CN108183880A - 一种基于限幅联合星座扩展法的ofdm峰均比抑制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器，其包括相连接的限幅滤波模块和星座扩展处理模块；限幅滤波模块可以降低OFDM信号的峰均比，星座扩展处理模块可以改善系统接收端误码率性能。本发明能够在系统误码率提高不大的情况下，降低OFDM信号的PAPR。本发明的峰均比抑制器简单、有效，并且接收端不需要增加额外的处理。

Description

一种基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器
技术领域
本发明涉及一种基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器。
背景技术
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）是一种特殊的多载波传输方案，具有高频谱利用率、良好的抗多径干扰能力和可用IFFT/FFT实现调制解调等优点，被广泛应用于各种高速的无线通信系统和宽带的数字电视广播系统。然而其信号具有较高的PAPR（peak-to-Average Power Ratio，峰均功率比），容易使得发射机端的功率放大器进入饱和区，产生非线性失真，从而严重影响OFDM系统的性能。
为了降低OFDM系统的PAPR，目前已经提出多种方法，包括限幅（clipping）法、PTS（部分传输序列）法、SLM（选择映射）法、星座图扩展(active constellation)法、编码（coding）法等。其中限幅法最简单、直接，但同时会产生带内失真，降低系统接收端的误码率性能；星座扩展法可以改善系统接收端误码率性能。
本发明设计了一种应用于OFDM系统的峰均比抑制器，可以在系统误码率提高不大的情况下，降低OFDM信号的PAPR。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器。
本发明采用以下技术方案实现：一种基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器，其特征在于：包括相连接的限幅滤波模块和星座扩展处理模块；所述限幅滤波模块包括：过采样模块，该模块对输入数据的频域信号进行插零处理；第一IFFT模块；所述第一IFFT模块用于过采样模块输出的信号频域到时域的转换；限幅门限设定模块；该模块用于对限幅门限的设定，限幅门限值由限幅率和第一IFFT模块输出的时域信号的平均功率的均方根值来决定；笛卡尔坐标至极坐标转换模块；该模块输入接第一IFFT模块输出，用于I/Q路数据到幅度/相位的转换；幅度修正模块，该模块输入分别接限幅门限设定模块输出、笛卡尔坐标至极坐标转换模块输出；所述幅度修正模块用于对笛卡尔坐标至极坐标转换模块输出的数据幅度进行修正，相位保持不变；输入信号幅度小于门限值Amax保持不变，输入信号幅度超过门限值的采样点进行限幅；极坐标至笛卡尔坐标转换模块，该模块输入接幅度修正模块输出；极坐标至笛卡尔坐标转换模块用于幅度/相位到I/Q路数据的转换；FFT模块，FFT模块输入接极坐标至笛卡尔坐标转换模块输出，所述FFT模块用于信号时域到频域的转换；以及滤波模块：该模块输入接FFT模块输出；所述星座扩展处理模包括：降采样模块，所述降采样模块输入接滤波模块输出；所述降采样模块将深度限幅滤波模块中原先过采样插零的部分进行去除；星座点修正模块，该模块用于对降采样后的频域信号进行修正；以及第二IFFT模块，所述第二IFFT模块输入接星座点修正模块输出；所述第二IFFT模块用于信号频域到时域的转换。
在本发明一实施例中，所述限幅滤波模块还包括一数据缓存模块，所述数据缓存模块设置在笛卡尔坐标至极坐标转换模块与幅度修正模块之间；所述数据缓存模块用于数据符号幅度/相位的缓存。
3、根据权利要求1所述的基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器，其特征在于：所述滤波模块采用频域滤波法，将限幅后的频域信号中原先过采样插零点的值强制变成零，其余点的值保持不变。
