CN102497345B - 一种降低正交频分复用信号峰均比的方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低正交频分复用信号峰均比的方法、装置和系统，所述方法包括获取第一时域信号，并提取出第一时域信号中的相位序列和第一幅值序列；利用压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列利用第二幅值序列与所述相位序列合成第二时域信号，通过信道将第二时域信号传送给接收侧；所述装置包括获得单元，用于接收第一时域信号；提取单元，提取出获得单元接收的第一时域信号中的相位序列和第一幅值序列；计算单元，用于对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；利用第二幅值序列与所述相位序列合成第二时域信号；发送单元，用于通过信道将第二时域信号通过信道发送到接收侧。

Description

一种降低正交频分复用信号峰均比的方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种降低正交频分复用信号峰均比的方法、装置和系统。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，人们对移动通信的需求不断提高，在传统功能的基础上，越来越希望进一步得到更加高速率、大容量的信息服务。为了满足这种日益增长的服务需求，3GPP组织提出了3G系统的长期演进(LTE)计划。

3GPP LTE是一种高数据率、低时延全分组的移动通信技术，LTE改进了3G的接入技术，采用正交频分复用(OFDM)、多入多出(MIMO)等先进的无线传输技术、扁平化的网络结构和全IP系统的架构，是具有更高的峰值速率和更短的传输时延的新一代移动通信技术。

其中，OFDM是一种特殊的频分复用技术，其基本原理是将高速的数据流通过串并联转换得到相对低速的数据流，再将相对低速的数据流分配到多个相互正交的子信道并行传输。但是由于OFDM是多载波系统，OFDM输出的信号为多个独立子载波叠加产生，当许多相位一致的信号进行叠加，所得到的叠加信号的最大瞬时功率会远远大于平均功率，所以OFDM具有较高的峰均比是一个不可避免的问题。而峰均比过大则会导致明显的带内失真和带外辐射，破坏子载波正交性，误码率上升等问题。所以实际应用中必须将OFDM信号的峰均比控制在一定范围内。

目前常用的降低OFDM信号峰均比的方法有编码方法、信号畸变方法和选择性映射方法。编码方法的基本思想是，利用不同编码产生的不同码组，选择生成峰值功率信号较小的编码图样而避免大峰值的编码图样；但是这种方法存在的缺点是，由于可供选择的编码数量非常少，所以编码方法受到子载波数模的限制，并且编码后的数据速率会下降。信号畸变方法直接在OFDM信号幅度峰值或附近以用非线性操作来降低峰均比，所述非线性操作包括限幅、压缩扩展、峰值加窗等；信号畸变方法存在的缺陷在于，此方法采用非线性操作，所以会引入非线性失真，使系统误比特率下降，增加带外辐射功率，造成系统性能恶化。

选择性映射方法能够无失真的降低OFDM信号的峰均比，也不受到子载波数量的限制。该方法假设存在M个不同的长度为N的随机相位序列矢量，记为： $S^{\left(m\right)}=[S_0^{\left(m\right)},S_1^{\left(m\right)},S_2^{\left(m\right)},...,S_{n-1}^{\left(m\right)})](m=\mathrm{0,1,2,3},...,M-1),$ 式中式中m表示第m个相位矢量序列，i表示相位矢量序列中第i个相位矢量(0≤i≤N)，表示第m个相位矢量序列中第i个相位矢量的相位；利用这M个相位序列矢量分别与OFDM的频域输入序列X＝[X₀，X₁，X₂，...X_N-1]做点乘，从而得到M个不同的频域信号输出序列 $X^{\left(m\right)}=[X_0^{\left(m\right)},X_1^{\left(m\right)},X_2^{\left(m\right)},...,X_{N-1}^{\left(m\right)}]=S^{\left(m\right)}\·X,$ 然后对得到的M个输出序列X^(m)分别作快速傅里叶变换逆变换(IFFT)运算，对应可以得到M个不同的时域信号输出序列最后在系统给定的峰均比门限值的条件下，从这M个不同的时域信号输出序列中选择峰均比较小的序列作为系统传输序列。但是在方法的缺陷在于，对于M个输出序列进行IFFT运算的过程需要非常庞大的计算量，对系统形成很大负担。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降低正交频分复用信号峰均比的方法和系统，实现了不受子载波数量限制，不引入非线性失真的前提下，减少计算量完成降低正交频分复用信号的峰均比。

