CN106992952A - Ofdm系统中基于pts算法降低峰均比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种OFDM系统中基于PTS算法降低峰均比的方法，主要解决现有技术出现的正交频分复用OFDM系统中的信号峰均比过高的问题。具体步骤包括：(1)输入待处理信号；(2)信号编码；(3)对二进制比特流进行数字调制；(4)对串行信号进行串并转换；(5)分割并行信号序列；(6)对V个子序列进行逆傅里叶变换；(7)对V个时域子序列进行分组；(8)获得M个时域最优子序列；(9)获得时域最优序列；(10)发送时域最优序列。本发明具有系统实现复杂度低和峰均比降低幅度比较大的优点，提高了通信系统发射机的功率利用率，可以满足移动用户终端设备对峰均比性能值的要求。

Description

OFDM系统中基于PTS算法降低峰均比的方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种正交频分复用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)系统中基于部分序列传输PTS(partial transmit sequence)算法降低信号峰值平均功率比(PAPR，Peak to AveragePower Ratio，简称峰均比)的方法，可用于降低正交频分复用系统的峰均比。

背景技术

正交频分复用系统具有抗多径衰落、频谱利用率高和系统容量大等优点，因而已经被广泛的应用在无线通信系统中，包括地面数字视频广播DVB-T(digital videobroadcasting-terrestrial)，数字音频广播DAB(digital audio broadcasting)，无线局域网WLAN(wireless local area network)，全球互通微波存取WiMAX(worldwideinteroperability for microwave access)等领域。

正交频分复用系统最主要的缺点是具有较大的峰均比，它直接影响着整个系统的运行成本和效率。在某个时刻，若多个载波以同一个方向进行累加就会产生很大的峰值功率，从而要求功率放大器具有很宽的线性放大区域。否则，当信号峰值落在功率放大器的非线形区域时，就会发生信号的畸变，从而产生子载波间的互相干扰和带外辐射，破坏了子载波的正交性，降低系统性能。为了避免这种情况，功率放大器应该工作在大功率补偿的状态下。然而，这会导致非常低的功率放大效率，并且使得发射机的成本变得非常昂贵。另一方面，若正交频分复用技术应用在移动通信中，由于移动终端的能量很有限，从而要求高效的功率放大。因此，在正交频分复用多载波系统中，必须采用一定的技术来降低信号的峰均比值，使得发射机中的功率放大器能够高效工作并提高系统的整体性能。

电子科技大学在其提出的专利申请文献“一种降低OFDM系统的PAPR的PTS方法”(申请日：2013年8月31日，申请号：201310389920.2,公开号：CN 103441769A)中公开了一种降低OFDM系统的PAPR的PTS方法。该方法的实施步骤是：第一，将经过串并变换和基带调制后的频域信号按照传统部分序列传输PTS的划分规则进行划分，然后将所有子块通过自相关系数判决器，判断出相关系数；第二，将上一步所判别出的自相关系数和所有子块一起通过自相关信号发生器得到自相关频域子块信号；第三，将上一步所得的自相关频域子块信号进行逆快速傅立叶变换IFFT(inverse fast Fourier transform)，将频域自相关子块信号变换到时域，变换后的所有子块信号分别乘以相位选择因子；第四，根据峰均比计算公式计算每个备选传输序列的峰均比，并选择其中具有最小峰均比的信号用于传输。该方法与传统的基于部分序列传输的方法相比，在接收端无须边带信息即可恢复出原始信号，节省了带宽，有效地提高了频谱的利用效率，同时可以有效的降低正交频分复用系统的峰均比。该方法存在的不足之处是：由于多了自相关系数判别器和自相关信号发生器，导致该方法复杂度较高，从而增大了整个正交频分复用系统的复杂度。

