CN102075483A - 降低ofdm信号峰均比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种降低OFDM信号峰均比(PAPR)的方法，这种方法通过级联SLM方法或PTS方法与限幅法来降PAPR。首先通过采用分组数较少的SLM或者PTS来初步降低信号峰均比，然后对PTS或者SLM输出的时域数据用限幅法通过设定限幅率将PAPR降到目标值。与只用PTS或者SLM方法相比这种方法因使用的分组数比较少，实现复杂度低，与只用限幅法相比这种方法在限幅前已初步降低了信号的PAPR，因而在同样的限幅率时引起信号的失真比较少。这种方法融合了PTS或SLM方法引起的信号失真少和限幅法降峰均比直接且实现简单的优点。在高斯信道情况下其误码率性能与原始数据相比有一定的下降，但在设计所关心的信噪比范围内性能损失不大。

Description

降低OFDM信号峰均比的方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是在OFDM系统中降峰均比技术。可用于OFDM中降峰均比设计，这种方法结合了降峰均比方法中PTS和SLM方法线性失真小和限幅法实现简单且降峰均比直接的优点，在损失很小的误码率性能前提下提高了降峰均比能力和降低了实现的复杂度。

背景技术

随着移动通信和无线网络需求的不断增加，越来越需要更加先进的无线传输技术。高速无线通信系统设计的一个最直接的挑战是克服无线信道带来的严重的频率选择性衰落。正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)技术可以很好地克服无线信道的频率选择性衰落，由于其高效的传输特点，OFDM已成为实现未来高速无线通信的核心技术之一。

OFDM系统最主要的缺点之一是具有较大的峰均比(PAPR)，它直接影响着整个系统的运行成本和效率。在某个时刻，若多个载波以同一个方向进行累加时就会产生很大的峰值功率，从而要求功率放大器具有很宽的线性放大区域。否则，当信号峰值落在功率放大器的非线性区域时，就会发生信号的畸变，从而产生子载波间的互相干扰和带外辐射，破坏了子载波的正交性，降低系统性能。为了避免这种情况，功率放大器应该工作在大功率补偿状态下。然而，这会导致非常低的功率放大效率，并且使得发射机的成本变得非常昂贵。另一方面，若OFDM技术应用在移动通信中，由于移动终端的能量很有限，从而要求高效的功率放大。因此，在OFDM多载波系统中，必须采用一定的技术来降低信号的峰均功率比，使得发射机中的功率放大器能够高效工作并提高系统的整体性能。

目前解决OFDM中峰均比问题的方法总体上可以分为三大类：预畸变类方法，编码类方法和扰码类方法。每种方法都有自己的特色，但都存在着各自的缺陷。预畸变类方法直接对信号的峰值进行非线性操作，它最直接最简单，但因为它采用了非线性操作因此会带来带内噪声和带外干扰，从而降低系统的误码率性能和频谱效率。编码类方法利用编码将原来的信息码字映射到一个具有比较好的PAPR特性的传输码集上，从而避开了那些会出现信号峰值的码字，这类方法为线性过程，它不会使信号产生畸变，因此也没有预畸变类方法的缺点，但是编码类方法的计算复杂度非常高并且编解码都比较麻烦，重要的是这类方法的信息速率降低很快，因此只适用于子载波数比较少的情况。扰码类方法不像编码类方法那样完全避开信号的峰值，而是着眼于努力使信号峰值出现的概率降低。这类技术也采用线性过程，因此它不会对信号产生畸变，这类方法能够很好地降低信号的PAPR，它的缺点也是计算复杂度太大。扰码类方法中最具有代表性的是选择映射法(SLM)和部分传输序列(PTS)方法。

理论上扰码类方法最有希望解决OFDM中峰均比问题，但这种方法比较复杂，而且在接收端恢复出原始数据还需要进行PAPR的逆操作，这也增加了接收机成本。从实用的角度看预畸变方法简单且最实用，更重要的是若用直接限幅法接收机成本低，尽管他会产生带来一定的干扰和系统性能损失。因此到目前为此很多人都在努力研究这类技术并已提出了很多有效的方法。

发明内容

本发明提出了一种联合扰码类方法和限幅法的降峰均比方法，这种方法结合部分传输序列(PTS)和选择映射(SLM)两种扰码类方法在降峰均比过程中引起的系统性能损失小和限幅法降峰均比直接有效且实现简单的优点，在保证降峰均比能力且系统误码率性能的前提下降低其实现的复杂度。