在本发明一实施例中，所述星座点修正模块对降采样后的频域信号进行修正包括以下步骤：改变信号的幅度和相位，避免载波调制后相位一致，避免信号峰值的出现，从而降低了信号的PAPR值；增加星座点之间的汉明距离，降低了接收端的误码率。
与现有技术相比，本发明用简单易行的方法实现对OFDM系统峰均比的抑制，同时改善系统误码率性能。
附图说明
图1 为系统结构框图。
图2为限幅函数图。
图3为星座图扩展中QPSK星座点修正示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
本发明的目的是提供一种基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器，其包括相连接的限幅滤波模块和星座扩展处理模块；所述限幅滤波模块包括：过采样模块，该模块对输入数据的频域信号进行插零处理；第一IFFT模块；所述第一IFFT模块用于过采样模块输出的信号频域到时域的转换；限幅门限设定模块；该模块用于对限幅门限的设定，限幅门限值由限幅率和第一IFFT模块输出的时域信号的平均功率的均方根值来决定；笛卡尔坐标至极坐标转换模块；该模块输入接第一IFFT模块输出，用于I/Q路数据到幅度/相位的转换；幅度修正模块，该模块输入分别接限幅门限设定模块输出、笛卡尔坐标至极坐标转换模块输出；所述幅度修正模块用于对笛卡尔坐标至极坐标转换模块输出的数据幅度进行修正，相位保持不变；输入信号幅度小于门限值Amax保持不变，输入信号幅度超过门限值的采样点进行限幅；极坐标至笛卡尔坐标转换模块，该模块输入接幅度修正模块输出；极坐标至笛卡尔坐标转换模块用于幅度/相位到I/Q路数据的转换；FFT模块，FFT模块输入接极坐标至笛卡尔坐标转换模块输出，所述FFT模块用于信号时域到频域的转换；以及滤波模块：该模块输入接FFT模块输出；所述星座扩展处理模包括：降采样模块，所述降采样模块输入接滤波模块输出；所述降采样模块将深度限幅滤波模块中原先过采样插零的部分进行去除；星座点修正模块，该模块用于对降采样后的频域信号进行修正；以及第二IFFT模块，所述第二IFFT模块输入接星座点修正模块输出；所述第二IFFT模块用于信号频域到时域的转换。
本峰均比抑制器主要分为限幅滤波和星座扩展处理两部分。系统结构框图如图1所示。当频域信号输入系统时，信号先经过过采样模块进行过采样处理，提高系统调制解调的信息恢复率，有助于后续对限幅失真信号的滤波处理，然后经过IFFT模块转换到时域后，设定一个限幅门限，对时域信号按限幅函数对幅度进行修正，然后信号经过FFT模块转换到频域后进行滤波，将带外噪声进行滤除后进行降采样，接着进行星座扩展处理，对限幅滤波处理后的频域信号进行修正，最后再经过IFFT模块转换成时域信号，从而实现了在降低OFDM信号的PAPR的同时改善接收端误码率性能的OFDM峰均比抑制器的设计。
图1是本发明一实施例的系统结构框图。整个系统可以在一片FPGA硬件上实现，包括限幅滤波模块11和星座扩展处理模块12。
1、限幅滤波模块11
该模块主要用于输入信号的峰均比抑制，包含9个子模块，各子模块描述如下：
（1）过采样模块111：该模块对输入的频域信号进行插零处理，使得后续限幅处理产生的噪声被扩展到较宽的频带范围内，可以提高信噪比。
（2）IFFT模块112：该模块用于信号频域到时域的转换。
（3）限幅门限设定模块113：该模块用于对限幅门限的设定，限幅门限值由限幅率和IFFT后的时域信号的平均功率的均方根值来决定。
（4）笛卡尔坐标至极坐标转换模块114：该模块用于I/Q路数据到幅度/相位的转换。
（5）数据缓存模块115：该模块用于一帧数据符号幅度/相位的缓存。
（6）幅度修正模块116：该模块用于由设定的限幅门限对数据幅度进行修正，相位保持不变。限幅函数如图2所示，输入信号幅度小于门限值Amax保持不变，对那些幅度超过门限值的采样点进行限幅。
（7）极坐标至笛卡尔坐标转换模块117：该模块用于幅度/相位到I/Q路数据的转换。
（8）FFT模块118：该模块用于信号时域到频域的转换。
