CN108566355B - 一种离散多音调制系统峰均比降低算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离散多音调制中峰均比降低算法。包括对原始信号进行模数转换，对得到的数字信号进行QAM调制；将QAM调制后的信号分配到所有子载波上进行并行传输；对得到的并行复信号的进行拼接得到实信号；对得到的实信号进行DCT压缩变换；对得到的压缩信号进行以余弦函数为正交基的DMT调制；对得到的调制信号通过相邻分块的PTS算法得到峰均比最小的一组信号；对得到的峰均比最小的一组信号进行并串转化，对得到的串信号进行传输。本发明提供的算法在降低峰均比方面具有明显优势，且计算复杂度较低。

Description

一种离散多音调制系统峰均比降低算法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种离散多音调制系统峰均比降低算法。

背景技术

离散多音(DMT，Distributed Multi-tone)调制是多载波调制技术的一种。它频谱利用率高，能提供更高的工作速率，抗码间干扰能力强，在信道较为恶劣条件下，仍具有良好性能，使它在通信领域得到了很多应用。它的基本思想是将信道频谱分成几个彼此近似独立的子带，动态地给各个子带分配不同的传输速率，从而使系统性能最优。与单载波相比，DMT符号是由若干个独立的经过调制的子载波信号相加而成，这样合成的信号就有可能产生较高的峰值功率和平均功率的比值(PAPR，peak-to-average power ratio)，过高的峰均比要求射频功放具有更大的线性范围，不仅使功放成本提高，而且降低其准确性，使系统性能下降，降低通信质量。较高的峰均比阻碍了它的发展。

目前在对于抑制多载波PAPR问题多集中在正交频分复用技术上，据各种PAPR降低技术的核心思想及其降低技术，主要将其分为三类：信号失真算法(也称信号预畸变技术)、编码类算法和概率类算法。其中概率类算法无失真，且具有良好的抑制效果。

DMT调制必须保证其符号是实数，除了使用复指数函数作为正交基，再做汉明共轭对称的方法外，还可以使用余弦函数作为正交基，已有文献提出用两次IDCT处理的算法抑制DMT系统的PAPR，其结果对PAPR抑制有一定的效果，但改善效果不够理想。此外，也有文献中提出在IFFT之前做DCT，由于DCT具有去相关性的作用，结合选择映射法能够使峰均比降低，但没有考虑到用DCT可以代替离散傅里叶变换，既可以降低相关性又可以让余弦函数作为正交基，避免做汉明对称的复杂性。故现有算法有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种离散多音调制系统峰均比降低算法，该算法结合了离散余弦变换(DCT，Discrete Cosine Transform)和部分传输序列法(PTS，Partial Transmitting Sequence)两种算法。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，将原始信号进行模数转换，采样间隔服从Nyquist采样定理，每个采样点用4位二进制序列，得到比特流信号；

步骤二，将比特流信号进行16QAM调制；

步骤三，将QAM调制后的信号分配到所有子载波上进行并行传输，得到并行复信号；

步骤四，将并行复信号的进行拼接得到实信号；

步骤五，将实信号进行DCT压缩变换，得到压缩信号；

步骤六，将压缩信号以余弦函数为正交基进行DMT调制；

步骤七，将调制后的信号通过相邻分块的PTS算法得到峰均比最小的一组信号；

步骤八，将峰均比最小的一组信号进行并串转化，对得到的串信号进行传输。

步骤四中，将并行复信号进行拼接的具体方法如下：

将QAM调制后的并行复信号用X＝A+Bi的形式表示，其中A为复矩阵X的实部所组成的矩阵，B为复矩阵X的虚部所组成的矩阵，则Y＝[AB]为拼接后的矩阵。

步骤五中，DCT压缩变换的具体过程为：

Y^(c)＝C^TY (1)

其中Y^(c)为进行IDCT压缩后的信号，C为DCT变换矩阵，其具体表达式为：

上式中，N为子载波个数。

步骤五中，得到的进行以余弦函数为正交基的DMT调制，基于DCT的DMT系统采用余弦函数作为正交基，使信号在解调过程中不会产生信道间干扰，正交关系可表示为：

式中：T为DMT符号时间；n，m为子载波序号数；Δf为子载波最小频率间隔。

步骤六中，以余弦函数为正交基进行DMT调制具体方法如下：

Y^(cc)＝C^TY^(c) (4)

上式中，Y^(cc)为DMT调制后的信号。

步骤七中，采用相邻分块的PTS算法为：

Φ_v＝{(v-1)P+1,(v-1)P+2,...,vP}1≤v≤V (5)