在PTS和SLM两种基于扰码类降峰均比方法中都是将原始数据乘以一些旋转因子，产生多种可选的序列，然后从中选择PAPR最小的一种传输；这类方法具有一定的随机性，具体选择哪种旋转因子根据传输的数据不同而不同，其降峰均比的能力也随着可选序列的增加而加强，从PTS的SLM的结构看来这种选择的可能性越多需要的IFFT次数也越多，因此这种方法在实现上复杂度比较高，PTS和SLM方法中边带信息的传输方式为数据进行降峰均比模块前，预留出传送边带信息的位置，即把存放边带信息的位置设置为零，该数据符号的形式是[a₁，a₂，…a_l，0，0，…，0，a_m，…，a_i-1，a_i]，其中，a₁，a₂，…a_l和a_m，…，a_i-1，a_i是数据，0，0，…，0是预留的传送边带信息的位置；通过比较得出边带信息后得到边带信息符号的形式是[0，0，…，0，s₁，s₂，…，s_k，0，0，…，0]，其中，s₁，s₂，…，s_k是边带信息，通过反傅立叶变换IFFT后得到边带信息符号的时域信息，将边带信息和数据信息在时域相加即得到最终输出，接收端通过傅立叶变换FFT从相应的位置即可得到边带信息。

直接限幅法的基本思想是将大于某一阈值的数据以阈值传输将小于阈值的数据以原始数据传输，相当于对信号进行如下处理：

为了标志限幅的程度，定义CR为限幅率，令σ²为平均功率，则有CR的定义如下：

$\mathrm{CR}=\frac{A}{\mathrm{\σ}}$

这种方法实现简单但当CR设得太低时会有大部分的数据被限幅从而引起信号失真较多，CR设得太高时降PAPR不明显，因此这种方法中把这两种方法级联起来，首先用分组数较小的扰码类方法初步降低OFDM信号的峰均比，这样基本不会引起信号的失真，然后再通过限幅法进一步降低峰均比，尽管这也会引起信号的失真但与直接限幅相比这种方法失真很小。

直接限幅会引起较大的带内和带外干扰，带外干扰可以通过过采样滤波法来消除，即过采样限幅，其实现过程为：由扰码类方法限幅出来的数据先通过FFT将其从时域转到频域，再对频域的数据进行过采样并将过采样后的数据通过IFFT从频域转换到时域在过采样后的时域对信号进行限幅，将限幅后的数据通过FFT转回频域最后根据前面过采样的规律取出过采样前的频域数据，最后通过IFFT将数据从频域转到时域传输，这个过程的主要思想是将信号过采样即把信号的频带扩展，对扩展频带后的数据进行时域限然后将带外的信号去掉即置零，从而达到了滤波的作用，这样做可以消除由于限幅引起的带外干扰，这种方法的误码率性能在一定程度上得到了提升，但其降PAPR能力在一定程度上降低了。

附图说明

图1是SLM方法示意图；

图2是PTS方法示意图；

图3是过采样限幅方法示意图；

图4是级联降PAPR方法示意图；

图5是SLM方法中不同V时PAPR的CCDF分布曲线；

图6是PTS方法中不同V时PAPR的CCDF分布曲线；

图7是直接限幅法中不同CR时PAPR的CCDF分布曲线；

图8是直接限幅法中不同CR时误码率分布曲线；

图9是发明中提到的几降峰均比方法的CCDF分布曲线；

图10是发明中提到的几降峰均比方法的误码率曲线。

图11是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。

下面从先简单介绍SLM、PTS、直接限幅和过采样限幅几种基本方法，再对他们的级联进行仿真和分析。

一、选择映射(selected mapping，SLM)

选择映射法(Selective Mapping，SLM)的基本思想是产生包含相同信息且相互独立的V个OFDM符号，然后选择使时域信号x^(v)有最小PAPR的一组发送。SLM实现框图如图1所示。

SLM的关键是如何产生代表相同信息的多个OFDM符号，具体方法如下：

定义V个不同的向量：

v＝1，…，V

其中

为旋转因子，也称为加权因子，n＝0，…，N-1，

在[0，2π]内均匀分布。将这些向量元素分别调制到N个子载波上，就得到V个内容不同的OFDM符号，再将这V个OFDM符号变换到时域，可得：

$x^{\left(v\right)}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_n{B}_n^{\left(v\right)}\exp \left({\mathrm{jw}}_{n}t\right),v=\mathrm{1,2},...,V$

其中X_n为频域数据。最后选择x^(v)中峰均功率比最小的一组发送，其降PAPR性能随V的增加而增强。图5为N＝128时用采用SLM法降PAPR能力随分组数V的变化曲线。其边带信息传输如图1，输入的数据的形式为[a₁，a₂，…a_l，0，0，…，0，a_m，…，a_i-1，a_i]，其中，a₁，a₂，…a_l和a_m，…，a_i-1，a_i是数据，0，0，…，0是预留的传送边带信息的位置，在每个分组中分别插入当前的的边带位置信息，在接收端进行FFT即可从对应的位置取出边带信息。

