CN103152310A - 降低ofdm系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统和方法，发射机对原始串行数据流处理得到时域序列，然后将时域序列与M个不同的时域随机序列分别相加得到备选传输时域序列，选择PAPR最小的备选传输时域序列进行发送。接收机将接收信号与M个时域随机序列分别进行相关运算，最大相关值所对应的时域随机序列即为发射机加入到原始信号中的时域随机序列，用接收信号减去判别出的时域随机序列，得到的信号就是原始信号与信道噪声的叠加，进而恢复出原始串行数据流。本发明仅需一次IFFT变换，且时域随机序列的判别信息植入到时域随机序列的随机性当中，无需边带副信息的传输。

Description

降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统和方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统和方法。

背景技术

在现有的通信技术中，OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术以其很高的频谱利用率、良好的抗多径衰落和抗干扰性能，成为未来移动多媒体通信的主要候选技术之一。一个典型的OFDM信号可以表示如下：

$x\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(n\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{n}t\right),0\≤t\≤T$

其中，N为子载波的数目,X(n)为第n个子载波上传输的频域数据符号，f_n为第n个子载波的频率，T为一个OFDM符号的持续时间。

OFDM系统的主要缺点之一是PAPR（Peak to Average Power Ratio，峰值平均功率比）偏高。OFDM符号由多个独立的经过调制的子载波信号叠加而成，可能产生较大的峰值功率，并由此带来较大的PAPR。OFDM信号的PAPR定义为：

$\mathrm{PAPR}=\frac{\max \left\{{\left|x\left(t\right)\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|x\left(t\right)\right|}^2\right\}}$

目前降低OFDM系统峰均功率比PAPR的一种主流方法是SLM（SelectedMapping，选择性映射）方法。SLM方法的基本原理是：使输入的OFDM信号与U个模值为1的旋转相位序列相乘，得到U个表示相同信息的输出信号。然后将这U个信号分别进行IFFT变换，并从中选择出PAPR最小的那个信号进行发送。为了在接收端能够正确地对接收信号进行解调，在发送端必须发送边带副信息来表示具体发送的是哪个旋转相位序列。

图1是采用传统SLM方法降低OFDM系统的峰均功率比的通信系统框架图。如图1所示，基于传统SLM方法的通信系统包括旋转相位序列发生器101和发射机、接收机三个部分，其中发射机包括：串/并转换模块102，数字调制模块103，IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，快速傅立叶逆变换）模块104，最佳PAPR选择器105，D/A（Digital/Analog,数字/模拟）转换模块106，射频发射模块107；接收机部分包括：射频接收模块108，A/D（Analog/Digital,模拟/数字）转换模块109，FFT（Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换）模块110，数字解调模块111，并/串转换单元112。

传统SLM方法的缺陷在于：为了获得较好的PAPR抑制性能，通常需要对多个备选信号进行IFFT变换，从中选择一个用来传输，算法的计算复杂度急剧增加；并且为了使得系统可以在接收端恢复出原始信号，需要传输一定的边带副信息，边带副信息的传输降低了系统的频谱利用效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统和方法，将时域随机序列的判别信息植入到时域随机序列的随机性当中，无需传输边带副信息就可以将原始信号恢复出来，提高频谱利用效率。

为实现上述发明目的，本发明降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统，其特征在于包括：

随机序列发生器，用于产生长度为N的时域随机序列；

序列子集选择器，用于从随机序列发生器产生的时域随机序列中选择出M个时域随机序列q_i,i＝1,2,…,M，M由用户设置；并将这M个时域随机序列分别传送给发射机的加法器和接收机的自相关信号匹配器；

串/并转换模块，用于将原始串行数据流转换为包含N个子载波的并行数据流；

数字调制模块，用于对并行数据流进行数字调制，得到频域序列X；

IFFT模块，用于将经数字调制得到的频域序列X转换成时域序列x；

加法器，用于将时域序列x与M个时域随机序列q_i进行叠加得到M个备选传输时域序列

；

最佳PAPR选择器，用于从M个备选传输时域序列中选择出PAPR最小的时域序列

D/A转换模块，用于将时域序列

从数字信号转换成模拟信号；

射频发射模块，用于将模拟信号发射至信道进行传输；

射频接收模块，用于接收从信道传输过来的模拟信号；

A/D转换模块，用于将接收的模拟信号转换成数字信号y；

自相关信号匹配器，用于计算接收数字信号y与序列子集选择器传送过来的M个时域随机序列q_i的相关性，选择最大相关值对应的时域随机序列q_j；

减法器，用于从数字信号y中减去时域随机序列q_j得到时域序列y^*；

FFT模块，用于将时域序列y^*转换成频域序列；

数字解调模块，用于对频域序列进行解调得到并行数据流；

并/串转换单元，用于将并行数据流转换成串行数据信号。

其中，数字调制模块为QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）调制模块，数字解调模块为QAM解调模块。