Duanmu C等人在其发表的论文“Reduction of the PAPR in OFDM systems byintelligently applying both PTS and SLM algorithms”(Wireless personalcommunications,2014,74(2):849-863)中提出一种联合选择性映射和部分序列传输来降低峰均比的方法。该方法的实施步骤是：第一，发射端信号处理器对输入信号进行串并变换，获得一个并行传输的信号序列；第二，将信号分成两个部分；第三，将第一个部分进行部分序列传输，同时，将第二个部分进行选择性映射。第四，将第一部分得到的信号和第二部分得到的信号合并相加得到传输信号。该方法在一定程度上降低了传输信号的峰均比，而且在理想状况下，没有误比特率的性能损失。在特定的通信场景中，能够满足用户对于通信系统的性能要求。该方法存在的不足之处是：第一，该方法的运算复杂度过高；第二，该方法对峰均比的降低幅度不够大，无法满足大多数移动用户终端设备对峰均比性能值的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，针对正交频分复用OFDM系统提供一种基于部分序列传输PTS算法的峰均比降低方法，不仅可以大幅度降低正交频分复用OFDM系统传输信号的峰均比，而且可以降低正交频分复用OFDM系统的复杂度；在正交频分复用OFDM系统接收端，此方法不会带来系统误码率的增加。

实现本发明目的的具体思路是，先将正交频分复用OFDM系统发射端待处理的信号序列经过编码、调制、串并转换之后，分割成多个互不重叠的子序列，再将子序列分成多组，每组分别进行部分序列传输PTS操作，然后再将每组得到的最优子序列进行循环移位序列CSS(Cyclic shifted sequence)操作，最终得到发射端的待发射信号序列。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)输入待处理信号：

向正交频分复用OFDM系统的发射端输入待处理的电信号；

(2)信号编码：

将输入的电信号分别通过信源编码器和信道编码器进行信源编码和信道编码，得到二进制比特流；

(3)对二进制比特流进行数字调制：

使用数字调制器，对二进制比特流进行数字调制，得到正交频分复用OFDM系统的串行信号序列；

(4)对串行信号进行串并转换：

通过串并转换器，将输入的正交频分复用OFDM系统的串行传输的信号序列转换为并行传输的信号序列；

(5)分割并行信号序列：

(5a)采用相邻分割的方法，将长度为N的并行传输的正交频分复用OFDM系统的信号序列分为V个互不重叠的子序列，每个序列的长度为N/V；

(5b)对分割后的每个子序列进行相应的补零，得到V个长度为N的子序列；

(6)对V个子序列进行逆傅里叶变换：

分别对V个长度为N的子序列进行逆傅里叶变换，得到V个长度为N的时域子序列；

(7)对V个时域子序列进行分组：

采用随机分组的方式，将V个时域子序列随机分成M个互不重叠的时域子序列组，每个时域子序列组包含K个时域子序列，得到M个时域子序列组；

(8)获得M个时域最优子序列：

分别对M个时域子序列组进行部分序列传输PTS操作，得到M个时域最优子序列；

(9)获得时域最优序列：

对M个时域最优子序列进行循环移位序列CSS操作，得到一个时域最优序列；

(10)发送时域最优序列：

将得到的时域最优序列通过信号发射机发送到信道中。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用随机分组的方式，对V个时域子序列进行分组，得到M个时域子序列组，分别对M个时域子序列组进行部分序列传输PTS操作，克服了现有技术存在的运算复杂度过高的缺点，使得本发明具有系统实现复杂度低的优点。

第二，由于本发明通过部分序列传输PTS操作对多个时域最优子序列进行循环移位序列CSS操作，克服了现有技术存在的正交频分复用OFDM信号峰均比降低幅度不够大的缺点，具有峰均比降低幅度比较大的优点，提高了通信系统发射机的功率利用率，可以满足移动用户终端设备对峰均比性能值的要求。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中序列传输PTS操作步骤的流程图；