为实现上述目的，本发明有以下技术方案：

一种降低正交频分复用信号峰均比的方法，所述方法预先设置一个压缩函数，该方法包括以下步骤：

获取第一时域信号，并提取出第一时域信号中的相位序列和第一幅值序列；

利用压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；

利用第二幅值序列与所述相位序列合成第二时域信号，通过信道将第二时域信号发送给接收侧。

所述利用第二幅值序列与相位序列合成第二时域信号具体为：

将第二幅值序列与相位序列做点乘，得到第二时域信号。

所述方法进一步包括，预先设置一个解压缩函数，解压缩方法步骤具体为：

接收侧接收经过信道传输而来的第二时域信号，并提取出第二时域信号中的相位序列和第二幅值序列；

利用解压缩函数对第二幅值序列进行解压缩运算，得到第一幅值序列；

利用第一幅值序列与相位序列还原出第一时域信号。

所述利用第一幅值序列与相位序列还原出第一时域信号具体为：

将第一幅值序列与相位序列做点乘，得到第一时域信号。

所述压缩函数表达式为：

其中，A为压缩函数系数，A大于第一时域信号平均功率，

记为A＝βδ²，β＞1；β为系数；

B为常量，

δ²代表OFDM信号的平均功率。

所述解压缩函数为压缩函数反函数，表达式为：

$g\left(x\right)=f^{-1}\left(x\right)=\sqrt{-\frac{1}{B}\ln \left(\frac{x}{A}\right)}=\sqrt{-\frac{1}{B}\ln x+C};$

式中C为常量，

一种降低正交频分复用信号峰均比的装置，所述装置包括：

获得单元，用于接收第一时域信号；

提取单元，连接获得单元，提取出获得单元接收的第一时域信号中的相位序列和第一幅值序列；

计算单元，连接提取单元，用于利用预先设置的压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；利用第二幅值序列与所述相位序列合成第二时域信号；

发送单元，用于通过信道将第二时域信号通过信道发送到接收侧。

所述计算单元包括：

压缩单元，用于利用预先设置的压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；

合成单元，将第二幅值序列与相位序列做点乘，得到第二时域信号。

一种降低正交频分复用信号峰均比的系统，

所述系统包括，正交频分复用信号发送侧和正交频分复用信号接收侧；

正交频分复用信号发送侧，用于接收第一时域信号；提取出获得单元接收的第一时域信号中的相位序列和第一幅值序列；利用预先设置的压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；利用第二幅值序列与所述相位序列合成第二时域信号；通过信道将第二时域信号通过信道发送到接收侧；

正交频分复用信号接收侧，用于接收侧接收经过信道传输而来的第二时域信号，并提取出第二时域信号中的相位序列和第二幅值序列；利用预先设置的解压缩函数对第二幅值序列进行解压缩运算，得到第一幅值序列；利用第一幅值序列与相位序列还原出第一时域信号。

所述压缩函数表达式为：

其中，A为压缩函数系数，A大于第一时域信号平均功率，

记为A＝βδ²，β＞1；β为系数；

B为常量，

δ²代表OFDM信号的平均功率；

所述解压缩函数为压缩函数反函数，表达式为：

$g\left(x\right)=f^{-1}\left(x\right)=\sqrt{-\frac{1}{B}\ln \left(\frac{x}{A}\right)}=\sqrt{-\frac{1}{B}\ln x+C};$

式中C为常量，

根据以上技术方案可知，本发明存在的有益效果是：在本发明的技术方案中，一方面信号发送侧在快速傅里叶变换逆变换(IFFT)之后得到时域信号，利用压缩函数对OFDM时域信号进行压缩，信号接收侧在快速傅里叶变换(FFT)之前对OFDM时域信号进行解压缩，另一方面本发明中只针对OFDM信号的幅值进行压缩和解压缩，而信号的相位保持不变，所以相对于现有技术来说，不仅不受子载波数量限制，不引入非线性失真，与现有技术相比计算量明显降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述方法流程图；

图2为本发明所述装置结构示意图；

图3为本发明所述系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在OFDM系统中，通常在频域内对OFDM信号做信道编码、调制映射、串\并转换等处理，然后再经过IFFT将频域信号转变为时域信号进行发送传输；OFDM信号通过传输信道到达接收侧后还需要进行FFT转换，将时域信号转换为频域信号，再将转换后的OFDM频域信号进行串\并转换、解调、解码等处理。以上过程均属于现有技术，在此不做赘述。

本发明提供一种降低OFDM峰均比的方法。本发明所述方法为信号发送侧在OFDM信号进行IFFT转换之后，分别计算出OFDM信号的幅值和相位，然后通过一个压缩函数针对信号的幅值进行压缩，将压缩后的幅值和相位合成新的OFDM信号进行发送传输，信号接收侧在FFT转换之前同样计算出所收到信号的幅值和相位信息，通过压缩函数反函数将信号幅值解压缩，将解压缩后的幅值和相位合成原始的OFDM信号再进行FFT转换和之后的解码处理；本方法只针对信号的幅值进行压缩和解压缩运算，信号的相位在变换过程中不变。

