CN102404273B - 一种基于新的压扩变换的ofdm信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明所要解决的技术问题是，提出了一种使用新的压扩变换的OFDM信号传输方法，该方法可以在PAPR与BER之间取得更好的平衡。一种基于新的压扩变换的OFDM信号传输方法，将生成的OFDM时域信号经压扩畸变处理后，再经功率放大器对通过天线发送出去，其特征在于，利用反余切变换对小幅度OFDM信号进行压扩畸变处理；利用反正切变换对大幅度OFDM信号进行压扩畸变处理。本发明反余切压扩可以放大小信号，反正切信号可以压缩大信号，并且与现有压扩方法相比，可以获得更好的PAPR性能和更低的误码率性能。

Description

一种基于新的压扩变换的OFDM信号传输方法

技术领域

本发明属于OFDM通信系统，涉及峰均功率比抑制技术。

背景技术

在OFDM系统中，产生的OFDM信号进入到高功率放大器之前，对OFDM信号进行预畸变处理，限制其峰值信号的幅度，从而达到降低PAPR的目的。在预畸变技术中，引起更多关注的是压扩法，这类方法在接收端可以利用逆压扩函数对信号进行恢复。

目前已经提出的压扩法包括μ律压扩、指数压扩。虽然这两种方法均能显著降低信号的PAPR，但μ律压扩是以增大发射信号的平均功率为代价来降低PAPR，该方法压扩后信号的平均功率值更加接近功率放大器的非线性区域，因而容易造成信号失真，而指数压扩使系统BER增大到难以实用的程度。

因此，有必要研究一种降低信号峰均功率比的方法，既不增加信号的平均功率，又能改善系统BER。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出了一种使用新的压扩变换的OFDM信号传输方法，该方法可以在PAPR与BER之间取得更好的平衡。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于新的压扩变换的OFDM信号传输方法，将生成的OFDM时域信号经压扩畸变处理后，再经功率放大器对通过天线发送出去，其特征在于，利用反余切变换对小幅度OFDM信号进行压扩畸变处理；利用反正切变换对大幅度OFDM信号进行压扩畸变处理。

本发明的有益效果是，反余切压扩可以放大小信号，反正切信号可以压缩大信号，并且与现有压扩方法相比，可以获得更好的PAPR性能和更低的误码率性能。

附图说明

图1为本发明利用压扩变换降低PAPR的OFDM系统结构框图；

图2为本发明提出的反余切反正切压扩与μ律压扩的CCDF性能曲线比较；

图3为在AWNG信道下反余切反正切压扩与μ律压扩的BER性能曲线比较。

具体实施方式

矢量S＝[S₀，S₁，...，S_N-1]表示在一个OFDM数据帧内输入的数据符号，S_k(k＝0，L，N-1)表示调制在第k个子载波上的符号，那么产生的离散时间域OFDM信号可以用下式来表示：

$s\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k\·e^{j2\mathrm{\πkn}/N},$ n＝0，1，...，N-1

根据中心极限定理，当子载波数N较大时(N≥64)，s(n)的实部和虚部是独立的高斯分布，s(n)的幅度满足Rayleigh(瑞利)分布，其累积分布函数是

$F_{\left|s\right|}\left(x\right)=1-\exp (-\frac{x^2}{{\mathrm{\σ}}^2})$

这里，σ²＝E(|S_k|²)/2。

作为信号幅度的平方，OFDM信号的功率是满足两个自由度的χ²分布，因此OFDM信号会出现大的峰值功率，也就是说，OFDM信号会有大的峰均功率比。

本文提出利用反余切函数和反正切函数作为压扩函数来降低系统的PAPR，具体做法是当输入信号幅度小于平均幅度时，采用反余切压扩；当输入信号幅度大于平均幅度时，采用反正切压扩。反余切反正切压扩函数的表达式为：

$\left|s^c\left(n\right)\right|=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1\·\mathrm{arc}\cot \left(k_2\right|s\left(n\right)\left|\right)& \left|s\left(n\right)\right|\≤\sqrt{P_{\mathrm{av}}}\\ k_3\·\arctan \left(k_4\right|s\left(n\right)\left|\right)& \left|s\left(n\right)\right|>\sqrt{P_{\mathrm{av}}}\end{array}\right.$

这里，变换后s^c(n)的相位与变换前的信号s(n)的相位保持一致，参数k₁和k₂可以灵活控制反余切压扩函数的形状，参数k₃和k₄则用于控制反正切压扩函数的形状，并且可以通过合理设置四个参数的取值保证变换前后信号的功率不变。因为反正切函数arctan(x)的取值范围是变换后信号s^c(n)幅度的取值范围是也就是说，变换后信号的幅值被限制在一个有界的范围内，从而达到了减少PAPR的目的。而在另外一方面，对于小幅度的输入信号x，反余切函数arccot(x)可以对其幅度进行有效的放大，从而增强了小信号的功率，提升了接收信号的信噪比，达到了提高误码率的性能。