其中Φ_v为分块后第v组中所包含Y^(cc)行标号的集合，V为分块个数，P为每一数据块内子载波的个数，该分块N能被V整除，并且P＝N/V，分块后的第v块为：

表示Y^(cc)第n行，

为第v个子矩阵Z^v的第n行。也即

被分为V个数据子块，且输入数据只在一个数据子块中出现，即：

对(6)式中得到的分块后的信号与不同的相位因子进行组合：

其中U为可选相位因子W集合的个数，即U＝|W|^V。

则进行PTS处理的第u个备选信号z_u表示为：

选择(9)式中得到的信号组合中峰均比最小的一组进行传输，信号峰均比计算方法为：

式中，平均功率

Q为原始信号的符号数；从U个所得的峰均比中挑选最小的一组进行传输。

与现有技术相比，本发明将原始信号进行模数转换，对得到的数字信号进行QAM调制；将QAM调制后的信号分配到所有子载波上进行并行传输；对得到的并行复信号进行拼接得到实信号；对得到的实信号进行DCT压缩变换；对得到的压缩信号进行以余弦函数为正交基的DMT调制；对得到的调制信号通过相邻分块的PTS算法得到峰均比最小的一组信号；对得到的峰均比最小的一组信号进行并串转化，对得到的串信号进行传输。本发明提供的算法，通过采用PTS与两次DCT相结合的方法，第一次DCT是一种信号畸变技术，通过压缩变换，降低信号之间的相关性，从而降低PAPR。第二次DCT是基于余弦变换的DMT调制，用余弦变换代替傅里叶变换，不用做复杂的汉明共轭对称，即可得到实信号，计算复杂度低。PTS算法通过将调制后的信号用相邻分块的方法与不同相位因子组合叠加，得到峰均比最小的一组信号进行传输，从而降低峰均比。故本发明提供的算法，在降低峰均比方面具有明显优势，且计算复杂度较低。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为QAM调制后的信号拼接示意图；

图3为PTS算法的基本原理框图；

图4为本发明PTS分块个数为2时的仿真结果图；

图5为本发明PTS分块个数为4时的仿真结果图；

图6为本发明PTS分块个数为8时的仿真结果图；

图7为本发明PTS分块个数为16时的仿真结果图；

图8为本发明PTS分块个数为32时的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明包括以下步骤：

1)对原始信号进行模数转换，采样间隔服从Nyquist采样定理，每个采样点用4位二进制序列；

2)对步骤1)得到的比特流信号进行16QAM调制；

3)将步骤2)得到的QAM调制后的信号分配到所有子载波上进行并行传输；

4)将步骤3)得到的并行复信号的进行拼接得到实信号。参加图2，拼接过程为：将QAM调制后的并行复信号用X＝A+Bi的形式表示，其中A为复矩阵X的实部所组成的矩阵，B为复矩阵X的虚部所组成的矩阵，则Y＝[A B]为拼接后的矩阵。

5)将步骤4)得到的实信号进行DCT压缩变换。压缩变换的过程为：

Y^(cc)＝C^TY^(c) (11)

上式中，Y^(cc)为DMT调制后的信号，C为DCT变换矩阵，其具体表达式为：

上式中，N为子载波个数。

6)将步骤5)得到的压缩信号进行以余弦函数为正交基的DMT调制。基于DCT的DMT系统采用余弦函数作为正交基，使信号在解调过程中不会产生信道间干扰(ICI，Inter-carrier interference)。正交关系可表示为：

式中：T为DMT符号时间；n，m为子载波序号数；Δf为子载波最小频率间隔。

以余弦函数为正交基的DMT调制的过程为：

Y^(cc)＝C^TY^(c) (14)

上式中，Y^(cc)为DMT调制后的信号。

7)将步骤6)得到的调制信号通过采用相邻分块的PTS算法得到峰均比最小的一组信号。参见图3，PTS的分块方法有三种：相邻分块、交织分块和随机分块。由于相邻分块发具有方便实现、抑制效果良好等特点，因此本发明采用该方法。分块过程中，先选择第v组中所包含原矩阵行标号的集合Φ_v：

Φ_v＝{(v-1)P+1,(v-1)P+2,...,vP},1≤v≤V (15)

