发明内容
本发明的目的在于针对上述已有方法的不足,通过分析OFDM信号峰平比PAPR过高的根本原因,从压缩大幅度信号和扩张小幅度信号的基本思想入手,进一步结合信号限幅和压扩的各自优点,提出了一种基于双曲压扩及联合限幅的无线OFDM信号峰平比抑制方法,以达到有效抑制OFDM信号峰平比PAPR并提高误码率BER性能的目的。同时,本发明可以根据OFDM系统对峰平比PAPR和误码率BER性能的要求合理调整参数,从而在信号峰平比PAPR和系统误码率BER性能之间获得良好的折衷,为无线OFDM系统设计提供更高的灵活性以满足不同系统的性能要求。
实现本发明的技术方案包括:OFDM系统发送端对信号的联合限幅压扩以及OFDM系统接收端对接收信号的解压扩处理。其中:
A.在OFDM系统发送端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法,包括以下步骤:
(1)对信源产生的数据比特流进行正交振幅调制QAM,将数据比特流映射为正交振幅调制QAM符号:X=(X0,X1,L,Xm,L,XN-1),其中,m=0,1,L,N-1,N表示OFDM系统包含的子载波个数;
(2)对正交振幅调制QAM符号X串并变换后进行OFDM调制,得到原始OFDM信号xn;
(3)根据OFDM系统对峰平比PAPR和误码率BER性能的要求,分别设定限幅比CR为区间(0,1)内的某个实数,反双曲正弦压扩函数中的压扩系数k2为区间(0.5,3)内的某个实数,再根据原始OFDM信号xn压扩前后平均功率恒定的要求,确定反双曲正弦压扩函数中的调幅系数k1;
(4)根据限幅比CR的值,计算限幅门限Aclip=CR·A=CR·max{|xn|},其中,A是原始OFDM信号xn的峰值幅度,max(·)是最大值求解函数,|·|是求模运算符,根据限幅门限Aclip的值对原始OFDM信号xn进行限幅,得到限幅后的OFDM信号yn;
(5)用反双曲正弦压扩函数对限幅后的OFDM信号yn进行压扩变换,该反双曲正弦压扩函数的数学表达式为:
zn=C(yn)=sign(yn)·k1·asinh(k2·|yn|)
其中,zn是压扩变换后的OFDM信号,C(·)是压扩变换函数,sign(·)是符号函数,k1是调幅系数,用于保持原始OFDM信号xn压扩变换前后的平均功率恒定,asinh(·)是反双曲正弦函数,k2是压扩系数,用于控制对限幅后OFDM信号yn的压扩程度,|·|是求模运算符;
(6)对压扩变换后的OFDM信号zn进行并串变换,得到发射信号z=(z0,z1,L,zn,L,zJN-1),并通过天线将其发射出去;
(7)根据信号峰平比是信号峰值功率与信号平均功率之比的定义,分别计算发射信号z的峰平比PAPRc和原始OFDM信号xn的峰平比PAPRs,二者相差越多则对原始OFDM系统峰平比PAPR性能的改善效果越好。
B.在OFDM系统接收端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法,包括以下步骤:
1)对接收信号r=z*h+w串并变换后按照双曲正弦解压扩函数进行解压扩变换,该双曲正弦解压扩函数的数学表达式为:
x′n=C-1(rn)=sign(rn)·sinh(|rn|/k1)/k2
其中,z是发射信号,*是卷积运算符,h是信道冲击响应,w是加性高斯白噪声,x′n是解压扩信号,C-1(·)是解压扩变换函数,sign(·)是符号函数,sinh(·)是双曲正弦函数,|·|是求模运算符,k1是调幅系数,k2是压扩系数;
2)对解压扩信号x′n进行OFDM解调,得到OFDM解调信号X′m;
