CN109714288B - 降低ofdm信号立方度量的限幅滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种降低OFDM信号立方度量的限幅滤波方法，旨在提供一种可以去除限幅操作引起的频谱扩展，最小化带内的信号畸变的限幅滤波方法，本发明通过下述技术方案实现：在凸优化数学模型中，在信号源经过星座图映射后，通过第一串并转换单元得到OFDM的多路信号，采用快速傅立叶反变换IFFT，把频域的调制数据转化为时域的信号，通过限幅滤波器的循环模块降低复基OFDM的信号立方度量CM信号，再经由数模转换单元变为模拟信号，模拟信号经过功率放大器PA放大，经由信道送入滤波器滤波，再经模数转换单元、第二串并转换单元、IFFT变换单元和第三并串转换单元转换得到串行的频域信号；得到凸优化数学模型的CM数值解。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及到一种降低正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)信号立方度量(Cubic Metric，CM)的滤波方法
技术背景
近年来，正交频分复用(OFDM)技术继单载波扩频技术(如CDMA)之后，成为主流的传输技术。目前OFDM技术在DAB数字广播，DVB数字电视等现代宽带通信系统中获得了广泛的应用。OFDM技术作为一种非常有效地对抗时变多径信道的传输方式，已经广泛的应用于无线通信系统中。目前OFDM技术已经成为4G标准物理层传输技术的主流技术，但OFDM技术仍然存在一些重要问题没有得到很好地解决。OFDM其中一个主要缺点就是发送信号的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)很高。如果信号的峰均功率比很高，发射机高功率放大器的线性动态范围将要求很宽，这将使得发射机的成本大大增加。对于有N个子载波的OFDM系统，一个极端的情况是当各个子载波上的信号恰好以同相相加时，其发送信号的峰值功率甚至可以达到平均功率的N倍。当发送信号的瞬时功率超出功率放大器的动态范围时，将会导致信号的裁剪而产生非线性的信号失真。造成信号畸变，导致频带内的噪声功率增加和频带外的功率扩散，还将破坏各子载波之间的正交性。现有技术采用OFDM和高阶QAM调制的主要缺点之一是LTE信号的包络波动性高。高包络波动性对系统的影响主要包括：(1)引起射频功放效率下降；(2)输入射频功放的信号会产生严重的非线性失真，造成信号带内失真以及频谱扩展；(3)要求A/D具有较高的动态范围，造成A/D转换效率下降。为了避免这些问题，需要对LTE信号进行输入功率回退。PAPR是一种广泛应用的预测功率回退量的度量。虽然PAPR是最早被提出的指标，但是最近的研究表明它不能准确地反映PA对OFDM信号的非线性影响，因为这个度量指标只考虑了OFDM信号的峰值功率。相比之下，由于CM考虑了PA的三阶非线性互调乘积，这是导致信号失真的主要原因，因此CM用于预测PA的回退更为准确。因此，通过抑制立方度量来降低信号的功率回退量，能够提升功放的效率。
CM的表达式为：
其中，rms[x(n)]为信号x(n)的均方根值；20log{rms[(x(n)/rms[x(n)])3]}称为RCM(Raw Cubic Metric)；RCMref为参考信号的RCM；Q是一个经验因子。由于RCMref和Q是常数，所以在比较信号的包络波动时，我们可以只考虑信号的RCM大小。经过简单的变换后，RCM可以等价地表示为：
式中,E[]表示求取均值的计算。
