CN102957660B - 一种ofdm系统最优限幅率迭代限幅滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM系统最优限幅率迭代限幅滤波方法。本发明通过研究了一种根据每个OFDM符号限幅后频域信息的改变情况计算该OFDM符号限幅率的方法，并将该法用于迭代限幅滤波算法中。由于传统迭代限幅滤波方法的限幅率（Clipping Ratio，CR）是固定的，这对于个别OFDM符号往往得不到理想的效果，该迭代限幅滤波法（IterativeClipping andFiltering，ICF）是一种简单而且有效的降低OFDM系统峰均功率比（PAPR）的方法。理论和仿真表明，改进后的算法与传统方法相比能够更有效地降低PAPR。

Description

一种OFDM系统最优限幅率迭代限幅滤波方法

技术领域

本发明涉及正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM）移动通信系统中对OFDM信号进行改善的技术领域，特别是涉及一种OFDM系统最优限幅率迭代限幅滤波方法。

背景技术

正交频分复用（OFDM）具有抗多径衰落、频谱利用率高和系统容量大等优点，因而为许多高速率传输系统采纳为标准。然而，OFDM信号具有高峰均功率比的缺点，严重影响了OFDM系统的性能。为了降低系统峰均功率比，人们已经提出了很多方法，包括限幅类技术、概率类技术、编码类技术。

迭代限幅滤波法因简单高效而被众多OFDM系统（如3GPPP LTE、WiMAX、WLAN和DVB）所采纳。文献“J.Armstrong,“Peak-to-average power reduction for OFDM by repeatedclipping and frequency domain filtering,”IET Journals,Vol.38,pp.246-247,2002”提出了一种能够非常有效地降低系统PAPR的迭代限幅滤波算法，该算法能够最大限度降低带外干扰。文献“Y.-C Wang and Z.-Q.Luo,“Optimized Iterative Clipping and Filtering for PAPR Reduction ofOFDM Signals,”IEEE Transactions on communications,Vol.59,No.1,January 2011”将凸优化技术用到迭代限幅滤波算法中，使得改进后的算法在很少的迭代次数的情况下，能有效降低系统PAPR。

在传统限幅过程中，限幅率（Clipping Ratio，CR）是固定的。这种固定的CR对大部分OFDM符号比较适合，但也有少部分不太适合，从而降低了算法性能。本专利介绍了一种根据每个OFDM符号限幅后其频域信息改变来计算针对此OFDM符号自适应改变CR方法，并将此方法应用到迭代限幅滤波算法中。与传统方法相比在相同的条件下，能更有效地降低系统的PAPR。

发明内容

为更有效地克服OFDM系统中存在的上述缺陷，本发明目的是提供一种可以降低OFDM系统中峰均功率比，并能更有效地应用于实际通信系统中的方法。

本发明的创新之处在于根据时域信号和频域信号变化量之间的关系，首次提出在约束限幅算法中针对不同OFDM符号各自特征来确定最优CR的确定方法，并将此方法用在迭代限幅滤波算法中。

本发明的创新之处在于所提出的自适应限幅率约束限幅算法由于对每个OFDM符号采用了与其最适合的限幅率进行限幅，能够根据之前限幅后EVM值来确定本次限幅时应该采用的最佳限幅率，与传统的方法相比，在相同迭代次数的情况下能够更为有效的降低OFDM系统的PAPR。

本发明是一种OFDM系统最优限幅率迭代限幅滤波方法。所述方法具体过程包括以下步骤：

步骤1输入原始的信号，OFDM频域信号可表示为其中N为OFDM系统的子载波数,这里i＝1,2,3,…,∞，通过IFFT将频域信号变换为时域信号 $x^i=[x_0^i,x_1^i,x_2^i,...,x_{N-1}^i];$

步骤2对信号进行过采样；

步骤3计算信号的PAPR；

步骤4在系统EVM一定的情况下，用等间隔的连续不同限幅率对一定量的OFDM符号进行限幅滤波处理，在此过程中记录限幅后信号的PAPR与原始信号的PAPR的改变量ΔPAPR，用式（1）计算出γ值：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{EV}{M}_m^i}{T_h}---\left(1\right)$

