CN105072072A

CN105072072A - 一种低papr的ofdm-tdcs波形设计方法

Info

Publication number: CN105072072A
Application number: CN201510400403.XA
Authority: CN
Inventors: 甘华强; 王军; 李少谦
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: CN105072072B

Abstract

本发明属于通信技术领域，尤其涉及认知无线电技术中一种低峰值平均功率比(Peak-to-Average？Power？Ratio，PAPR)的OFDM-TDCS波形设计方法。一种低PAPR的OFDM-TDCS波形设计方法，通过合理设计导频图案，避免由于导频错位而导致全部导频不可用的情况；通过优化导频序列，降低信号的PAPR值，同时减小了PAPR控制对导频序列带来的畸变；通过噪声成型限幅与带外辐射控制相结合，使得信号的PAPR和带外衰减均能满足认知无线电系统要求。

Description

一种低PAPR的OFDM-TDCS波形设计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及认知无线电技术中一种低峰值平均功率比(Peak-to-AveragePowerRatio，PAPR)的OFDM-TDCS波形设计方法。

背景技术

认知无线电(CognitiveRadio，CR)技术最早是由JosephMitolaIII博士于1999年提出，它的核心思想是通过频谱感知获得在当前时间可用的频谱，利用这些频谱进行数据的传输，从而从整体上大大提高了频谱的利用率。

变换域通信系统(TransformDomainCommunicationSystem，TDCS)采用认知无线电的思想，在给定的频谱范围内通过动态改变发射信号频谱波形，避免与授权用户发生干扰。文献1“Addressingthecontrolchanneldesignproblem:OFDM-basedtransformdomaincommunicationsystemincognitiveradio(byChuanHan,JunWang,YalingYang,andShaoqianLi.ElsevierComputerNetworksJournal.2008,52(4):795-815.)”将变换域通信系统与正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)结合起来，提出一种基于正交频分复用的变换域通信系统，简称“OFDM-TDCS系统”。OFDM-TDCS系统采用多载波调制技术，循环码移键控(CyclicCodeShiftKeying，CCSK)调制，伪随机相位技术等，使得OFDM-TDCS系统在极低信噪比、子载波部分可用和收发机子载波使用不一致情况下也能够保证可靠的传输性能，并且有效地提高了系统的抗干扰性能。

将TDCS与OFDM融合，可以利用较为成熟的OFDM技术对OFDM-TDCS系统进行处理，然而在实际应用中还面临很多问题。首先，在OFDM系统中，基于导频的信道估计方法的基本思想是发射机在适当位置插入导频，接收机通过同样的导频生成方式恢复出导频位置与导频序列；而在OFDM-TDCS系统中，由于发射机与接收机位置的电磁环境不一致而导致发射机与接收机的可用频谱不一致，此时，发射机生成的导频位置和导频序列对于接收机来说都是未知的，若直接进行信道估计，则可能会因为导频错位到导致信道估计完全错误，现有的OFDM-TDCS信道估计方法都是通过设置等值梳状导频来减小导频错位的影响，然而梳状导频的时域PAPR过高导致PAPR处理之后导频失真，影响到信道估计性能。同时，与OFDM系统一样，OFDM-TDCS系统也面临PAPR过高的问题，文献2“ClippingnoisecancellationinOFDMsystemsusingoversampledsignalreconstruction(byHamidSaeedi,MasoudSharif,andFarokhMarvasti.IEEECommunciationsLetters.2002,6(2):73-75.)”提出在OFDM系统中利用噪声成型限幅(NoiseSharping-CrestFactorReduction，NS-CFR)的方法对时域信号进行PAPR控制，可以减少迭代次数，但是将其应用于认知无线电技术中时，由于频谱带外衰减不够可能引起邻道干扰(AdjacentChannelRejection，ACI)。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提出一种低PAPR的OFDM-TDCS波形设计方法，通过合理设计导频图案，避免由于导频错位而导致全部导频不可用的情况；通过优化导频序列，降低信号的PAPR值，同时减小了PAPR控制对导频序列带来的畸变；通过噪声成型限幅与带外辐射控制相结合，使得信号的PAPR和带外衰减均能满足认知无线电系统要求。

一种低PAPR的OFDM-TDCS波形设计方法，具体步骤如下：

S1、导频图案设计与导频序列生成，具体如下：

S11、将N个子载波以间隔N_f进行分组，在每组内进行搜索，将每组搜索到的第一个可用子载波位置作为导频位置，则其中，P_index[k]表示第k个导频子载波序号，N_p表示导频数目，1≤k≤N_p，N_f＜相干带宽，N_f为正整数；