目前抑制立方度量CM的研究还处于起步阶段，所提出来的方法还不是很多。对于传统的降低OFDM信号PAPR的方法主要包括加扰码法、星座替换法、载波保留法等。这些方法均以不同的代价为降低OFDM信号的峰均比提供了有效的解决方案。为了降低信号的立方度量CM，一般采用限幅滤波法。不同的限幅率γ所对应的抑制立方度量的能力也不相同。一般来说限幅率γ越低，抑制立方度量的能力就越强。这主要是由立方度量本身的性质决定的。因为高电平信号对立方度量的大小起到更多的作用，如果限幅率γ越低也就是说能够更加充分的抑制高电平信号，因此会更加充分的抑制立方度量。最优或次优改进策略都能够大大减少迭代次数，提高数据处理速率。但是现有的降低立方度量CM的限幅滤波方法源自于降低PAPR的限幅滤波方法，在该方法中，限幅之后的滤波方案非常简单，仅仅去除了带外频谱扩展，带内信号依然存在较大的畸变，而且滤波后的信号CM会出现变大的情况。
发明内容
本发明的目的是针对正交频分复用OFDM信号在传统的限幅滤波方法下，CM降低效率低、限幅后信号失真幅度大等问题，提供一种不仅可以去除限幅操作引起的频谱扩展，还可以最小化带内的信号畸变，同时滤波后的信号CM能够满足给定的指标要求的限幅滤波方案，可以实现比现有技术方案更加优秀的性能的降低OFDM信号立方度量的滤波方法。
本发明的上述目的主要是通过以下措施来达到的，一种降低OFDM信号立方度量的限幅滤波方法，具有如下技术特征：基于凸优化的立方度量抑制技术建立符合LTE协议规定的凸优化数学模型，在凸优化数学模型中，信号经过正交频分复用OFDM系统发送端的星座映射后，通过第一串并转换单元得到OFDM的多路信号，采用快速傅立叶反变换IFFT，把频域的调制数据转化为时域的信号，针对此时时域信号的包络波动幅度过大，在功率放大器PA端口容易形成非线性失真，在数模转换器之前加入限幅滤波器，通过限幅滤波器的循环模块降低复基OFDM的信号立方度量CM信号，再经由数模转换单元变为模拟信号，模拟信号经过功率放大器PA放大，降低OFDM信号包络波动，经由信道送入滤波器得到所在频段的滤波信号，再经模数转换单元和第二串并转换单元转化为时域信号，并送入TFFT变换单元进行快速傅立叶反变换得到并行的频域信号，通过第三并串转换单元后转换得到串行的频域信号；在接收端恢复出原始立方度量值RCM的原始信号，在原始信号始终保持在一定门限的立方度量CM下，凸优化数学模型根据接收端信息，利用MATLAB软件中的CVX凸优化工具箱来求解立方度量CM和失真程度，得到凸优化数学模型的CM数值解。
本发明具相比于现有技术有如下效果：
本发明基于凸优化的立方度量抑制技术建立符合通用移动通信系统(UMTS)技术的长期演进LTE协议规定的降低立方度量的凸优化模型，构建了立方度量和失真程度的凸优化数学模型，构造出更加易于数值求解的抑制立方度量的优化数学模型。在信号始终保持在一定门限的立方度量CM的下，构造的凸优化的数学模型利用matlab中的CVX工具箱来求解，很方便的可以得到优化模型的数值解，通过仿真实验，这个做法是有效的。
本发明采用不同于传统的限幅滤波算法，针对此时时域信号的包络波动幅度过大，对于PA端口容易形成非线性失真，在数模转换器之前加入限幅滤波器，通过限幅滤波器之后的信号经由数模转换单元变为模拟信号，然后将模拟信号经过功率放大器PA(poweramplifier)端口放大，能更好地降低OFDM信号包络波动，避免了现有技术在滤波后很难保证信号的峰值，甚至出现信号幅度再增长的问题。
本发明将模拟信号经过PA端口功率放大器放大后，经由信道送入滤波器得到所在频段的滤波信号，再经模数转换单元和串并转换单元转化为时域信号，提高了功率放大器PA的转换效率，能够利用立方度量CM值作为凸优化问题的约束条件，因此在利用CVX工具求解最优化问题进行求解最优化的问题时，信号的CM值始终保持在规定的门限之下，因此其算法的迭代效率以及效果都明显优于传统的限幅滤波法。
具有更优的误码性能。本发明将得到的时域信号再通过TFFT变换单元进行快速傅立叶反变换，将得到的并行的频域信号，通过并串转换单元后转换为串行的频域信号，可在最终的接收端，恢复出原始信号的概率也就相应的增加，得到了更优的误码性能，有利于采用构建凸优化模型来求解最小的误差向量幅度信号EVM，故在与传统的限幅滤波保持相同的降低CM效果的时候，通过抑制立方度量，可以提升功率放大器PA的效率，其误差向量幅度EVM是最小的，也就是滤波后的信号与原始信号的距离相差越小，即信号的畸变程度越小仿真结果表明，与传统的限幅滤波方法相比，可更为有效地降低系统的立方度量和更好的误码性能。