3)对OFDM解调信号X′m并串变换后得到的信号X′进行正交振幅解调,还原出数据比特流,其中,X′=(X′0,X′1,L,X′m,L,X′N-1);
4)将还原出的数据比特流和信源产生的数据比特流进行匹配,分别统计出本发明的OFDM系统误码率和原始OFDM系统的误码率,二者相差越小则对原始OFDM系统的误码率BER性能影响越小。
本发明与现有类似方案相比,具有如下优点:
(a)本发明不仅能扩张小幅度信号,而且能压缩大幅度信号,因此既可以保证压扩前后信号平均功率的恒定,还可以增强小幅度信号的信道传输抗干扰能力;
(b)本发明对信号峰平比PAPR性能的改善效果具有较大提升,因此可以降低信号对功率放大器的线性范围要求,在降低系统发射机构造成本的条件下,可以有效提高功率放大器的工作效率;
(c)本发明对OFDM系统接收端误码率BER性能的影响较小;
(d)本发明可以根据OFDM系统对峰平比PAPR和误码率BER性能的要求合理调整参数,从而在信号峰平比PAPR和系统误码率BER性能之间获得良好的折衷,为无线OFDM系统设计提供更高的灵活性以满足不同系统所需的性能要求;
(e)本发明压扩处理所导致的信号带外辐射较小,因此可以减小相邻信道之间的信号干扰。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体操作过程,但本发明的保护范围不限于下述实施例。
参照附图1,本发明在OFDM系统发送端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法,其具体实现步骤如下:
步骤一:对信源产生的数据比特流进行正交振幅调制QAM,将数据比特流映射为正交振幅调制QAM符号:X=(X0,X1,L,Xm,L,XN-1),其中,m=0,1,L,N-1,N表示OFDM系统包含的子载波个数;
步骤二:对正交振幅调制QAM符号X串并变换后进行OFDM调制,得到原始OFDM信号xn,按照如下步骤进行:
(2a)在正交振幅调制QAM符号X中间补J(N-1)个零,得到J倍过采样信号
其中,J为过采样因子,N为OFDM系统包含的子载波个数;
(2b)对步骤(2a)中的J倍过采样信号进行JN点快速傅立叶逆变换IFFT,得到原始OFDM信号xn。
步骤三:根据OFDM系统对峰平比PAPR和误码率BER性能的要求,分别设定限幅比CR为区间(0,1)内的某个实数,反双曲正弦压扩函数中的压扩系数k2为区间(0.5,3)内的某个实数,再根据原始OFDM信号xn压扩前后平均功率恒定的要求,确定反双曲正弦压扩函数中的调幅系数k1,按照如下公式进行:
其中,E(·)是随机变量的数学期望,|·|是求模运算符,asinh(·)是反双曲正弦函数,
是根号运算符,U是并集运算符,A是原始OFDM信号x
n的峰值幅度。
步骤四:根据限幅比CR的值,计算限幅门限Aclip=CR·A=CR·max{|xn|},其中,A是原始OFDM信号xn的峰值幅度,max(·)是最大值求解函数,|·|是求模运算符,根据限幅门限Aclip的值对原始OFDM信号xn进行限幅,得到限幅后的OFDM信号yn,按照如下公式进行:
其中,xn是原始OFDM信号,|·|是求模运算符,Aclip是限幅门限,sign(·)是符号函数。
步骤五:用反双曲正弦压扩函数对限幅后的OFDM信号yn进行压扩变换,该反双曲正弦压扩函数的数学表达式为:
zn=C(yn)=sign(yn)·k1·asinh(k2·|yn|)
其中,zn是压扩变换后的OFDM信号,C(·)是压扩变换函数,sign(·)是符号函数,k1是调幅系数,用于保持原始OFDM信号xn压扩变换前后的平均功率恒定,asinh(·)是反双曲正弦函数,k2是压扩系数,用于控制对限幅后OFDM信号yn的压扩程度,|·|是求模运算符;