其中，数字调制模块为PSK（Phase Shift Keying，相位调制）调制模块，数字解调模块为PSK解调模块。

为实现上述发明目的，本发明降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、在发射机与接收机初始安装时，采用随机序列发生器生成长度为N的时域随机序列，序列子集选择器从生成的时域随机序列任意选择M个时域随机序列q_i＝[q_i1,q_i2,…,q_iN],i＝1,2,…,M，M由用户设置，并将这M个时域随机序列q_i传送给发射机和接收机进行存储；

（2）、发射机将原始串行数据流进行串/并转换得到并行数据流，并行数据流包含N个子载波，经过数字调制得到频域序列X＝[X₁,X₂,…,X_N]，频域序列X经IFFT变换得到时域序列x＝[x₁,x₂,…,x_N]；

（3）、将步骤（2）得到的时域序列x和步骤（1）得到的时域随机序列q_i分别叠加，得到M个备选传输时域序列

：

$x_i^{*}=x+q_i=[x_1+q_{i1},x_2+q_{i2},\·\·\·,x_N+q_{\mathrm{iN}}]$

（4）、计算M个备选传输时域序列的PAPR，选择PAPR最小的时域序列

转换为模拟信号通过信道进行传输，对应的时域随机序列为q_j；

（5）、接收机接收经信道传输过来的信号并转换为数字信号，将该数字信号记为y：

$y=x_j^{*}+n=x+q_j+n$

其中，n为信道噪声；

（6）、分别计算M个时域随机序列q_i与数字信号y的相关性：

${\mathrm{\τ}}_{y,q_i}=q_i\⊗y=q_i\⊗(x+q_j+n)$

当数字信号y与某个时域随机序列相关性最大，则该时域随机序列即为数字信号y中包含的时域随机序列q_j；数字信号y减去时域随机序列q_j得到数字信号y^*＝x+n；

（7）、将数字信号y^*进行FFT变换得到频域序列，频域序列经过数字解调得到并行数据流，再经并/串转换恢复成原始串行数据流。

其中，步骤（2）中的数字调制为QAM调制，步骤（7）中的数字解调为QAM解调。

其中，步骤（2）中的数字调制为PSK调制，步骤（7）中的数字解调为PSK解调。

本发明的发明目的是这样实现的：

发射机将原始串行数据流进行串/并变换、数字调制、IFFT变换得到时域序列，然后将该时域序列与序列子集选择器中的M个不同的随机序列分别相加得到备选传输时域序列，选择PAPR最小的备选传输时域序列经射频发送，从而降低OFDM系统的PAPR。接收机将接收信号与序列子集选择器中的随机序列同时通过自相关信号匹配器，接收信号与各随机序列分别进行相关运算，最大相关值所对应的那个随机序列被判断为发射机加入到原始信号中的时域随机序列，用接收信号减去判别出的随机序列，得到的信号就是原始信号与信道噪声的叠加，再经过解调与并/串变换就可以恢复出原始串行数据流。

本发明降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统和方法可实现以下有益效果：

①、由于本发明是对经IFFT变换得到的时域序列进行处理，所以只需要1个IFFT操作，就可以实现信号PAPR的抑制，相对于传统SLM方法，时域自相关匹配方法的计算复杂度有明显的降低。

②、本发明采用时域随机序列，时域随机序列的判别信息植入到时域随机序列的随机性当中，利用接收信号与时域随机序列的相关值的大小来判断加入到时域信号中的时域随机序列，无需边带副信息的传输。

附图说明

图1是基于传统SLM方法降低OFDM系统的峰均功率比的通信系统框架图；

图2是本发明降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统一种具体实施方式系统框架图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图2是本发明降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统一种具体实施方式系统框架图。如图2所示，本发明降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统包括随机序列生成设备、发射机和接收机用部分，其中随机序列生成设备包括：

随机序列发生器201，用于产生时域随机序列。

序列子集选择器202，用于从随机序列发生器201产生的时域随机序列中选择出M个时域随机序列q_i,i＝1,2,…,M，并将这M个时域随机序列分别传送给加法器206和自相关信号匹配器212。