图3为本发明中循环移位序列CSS操作步骤的流程图；

图4为本发明仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，对本发明的实现方法做进一步描述。

步骤1，输入待处理信号。

向正交频分复用OFDM系统的发射端输入待处理的电信号。

步骤2，信号编码。

将输入的电信号分别通过信源编码器和信道编码器进行信源编码和信道编码，得到二进制比特流。

所述的信源编码器的参数和信道编码器的参数由正交频分复用OFDM系统的参数决定。

步骤3，二进制比特流进行数字调制。

使用数字调制器，对二进制比特流进行数字调制，得到正交频分复用OFDM系统的串行信号序列。

所述的数字调制器的参数由正交频分复用OFDM系统的参数决定。

步骤4，对串行信号进行串并转换。

通过串并转换器，将输入的正交频分复用OFDM系统的串行传输的信号序列转换为并行传输的信号序列。

步骤5，分割并行信号序列。

首先，采用相邻分割的方法，将长度为N的并行传输的正交频分复用OFDM系统的信号序列分为V个互不重叠的子序列，每个序列的长度为N/V。

所述的相邻分割方法的具体步骤为：

第一步，将长度为N的并行传输的正交频分复用OFDM系统的信号序列分为V个互不重叠的子序列，每个序列的长度为N/V；

第二步，对分割后的每个子序列进行相应的补零，得到分割后的多个子序列；

第三步，将所有子序列对应位置的元素相加，所得到的结果若是等于分割前的长度为N的并行传输的正交频分复用OFDM系统的信号序列，则得到分割后的每个子序列，否则，执行第一步。

其次，对分割后的每个子序列进行相应的补零，得到V个长度为N的子序列。

步骤6，对V个子序列进行逆傅里叶变换。

分别对V个长度为N的子序列进行逆傅里叶变换，得到V个长度为N的时域子序列。

步骤7，对V个时域子序列进行分组。

采用随机分组的方式，将V个时域子序列随机分成M个互不重叠的时域子序列组，每个时域子序列组包含K个时域子序列，得到M个时域子序列组。

所述随机分组方式的具体步骤为：将V个时域子序列随机地分成M个互不重叠的时域子序列组，每个时域子序列组包含K个时域子序列，得到M个时域子序列组其中表示第_m个时域子序列组中的第k个子序列。

步骤8，获得M个时域最优子序列。

分别对M个时域子序列组进行部分序列传输PTS操作，得到M个时域最优子序列。

下面结合图2对本发明中部分序列传输PTS操作的具体步骤进行如下描述。

第一步，任意选取一个时域子序列组。

第二步，将当前阀值设置为100，将当前备选旋转因子组合设置为第一个旋转因子组合，将当前最优旋转因子组合设置为第一个旋转因子组合，旋转因子组合共W^K个，其中，W表示旋转因子组合中每个旋转因子的取值个数，K表示当前时域子序列组含有的时域子序列个数。

第三步，将当前时域子序列组中的每一个时域子序列与当前备选旋转因子组合中该时域子序列对应的旋转因子相乘，得到多个加权后的时域子序列。

第四步，将所有加权后的时域子序列对应位置的元素相加后组成备选时域子序列。

第五步，计算备选时域子序列中的元素的最大值，如果得到的最大值小于等于当前的阀值，则将当前阀值设置为当前的最大值，同时将当前最优旋转因子组合设置为当前备选旋转因子组合。

第六步，判断备选旋转因子组合是否取完所有旋转因子组合，若是，则执行本步骤的第七步，否则，将当前备选旋转因子组合设置为下一个还没有选取过的旋转因子组合，执行本步骤的第三步。

第七步，将当前时域子序列组中的每一个时域子序列与当前最优旋转因子组合中该时域子序列对应的旋转因子相乘，得到多个加权后的时域子序列，再将所有的加权后的时域子序列对应位置的元素相加，组成一个时域最优子序列。

第九步，判断是否取完所有时域子序列组，若是，得到多个时域最优子序列，否则，将当前时域子序列组设置为下一个还没选取过的时域子序列组，执行本步骤的第二步。

步骤9，获得时域最优序列。

对M个时域最优子序列进行循环移位序列CSS操作，得到一个时域最优序列。

下面结合图3对本发明中循环移位序列CSS操作的具体步骤进行如下描述。

第一步，将当前阀值设置为100，将当前备选循环移位数组合设置为第一个循环移位数组合，将当前最优循环移位数组合设置为第一个循环移位数组合，循环移位数组合共S^M个，其中，S表示循环移位数组合中每个循环移位数的取值个数，M表示时域最优子序列的个数。

第二步，根据当前备选循环移位数组合中每一个时域最优子序列对应的循环移位数，将每一个时域最优子序列进行循环移位，得到多个循环移位后的时域最优子序列。

第三步，将所有循环移位后的时域最优子序列对应位置的元素相加，组成备选时域最优序列。

第四步，计算备选时域最优子序列中的元素的最大值，如果得到的最大值小于等于当前的阀值，则将当前阀值设置为当前的最大值，同时将当前最优循环移位数组合设置为当前备选循环移位数组合。