式（1）中表示对第i个OFDM符号进行第m次限幅后的EVM值，此步骤中为一给定的常量，T_h表示系统要求EVM的门限值，γ表示为一个变量；

步骤5计算出不同CR情况下ΔPAPR的代数平均值γ的代数平均值将最小对应的CR值作为第一次限幅时所采用的最优限幅率记为CR_opt1，将此CR值对应的值记为最优γ值γ_opt，利用式（2）计算得到k值：

CR_opt=CR+k(γ-γ_opt)                   (2)

式（2）中CR表示限幅率，k为CR改变量和γ改变量之间的比值；

步骤6令限幅率CR=CR_opt1，初始化迭代次数Iter为1，对OFDM符号进行限幅处理；

步骤7将得到的时域信号经过FFT变换到频域，用式（3）先计算出信号的EVM_i，再用式（1）计算第一次限幅处理后的γ值，式（3）为：

${\mathrm{EVM}}_i=\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k\∈R_I}{\mathrm{\Σ}}{|{\hat{X}}_k^i-\stackrel{\‾}{X_k^i}|}^2}---\left(3\right)$

式（3）中，S_max表示为调制星座的最大幅度，R_I表示信号带内区域，表示为 表示带内信号，表示限幅后的信号；

步骤8在频域进行带内和带外处理，并将处理后的频域信号通过IFFT重新变换到时域；

步骤9利用上一次限幅处理后得到的γ值，利用式（2）计算得到CR_opt，令CR＝CR_opt；

步骤10判断Iter是否等于预设的最大的迭代次数Iter_max，如果是，对此OFDM符号处理结束，处理下一个OFDM符号；否则，更新Iter=Iter+1，转入步骤6，继续对此OFDM符号进行限幅滤波处理。

本发明的有益效果在于该算法根据每个OFDM符号限幅后频域信息的改变情况，计算该OFDM符号进行限幅处理时所采用的最佳限幅率，并将该法用于迭代限幅滤波算法中，该算法能够根据之前限幅后EVM值来确定本次限幅时应该采用的最佳限幅率，与传统的方法相比，在相同迭代次数的情况下能够更为有效地降低OFDM系统的PAPR。

附图说明

图1一种OFDM系统最优限幅率迭代限幅滤波方法的流程框图；

图2次迭代情况下系统峰均比的互补累计概率分布函数的性能曲线图；

图3次迭代情况下系统在高斯白噪声下的误比特率的性能曲线图；

图4四次迭代情况下系统峰均比的互补累计概率分布函数的性能曲线图；

图5四次迭代情况下系统在高斯白噪声下的误比特率的性能曲线图。

具体实施方式

下面给出本专利的具体实施方法：

步骤1输入原始的信号，OFDM频域信号可表示为其中N为OFDM系统的子载波数,这i=1,2,3,...,∞，通过IFFT将频域信号变换为时域信号 $x^i=[x_0^i,x_1^i,x_2^i,...,x_{N-1}^i];$

步骤2并对信号进行L倍过采样，得到过采样的信号可表示为： $x_n^i=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LN}}}\underset{k=0}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{X}}_k^i{e}^{j\frac{2\mathrm{\πkn}}{\mathrm{LN}}},$ 0≤n≤LN-1                   (4)

其中为

${\hat{X}}_n^i=\left\{\begin{array}{cc}{X}_k^i,& k\∈R_I\\ 0,& k\∈R_O\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中 $R_I=[0,\frac{N}{2}-1]\∪[\mathrm{LN}-\frac{N}{2},\mathrm{LN}-1]$ 表示信号带内区域， $R_O=[\frac{N}{2},\mathrm{LN}-\frac{N}{2}]$ 为信号带外区域；

步骤3计算信号的PAPR；

步骤4在系统EVM一定的情况下，用等间隔的连续不同限幅率对一定量的OFDM符号进行限幅滤波处理，在此过程中记录限幅后信号的PAPR与原始信号的PAPR的改变量ΔPAPR，用式（1）计算出γ值：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{EV}{M}_m^i}{T_h}---\left(1\right)$