附图说明
图1是本发明限幅滤波正交频分复用OFDM系统结构的框图。
图2是图1的限幅滤波器的组成结构框图。
图3是本发明实现降低OFDM信号立方度量的限幅滤波的流程图。
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，基于凸优化的立方度量抑制技术建立符合LTE协议规定的凸优化数学模型，在凸优化数学模型中，信号经过正交频分复用OFDM系统发送端的星座映射后，通过第一串并转换单元得到OFDM的多路信号，采用快速傅立叶反变换IFFT，把频域的调制数据转化为时域的信号，针对此时时域信号的包络波动幅度过大，在功率放大器PA端口容易形成非线性失真，在数模转换器之前加入限幅滤波器，通过限幅滤波器的循环模块降低复基OFDM的信号立方度量CM信号，再经由数模转换单元变为模拟信号，模拟信号经过功率放大器PA放大，降低OFDM信号包络波动，经由信道送入滤波器得到所在频段的滤波信号，再经模数转换单元和第二串并转换单元转化为时域信号，并送入TFFT变换单元进行快速傅立叶反变换得到并行的频域信号，通过第三并串转换单元后转换得到串行的频域信号；在接收端恢复出原始立方度量值RCM的原始信号，在原始信号始终保持在一定门限的立方度量CM下，凸优化数学模型根据接收端信息，利用MATLAB软件中的CVX凸优化工具箱来求解立方度量CM和失真程度，得到凸优化数学模型的CM数值解。
参阅图2。限幅滤波器主要包括：相连在输入模块与第二IFFT变换模块之间的循环模块，循环模块由顺次串联的补零模块、第一IFFT变换模块、clipping限幅模块、FFT变换模块、滤波器模块和判决模块组成，第二IFFT变换模块相连输出模块(图中未示出)，其中，补零模块、IFFT变换模块、clipping限幅模块、FFT变换模块、滤波器模块为循环结构的循环模块。
补零模块计算输入补零后的信号X(m)，经过第一IFFT变换模块傅立叶反变换后得到的时域值x(m)；送入限幅模块对信号时域值进行限幅，计算出限幅后的信号时域值
再经过FFT变换模块傅立叶变换得到限幅后的频域值
所得到的限幅后的信号通过滤波器模块滤波器得到频域信号
然后送入判决模块判断循环次数是否达到已给出的最大循环次数，是则输入到第二IFFT模块得到时域信号
即为什么算法最终输出的时域信号，否则反馈到补零模块进入循环过程，并且
步骤1：补零模块对原信号在末尾补零，经过补零操作后的频域信号X(m)通过第一IFFT变换模块进行快速反傅立叶变换得到时域信号x(m)：x(m)＝IFFT(X(m))，其中m表示第m次迭代。
步骤2：(clipping限幅)限幅模块对时域信号x(m)进行限幅操作得到限幅后的时域信号：
其中，n表示时域信号x(m)(n)的第n个信号，e是自然常数，λ表示限幅门限，θ(n)表示原信号的相位。
步骤3：FFT变换模块对限幅后的时域信号
进行快速傅立叶变换得到限幅后的频域信号
步骤4：滤波器模块计算最优的滤波器的滤波值：用误差向量幅度(Error VectorMagnitude，EVM)描述信号畸变的程度，EVM的表达式为：
式中
为有畸变的信号，X(k)为原始信号，N是最大的载波数，k是频域信号的第k个载波。
最优滤波器应能完全去除带外频谱扩展，同时在保证滤波后信号原始立方度量RCM(raw cubic metric)满足要求条件下EVM达到最小，即最优滤波器需要满足如下优化问题：
其中，
分别表示限幅后和滤波后信号的带内分量；运算符“·”表示点乘；
为RCM的预设阈值；
为滤波后信号的带外分量；
表示整个滤波后的信号；
表示对
点进行LN点的快速傅里叶变换。在上述的优化问题中，第二个约束条件用于消除带外频谱；最后一个约束条件则用于将RCM的值限制在阈值以下。
由于上述问题的最后一个约束条件是非凸的，为了能将其修改为一个凸问题，对于其最后一个约束条件，将
用
来代替，这里