第五步，判断备选循环移位数组合是否取完所有循环移位数组合，若是，则执行本步骤的第六步，否则，将当前备选循环移位数组合设置为下一个还没有取过的循环移位数组合，执行本步骤的第二步。

第六步，根据当前最优循环移位数组合中每一个时域最优子序列对应的循环移位数，将每一个时域最优子序列进行循环移位，得到多个循环移位后的时域最优子序列，再将所有循环移位后的时域最优子序列对应位置的元素相加，组成时域最优序列。

步骤10，发送时域最优序列。

将得到的时域最优序列通过信号发射机发送到信道中。

下面通过本发明的仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验使用Matlab8.5.0仿真软件，系统参数N设置为128，V设置为4，M设置为2。原始部分序列传输PTS方法的分割得到的子序列个数为4，分割方式为相邻分割，相位旋转因子数为2，本发明提出的算法中相位旋转因子数为2。

2.仿真内容：

本发明的仿真实验是使用本发明和现有技术的部分序列传输PTS方法，分别对原始正交频分复用OFDM系统发射端的信号进行处理，得到两条峰均比性能曲线如图4所示。图4中的横轴表示正交频分复用OFDM系统信号峰均比门限值，单位dB，纵轴表示互补累计分布函数。图4中以五角星标志的曲线表示使用本发明提出的方法，对正交频分复用OFDM系统发射端的信号进行处理后的峰均比性能曲线，以方块标志的曲线表示使用传统部分序列传输PTS方法，对正交频分复用OFDM系统发射端的信号进行处理后的峰均比性能曲线，以圆圈标志的曲线表示原始正交频分复用OFDM系统发射端的信号的峰均比性能曲线。

3.仿真结果分析：

由图4的仿真图可见，本发明在互补累计分布函数为10^-4时，能够将正交频分复用OFDM系统的信号峰均比降低4dB，与现有技术的部分传输PTS方法相比，有将近1.5dB的峰均比增益，与原始正交频分复用OFDM系统发射端的信号相比，有将近4dB的峰均比增益，而现有技术的部分传输PTS方法与原始正交频分复用OFDM系统发射端的信号相比，只有2.5dB的峰均比增益。由此可见，本发明与现有技术的部分传输PTS方法相比，能够显著地降低原始正交频分复用OFDM系统传输信号的峰均比。

Claims (7)

1.一种OFDM系统中基于PTS算法降低峰均比的方法，包括如下步骤：

(1)输入待处理信号：

向正交频分复用OFDM系统的发射端输入待处理的电信号；

(2)信号编码：

将输入的电信号分别通过信源编码器和信道编码器进行信源编码和信道编码，得到二进制比特流；

(3)对二进制比特流进行数字调制：

使用数字调制器，对二进制比特流进行数字调制，得到正交频分复用OFDM系统的串行信号序列；

(4)对串行信号进行串并转换：

通过串并转换器，将输入的正交频分复用OFDM系统的串行传输的信号序列转换为并行传输的信号序列；

(5)分割并行信号序列：

(5a)采用相邻分割的方法，将长度为N的并行传输的正交频分复用OFDM系统的信号序列分为V个互不重叠的子序列，每个序列的长度为N/V；

(5b)对分割后的每个子序列进行相应的补零，得到V个长度为N的子序列；

(6)对V个子序列进行逆傅里叶变换：

分别对V个长度为N的子序列进行逆傅里叶变换，得到V个长度为N的时域子序列；

(7)对V个时域子序列进行分组：

采用随机分组的方式，将V个时域子序列随机分成M个互不重叠的时域子序列组，每个时域子序列组包含K个时域子序列，得到M个时域子序列组；

(8)获得M个时域最优子序列：

分别对M个时域子序列组进行部分序列传输PTS操作，得到M个时域最优子序列；

(9)获得时域最优序列：

对M个时域最优子序列进行循环移位序列CSS操作，得到一个时域最优序列；

(10)发送时域最优序列：

将得到的时域最优序列通过信号发射机发送到信道中。

2.根据权利要求1所述的OFDM系统中基于PTS算法降低峰均比的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的信源编码器的参数和信道编码器的参数由正交频分复用OFDM系统的参数决定。

