CN102769595A - 降低apsk星座图调制papr的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种OFDM调制中APSK星座图映射下的降低峰值平均功率比（PAPR）的方法。本方法主要通过在时域上限制信号的幅度，将时域信号变回到频域星座点上时，仅对APSK最外层的星座点进行扩展且仅保留那些向外扩展的频域星座点，将这个“时域限幅-频域选择扩展”的过程迭代多次，以此减小峰值信号出现的概率，从而达到降低OFDM信号的PAPR的目的。本算法设计了APSK星座图映射下的扩展区域和扩展规则，保证在APSK调制下误码性能不致恶化。本发明可以运用于APSK星座图映射的OFDM系统，能起到很好的降低PAPR的效果。

Description

降低APSK星座图调制PAPR的方法

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，特别涉及一种正交频分复用OFDM通信系统中降低峰均比PAPR的问题。

背景技术

在数字信号传输中，多载波调制天然地具有很好的抗多径干扰和频率选择性衰落的能力。多载波调制的基本思想是，将串行高速（宽带）数据信息能过串并转换，分成N组并行低速的数据流，N组并行的数据分别用N个相互正交的载波（称为子载波）来进行调制，在时域上叠加后并行传输。多载波调制使每路并行信号的频带宽度是原来串行数据信号频带宽度的1/N，可以更容易满足小于信道的相干带宽的条件，能有效减小频率选择性衰落的影响。当前在无线传输中应用最广的多载波调制方法是正交频分复用（Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing,OFDM）技术。

OFDM的基本调制方法框图如图1。在OFDM技术中，将输入的信号通过串并转换模块，在N个并行的子信道上并分别进行调制，其中每个子信道占据频带的不同位置的相等的带宽，这样使得每个数据符号的持续时间扩大为原始数据符号周期的N倍，因此避免多径效应所要求的信道时延也降低了N倍。在实际运用中，通常采用的是将离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform,DFT）或快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）应用到OFDM的方法，如图2所示。

对于多载波调制，OFDM符号是由多个独立调制的子载波信号叠加而成的，当各个子载波相位相同或者相近时，OFDM时域信号在某些时刻受到相位的影响出现极大值，从而产生较大的瞬时功率，进而产生较高的峰均功率比PAPR。

连续时间信号的峰值平均功率比（Peak to Average Power Ratio,PAPR）定义为

$\mathrm{PAPR}=\frac{\underset{0\&le;t<\mathrm{NT}}{\max }{\left|x\left(t\right)\right|}^2}{\frac{1}{\mathrm{NT}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{NT}}{\left|x\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}}$

对于数字离散系统，统计PAPR时一般连续时间信号按符号周期L倍过采样，得到时域离散信号x=[x₀,x₁，…,x_NL-1]^T。PAPR定义为

$\mathrm{PAPR}=\frac{\underset{0\&le;k\&le;\mathrm{NL}-1}{\max }{\left|x_k\right|}^2}{E\left[{\left|x_k\right|}^2\right]}$

高的PAPR是多载波调制的一大缺点。高的PAPR意味着电路中可能出现更高的瞬时电压、电流，这也要求各个硬件模块必须有很大的线性范围，或者必须有较大的功率。这增大硬件设计的要求，和能量的消耗。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种在APSK调制中通过星座图选择性扩展来降低PAPR的方法。

（二）技术方案

为了解决上述问题，本发明提供了一种降低APSK星座图调制的PAPR的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、时域限幅：将每个OFDM符号的频域星座点信号X，经过IFFT变换、升采样、使用参数V_clip限幅、降采样以及FFT变换得到更新的频域星座点X_C，进一步将X_C使用星座图扩展系数G进行扩大频域点移动得到X′_C，其中X′_C=X+G·(X_C-X)；

S2、频域限制扩展范围：将上述频域星座点信号X′_C根据参数L限制星座点的扩展范围，得到X″_C：

$X_{C,k}^{\&prime;\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_{C,k}^{\&prime;},& \left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|\&le;L\\ L\&CenterDot;\frac{X_{C,k}^{\&prime;}}{\left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|},& \left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|>L\end{array}\right.$

