞A}

$p=\frac{\underset{n\∈K}{\mathrm{\Σ}}\left|c\left(n\right)\right|\left|f\left(n\right)\right|}{\underset{n\∈K}{\mathrm{\Σ}}{\left|c\left(n\right)\right|}^2},---\left(I\right)$

然后，对c乘以上述的优化系数p，记为：

（5）将

与原始时域信号x相加得到新的时域信号

并计算该信号峰均功率比，记为PAPR_LOOP，若PAPR_LOOP-1-PAPR_LOOP＞ε，执行步骤（6）。否则，返回到步骤（2），迭代上述过程。

（6）将此时具有较低峰均功率比的时域信号作为发送信号发送出去。

实例：

具体参数方案：OFDM系统的子载波数为256，预留子载波数为32，预留位置随机确定，输入信号为QPSK调制的信号，剪波门限设为2.5。

仿真结果显示：在CCDF＝10^-3时，降低OFDM信号的峰均功率比为3.8dB时，传统的多音预留技术至少需要13次迭代运算，而新方法仅要需要2次迭代就能达到相同的效果。可见，新方法可以大大降低计算复杂度。

以上为本发明的一个实例而已，但本发明不应该局限于该实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 (1)

1.一种降低OFDM信号峰均功率比的方法，包括下述步骤：

（1）令迭代次数LOOP＝0，计算时域信号x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]的峰均功率比PAPR₀，N为子载波个数；

（2）令LOOP＝LOOP+1，对时域信号x进行剪波处理，得到时域剪波噪声信号f＝[f(0),f(1),...,f(N-1)]，对时域剪波噪声信号f进行N点快速傅立叶变换得到频域噪声数据块F＝[F(0),F(1),...,F(N-1)]；

（3）构建峰值消除信号的频域形式C＝[C(0),C(1),...,C(N-1)]，其中 $C\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}F\left(k\right),& k\∈R\\ 0,& k\∈R^c\end{array}\right.,$ k＝0,1,…,N-1，R为预留子载波集合，R^c为数据子载波集合，再对C进行反快速傅立叶变换得到峰值消除信号的时域形式c＝[c(0),c(1),...,c(N-1)]；

（4）优化峰值消除信号，记为其中Κ＝{nx(n)|＞A},n＝0,1,…,N-1，A代表剪波门限；

（5）更新时域信号

并计算当前时域信号x的峰均功率比PAPR_LOOP，若PAPR_LOOP-1-PAPR_LOOP＞ε，则当前时域信号x为最终待发送信号，否则，返回步骤（2），其中ε为迭代收敛控制变量。

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