在具体实施例当中，本方法所述压缩函数表达式为：

$f\left(x\right)={\mathrm{Ae}}^{-{\mathrm{Bx}}^2}$

其中A代表压缩函数系数，函数输出结果的最大值即A。在不同实施例中A值的确定可以根据OFDM系统的性能及需求，但由于压缩后幅值的峰值依然不能小于OFDM信号的平均功率，所以要求A值大于OFDM信号平均功率，表达式为：

A＝βδ²，β＞1，δ²代表OFDM信号的平均功率；β为系数；

另外压缩函数中

根据压缩函数f(x)可知，OFDM信号的幅值在经过压缩函数变换之后，取值范围是(0，A]。

按照本实施例中所述压缩函数对OFDM信号幅值进行压缩，压缩后OFDM信号幅值的取值按照线性函数分布。

本实施例中的解压缩函数即压缩函数反函数，表达式为：

$g\left(x\right)=f^{-1}\left(x\right)=\sqrt{-\frac{1}{B}\ln \left(\frac{x}{A}\right)}=\sqrt{-\frac{1}{B}\ln x+C},(X\∈(0,A\left]\right);$

式中C为常量，

OFDM信号发送端生成的OFDM频域信号记为：

X＝[X₀，X₁，X₂，...，X_N-1]，N为子载波数量。

再通过IFFT将频域信号X转换为第一时域信号x，转换后的第一时域信号x记为：

x＝[x₀，x₁，x₂，...，x_N-1]，N为子载波数量。

参照图1所示，本发明所述方法即是针对第一时域信号x的幅值压缩，本发明所述方法的步骤具体如下：

s1、接收第一时域信号x，对第一时域信号x提取相位信息与幅值信息，得到相位序列和第一幅值序列S；

相位序列记为：

第一幅值序列S记为：

S＝[S₀，S₁，S₂，...，S_N-1]；

s2、利用压缩函数f(x)对幅值序列S进行幅值压缩；压缩后得到的第二幅值序列第二幅值序列记为：

$\stackrel{\·}{S}=[{\stackrel{\·}{S}}_0,{\stackrel{\·}{S}}_1,{\stackrel{\·}{S}}_1,{\stackrel{\·}{S}}_2,...,{\stackrel{\·}{S}}_{N-1}];$

s3、将第二幅值序列与相位序列做点乘，形成第二时域信号记为：

将第二时域信号通过信道传输至接收侧。

在具体实施例中，本方法所述压缩后的第二时域信号通过信道传输到接收侧，在第二时域信号进入接收侧之后，需要先经历一个解压缩过程，将第二时域信号还原为第一时域信号，以保持OFDM时域信号原有的信息，不发生失真。

所述解压缩过程具体步骤如下：

s4、接收到第二时域信号对第二时域信号提取相位信息与幅值信息，得到相位序列和第二幅值序列

s5、利用压缩函数反函数g(x)对第二幅值序列进行解压缩，还原得到第一幅值序列S；

s6、将第一幅值序列S与相位序列做点乘，还原得到第一时域信号x。

通过以上方法，本发明通过压缩OFDM时域信号幅值的方式降低OFDM信号的峰均比，而不改变信号的相位信息，所以实现了更完整的保存原始OFDM信号所包含的信息不发生失真。另外，本发明所述方法针对经过IFFT转换之后的OFDM时域信号进行压缩计算，压缩/解压缩前后平均功率保持不变。

下面结合图2所示，具体说明在实施例中，本发明所述方法所对应的一种降低正交频分复用信号峰均比的装置。

所述装置用于接收发送侧传来的第一时域信号并进行压缩，生成第二时域信号，并将第二时域信号发送到接收侧，包括：

获得单元，用于接收第一时域信号；

提取单元，连接获得单元，提取出获得单元接收的第一时域信号中的相位序列和第一幅值序列；

计算单元，连接提取单元，用于利用预先设置的压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；利用第二幅值序列与所述相位序列合成第二时域信号；

发送单元，用于通过信道将第二时域信号通过信道发送到接收侧。

所述计算单元包括：

压缩单元，用于利用预先设置的压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；

合成单元，将第二幅值序列与相位序列做点乘，得到第二时域信号。

参照图3所示，所述方法还对应一种降低正交频分复用的峰均比的系统，在具体实施例当中，所述系统还包括，正交频分复用发送侧和正交频分复用信号接收侧；

正交频分复用信号发送侧，用于接收第一时域信号；提取出获得单元接收的第一时域信号中的相位序列和第一幅值序列；利用预先设置的压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；利用第二幅值序列与所述相位序列合成第二时域信号；通过信道将第二时域信号通过信道发送到接收侧；