S3、频域选择性扩展：将上述频域星座点信号X″_C进行频域选择性扩展得到X_OUT；

S4、迭代并输出：将上述频域星座点信号X_OUT作为为步骤S1中的X重复上述步骤进行迭代，迭代至PAPR满足要求为止，将最终得到的X_OUT经过IFFT变换到时域后输出x_OUT进行发送。

优选地，选择性扩展根据参数

按照如下方式进行：

S31、对于最外层星座点，落在扩展区域之外的星座点：

S32、对于最外层星座点，落在扩展区域之内的星座点：

X_OUT,k=X″_C,k

S33、对于非最外层星座点：

X_OUT,k=X_k。

优选地，所选参数

为星座图圆心到最外层星座点连线的延长线为角平分线所对应的张角，即

其中M_outer是APSK最外层星座点的个数。

优选地，所述选择性扩展中APSK星座图星座点的扩展可行区域如下：以最外层星座点为端点、张角为

的两条指向圆外的射线围成的区域。

优选地，所述的参数G,V_clip，L，由星座图模式和OFDM模式决定，其中G为公式X′_C=X+G(X_C-X)中星座图扩展系数，将削峰后的星座点的位置移动放大G倍，V_clip为限幅阈值，L表示扩展后的星座点的幅度不超过L。

优选地，G的取值范围为0～31。

优选地，V_clip的取值范围为0～13dB。

优选地，当取星座图的平均功率为1时，L的取值范围为1～5。

优选地，所述APSK调制为64APSK、256APSK或1024APSK星座图映射。

优选地，所述OFDM符号的子载波数为1K、2K、4K、8K、16K或32K。

（三）有益效果

本方法的主要优点有：只需在发射端增加相应模块、在接收端无需做任何变化；星座点扩展方式，不会造成系统误码性能的恶化；不会造成数据传输速率的损失，不需要额外的频带。

附图说明

下面参照附图并结合实例来进一步描述本发明。其中：

图1为OFDM基本原理示意图。

图2为OFDM的DFT实现示意图。

图3为根据本发明实施例的星座点扩展区域和扩展规则示意图。

图4为根据本发明实施例的调制后APSK星座图。

图5为据本发明实施例的64APSK仿真结果CCDF曲线图。

图6为据本发明实施例的256APSK仿真结果CCDF曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的主要思想是，在时域上限制信号的幅度，将时域信号变回到频域星座点上时，仅保留那些向外扩展的频域星座点，将过程迭代多次，以此减小峰值信号出现的概率，从而降低OFDM符号的PAPR。

根据本发明的降低APSK星座图调制PAPR的方法，包括步骤：

S1、时域限幅：将每个OFDM符号的频域星座点信号X，经过IFFT变换、升采样、使用参数V_clip限幅、降采样以及FFT变换得到更新的频域星座点X_C，进一步将X_C使用星座图扩展系数G进行扩大频域点移动得到X′_C，其中X′_C=X+G·(X_C-X)。

S2、频域限制扩展范围：将上述频域星座点信号X′_C根据参数L限制星座点的扩展范围，得到X″_C：

$X_{C,k}^{\&prime;\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_{C,k}^{\&prime;},& \left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|\&le;L\\ L\&CenterDot;\frac{X_{C,k}^{\&prime;}}{\left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|},& \left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|>L\end{array}\right.$

S3、频域选择性扩展：将上述频域星座点信号X″_C进行频域选择性扩展，对满足扩展可行区域的频域星座点信号保留其扩展，对不满足条件的星座点拉回原星座点，得到X_OUT；

其中，选择性扩展根据参数

按照如下所述方法进行：

S31、对于最外层星座点，落在扩展区域之外的星座点：

S32、对于最外层星座点，落在扩展区域之内的星座点：

X_OUT,k=X″_C,k

S33、对于非最外层星座点：

X_OUT,k=X_k；

其中，所选参数

为星座图圆心到最外层星座点连线的延长线为角平分线所对应的张角，即

其中M_outer是APSK最外层星座点的个数；这样，所述选择性扩展中APSK星座图星座点的扩展可行区域如下所述：以最外层星座点为端点、张角为

的两条指向圆外的射线围成的区域。

S4、迭代并输出：将上述频域星座点信号X_OUT作为为步骤1中的X重复上述步骤进行迭代，迭代至PAPR满足要求为止，将最终得到的X_OUT经过IFFT变换到时域后输出x_OUT进行发送。