二、部分传输序列(partial transmit sequence，PTS)

部分传送序列法(Partial Transmit Sequences，PTS)的方法如图2所示：

将输入的OFDM符号分割成V个互不重叠的子块，每个子块向量大小相等且子块中没有继承原OFDM符号相应位置的取值为0，用X^(v)，v＝1，…，V来表示。

引入相位因子(也称为旋转因子)：1≤d≤W^(V-1)，W为旋转因子的数量。由于子块互不重叠，所以用数学方法表示子块为：

在子矢量X^(v)中的每一个载波都乘以相同的旋转因子

不同子矢量的旋转因子统计独立，则利用IFFT的线性可得下式，具有最低峰值的时域矢量x_d被传输。

$x_d=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{R}_d^v\×\mathrm{IFFT}\left\{X^{\left(v\right)}\right\}$

图6为N＝128时采用PTS法降PAPR能力随V的变化曲线。

其边带信息传输方式如图2所示，其输入数据的形式与SLM方法类似的结构，[a₁，a₂，…a_l，0，0，…，0，a_m，…，a_i-1，a_i]，其中，a₁，a₂，…al和am，…，a_i-1，a_i是数据，0，0，…，0是预留的传送边带信息的位置，通过比较得出边带信息后得到边带信息符号的形式是[0，0，…，0，s₁，s₂，…，s_k，0，0，…，0]，其中，s₁，s₂，…，s_k是边带信息；通过反傅立叶变换IFFT后得到边带信息符号的时域信息，将边带信息和数据信息在时域相加即得到最终输出，接收端通过傅立叶变换FFT从相应的位置即可得到边带信息；

三、直接限幅和过采样限幅

直接限幅法的方法是，将大于某一阈值的数据以阈值传输将小于阈值的数据以原始数据传输，相当于对信号进行如下处理：

为了标志限幅的程度，定义限幅率CR，令σ²为平均功率，则有CR的定义如下：

$\mathrm{CR}=\frac{A}{\mathrm{\σ}}$

CR越小限幅越明显降PAPR性能也越明显，图7给出了N＝128时不同限幅率情况下的峰均比的CCDF曲线，理论上限幅后的PAPR为10logCR²。从其定义中可以看出这种方法会引起信号的失真，CR越小PAPR降得越明显，当然失真也越大。这种失真主要表现在引起带内和带外噪声，图8为在不同的限幅率下直接限幅的误码率曲线。

为了消除法带外噪声，可以通过滤波的方式将带滤除，过采样滤波即将信号的频带扩展，在时域滤波后在频域将信号的带外置零来完成，如图3；从SLM或PTS出来的数据先通过FFT将其从时域转到频域；再对频域的数据进行过采样，并将过采样后的数据通过IFFT从频域转换到时域，在过采样后的时域对信号进行限幅，将限幅后的数据通过FFT转回频域；最后根据过采样的规律取出过采样前的频域数据，然后通过IFFT将数据从频域转到时域传输。这个过程的主要思想是将信号通过采样即把信号的频带扩展，对扩展频带后的数据进行时域限幅然后将带外的信号去掉即置零，从而达到了滤波的作用，这样做可以消除由于限幅引起的带外干扰。

四、级联法及参数的选取

以上四种降峰均比方法中，PTS和SLM这两种方法不会引起信号的畸变因而失真比较小，但其实现比较复杂，随着V的增加其降峰均比能力增强，但当V增加到一定程度时降峰均比性能改装得越来越小，而复杂度随着V的成倍增加也成倍地增加，如图5、6，而限幅法中随着限幅率的减小降PAPR性能明显增强，如图7。限幅法的主要原理是将大于某一阈值的信号用阈值传输，将小于某一阈值的信号以信号本身传输，这样当阈值设置得比较大时(限幅率较大)，在通过限幅的过程中引起的信号畸变比较小，当限幅率设置比较小时引起的信号畸变小，如图8，从图中可以看出随着CR的增加误码率减小。

级联法的主要思想是，如图4，先通过V较小的PTS或SLM方法初步降低信号的峰均比，尽管其降峰均比性能达不到系统要求的降峰均比要求，但通过这种方式使信号小于阈值的概率减小或者使信号超过阈值的部分减小了，这样再通过后面一级的限幅法通过设定适当的限幅率CR来降低PAPR时引起的信号畸变减小。

在这种方法中，最后信号的峰均比由最后一级的限幅法来确定，其理论上的PAPR为10logCR²，前面一级降PAPR降得越多，后面通过限幅法降峰均比引起的信号畸变越小，因而其误码率越性能越好，但这增加了实现的复杂度。因此在设计中应根据系统的需求来设计前一级的峰均比降多少比较合适从而来确定分组数V，并根据最终PAPR需要降到什么程度来确定限幅率CR。