3.根据权利要求1所述的OFDM系统中基于PTS算法降低峰均比的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的数字调制器的参数由正交频分复用OFDM系统的参数决定。

4.根据权利要求1所述的OFDM系统中基于PTS算法降低峰均比的方法，其特征在于，步骤(5a)中所述的相邻分割方法的具体步骤为：

第一步，将长度为N的并行传输的正交频分复用OFDM系统的信号序列分为V个互不重叠的子序列，每个序列的长度为N/V；

第二步，对分割后的每个子序列进行相应的补零，得到分割后的多个子序列；

第三步，将所有子序列对应位置的元素相加，所得到的结果若是等于分割前的长度为N的并行传输的正交频分复用OFDM系统的信号序列，则得到分割后的每个子序列，否则，执行第一步。

5.根据权利要求1所述的OFDM系统中基于PTS算法降低峰均比的方法，其特征在于，步骤(7)中所述随机分组方式的具体步骤为：将V个时域子序列随机地分成M个互不重叠的时域子序列组，每个时域子序列组包含K个时域子序列，得到M个时域子序列组其中表示第m个时域子序列组中的第k个子序列。

6.根据权利要求1所述的OFDM系统中基于PTS算法降低峰均比的方法，其特征在于，步骤(8)中所述的部分序列传输PTS操作的具体步骤如下：

第一步，任意选取一个时域子序列组；

第二步，将当前阀值设置为100，将当前备选旋转因子组合设置为第一个旋转因子组合，将当前最优旋转因子组合设置为第一个旋转因子组合，旋转因子组合共W^K个，其中，W表示旋转因子组合中每个旋转因子的取值个数，K表示当前时域子序列组含有的时域子序列个数；

第三步，将当前时域子序列组中的每一个时域子序列与当前备选旋转因子组合中该时域子序列对应的旋转因子相乘，得到多个加权后的时域子序列；

第四步，将所有加权后的时域子序列对应位置的元素相加后组成备选时域子序列；

第五步，计算备选时域子序列中的元素的最大值，如果得到的最大值小于等于当前的阀值，则将当前阀值设置为当前的最大值，同时将当前最优旋转因子组合设置为当前备选旋转因子组合；

第六步，判断备选旋转因子组合是否取完所有旋转因子组合，若是，则执行第七步，否则，将当前备选旋转因子组合设置为下一个还没有选取过的旋转因子组合，执行第三步；

第七步，将当前时域子序列组中的每一个时域子序列与当前最优旋转因子组合中该时域子序列对应的旋转因子相乘，得到多个加权后的时域子序列，再将所有的加权后的时域子序列对应位置的元素相加，组成一个时域最优子序列；

第九步，判断是否取完所有时域子序列组，若是，得到多个时域最优子序列，否则，将当前时域子序列组设置为下一个还没选取过的时域子序列组，执行第二步。

7.根据权利要求1所述的OFDM系统中基于PTS算法降低峰均比的方法，其特征在于，步骤(9)中所述的循环移位序列CSS的具体步骤如下：

第一步，将当前阀值设置为100，将当前备选循环移位数组合设置为第一个循环移位数组合，将当前最优循环移位数组合设置为第一个循环移位数组合，循环移位数组合共S^M个，其中，S表示循环移位数组合中每个循环移位数的取值个数，M表示时域最优子序列的个数；

第二步，根据当前备选循环移位数组合中每一个时域最优子序列对应的循环移位数，将每一个时域最优子序列进行循环移位，得到多个循环移位后的时域最优子序列；

第三步，将所有循环移位后的时域最优子序列对应位置的元素相加，组成备选时域最优序列；

第四步，计算备选时域最优子序列中的元素的最大值，如果得到的最大值小于等于当前的阀值，则将当前阀值设置为当前的最大值，同时将当前最优循环移位数组合设置为当前备选循环移位数组合；

第五步，判断备选循环移位数组合是否取完所有循环移位数组合，若是，则执行第六步，否则，将当前备选循环移位数组合设置为下一个还没有取过的循环移位数组合，执行第二步；

第六步，根据当前最优循环移位数组合中每一个时域最优子序列对应的循环移位数，将每一个时域最优子序列进行循环移位，得到多个循环移位后的时域最优子序列，再将所有循环移位后的时域最优子序列对应位置的元素相加，组成时域最优序列。