S12、令导频序列其中，P_value[k]表示第k个导频的值；

S2、过采样OFDM调制，具体如下：

S21、将S12所述导频序列P_value[k]添加到CCSK频域调制符号X中，得到频域序列；

S22、在S22所述频域序列中间位置插入3N个零，得到的序列记为X_f；

S23、对S22所述X_f做4N点快速傅里叶逆变换(InverseFastFourierTransform，IFFT)，得到过采样的时域序列x_n；

S3、利用噪声成型算法对信号进行PAPR控制，具体如下：

S31、将S23所述x_n作为输入信号，计算限幅度噪声

其中，A_th表示限幅门限，φ_n表示第n个点的相位，1≤n≤4N，n为整数；

S32、对S31所述Δx_n进行频谱成型，得到频谱成型后的噪声Δx'_n；

S33、将S32所述Δx'_n与原始噪声对消，得到输出信号x'_n＝x_n-Δx'_n；

S34、将S33所述输出信号x'_n替换S31所述输入信号，迭代重复S31到S34K次，其中，1≤K≤5；

S35、得到最终输出信号；

S4、添加循环前缀并进行带外辐射控制，具体如下：

S41、对S35所述最终输出信号添加循环前缀与保护间隔，得到添加循环前缀和保护间隔后的序列；

S42、将S41所述添加循环前缀和保护间隔后的序列于窗函数w[n]相乘，其中，w[n]为升余弦窗，

w [k] = \{\begin{matrix} 0.5 - 0.5 \cos (\frac{π n}{N_{G I}}) & 1 \leq n \leq N_{G I} \\ 1.0 & N_{G I} \leq n \leq 4 N + N_{g} + N_{G I} \\ 0.5 - 0.5 \cos (\frac{π (n - 4 N - N_{g})}{N_{G i}}) & 4 N + N_{g} + N_{G i} < n \leq 4 N + N_{g} + 2 N_{G I} \end{matrix};

S5、生成OFDM-TDCS波形。

进一步地，S21所述添加导频序列到X中的具体方法为：使用P_value[k]替换X[p_k]，其中，X[p_k]表示S21所述调制符号X中与将S12所述导频序列P_value[k]位置对应的序列。

进一步地，得到S32所述Δx'_n的具体方法为：

步骤1、对S31所述Δx'_n做4N点快速傅里叶变换(FastFourierTransform，FFT)转换到频域，得到ΔX_n＝FFT(Δx_n)；

步骤2、对步骤1所述ΔX_n进行带外频谱置零，即ΔX'_n＝J_n×ΔX_n，其中，填零之后的频谱标记相量

步骤3、对步骤2所述ΔX'_n做4N点IFFT转换到时域，得到频谱成型后的噪声Δx'_n＝IFFT(ΔX'_n)。

进一步地，S41所述对S35所述最终输出信号添加循环前缀与保护间隔，具体方法如下：将S35所述最终输出信号时域序列的最后N_g+N_GI个样点复制到所述时域序列前面，将时域序列的最前N_GI个样点复制到所述时域序列后面，其中，N_g表示循环前缀长度，N_GI表示保护间隔长度，N_g和N_GI为经验值。

本发明的有益效果是：

通过合理设计导频图案，避免了由于导频错位而导致全部导频不可用的情况；通过优化导频序列，降低信号的PAPR值，同时减小了PAPR控制对导频序列带来的畸变；通过噪声成型限幅与带外辐射控制相结合，减少了PAPR控制的迭代次数，同时使得信号的带外衰减也能满足认知无线电系统要求；通过对限幅噪声在频域上进行带外置零，并与原始信号对消，然后进行时域加窗，使得波形在满足PAPR要求的同时，频谱带外衰减也能达到要求，减小了对邻道的干扰；通过对子载波进行分组查找，使得在发射机与接收机的公共可用频谱上，导频位置是一致的，同时通过导频位置生成导频序列，减小了导频信号的时域PAPR，使后续PAPR控制对导频的影响变小。

附图说明

图1为低PAPR的OFDM-TDCS波形生成示意图。

图2为OFDM-TDCS梳状导频图案。

图3为噪声成型限幅示意图。

图4为不同导频类型的时域信号PAPR曲线。

图5为生成OFDM-TDCS波形频谱。

图6为最终波形与原始信号的PAPR曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

本实施例采用Matlab仿真平台进行运行实验。

实施例中系统参数如下：信道采样频率为10MHz，子载波总数为N＝1024，FFT点数为4096，导频间隔N_f＝10，CCSK的调制阶数为1024，编码方式为1/2码率的卷积码，不可用子载波序号为[153,154,…,251；655,656,…,753]，边带保护子载波序号为[1；473,474,…,553]，其余子载波均为可用子载波，按照图2所示的导频图案查找方法，在可用子载波集合中进行导频查找，得到导频子载波序号[2,12,…,152；252,262,…,472；554,564,…,654；754,764,…,1024]，循环前缀长度为N_g＝280，保护间隔长度为N_GI＝232，PAPR控制中的迭代次数K＝5。