表示限幅后信号的平均功率。此外，为了使用matlab软件中的CVX工具箱时方便计算，令μ表示误差向量幅度EVM，其表达式如下：
则上述优化问题可改写为如下的优化问题：
在限幅滤波算法的每次迭代中，都可以根据以上优化问题解出相应的最优滤波器，并用它来处理限幅后的信号，然后得到一个性能最优的信号。
步骤5：滤波器模块利用最优滤波器计算滤波后的频域信号：
步骤6：判决模块判断循环是否终止：如果m≤M,则令
进入步骤1补零模块对原信号在末尾补零，否则跳出循环进入步骤7，
步骤7：第二IFFT变换模块计算最终的输出时域信号：
其中
表示最终输出的最优化算法的时域信号。
原始信号输入的循环模块的循环结构包括以下部分：
补零模块：对原始信号末尾添上0向量X(m)＝[X,0]，在后面进行IFFT变换的时候在时域形成过采样。
IFFT模块：对经过补零操作后的信号X(m)进行快速反傅立叶变换得到时域信号x(m)：x(m)＝IFFT(X(m))，其中m表示循环迭代的次数；限幅模块：对时域信号x(m)进行限幅操作：
FFT模块：对
进行快速傅立叶变换得到
其中，λ表示限幅门限，θ(n)表示原信号的相位。
滤波器模块：通过CVX工具计算最优的滤波器以及计算滤波后的频域信号：式中
为经过处理过后的信号，X(k)为原始信号，由CVX工具求解的优化问题如下表达式：
其中，
分别表示限幅后和滤波后信号的带内分量；运算符“·”表示点乘；
为RCM的预设阈值；
为滤波后信号的带外分量；
表示整个滤波后的信号；
表示对
点进行LN点的快速傅里叶变换。
由于上述问题的最后一个约束条件是非凸的，可以采取下面的措施对其进行处理：对于其最后一个约束条件，将
用
来代替，这里
表示限幅后信号的平均功率。令表示误差向量幅度EVM的μ，表达式如下：
则上述优化问题可改写为如下的优化问题：
在限幅滤波算法的每次迭代中，都可以根据上述优化问题解出相应的最优滤波器，并用它来处理限幅后的信号，然后得到一个性能最优的信号；滤波器模块利用限幅滤波算法计算滤波器滤波后的频域信号：
判决模块：判断循环是否终止：如果m≤M,则令
进入步骤1。否则跳出循环进入步骤7。
输出端IFFT模块：计算最终的输出时域信号：
其中
表示最终输出的最优化限幅滤波算法的时域信号。
参阅图3。预设参数迭代次数M、已迭代次数m，过采样系数L以及限幅率γ。流程开始，首先补零模块对原始的频域信号进行补零操作，使其在进行IFFT变换的时候能够达到过采样系数L，并根据原始频域信号的载波数目Nsubc，对原始信号的末尾添上(L-1)*Nsubc个零，接着对补零的信号进行IFFT变换，得到时域信号；限幅模块对所得到的时域信号进行限幅操作，限幅的幅值由限幅率γ、限幅前的信号功率Pin，限幅门限
公式计算得出；FFT变换模块对通过限幅的信号进行FFT变换，得到经过限幅的频域信号，滤波器模块对限幅的频域信号进行滤波；判断模块判断已迭代次数m是否小于等于预设参数迭代次数M，是则将此时的滤波后的信号作为新的信号输入到开始的端口，否则对滤波后的信号进行IFFT变换，得到最终输出的时域信号。
本领域内的技术人员可以明白，在不偏离本发明的精神和必要特性的情况下，可以以除了在此阐述的特定形式之外的其他特定形式来体现本发明。因此，上面的说明要在所有的方面被解释为说明性而非限制性的。应当通过所附的权利要求的合理解释确定本发明的范围，并且在本发明的等同范围内的所有改变旨在落入本发明的范围内。另外，不显式地从属于彼此的权利要求可以被组合以提供实施例，或者能够通过在提交本申请后的修改来增加新的权利要求。
Claims (6)