式（1）中表示对第i个OFDM符号进行第m次限幅后的EVM值，此步骤中为一给定的常量，的取值范围为0<T_h≤12%，T_h表示系统要求EVM的门限值，T_h的取值范围为0<T_h≤12%，γ表示为一个变量，变量γ是为了反映限幅时所用的CR偏大还是偏小，以此判断此时所采用的CR是否合适，这里如果CR选的太小，经过滤波后信号峰值会反弹很大，并不能很好地降低系统PAPR，如果CR选的太大，由于限幅门限较高，尽管经过滤波后信号峰值反弹较小，系统的PAPR依然很高；

步骤5计算出不同CR情况下ΔPAPR的代数平均值γ的代数平均值将最小对应的CR值作为第一次限幅时所采用的最优限幅率记为CR_opt1，将此CR值对应的值记为最优γ值γ_opt，利用式（2）计算得到k值：

CR_opt=CR+k(γ-γ_opt)                (2)

式（2）中CR表示限幅率，k为CR改变量和γ改变量之间的比值；

步骤6令限幅率CR＝CR_opt1，初始化迭代次数Iter为1，利用限幅率为限幅门限与信号功率的均方根的比值，从而得到信号的限幅门限A_max，进而对信号进行限幅处理，限幅是对OFDM系统时域信号中幅度超出所设门限A_max的部分进行修改，以保证修改后的信号的幅度不会超过门限A_max并且保持其相位信息不变，限幅过程可以用式（6）表示：

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}_n^i=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n^i,& \left|x_n^i\right|\&le;A_{\max }\\ A_{\max }{e}^{j\&angle;x_n^i},& \left|x_n^i\right|>A_{\max }\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中表示的角度，|*|表示取绝对值；

步骤7将得到的时域信号经过FFT变换到频域，用式（3）先计算出信号的EVM_i，再用式（1）计算第一次限幅处理后的γ值，式（3）为：

${\mathrm{EVM}}_i=\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k\&Element;R_I}{\mathrm{\&Sigma;}}{|{\hat{X}}_k^i-\stackrel{\&OverBar;}{X_k^i}|}^2}---\left(3\right)$

式（3）中，S_max表示为调制星座的最大幅度，R_I表示信号带内区域，表示为 表示带内信号，表示限幅后的信号；

步骤8在频域进行带内和带外处理，并将处理后的频域信号通过IFFT重新变换到时域；

步骤9利用上一次限幅处理后得到的γ值，利用式（2）计算得到CR_opt，令CR＝CR_opt；

步骤10判断Iter是否等于预设的最大的迭代次数Iter_max，如果是，对此OFDM符号处理结束，处理下一个OFDM符号；否则，更新Iter=Iter+1，转入步骤6，继续对此OFDM符号进行限幅滤波处理，这里迭代次数Iter_max的取值不大于20，多次的迭代会导致系统的复杂度增加，因此在实际系统中需根据PAPR的需求和系统复杂度来设定最大的迭代次数，一般当迭代次数达到20次后PAPR的改善已经不明显了。

在信号带内区域R_I内，限幅后的信号和限幅前的信号不相同会引入带内失真，导致误码率提高；带外区域R_O内，限幅后的信号和限幅前的信号的不相同，会导致带外干扰，影响相邻信道。为了降低限幅后的OFDM系统误码率和带外干扰，需要对限幅后的OFDM信号进行带内处理和带外处理。

对于进行带内处理时，如果对应子载波数据的偏移量未超出EVM范围，则不予修正，对于超过EVM范围的数据点，则把信号的模值减小至EVM要求的范围，且保持这些信号各子载波上的噪声的相位不变，带内处理方法可用式（7）表示出：

${\tilde{X}}_k^i=\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k^i,& \left|E_k^i\right|\&le;T_h{S}_{\max }\\ {\stackrel{\&OverBar;}{X}}_k^i+T_h{S}_{\max }{e}^{j\&angle;E_k^i},& \left|E_k^i\right|>T_h{S}_{\max }\end{array}\right.---\left(7\right)$