要保证变换前后信号的平均功率不变，下式必须得到满足：

E(|s|²)＝E(|s^c|²)

从而可以计算出满足压扩函数的相应参数k₁、k₂、k₃和k₄取值。

在接收端对接受信号解调之前，利用相逆的余切或正切变换对接收信号进行解压扩处理。

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

图1为本发明利用压扩变换减少PAPR的OFDM系统结构框图，输入比特流经串/并转换装置11生成一个OFDM数据符号，经IFFT变换模块12得到OFDM时域信号，经过模块13后输出压扩变换后的时域信号，模块13首先要对信号的幅度进行判断，如果幅度小于平均幅度则采用反余切压扩；如果幅度大于平均幅度则采用反正切变换，压扩变换按下式进行：

$\left|s^c\left(n\right)\right|=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1\·\mathrm{arc}\cot \left(k_2\right|s\left(n\right)\left|\right)& \left|s\left(n\right)\right|\≤\sqrt{P_{\mathrm{av}}}\\ k_3\·\arctan \left(k_4\right|s\left(n\right)\left|\right)& \left|s\left(n\right)\right|>\sqrt{P_{\mathrm{av}}}\end{array}\right.$

经过预畸变的信号经过并/串转换装置14后送入D/A及功放模块15，然后由天线发送出无线信号。

接收机接收无线信号后，经过A/D转换装置17后，得到数字信号；然后经过串/并转换装置18、解扩装置19还原畸变信号，解扩装置的变换过程是压扩函数的逆变换。解扩输出信号再经FFT装置20、判决输出装置21得到接收比特信息。

在本发明实例中，采用的高功率放大器是SSPA(solid state power amplifier)型放大器，其输入输出表达式为：

$A=\frac{r}{{(1+r^{2p})}^{1/2p}}$

其中r代表输入信号的幅度，A是输出信号的幅度，参数p的典型值为2。

图2为本发明提出的反余切反正切压扩与μ律压扩的CCDF性能曲线比较，其中采用QPSK调制、子载波数为128、4倍过采样因子。与μ律压扩相比，反余切反正切压扩降低PAPR的效果更为显著。原因在于，μ律压扩并没有降低大信号的幅度，它是以增强信号平均功率为代价换取了PAPR的降低，而反余切反正切压扩则是在保持信号平均功率不变的前提下，主动降低大信号的功率，根据PAPR的公式，这对降低PAPR有更为显著的影响。

图3为在AWNG信道下，反余切反正切压扩与μ律压扩的BER性能曲线比较，可以看出反余切反正切压扩后信号的BER性能要明显优于μ律压扩的性能，更接近于理想情况下的误码率性能。原因在于μ律压扩后信号平均功率增加，从而使得信号更容易受到功率放大器的非线性影响，产生较高的误码率，而反余切反正切压扩后的信号平均功率保持不变，而且该压扩变换能有效放大小信号的功率，从而增强了小信号的抗干扰噪声的能力，增强了误码率性能。

Claims (5)

1.一种基于新的压扩变换的OFDM信号传输方法，将OFDM频域信号经IFFT变换生成OFDM时域信号，将生成的OFDM时域信号经压扩畸变处理后，再经功率放大器对通过天线发送出去，其特征在于，利用反余切反正切变换对OFDM信号进行压扩畸变处理；

通过下式进行变换进行压扩畸变处理：

$\left|s^c\left(n\right)\right|=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1\·\mathrm{arc}\cot \left(k_2\right|s\left(n\right)\left|\right)& \left|s\left(n\right)\right|\≤\sqrt{P_{\mathrm{av}}}\\ k_3\·\arctan \left(k_4\right|s\left(n\right)\left|\right)& \left|s\left(n\right)\right|>\sqrt{P_{\mathrm{av}}}\end{array}\right.$

其中，s(n)为原始OFDM时域信号，s^c(n)为变换后的OFDM时域信号，k₁、k₂为反余切压扩函数形状的控制参数，k₃、k₄为反正切压扩函数的控制参数，P_av为输入信号s(n)的平均功率，变换前后的信号s(n)与s^c(n)的相位保持一致。

2.如权利要求1所述一种基于新的压扩变换的OFDM信号传输方法，其特征在于，当输入信号幅度小的时候，采用反余切函数变换信号；当输入信号幅度大的时候，采用反正切函数变换信号；在进行变换时，通过设置控制参数k₁、k₂、k₃、k₄来保证OFDM时域信号在变换前后的功率不变。

3.如权利要求1或2所述一种基于新的压扩变换的OFDM信号传输方法，其特征在于，所述功率放大器为SSPA型放大器。

4.如权利要求3所述一种基于新的压扩变换的OFDM信号传输方法，其特征在于，所述功率放大器通过下式对输入信号进行放大处理：

$A=\frac{r}{{(1+r^{2p})}^{1/2p}}$

其中r代表输入信号的幅度，A是输出信号的幅度，p为可调参数。

5.如权利要求4所述一种基于新的压扩变换的OFDM信号传输方法，其特征在于，所述功率放大器中可调参数p为2。