发射机包括：

串/并转换模块203，用于将原始串行数据流转换为包含N个子载波的并行数据流。

数字调制模块204，用于对并行数据流进行数字调制，得到频域序列X＝[X₁,X₂,…,X_N]。

IFFT模块205，用于将频域序列X转换成时域序列x＝[x₁,x₂,…,x_N]。

加法器206，用于将时域序列x与选择出的时域随机序列q_i进行叠加得到M个备选传输时域序列

。

最佳PAPR选择器207，用于从M个备选传输时域序列

中选择出PAPR最小的时域序列

D/A转换模块208，用于将时域序列

从数字信号转换成模拟信号。

射频发射模块209，用于将模拟信号发射至信道进行传输。

接收机包括：

射频接收模块210，用于接收从信道传输过来的模拟信号。

A/D转换模块211，用于将接收的模拟信号转换成数字信号y。

自相关信号匹配器212，用于计算接收数字信号y与发射机中序列子集选择器205中传送过来的时域随机序列q_i的相关性，选择最大相关值对应的时域随机序列q_j。

减法器213，用于从数字信号y中减去时域随机序列q_j得到时域序列y^*。

FFT模块214，用于将时域序列y^*转换成频域序列。

数字解调模块215，用于对频域序列进行解调得到并行数据流。

并/串转换单元216，用于将并行数据流转换成串行数据信号。

在实际应用中，数字调制模块可以选择QAM调制模块、PSK调制模块，相应地，数字解调模块为QAM解调模块、PSK解调模块。

本发明降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配方法包括以下步骤：

步骤1：采用随机序列发生器生成长度为N的时域随机序列。

步骤2：序列子集选择器从生成的时域随机序列任意选择M个时域随机序列q_i＝[q_i1,q_i2,…,q_iN],i＝1,2,…,M，M由用户设置，并将这M个时域随机序列q_i传送给发射机和接收机进行存储。

时域随机序列的生成与选择仅在发射机和接收机初始安装时进行，发射机与接收机将M个时域随机序列q_i进行存储，在正常信号发射与接收时直接使用。

步骤3：发射机将原始串行数据流进行串/并转换得到并行数据流，并行数据流包含N个子载波。

步骤4：对并行数据流进行数字调制得到频域序列X＝[X₁,X₂,…,X_N]。

步骤5：频域序列X经IFFT转换得到时域序列x＝[x₁,x₂,…,x_N]。

步骤6：将步骤5得到的时域序列x和步骤2得到的时域随机序列q_i叠加，得到M个备选传输时域序列

：

$x_i^{*}=x+q_i=[x_1+q_{i1},x_2+q_{i2},\·\·\·,x_N+q_{\mathrm{iN}}].$

步骤7：计算M个备选传输时域序列

的PAPR，选择PAPR最小的时域序列对应的时域随机序列为q_j。

步骤8：将时域序列

转换为模拟信号并经过射频信道进行传输。

步骤9：接收机接收经信道传输过来的信号并转换为数字信号，将该数字信号记为y：

$y=x_j^{*}+n=x+q_j+n$

其中，n为信道噪声。

步骤10：分别计算M个时域随机序列q_i与数字信号y的相关性：

${\mathrm{\τ}}_{y,q_i}=q_i\⊗y=q_i\⊗(x+q_j+n).$

因为各个时域随机序列q_i、时域信号x，噪声n均满足随机性，当序列长度为无限长的时候，q_i，x，n两两相互独立，因此可得：

${\mathrm{\τ}}_{x,q_i}=q_i\⊗x=\mathrm{0,1}\≤i\≤M$

${\mathrm{\τ}}_{n,q_i}=q_i\⊗n=\mathrm{0,1}\≤i\≤M$

${\mathrm{\τ}}_{q_i,q_j}=q_i\⊗q_j=\left\{\begin{array}{c}0,i\≠j\\ 1,i=j\end{array}\right.$

在实际情况中虽有偏差，但仍可通过相关性大小确定发送信号时叠加的时域随机序列。

当数字信号y与某个时域随机序列相关性最大，该时域随机序列即为数字信号y中包含的时域随机序列q_j；数字信号y减去时域随机序列q_j得到数字信号y^*＝x+n。

步骤11：将数字信号y^*进行FFT变换得到频域序列。

步骤12：将恢复出的频域序列进行数字解调得到并行数据流

步骤13：将恢复出的并行数据流进行并/串转换恢复成原始串行数据流。

在实际应用中，数字调制可以选择QAM调制、PSK调制，相应地，数字解调采用QAM解调、PSK解调。

本发明降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统和方法对进行IFFT操作之后得到的时域序列进行处理，与传统SLM方法相比，本发明仅需一次IFFT操作，计算复杂度有明显的降低。同时本发明将所加入的随机序列的判别信息植入到随机序列的随机性当中，在利用接收信号与序列子集选择器中随机序列的互相关值的大小来判断加入到时域信号中的随机序列，从而进行信号恢复，无需占用额外频带进行边带副信息的传输。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配系统，其特征在于包括：