（9）滤波模块119：该模块采用频域滤波法，将限幅后的频域信号中原先过采样插零点的值强制变成零，其余点的值保持不变。
2、星座扩展处理模块12
该模块主要用于对接收端误码率性能的改善，包含3个子模块，各子模块描述如下：
（1）降采样模块121：该模块将深度限幅滤波模块11中原先过采样插零的部分进行去除。
（2）星座点修正模块122：该模块用于对降采样后的频域信号进行修正，一方面改变信号的幅度和相位，避免载波调制后相位一致，避免信号峰值的出现，降低了信号的PAPR值；另一方面，增加星座点之间的汉明距离，降低了接收端的误码率。本发明采用QPSK 调制方式，同时保证了信号传输的效率和误码性能。QPSK是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数调制方式, 它被广泛应用于各种通信系统中。QPSK星座扩展规则如图3所示，假设在原始星座图中待发送的频域数据（为的第个元素）的载波位置位于点处，如果频域信号落在点处，则修正实部将修正为，保持虚部不变；如果频域信号落在点，则修正虚部将修正为，保持实部不变；如果频域信号落在点处，则同时修正实部和虚部将修正为；如果频域信号落在点处，由于点落在QPSK星座图可扩展区域内，因此不需要进行修正。
（3）IFFT模块123：该模块用于信号频域到时域的转换。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器，其特征在于：包括相连接的限幅滤波模块和星座扩展处理模块；
所述限幅滤波模块包括：
过采样模块，该模块对输入数据的频域信号进行插零处理；
第一IFFT模块；所述第一IFFT模块用于过采样模块输出的信号频域到时域的转换；
限幅门限设定模块；该模块用于对限幅门限的设定，限幅门限值由限幅率和第一IFFT模块输出的时域信号的平均功率的均方根值来决定；
笛卡尔坐标至极坐标转换模块；该模块输入接第一IFFT模块输出，用于I/Q路数据到幅度/相位的转换；
幅度修正模块，该模块输入分别接限幅门限设定模块输出、笛卡尔坐标至极坐标转换模块输出；所述幅度修正模块用于对笛卡尔坐标至极坐标转换模块输出的数据幅度进行修正，相位保持不变；输入信号幅度小于门限值Amax保持不变，输入信号幅度超过门限值的采样点进行限幅；
极坐标至笛卡尔坐标转换模块，该模块输入接幅度修正模块输出；极坐标至笛卡尔坐标转换模块用于幅度/相位到I/Q路数据的转换；
FFT模块，FFT模块输入接极坐标至笛卡尔坐标转换模块输出，所述FFT模块用于信号时域到频域的转换；
以及滤波模块：该模块输入接FFT模块输出；
所述星座扩展处理模包括：
降采样模块，所述降采样模块输入接滤波模块输出；所述降采样模块将深度限幅滤波模块中原先过采样插零的部分进行去除；
星座点修正模块，该模块用于对降采样后的频域信号进行修正；
以及第二IFFT模块，所述第二IFFT模块输入接星座点修正模块输出；所述第二IFFT模块用于信号频域到时域的转换。
2.根据权利要求1所述的基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器，其特征在于：所述限幅滤波模块还包括一数据缓存模块，所述数据缓存模块设置在笛卡尔坐标至极坐标转换模块与幅度修正模块之间；所述数据缓存模块用于数据符号幅度/相位的缓存。
3.根据权利要求1所述的基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器，其特征在于：所述滤波模块采用频域滤波法，将限幅后的频域信号中原先过采样插零点的值强制变成零，其余点的值保持不变。
4.根据权利要求1所述的基于限幅联合星座扩展法的OFDM峰均比抑制器，其特征在于：所述星座点修正模块对降采样后的频域信号进行修正包括以下步骤：改变信号的幅度和相位，避免载波调制后相位一致，避免信号峰值的出现，从而降低了信号的PAPR值；增加星座点之间的汉明距离，降低了接收端的误码率。
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