根据本发明的实施例，APSK调制可以根据应用选择64APSK、256APSK、1024APSK星座图映射，所述的OFDM符号的子载波数则可以根据应用选择1K、2K、4K、8K、16K、32K等数值。

本发明的具体技术方案包括：1.确定频域上星座点的扩展区域；2.确定频域上星座点的扩展规则；3.确定本方法中的可变参数，及其取值范围。

1.本方法星座点扩展区域示意图如图3。本方法仅对APSK调制的最外层星座点扩展。图中A、B点为APSK星座图映射中最外层的相邻两点，阴影部分所示为它们分别可以扩展的区域。可扩展区域的夹角大小，由AB的垂直平分线的角度来决定，以此保证阴影区域A和阴影区域B的绝对距离恒等于线段AB。这样，A、B两点经过扩展后的任意情况下，新的两点的绝对距离将不小于原来AB的距离，可以保证误码性能不会发生太大的变化。

2.本方法星座点扩展规则如下：

对于最外层星座点，落在可扩展区域之外：我们保留其径向的幅度基本不变，通过改变横向的角度（相位），将其拉回到可扩展区域的边缘。如图3所示，原始A点经过幅度剪切、放大频域移动等过程，移动到了C点，在频域星座点选择性扩展时，将C点沿横向平移到可扩展区域的D点进行输出。

对于最外层星座点，落在可扩展区域之内：保留其星座点扩展。

对于非最外层星座点：不做扩展变化。

3.本发明中，有3个可变参数，用于调整本方法的细节：G，V_clip，L，其由星座图模式和OFDM模式决定，。

G为公式X′_C=X+G(X_C-X)中星座图扩展系数，将削峰后的星座点的位置移动放大G倍，较优的参数取值范围为0～31。

V_clip为限幅阈值，较优的参数取值范围0～13dB

L表示扩展后的星座点的幅度不超过L，当取星座图的平均功率为1时，较优的参数取值范围1～5。

经过本方法调制后的APSK星座图如图4所示。

本发明是一种降低APSK星座图调制的PAPR的方法，主要模块位于发射端OFDM调制之前，信道编码和星座图映射之后，在接收端无需作任何额外的处理。

本方法将由每一个OFDM帧的频域星座点信号X=[X₀,X₁,…,X_N-1]产生一帧时域信号x_OUT。具体步骤如下：

一个OFDM符号的频域星座点信号X=[X₀,X₁,…,X_N-1]经过IFFT变换，产生一帧时域信号x=[x₀,x₁,…,x_N-1]。

对时域信号x经过4倍升采样得到x′=[x′₀,x′₁,…,x′_4N-1]。

对x′进行给定阈值V_clip的幅度剪切，将时域信号x′的幅度限制在一定范围内：

$x_k^{\&prime;\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{clip}}\&CenterDot;e^{{\mathrm{j\&theta;}}_k}=V_{\mathrm{clip}}\&CenterDot;\frac{x_k^{\&prime;}}{\left|\right|x_k^{\&prime;}\left|\right|},& \left|\right|x_k^{\&prime;}\left|\right|>V_{\mathrm{clip}}\\ x_k^{\&prime;},& \left|\right|x_k^{\&prime;}\left|\right|\&le;V_{\mathrm{clip}}\end{array}\right.$

对x″进行4倍降采样得到x_C=[x_C0,x_C1，…,x_C，N-1]。

对x_C进行FFT变换到频域得到星座点分布X_C。

为了放大频域星座点上的变化，对频域信号X_C作如下处理：

X′_C=X+G·(X_C-X)

其中G为频域放大增益。

将频域信号X′_C限制在星座点上的扩展范围，得到X″_C。规定X″_C的幅值不能超过参数L

$X_{C,k}^{\&prime;\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_{C,k}^{\&prime;},& \left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|\&le;L\\ L\&CenterDot;\frac{X_{C,k}^{\&prime;}}{\left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|},& \left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|>L\end{array}\right.$

