CN110636025B - 一种降低ofdm声纳的papr方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种降低OFDM声纳的PAPR方法，属于水声通信和探测技术领域。本方法在常规的ACE‑SGP方法上进行改进，依靠自适应策略调整限幅水平的大小来降低峰均功率比，再利用一种新型的迭代步长进行迭代计算，加快系统的收敛速度。本发明提供的方法相比于常规的ACE‑SGP算法具有更小的PAPR和更快的收敛速度。

Description

一种降低OFDM声纳的PAPR方法
技术领域
本发明涉及水声通信和探测技术领域，特别涉及一种降低OFDM声纳的PAPR方法。
背景技术
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)系统的各个子载波之间可以看作是统计独立的，当子载波的数目比较大时，这样的信号可以适用于中心极限定理，叠加后的信号波形就会近似于高斯分布。子载波的数目不断增多，峰值功率也会随着线性的增加，这样使PAPR(Peak to Average Power Ratio，峰均比)的值较大，若这个PAPR大于发射端放大器的动态范围，就会造成失真，也会破坏子载波间的正交性，造成传输性能的恶化。它对系统的影响表现如下：
(1)高的PAPR要求系统的放大器有更大的线性放大范围，否则就无法进行无失真的传输。虽然在OFDM中高峰值的信号不多，峰值出现的概率不高，但要想无失真的传输这些高峰值信号，要求在峰值时能够工作在放大器的线性区域，这样就会降低放大器的工作效率；(2)在通常情况下，由于放大器的线性区域是有限，很难满足把所有信号都进行线性放大，而当高PAPR出现时，输入信号就会被放大器削波，导致非线性失真，给邻近的信道造成干扰，带来了载波间的符号干扰和带外频谱再生，使系统的传输质量变差；(3)高的PAPR要求模数变换器、数模变换器、高功率放大器等具有较大的线性放大范围，会提高设备的成本，增加系统复杂度；(4)声呐系统中长距离探测通信时，功率放大器可能工作在满功率模式，具有大的PAPR信号导致平均功率输出小，减小了传输和探测距离。
目前常用降低PAPR方法为星座图扩展(ACE)，其基本原理是扩展星座点的位置，使用各子载波调制星座点向各自判决域中远离判决域边界的区域扩展，不会使系统的误码率下降很大，但同时可调节各子载波调制信号的相位与幅度的特性，从而达到减小OFDM系统的峰均比的目的。ACE的实现算法包括凸集投影算法(POCS)、梯度投影(SGP)等。SGP是在每一次限幅时，将削波信号的值放大μ倍来加快算法的收敛速度，使系统的PAPR值降低，但是随着发展，收敛速度和PAPR值需要更进一步优化以满足实际需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低OFDM声纳的PAPR方法，以实现更快的收敛速度和更小的PAPR值。
为解决上述技术问题，本发明提供一种降低OFDM声纳的PAPR方法，包括：
步骤1，将一帧频域内的数据X通过IFFT得到时域信号xi[n]，此时i＝0；
步骤2，设定限幅门限为A，对时域信号xi[n]大于限幅门限A的传输数据进行限幅，得到信号
Figure BDA0002247374090000021
步骤3，计算削波信号
Figure BDA0002247374090000022
步骤4，调整限幅门限A，
Figure BDA0002247374090000023
式中Qp是大于限幅门限A的峰值采样信号；
步骤5，将削波信号ci[n]通过FFT变换，得到频域信号Ci[n]并将其投影到对应子载波的星座点上，得到信号
Figure BDA0002247374090000024
步骤6，将得到的信号
Figure BDA0002247374090000025
再经过IFFT变化，得到时域内的限幅削波信号
Figure BDA0002247374090000026
步骤7，计算迭代步长
Figure BDA0002247374090000027
其中，E是时域信号的最大幅值，即E＝max(|xi[n]|)，
Figure BDA0002247374090000028
为在最大幅值处的时域削波信号，其中最大幅值的位置为nmax＝arg(max(|xi[n]|))；选取μ[n]中的最小值μmin作为最优的迭代步长μ，即μ＝μmin；
步骤8，利用
Figure BDA0002247374090000029
迭代求解信号xi+1[n]，其中μ是最优的迭代步长μmin；