正交频分复用信号接收侧，用于接收侧接收经过信道传输而来的第二时域信号，并提取出第二时域信号中的相位序列和第二幅值序列；利用预先设置的解压缩函数对第二幅值序列进行解压缩运算，得到第一幅值序列；利用第一幅值序列与相位序列还原出第一时域信号。

另外，从整体来看，要实现OFDM信号的信道传输，除了所述发送侧与接收侧之外，还必须包括，在OFDM信号到达发送侧之前需要经过一个第一处理单元，第一处理单元中包括信道编码模块、调制映射模块、第一串\并转换模，和IFFT模块，第一处理单元处理后的OFDM信号进入发送侧；OFDM信号通过传输信道到达接收侧后还需要进入第二处理模块，第二处理模块包括FFT模块、第二串\并转换模块、解调模块、解码模块。

所述第一处理单元与第二处理模块为现阶段本技术领域中广泛使用的外部处理单元，其结构与工作原理为本领域技术人员所公知，本发明所述发送侧与接收侧在整体系统中能够与现有技术兼容，具有良好的通用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种降低正交频分复用信号峰均比的方法，其特征在于，所述方法预先设置一个压缩函数，该方法包括以下步骤：

获取第一时域信号，并提取出第一时域信号中的相位序列和第一幅值序列；

利用压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；

将第二幅值序列与相位序列做点乘，得到第二时域信号，通过信道将第二时域信号发送给接收侧;

预先设置一个解压缩函数，解压缩方法步骤具体为：

接收侧接收经过信道传输而来的第二时域信号，并提取出第二时域信号中的相位序列和第二幅值序列；

利用解压缩函数对第二幅值序列进行解压缩运算，得到第一幅值序列；

将第一幅值序列与相位序列做点乘，得到第一时域信号；

所述压缩函数表达式为：

其中，A为压缩函数系数，A大于第一时域信号平均功率，

记为A=βδ²,β＞1;β为系数；

B为常量， $B=\frac{1}{2{\mathrm{\δ}}^2};$

δ²代表OFDM信号的平均功率；

所述解压缩函数为压缩函数反函数，表达式为：

$g\left(x\right)=f^{-1}\left(x\right)=\sqrt{-\frac{1}{B}\ln \left(\frac{x}{A}\right)}=\sqrt{-\frac{1}{B}\ln x+C};$

式中C为常量，

2.一种降低正交频分复用信号峰均比的装置，其特征在于：所述装置包括：

获得单元，用于接收第一时域信号；

提取单元，连接获得单元，提取出获得单元接收的第一时域信号中的相位序列和第一幅值序列；

计算单元，连接提取单元，用于利用预先设置的压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；利用第二幅值序列与所述相位序列合成第二时域信号；

发送单元，用于通过信道将第二时域信号通过信道发送到接收侧；

所述计算单元包括：

压缩单元，用于利用预先设置的压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；

合成单元，将第二幅值序列与相位序列做点乘，得到第二时域信号；

所述压缩函数表达式为：

其中，A为压缩函数系数，A大于第一时域信号平均功率，

记为A=βδ²,β＞1;β为系数；

B为常量， $B=\frac{1}{2{\mathrm{\δ}}^2};$

δ²代表OFDM信号的平均功率。

3.一种降低正交频分复用的峰均比的系统，其特征在于：

所述系统包括，正交频分复用信号发送侧和正交频分复用信号接收侧；

正交频分复用信号发送侧，用于接收第一时域信号；提取出获得单元接收的第一时域信号中的相位序列和第一幅值序列；利用预先设置的压缩函数对第一幅值序列进行压缩运算，得到第二幅值序列；利用第二幅值序列与所述相位序列合成第二时域信号；通过信道将第二时域信号通过信道发送到接收侧；

正交频分复用信号接收侧，用于接收侧接收经过信道传输而来的第二时域信号，并提取出第二时域信号中的相位序列和第二幅值序列；利用预先设置的解压缩函数对第二幅值序列进行解压缩运算，得到第一幅值序列；利用第一幅值序列与相位序列还原出第一时域信号；

所述压缩函数表达式为：

其中，A为压缩函数系数，A大于第一时域信号平均功率，

记为A=βδ²,β＞1;β为系数；

B为常量， $B=\frac{1}{2{\mathrm{\δ}}^2};$

δ²代表OFDM信号的平均功率；

所述解压缩函数为压缩函数反函数，表达式为：

$g\left(x\right)=f^{-1}\left(x\right)=\sqrt{-\frac{1}{B}\ln \left(\frac{x}{A}\right)}=\sqrt{-\frac{1}{B}\ln x+C};$ 式中C为常量，