步骤六:对压扩变换后的OFDM信号zn进行并串变换,得到发射信号z=(z0,z1,L,zn,L,zJN-1),并通过天线将其发射出去;
步骤七:按照如下公式分别计算发射信号z的峰平比PAPRc和原始OFDM信号xn的峰平比PAPRs,二者相差越多则对原始OFDM系统峰平比PAPR性能的改善效果越好:
其中,zn是发射信号z=(z0,z1,L,zn,L,zJN-1)的一个分量,J是过采样因子,N是OFDM系统包含的子载波个数,lg是以10为底的对数运算符,max(·)是最大值求解函数,|·|是求模运算符,∑(·)是求和运算符。
参照附图2,本发明在OFDM系统接收端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法,其具体实现步骤如下:
步骤1:对接收信号r=z*h+w串并变换后按照双曲正弦解压扩函数进行解压扩变换,该双曲正弦解压扩函数的数学表达式为:
x′n=C-1(rn)=sign(rn)·sinh(|rn|/k1)/k2
其中,z是发射信号,*是卷积运算符,h是信道冲击响应,w是加性高斯白噪声,x′n是解压扩信号,C-1(·)是解压扩变换函数,sign(·)是符号函数,sinh(·)是双曲正弦函数,|·|是求模运算符,k1是调幅系数,k2是压扩系数;
步骤2:按照如下步骤对解压扩信号x′n进行OFDM解调,得到OFDM解调信号X′m:
2a)对解压扩信号x′n进行JN点快速傅立叶变换FFT,得到快速傅立叶变换FFT信号X′n,其中,J为过采样因子,N为OFDM系统包含的子载波个数;
2b)按照如下公式对快速傅立叶变换FFT信号X′n去过采样得到OFDM解调信号X′m:
n=(J-1/2)N,L,JN-1;
步骤3:对OFDM解调信号X′m并串变换后得到的信号X′进行正交振幅解调,还原出数据比特流,其中,X′=(X′0,X′1,L,X′m,L,X′N-1);
步骤4:将还原出的数据比特流和信源产生的数据比特流进行匹配,分别统计出本发明的OFDM系统误码率和原始OFDM系统的误码率,二者相差越小则对原始OFDM系统的误码率BER性能影响越小。
上述步骤描述了本发明的优选实例,显然本领域的研究人员可参考本发明的优选实例和附图对本发明做出各种修改和替换,这些修改和替换都应落入本发明的保护范围之内。
本发明的效果可通过仿真作进一步说明。
1)仿真条件:OFDM系统包含的子载波个数为1024,调制方式选择为正交相移键控QPSK调制,未编码系统;信道采用加性高斯白噪声AWGN信道。
2)仿真内容与结果:
图3给出了本发明方法的压扩特性曲线,可见本发明所提的压扩方法不仅能扩张小信号的幅度,而且能压缩大信号的幅度,因此既可以保证压扩前后信号平均功率的恒定,还可以增强小信号的抗干扰能力。图4给出了各种压扩方法的峰平比PAPR性能曲线,与其它压扩方法相比,可见本发明所提的压扩方法对峰平比PAPR性能的改善效果具有较大提升,可有效降低信号对功率放大器的线性范围要求,提高功率放大器的工作效率。图5给出了各种压扩方法的误码率BER性能曲线,与其它压扩方法相比,可见本发明所提的压扩方法对误码率BER性能影响较小。综合图4和图5可见,本发明所提的压扩方法可以根据OFDM系统对峰平比PAPR和误码率BER性能的要求合理调整参数,从而在峰平比PAPR和误码率BER性能之间获得良好的折衷,为系统设计提供更高的灵活性以更好地满足不同系统的性能要求。图6给出了各种压扩方法的功率谱密度性能曲线,与其它压扩方法相比,可见本发明所提的压扩方法所导致的带外辐射较小,可以有效减小相邻信道之间的信号干扰。