设计中还应考虑带外干扰，因此可以采用过采样限幅来实现限幅的过程，过采样限幅为将信号的频带扩展，再在频域将带外的噪声转为零来达到滤波的作用，可这种方式带内的噪声没有滤除，因而在误码率曲线中与直接限幅法相比其误码率改善不明显，但在需要考滤带外干扰时，这种方案是一种较好的方式。

图9给出了N＝128时V＝2的PTS，V＝2的SLM，V＝2的PTS与CR＝2的过采样限幅级联，V＝2的SLM与CR＝2的过采样限幅级联，V＝2的PTS与CR＝2的过采样限幅级联，V＝2的SLM与CR＝2的过采样限幅级联的降PAPR性能，从图中可以看出V＝2的PTS与CR＝2的过采样限幅级联和V＝2的SLM与CR＝2的过采样限幅级联的PAPR性能接近理论值10log2²＝6dB，而V＝2的PTS与CR＝2的过采样限幅级联，V＝2的SLM与CR＝2的过采样限幅级联的PAPR比前者的高。

图10为N＝128时，以上几种情况在高斯白噪声情况下的误码率性能曲线，从图中可以看出PTS和SLM方法的误码率性能与原始数据的误码率性能很接近，而其他两种与限幅的级联方法的误码率性能比较接近，但过采样限幅法的误码率性能比直接限幅法要好。

五、级联法及级联方式的优化方案

从图9、10可以看出，在级联法的第一级中PTS与限幅法的级联效果比SLM与限幅法级联的效果要好。首先从图9中降峰均比性能来分析，从图中可以看出V＝2的PTS比V＝2的降PAPR性能要好，与限幅法级联后这种优势仍然保持着。从图10的误码率性能曲线中可以看到级联后PTS与直接限幅法的级联的误码率性能优于SLM与直接限幅法级联的性能，过采样限幅也是如此，因此在没有其他特殊要求情况下可以选择PTS与限幅法级联作为一种比SLM与限幅法级联更优的方案。

Claims (3)

1.一种降低OFDM信号峰均比的方法，其特征是采用级联法降峰均比，具体是先用分组数较少的SLM方法或PST方法初步降低信号的峰均比，再用直接限幅法或过采样限幅法两中限幅法中的一种，通过设定适当的限幅率进一步降低信号的峰均比；

对于分组数较少的SLM方法或PST方法初步降低信号的峰均比的边带信息传输方法为：在数据进入降峰均比模块前，预留出传送边带信息的位置，即把存放边带信息的位置设置为零，该数据符号的形式是[a₁，a₂，…a_l，0，0，…，0，a_m，…，a_i-1，a_i]，其中，a₁，a₂，…a_l和a_m，…，a_i-1，a_i是数据，0，0，…，0是预留的传送边带信息的位置；通过比较得出边带信息后得到边带信息符号的形式是[0，0，…，0，s₁，s₂，…，s_k，0，0，…，0]，其中，s₁，s₂，…，s_k是边带信息；通过反傅立叶变换IFFT后得到边带信息符号的时域信息，将边带时域信息和数据时域信息相加，即得到最终输出，接收端通过傅立叶变换FFT从相应的位置即可得到边带信息。

2.根据权利要求1所述的降低OFDM信号峰均比的方法，其特征是所述级联法降峰均比中，对级联方式的参数进行折衷：

在降峰均比的过程中会引起信号的失真，且在实现时还应考虑实现的复杂度；

SLM方法和PTS方法的降峰均比能力跟分组数有关，分组数越多降峰均比能力越强、而实现越复杂；两种限幅法降峰均比中，降峰均比能力跟限幅率有关，限幅率越高降峰均比能力越强而引起的信号失真越大；

因此，根据工程应用的具体要求，适当选择PTS方法或SLM方法的分组数和两种限幅法的限幅率CR，在保证降峰均比性能要求的前提下，降低误码率和实现的复杂度。

3.根据权利要求1所述的降低OFDM信号峰均比的方法，其特征是SLM方法和PTS方法在分组数相同的情况下，用PTS方法的降峰均比性能优于SLM方法；

直接限幅法和过采样限幅法两种方案中，直接限幅法实现简单，且降峰均比性能明显，但会引起带内和带外的干扰；过采样限幅法相对于直接限幅法实现复杂，且限幅率相同时，其降峰均性能不如直接限幅法，但过采样限幅法滤除了信号的带外噪声，能降低了误码率和带外干扰；

因此，对于工程应用中对实现复杂度要求高时，优选PTS方法+直接限幅法的级联方式；对于工程应中对误码率要求高时，优选PTS方法+过采样限幅法。

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