其中Φ_v为分块后第v组中所包含Y^(cc)行标号的集合，V为分块个数，P为每一数据块内子载波的个数，该分块N能被V整除，并且P＝N/V，分块后的第v块为：

表示Y^(cc)第n行，

为第v个子矩阵Z^v的第n行。也即

被分为V个数据子块，且输入数据只在一个数据子块中出现，即：

对(16)式中得到的分块后的信号与不同的相位因子进行组合：

其中U为可选相位因子W集合的个数，即U＝|W|^V。

则进行PTS处理的第u个备选信号z_u表示为：

选择(19)式中得到的信号组合中峰均比最小的一组进行传输。信号峰均比计算方法为：

式中：平均功率

Q为原始信号的符号数。从U个所得的峰均比中挑选最小的一组进行传输。

8)将步骤7)得到的峰均比最小的一组信号进行并串转化，对得到的串信号进行传输。

用互补累计分布函数(CCDF，Complementary Cumulative DistributionFunction)来描述峰均功率比的分布情况，它表示信号的峰均功率超过某一门限PAPR₀的概率：

CCDF＝Pr(PAPR≥PAPR₀) (21)

图4-图8为本发明所述算法与其它算法在CCDF方面的对比。以图6为例，该图中设置分块个数V＝8，由图可以看出，本发明提出的DCT-DCT-PTS算法CCDF曲线在其余三种算法的曲线之下，这表明该算法能有效降低预发送信号的峰均比。此外，随着分块个数的增加，该算法降低峰均比的效果越明显。图4-图8中，分块个数依次为2、4、8、16、32，由图可知，V越大，抑制峰均比的效果越明显。

Claims (4)

1.一种离散多音调制系统峰均比降低算法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将原始信号进行模数转换，采样间隔服从Nyquist采样定理，每个采样点用4位二进制序列，得到比特流信号；

步骤二，将比特流信号进行16QAM调制；

步骤三，将QAM调制后的信号分配到所有子载波上进行并行传输，得到并行复信号；

步骤四，将并行复信号的进行拼接得到实信号,具体方法如下：

将QAM调制后的并行复信号用X＝A+Bi的形式表示，其中A为复矩阵X的实部所组成的矩阵，B为复矩阵X的虚部所组成的矩阵，则Y＝[A B]为拼接后的矩阵；

步骤五，将实信号进行IDCT压缩变换，得到压缩信号；

步骤六，将压缩信号以余弦函数为正交基进行DMT调制；

步骤七，将调制后的信号通过相邻分块的PTS算法得到峰均比最小的一组信号；

步骤八，将峰均比最小的一组信号进行并串转化，对得到的串信号进行传输。

2.根据权利要求1所述的一种离散多音调制系统峰均比降低算法，其特征在于，步骤五中，DCT压缩变换的具体过程为：

Y^(c)＝C^TY (1)

其中Y^(c)为进行IDCT压缩后的信号，C为DCT变换矩阵，其具体表达式为：

上式中，N为子载波个数。

3.根据权利要求1所述的一种离散多音调制系统峰均比降低算法，其特征在于，步骤六中，将得到的压缩信号进行以余弦函数为正交基的DMT调制，基于DCT的DMT系统采用余弦函数作为正交基，使信号在解调过程中不会产生信道间干扰，正交关系可表示为：

式中：T为DMT符号时间；n，m为子载波序号数；Δf为子载波最小频率间隔，

以余弦函数为正交基进行DMT调制具体方法如下：

Y^(cc)＝C^TY^(c) (4)

上式中，Y^(cc)为DMT调制后的信号。

4.根据权利要求1所述的一种离散多音调制系统峰均比降低算法，其特征在于，步骤七中，采用相邻分块的PTS算法为：

Φ_v＝{(v-1)P+1,(v-1)P+2,...,vP} 1≤v≤V (5)

其中Φ_v为分块后第v组中所包含Y^(cc)行标号的集合，V为分块个数，P为每一数据块内子载波的个数，该分块N能被V整除，并且P＝N/V，分块后的第v块为：

表示Y^(cc)第n行，

为第v个子矩阵Z^v的第n行，也即

被分为V个数据子块，且输入数据只在一个数据子块中出现，即：

对(6)式中得到的分块后的信号与不同的相位因子进行组合：

其中U为可选相位因子W集合的个数，即U＝|W|^V，

则进行PTS处理的第u个备选信号z_u表示为：

选择(9)式中得到的信号组合中峰均比最小的一组进行传输，信号峰均比计算方法为：

式中，平均功率

Q为原始信号的符号数；从U个所得的峰均比中挑选最小的一组进行传输。

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