CN107968761A - 一种降低峰均功率比的限幅-投影方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低峰均功率比的限幅‑投影方法，与传统方法相比，在相同条件下，能更有效的降低OFDM系统的PAPR，传统的限幅法虽然能够降低PAPR，但会造成频谱在星座图中的偏移，从而形成误码。针对PSK调制的OFDM，本发明是一种降低峰均功率比的限幅‑投影方法，将限幅后的信号频谱在原相位轴上进行投影，这样频谱保持了原来相位，既降低了峰均功率比，又不会造成误码。通过5次限幅‑投影迭代运算，可大幅度降低PAPR，仿真结果表明PAPR可以降低13db以上。

Description

一种降低峰均功率比的限幅-投影方法

技术领域

本发明属于正交频分复用(OFDM)通信技术领域，提出了一种降低峰均功率比的限幅-投影方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)是现代无线通信和光通信的一个研究热点，其主要思想是把二进制序列调制在相互正交的各个子载波上，并行传输，有很高的频谱使用率；但是OFDM信号具有较大的峰均功率比(PAPR)，对放大器的动态范围提出了很高的要求；对于光OFDM，大的PAPR会造成较大的非线性效应，影响了其使用范围。目前有很多降低PAPR方面的研究，主要分为三类技术：信号畸变类技术、概率类技术、信号编码技术。主要方法有限幅法、压缩扩展法、PTS和SLM、TI、ACE方法。

限幅法是最简单、最直接降低OFDM系统PAPR的方法。在信号被送到放大器之前，首先经过非线性处理，对有较大峰值功率的信号进行限幅处理，使其不会超出放大器的动态变化范围，图1为限幅原理示意图。其中x为限幅前的信号幅度，g(x)为限幅后的信号幅度。限幅使得信号幅度限制在A内。

在OFDM信号中，由于较大峰值出现的概率非常小，因此，限幅是一种非常直接和有效的降低峰均比的技术。信号经过非线性部件之前进行限幅，就可以使峰值信号低于所期望的最大电平值。

虽然非常简单，但它会为OFDM系统带来相关的问题：首先，对OFDM符号幅度进行畸变，会对系统造成自身干扰，从而导致系统的BER性能降低；其次，OFDM信号的非线性畸变会导致带外辐射功率值的增加。

普通限幅法和压缩扩展法会造成频谱偏移和泄漏，增加误码率。PTS和SLM、TI、ACE等方法不会产生信号形变，但算法复杂，计算工作量大。我们对这些问题进行了研究，提出了限幅-投影法，限幅后信号频谱会产生偏移，但通过投影使其回到原来的相位位置，这样就不会产生误码。通过5次限幅-投影迭代，取得较好的效果。每次迭代的主要运算是FFT和IFFT，算法简单，有成熟的快速算法。

发明内容

本发明提供了一种降低峰均功率比的限幅-投影方法，解决了现有技术的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种降低峰均功率比的限幅-投影方法，所述方法具体包括：

步骤一：限幅-投影法实现；

步骤二：限幅率的选择；

步骤三：投影；

步骤四：仿真。

进一步，步骤一中限幅-投影法实现，具体如下：

对于PSK调制的OFDM系统，通过5次限幅-投影迭代运算，可大幅度降低PAPR；

进一步，步骤步骤二中限幅率的选择，用式(1)计算出限幅率(CR)值：

采用5次迭代运算，每次迭代具有不同的限幅率，本发明通过仿真确定了一组限幅率，迭代顺序1、2、3、4、5，限幅率分别为0.25、0.38、0.62、0.79、0.88；

进一步，步骤三投影的处理中，使用图2的投影方案，将限幅后频谱向量在原始星座图向量上进行投影，这样投影和原始星座图向量保持同一相位，只是幅度变化了，对于相位调制不会产生误码。对于投影值太小或为负值的处理，是将投影值设置为一个小的固定值。因为投影值太小，则子载波的幅度太小，系统传输后就难以检测；如果投影为负，相当于载波相位翻转了180°，解调后的码就变了，形成误码。

本发明的有益效果是：在对降低峰均功率比(PAPR)的过程中，采用了限幅-投影法，限幅后信号频谱会产生偏移，但通过投影使其保持了原来的相位上；对于相位调制，相位不变就不会产生误码。通过5次限幅-投影迭代，每次迭代采用本发明提出的一组的限幅率，取得良好的效果，PAPR可以降低13db以上。迭代的主要运算是FFT和IFFT，它算法简单，有成熟的快速算法。与传统的方法相比，在相同条件下，能更有效地降低OFDM系统的PAPR。