根据上述的APSK星座点扩展的规则，仅对APSK调制的最外层星座点进行扩展，使其按指定方法扩展到可行区域内，由此确定扩展后的X_OUT。

对于最外层星座点，落在可扩展区域之外

对于最外层星座点，落在可扩展区域之内

X_OUT,k=X″_C,k

对于非最外层星座点

X_OUT,k=X_k。

将上述频域星座点信号X_OUT作为为X重复上述步骤进行迭代，迭代至PAPR满足要求为止。

将最终得到的X_OUT进行IFFT变换，输出时域信号x_OUT并进行发送，至此完成了OFDM的调制以及降低APSK系统的PAPR的过程。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步得到说明。

仿真条件如下：OFDM信号由随机信号源产生，进行64APSK调制，子载波数为4096/32768即4K和32K，4倍过采样率。对105帧进行仿真。分别取迭代1次和迭代2次的结果，观察峰均比PAPR的互补概率分布函数（CCDF）曲线。

仿真1

对64APSK星座点映射，子载波数为4096，进行仿真。经过搜索，该调制模式下的最优仿真参数取为G=16,V_clip=6.0dB,L=2.2。仿真结果见图5。由图5可见，本方法收敛较快，在迭代两次后，PAPR几乎不再变化。取迭代1次后，CCDF=10^-2处，本方法对PAPR有1.9dB的降低。

仿真2

对256APSK星座点映射，子载波数为32768，进行仿真。经过搜索，该调制模式下的最优仿真参数取为G=16,V_clip=6.0dB,L=2.2。仿真结果见图6。由图6可见，本方法收敛较快，在迭代两次后，PAPR几乎不再变化。取迭代1次后，CCDF=10^-2处，本方法对PAPR有1.0dB的降低。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种降低APSK星座图调制的PAPR的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、时域限幅：将每个OFDM符号的频域星座点信号X，经过IFFT变换、升采样、使用参数V_clip限幅、降采样以及FFT变换得到更新的频域星座点X_C，进一步将X_C使用星座图扩展系数G进行扩大频域点移动得到X′_C，其中X′_C=X+G·(X_C-X)；

S2、频域限制扩展范围：将上述频域星座点信号X′_C根据参数L限制星座点的扩展范围，得到X″_C：

$X_{C,k}^{\&prime;\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_{C,k}^{\&prime;},& \left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|\&le;L\\ L\&CenterDot;\frac{X_{C,k}^{\&prime;}}{\left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|},& \left|X_{C,k}^{\&prime;}\right|>L\end{array}\right.$

S3、频域选择性扩展：将上述频域星座点信号X″_C进行频域选择性扩展得到X_OUT；

S4、迭代并输出：将上述频域星座点信号X_OUT作为为步骤S1中的X重复上述步骤进行迭代，迭代至PAPR满足要求为止，将最终得到的X_OUT经过IFFT变换到时域后输出x_OUT进行发送。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

选择性扩展根据参数

按照如下方式进行：

S31、对于最外层星座点，落在扩展区域之外的星座点：

S32、对于最外层星座点，落在扩展区域之内的星座点：

X_OUT,k=X″_C,k

S33、对于非最外层星座点：

X_OUT,k=X_k。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

所选参数

为星座图圆心到最外层星座点连线的延长线为角平分线所对应的张角，即

其中M_outer是APSK最外层星座点的个数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述选择性扩展中APSK星座图星座点的扩展可行区域如下：以最外层星座点为端点、张角为

的两条指向圆外的射线围成的区域。

5.如权利要求1~4之一所述的方法，其特征在于：

所述的参数G,V_clip,L，由星座图模式和OFDM模式决定，其中G为公式X′_C=X+G(X_C-X)中星座图扩展系数，将削峰后的星座点的位置移动放大G倍，V_clip为限幅阈值，L表示扩展后的星座点的幅度不超过L。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

G的取值范围为0～31。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

V_clip的取值范围为0～13dB。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

当取星座图的平均功率为1时，L的取值范围为1～5。

9.如权利要求1~4之一所述的方法，其特征在于：

所述APSK调制为64APSK、256APSK或1024APSK星座图映射。

10.如权利要求1~4之一所述的方法，其特征在于：

所述OFDM符号的子载波数为1K、2K、4K、8K、16K或32K。

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