1.一种降低OFDM信号立方度量的限幅滤波方法，具有如下技术特征：基于凸优化的立方度量抑制技术建立符合通用移动通信系统(UMTS)技术长期演进LTE协议规定的降低立方度量和失真程度的的凸优化数学模型，在凸优化数学模型中，信源信号经过正交频分复用OFDM系统发送端，将星座图映射到第一串并转换单元，串并转换得到OFDM的多路信号，并采用快速傅立叶反变换IFFT，把频域的调制数据转化为时域的信号；针对此时时域信号的包络波动幅度过大，在功率放大器PA端口容易形成非线性失真，在数模转换器之前加入限幅滤波器，通过限幅滤波器的循环模块降低复基OFDM的信号立方度量CM信号，再经由数模转换单元变为模拟信号，模拟信号经过功率放大器PA放大，降低OFDM信号包络波动，经由信道送入滤波器得到所在频段的滤波信号，再经模数转换单元模数转换和第二串并转换单元转化为时域信号，然后将得到的时域信号再通过IFFT变换单元进行快速傅立叶反变换得到并行的频域信号，得到的并行频域信号通过第三并串转换单元转换为串行的频域信号，发送端限幅滤波器中的滤波器模块通过CVX工具计算出最优的滤波器并使用该滤波器对频域信号进行滤波，得到滤波后的频域信号；通过最优滤波器滤波的信号在接收端进行恢复时具有更优的误码性能；在原始信号始终保持在一定门限的立方度量CM下，优化数学模型利用MATLAB软件中的CVX凸优化工具来求解最小的误差向量幅度信号EVM、立方度量CM和失真程度，得到凸优化数学模型抑制CM的数值解,由CVX工具求解的优化问题如下表达式：
式中，X(k)为原始信号，
为经过处理过后的信号，
分别表示限幅后和滤波后信号的带内分量，运算符“·”表示点乘；γ为RCM的预设阈值；
为滤波后信号的带外分量；
表示整个滤波后的信号；
表示对
点进行LN点的快速傅里叶变换。
2.根据权利要求1所述的降低OFDM信号立方度量的限幅滤波方法，其特征在于：限幅滤波器主要包括：相连在输入模块与第二IFFT变换模块之间的循环模块，循环模块由顺次串联的补零模块、第一IFFT变换模块、限幅模块、FFT变换模块、滤波器模块和判决模块组成。
3.根据权利要求2所述的降低OFDM信号立方度量的限幅滤波方法，其特征在于：补零模块计算输入补零后的信号X(m)，经过第一IFFT变换模块傅立叶反变换后得到的时域值x(m)；送入限幅模块对信号时域值进行限幅，计算出限幅后的信号时域值
再经过FFT变换模块傅立叶变换得到限幅后的频域值
4.根据权利要求1所述的降低OFDM信号立方度量的限幅滤波方法，其特征在于：所得到的限幅后的信号通过滤波器模块滤波得到频域信号
然后送入判决模块判断循环次数是否达到已给出的最大循环次数，是则输入到第二IFFT模块得到时域信号
即为限幅滤波算法最终输出的时域信号，否则反馈到补零模块进入循环过程。
5.根据权利要求2所述的降低OFDM信号立方度量的限幅滤波方法，其特征在于：补零模块对原信号在末尾补零，经过补零操作后的频域信号X(m)通过第一IFFT变换模块进行快速反傅立叶变换得到时域信号X(m)：X(m)＝IFFT(X(m))，
限幅模块对时域信号X(m)进行限幅操作得到限幅后的时域信号：
FFT变换模块对限幅后的时域信号
进行快速傅立叶变换得到限幅后的频域信号
滤波器模块计算最优的滤波器的滤波值：用误差向量幅度EVM描述信号畸变的程度，EVM的表达式为：
其中，m表示第m次迭代，n表示时域信号X(m)(n)的第n个信号，e是自然常数，λ表示限幅门限，θ(n)表示原信号的相位，
为有畸变的信号，X(k)为原始信号，N是最大的载波数，k是频域信号的第k个载波。
6.根据权利要求5所述的降低OFDM信号立方度量的限幅滤波方法，其特征在于：滤波器模块利用最优滤波器计算滤波后的频域信号：
判决模块判断循环是否终止：如果m≤M,则令
进入补零模块对原信号在末尾补零，否则跳出循环，进入第二IFFT变换模块计算输出最优化算法的时域信号：
补零模块对原始信号末尾添上0向量X(m)＝[X,0]，在后面进行IFFT变换的时候在时域形成过采样，IFFT模块对经过补零操作后的信号X(m)进行快速反傅立叶变换得到时域信号X(m)：X(m)＝IFFT(X(m))，限幅模块：对时域信号X(m)进行限幅操作：
FFT模块：对
进行快速傅立叶变换得到
其中，λ表示限幅门限，θ(n)表示原信号的相位，其中m表示循环迭代的次数。
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