导频生成。

首先利用可用频谱标记相量，进行导频图案设计，得到导频子载波位置，导频图案示意图如附图2所示，然后根据得到的子载波序号，进行导频序列设计。

过采样OFDM调制。

将导频序列添加到CCSK频域调制符号X中，然后在得到频域序列中间插入3072个零，得到的序列记为X_f，对X_f做4096点IFFT，得到过采样后的时域信号x_n。

PAPR控制。由于噪声成型限幅后信号功率会降低，需要对PAPR控制后的信号进行功率归一化处理。

对时域信号进行限幅处理，将超过门限的部分作为噪声Δx，对Δx做4096点FFT转换到频域，并将带外频率置零后做4096点IFFT转换到时域，得到频率成型后的噪声Δx'，然后与原始信号x_n对消，并将对消后的信号进行功率归一化，重复步骤3，迭代5次，基于噪声成型的PAPR控制方法如图3所示。

带外辐射控制。

添加循环前缀和保护间隔，将时域序列的最后512个样点复制到序列前面，将时域序列的最前232个样点复制到序列后面，然后与升余弦窗函数进行加权相乘。

采用本发明所述方法进行仿真测试。首先比较了本发明中提出的导频设计方法与现有的等值导频的PAPR曲线，系统中所用的等值导频为全1导频，如图4所示，可以发现，利用本发明提出的导频设计方法的时域信号，其PAPR性能明显优于现有的等值导频方法。然后，利用NS-CFR分别对采用本发明提出的导频的时域信号和采用等值导频的时域信号进行PAPR处理，使得PAPR值大于6dB的概率不大于0.001，然后测试分别测试NS_CFR后信号的时域与频域EVM(ErrorVectorMagnitude)，如表1所示，采用等值导频的时域信号需要更低的限幅门限才能使得PAPR达到要求，且PAPR控制后信号的EVM更大，时域信号的EVM达到12.9％，而其频域导频部分的EVM更是达到22.8％，可以发现对等值导频的时域信号进行PAPR处理会使得导频信号严重失真，而采用本发明提出的方法，PAPR控制后其导频的EVM仅为8.8％，明显优于现有的方法。最后，对PAPR控制后的信号进行带外辐射控制，其频谱如图5所示，最终生成的OFDM-TDCS波形与原始信号的PAPR曲线如图6所示，可以发现，最终生成的波形的PAPR能够满足大于6dB的概率小于0.001，同时其带外频谱衰减达到-60dB，能够满足频谱衰减要求。

表1PAPR处理之后的信号EVM

	门限Ath	时域信号EVM(％)	数据频域EVM(％)	导频频域EVM(％)
					等值导频方案	1.72	12.9	12.0	22.8
提出的方案	1.76	8.8	8.8	8.8

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

Claims

1.一种低PAPR的OFDM-TDCS波形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、导频图案设计与导频序列生成，具体如下：

S12、令导频序列其中，P_value[k]表示第k个导频的值；

S2、过采样OFDM调制，具体如下：

S3、利用噪声成型算法对信号进行PAPR控制，具体如下：

S31、将S23所述x_n作为输入信号，计算限幅度噪声其中，A_th表示限幅门限，φ_n表示第n个点的相位，1≤n≤4N，n为整数；

S35、得到最终输出信号；

S4、添加循环前缀并进行带外辐射控制，具体如下：

w [k] = \{\begin{matrix} 0.5 - 0.5 \cos (\frac{π n}{N_{G I}}) & 1 \leq n < N_{G I} \\ 1.0 & N_{G I} \leq n \leq 4 N + N_{g} + N_{G I} \\ 0.5 - 0.5 \cos (\frac{π (n - 4 N - N_{g})}{N_{G I}}) & 4 N + N_{g} + N_{G I} < n \leq 4 N + N_{g} + 2 N_{G I} \end{matrix};

S5、生成OFDM-TDCS波形。

2.根据权利要求1所述一种低PAPR的OFDM-TDCS波形设计方法，其特征在于：S21所述添加导频序列到X中的具体方法为：使用P_value[k]替换X[p_k]，其中，X[p_k]表示S21所述调制符号X中与将S12所述导频序列P_value[k]位置对应的序列。

3.根据权利要求1所述一种低PAPR的OFDM-TDCS波形设计方法，其特征在于：得到S32所述Δx'_n的具体方法为：

4.根据权利要求1所述一种低PAPR的OFDM-TDCS波形设计方法，其特征在于：S41所述对S35所述最终输出信号添加循环前缀与保护间隔，具体方法如下：将S35所述最终输出信号时域序列的最后N_g+N_GI个样点复制到所述时域序列前面，将时域序列的最前N_GI个样点复制到所述时域序列后面，其中，N_g表示循环前缀长度，N_GI表示保护间隔长度，N_g和N_GI为经验值。