式（7）中k∈R_I，表示经过带内处理后的OFDM符号频域信息，表示限幅后的信号，表示限幅后的信号与限幅前的信号之差的绝对值，T_h表示OFDM系统要求的EVM门限，S_max表示为调制星座的最大幅度，S_max在不同的调制下数值是不同的，如采用QPSK调制时取值为1。

对于进行带外处理时，对产生的带外噪声辐射采用WiMAX（Worldwide Interoperability forMicrowave Access）标准模板加以抑制。

通过图2的系统PAPR的CCDF曲线可以看出，本专利中提出的最优CR迭代限幅滤波算法和传统的迭代限幅滤波算法都能够有效的降低OFDM的PAPR，但本专利中提到的算法更为有效。在CCDF为0.1时，本专利提出的算法比传统方法PAPR（dB）改善了约0.08dB；CCDF为0.01时，改善了0.15dB；CCDF为0.001位置改善了0.22dB。随着CCDF取值的减小本专利提出的算法优势越明显。

图3为系统在高斯白噪声下的误比特率性能曲线。从图中可以看到本专利中提到的方法和传统方法的误比特率性能几乎一致，这是因为两种方法经过带内处理后，都有效地将系统的EVM控制在要求的门限以内。

图4、图5分别为4次迭代情况下系统PAPR和BER的性能曲线。由图2、图4对比可以看出提高迭代次数可以更好地降低系统的PAPR。由图5可以看出，提高迭代次数后本专利提出的算法和传统的算法误比特率性能依然相同。

Claims (1)

1.一种OFDM系统最优限幅率迭代限幅滤波方法，其特征在于：

步骤1输入原始的信号，OFDM频域信号可表示为其中N为OFDM系统的子载波数，这里i＝1,2,3,...,∞，通过IFFT将频域信号变换为时域信号 $x^i=[x_0^i,x_1^i,x_2^i,...,x_{N-1}^i];$

步骤2对信号进行过采样；

步骤3计算信号的PAPR；

步骤4在系统EVM一定的情况下，用等间隔的连续不同限幅率对一定量的OFDM符号进行限幅滤波处理，在此过程中记录限幅后信号的PAPR与原始信号的PAPR的改变量ΔPAPR，用式(1)计算出γ值：

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{{\mathrm{EVM}}_m^i}{T_h}---\left(1\right)$

式(1)中表示对第i个OFDM符号进行第m次限幅后的EVM值，此步骤中为一给定的常量，的取值范围为0＜T_h≤12％，T_h表示系统要求EVM的门限值，T_h的取值范围为0＜T_h≤12％，γ表示为一个变量；

步骤5计算出不同CR情况下ΔPAPR的代数平均值γ的代数平均值将最小对应的CR值作为第一次限幅时所采用的最优限幅率记为CR_opt1，将此CR值对应的值记为最优γ值γ_opt，利用式(2)计算得到k值：

CR_opt＝CR+k(γ-γ_opt)                    (2)

式(2)中CR表示限幅率，k为CR改变量和γ改变量之间的比值；

步骤6令限幅率CR＝CR_opt1，初始化迭代次数Iter为1，对OFDM符号进行限幅处理；

步骤7将得到的时域信号经过FFT变换到频域，用式(3)先计算出信号的EVM_i，再用式(1)计算第一次限幅处理后的γ值，式(3)为：

${\mathrm{EVM}}_i=\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k\&Element;R_I}{\mathrm{\&Sigma;}}{|{\hat{X}}_k^i-\stackrel{\&OverBar;}{X_k^i}|}^2}---\left(3\right)$

式(3)中，S_max表示为调制星座的最大幅度，R_I表示信号带内区域，表示为其中L为过采样倍数，表示带内信号，表示限幅后的信号；

步骤8在频域进行带内和带外处理，并将处理后的频域信号通过IFFT重新变换到时域；

步骤9利用上一次限幅处理后得到的γ值，利用式(2)计算得到CR_opt，令CR＝CR_opt；

步骤10判断Iter是否等于预设的最大的迭代次数Iter_max，如果是，对此OFDM符号处理结束，处理下一个OFDM符号；否则，更新Iter＝Iter+1，转入步骤6，继续对此OFDM符号进行限幅滤波处理。