随机序列发生器（201），用于产生时域随机序列；

序列子集选择器（202），用于从随机序列发生器（201）产生的时域随机序列中选择出M个时域随机序列q_i,i＝1,2,…,M，并将这M个时域随机序列分别传送给加法器（206）和自相关信号匹配器（212）；

串/并转换模块（203），用于将原始串行数据流转换为包含N个子载波的并行数据流；

数字调制模块（204），用于对并行数据流进行数字调制，得到频域序列X；

IFFT模块（205），用于将经数字调制得到的频域序列X转换成时域序列x；

加法器（206），用于将时域序列x与M个时域随机序列q_i进行叠加得到备选传输时域序列

；

最佳PAPR选择器（207），用于从M个备选传输时域序列

中选择出PAPR最小的时域序列

D/A转换模块（208），用于将时域序列

从数字信号转换成模拟信号序列；

射频发射模块（209），用于将模拟信号发射至信道进行传输；

射频接收模块（210），用于接收从信道传输过来的模拟信号；

A/D转换模块（211），用于将接收的模拟信号转换成数字信号y；

自相关信号匹配器（212），用于计算接收数字信号y与序列子集选择器（202）中传送过来的M个时域随机序列q_i的相关性，选择最大相关值对应的时域随机序列q_j；

减法器（213），用于从数字信号y中减去时域随机序列q_j得到时域序列y^*；

FFT模块（214），用于将时域序列y^*转换成频域序列；

数字解调模块（215），用于对频域序列进行解调得到并行数据流；

并/串转换单元（216），用于将并行数据流转换成串行数据信号。

2.根据权利要求1所述的时域自相关匹配系统，其特征在于，所述的数字调制模块为QAM调制模块，所述的数字解调模块为QAM解调模块。

3.根据权利要求1所述的时域自相关匹配系统，其特征在于，所述的数字调制模块为PSK调制模块，所述的数字解调模块为PSK解调模块。

4.一种降低OFDM系统的峰均功率比的时域自相关匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、在发射机与接收机初始安装时，采用随机序列发生器生成长度为N的时域随机序列，序列子集选择器从生成的时域随机序列任意选择M个时域随机序列q_i＝[q_i1,q_i2,…,q_iN],i＝1,2,…,M，M由用户设置，并将这M个时域随机序列q_i传送给发射机和接收机进行存储；

（2）、发射端将原始串行数据流进行并/串转换得到并行数据流，并行数据流包含N个子载波，经过数字调制得到频域序列X＝[X₁,X₂,…,X_N]，频域序列X经IFFT变换得到时域序列x＝[x₁,x₂,…,x_N]；

（3）、将步骤（2）得到的时域序列x和步骤（1）得到的时域随机序列q_i分别叠加，得到M个备选传输时域序列

：

$x_i^{*}=x+q_i=[x_1+q_{i1},x_2+q_{i2},\·\·\·,x_N+q_{\mathrm{iN}}]$

（4）、计算M个备选传输时域序列

的PAPR，选择PAPR最小的时域序列

,1≤j≤M转换为模拟信号通过信道进行传输，对应的时域随机序列为q_j；

（5）、接收机接收经信道传输过来的信号并转换为数字信号，将该数字信号记为y：

$y=x_j^{*}+n=x+q_j+n$

（6）、分别计算M个时域随机序列q_i与数字信号y的相关性：

${\mathrm{\τ}}_{y,q_i}=q_i\⊗y=q_i\⊗(x+q_j+n)$

当数字信号y与某个时域随机序列相关性最大，该时域随机序列即为数字信号y中包含的时域随机序列q_j；数字信号y减去时域随机序列q_j得到数字信号y^*；

（7）、将数字信号y^*进行FFT变换得到频域序列，频域序列经过数字解调得到并行数据流，再经并/串转换恢复成原始串行数据流。

5.根据权利要求4所述的时域自相关匹配方法，其特征在于，所述的步骤（2）中的数字调制为QAM调制，所述的步骤（7）中的数字解调为QAM解调。

6.根据权利要求4所述的时域自相关匹配系统，其特征在于，所述的步骤（2）中的数字调制为PSK调制，所述的步骤（7）中的数字解调为PSK解调。

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