附图说明

图1为限幅原理图。

图2为本发明投影原理。

图3为本发明投影法框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

1限幅-投影法实现

限幅-投影法针对PSK调制的OFDM系统，其框图如图1所示，系统包括IFFT、限幅、FFT、投影四个步骤。原始频谱F_org是数据符号对各子载波进行相位调制(QPSK)形成的，每一个数据符号对应星座图中的一个点(相位)，坐标原点与星座点的连线形成一条轴线，每个星座点也可以看作一个矢量。原始频谱通过IFFT运算得到时域信号，然后选择一个阈值进行限幅，图1所示，把高于阈值的信号部分去掉。限幅信号的PAPR降低了，但是通过FFT转化到频域观察，限幅信号的某些频谱点会偏离星座图中原来的位置，从而形成误码。投影步骤把限幅信号的频谱F_clip在原始频谱F_org矢量上投影，得到投影频谱F_prj，原理如图2所示。投影频谱就是处理后传输的频谱。投影频谱与原始星座点保持同一相位上，该发明针对相位调制(PSK)，所以相位不变就不会产生误码。而投影频谱是(在轴线上)与限幅频谱最接近的一个点，所以也有降低PAPR特性。原始信号中每个频谱点在星座图中是固定的一个点，该发明对星座图进行了扩展，投影信号频谱沿轴向的所有取值都是允许的，这样就把星座图的一个点扩展为一条线，增加了幅度自由度，使得降低PAPR成为可能。如图3所示，方法中采用5次迭代，这时PAPR基本达到稳定，再增加迭代次数，PAPR也不会有明显降低。

2限幅率的选择

限幅率(CR:Clipping Ratio)定义为限幅值与最大值的比值，用式(1)计算出CR值：

限幅率的选择比较重要，对最终结果有很大影响。但很难选择一个最优限幅值，因为它和多种因素有关，如调制方式、信号初始PAPR、迭代次数、当前PAPR等。通过大量仿真，本发明确定了一组限幅率，具有较好的效果。采用5次迭代，每次迭代具有不同的限幅率，如表1所示。

表1限幅率表

迭代顺序	1	2	3	4	5
						限幅率	0.25	0.38	0.62	0.79	0.88

3投影的处理

限幅后频谱向量可能偏移原来的星座图向量。投影是将限幅后频谱向量在原始星座图向量上进行投影，图2所示。投影值会出现下面两种特殊情况：投影值太小和投影值为负。若投影值太小，子载波的幅度太小，系统传输后检测就有困难；如果投影为负，相当于载波相位翻转了180°，解调后的码就变了，形成误码。为了解决这两种情况，对投影幅度进行限制，如果投影幅度太小或为负值，将其设置为一个小的固定值(例如0.1)。

4仿真

对于一个时域序列x[n],用式(2)计算出峰均功率比PAPR，即：

式中，max(x[n]²)表示峰值功率，mean(x[n]²)表示平均功率；

仿真中采用了QPSK调制方式；载波数分别取值256,512,1024,2048；每种情况都进行大量计算，取平均值。表2给出了不同载波数条件下的PAPR的多次平均值。仿真结果表明该方法对于降低PAPR效果明显，在载波数大于1024时，PAPR平均降低超过15db。

表2：不同载波数条件下的PAPR

Claims (4)

1.一种降低OFDM信号峰均功率比的限幅-投影方法，其特征在于，包括：

步骤一：限幅-投影法实现；

步骤二：限幅率的选择；

步骤三：投影的处理；

步骤四：仿真。

2.根据权利要求1所述的降低峰均功率比的限幅-投影方法，其特征在于，在步骤一中限幅-投影法实现，具体如下：

对于PSK调制的OFDM系统，通过5次限幅-投影迭代运算，可大幅度降低PAPR。

3.根据权利要求1所述的降低峰均功率比的限幅-投影方法，其特征在于，步骤二中限幅率的选择，用式(1)计算出限幅率(CR)值：

采用5次迭代运算，每次迭代具有不同的限幅率，通过仿真确定了一组限幅率，迭代顺序1、2、3、4、5，限幅率分别为0.25、0.38、0.62、0.79、0.88。

4.根据权利要求1所述的降低峰均功率比的限幅-投影方法，其特征在于，步骤三中投影的处理，投影是将限幅后频谱向量在原始星座图向量上进行投影。对于投影值太小或为负值的处理，是将投影值设置为一个小的固定值。