步骤9，计算此时的PAPR值，判断是否达到系统预定的PAPR门限或者达到预设的最大迭代次数L，若满足其一则停止迭代；否则令i＝i+1，回到步骤2重复迭代过程。
可选的，所述信号
Figure BDA0002247374090000031
具体为：
Figure BDA0002247374090000032
其中，
Figure BDA0002247374090000033
i为迭代次数；j表示复数的虚数单位；n表示信号离散采样点。
可选的，所述步骤5中将削波信号ci[n]通过FFT变换，得到频域信号Ci[n]并将其投影到对应子载波的星座点上，得到信号
Figure BDA0002247374090000034
包括：
将频域信号Ci[n]投影到对应子载波的星座点上，若Ci[n]处在星座点的可扩展方向，则保持不变；若Ci[n]在星座点的不可扩展方向，则移除Ci[n]，使之为零，得到信号
Figure BDA0002247374090000035
可选的，通过CCDF描述降低信号PAPR水平，表达式为：
Figure BDA0002247374090000036
式中，PAPR0为阈值，P表示信号的PAPR大于阈值PAPR0的概率，N表示为OFDM信号的子载波的个数。
在本发明中提供了一种降低OFDM声纳的PAPR方法，在常规的ACE-SGP方法上进行改进，依靠自适应策略调整限幅水平的大小来降低峰均功率比，再利用一种新型的迭代步长进行迭代计算，加快系统的收敛速度。本发明提供的方法相比于常规的ACE-SGP算法具有更小的PAPR和更快的收敛速度。
附图说明
图1是本发明提供的降低OFDM声纳的PAPR方法流程示意图；
图2是16QAM调制的抑制PAPR性能图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种降低OFDM声纳的PAPR方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种降低OFDM声纳的PAPR方法，其流程如图1所示。本实施例一条件为：OFDM符号个数为1000个、每个符号的子载波数为1024个、迭代次数L为3次，使用16QAM调制以及本发明提供的抑制PAPR方法，进行如下步骤：
步骤1，按照上述OFDM信号参数生成时域信号xi[n]，此时迭代次数i＝0；
步骤2，设定限幅门限A＝1，对时域信号xi[n]大于限幅门限A的传输数据进行限幅，得到信号
Figure BDA0002247374090000041
所述信号
Figure BDA0002247374090000042
具体为：
Figure BDA0002247374090000043
其中，
Figure BDA0002247374090000044
i为迭代次数；j表示复数的虚数单位；n表示信号离散采样点。
步骤3，计算削波信号
Figure BDA0002247374090000045
步骤4，调整限幅门限
Figure BDA0002247374090000046
式中Qp是大于限幅门限A的峰值采样信号；
步骤5，将削波信号ci[n]通过FFT(fast Fourier transform，快速傅里叶变换)变换，得到频域信号Ci[n]并将其投影到对应子载波的星座点上，若Ci[n]处在星座点的可扩展方向，则保持不变；若Ci[n]在星座点的不可扩展方向，则移除Ci[n]，使之为零，得到信号
Figure BDA0002247374090000047
步骤6，将得到的信号
Figure BDA0002247374090000048
再经过IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶逆变换)变化，得到时域内的限幅削波信号
Figure BDA0002247374090000049
步骤7，计算迭代步长
Figure BDA00022473740900000410
其中，E是时域信号的最大幅值，即E＝max(|xi[n]|)，
Figure BDA00022473740900000411
为在最大幅值处的时域削波信号，其中最大幅值的位置为nmax＝arg(max(|xi[n]|))；选取μ[n]中的最小值μmin作为最优的迭代步长μ，即μ＝μmin；
步骤8，利用
Figure BDA00022473740900000412
迭代求解信号xi+1[n]，其中μ是最优的迭代步长μmin；
步骤9，计算此时的PAPR值，判断是否达到系统预定的PAPR门限或者达到预设的最大迭代次数L，若满足其一则停止迭代；否则令i＝i+1，回到步骤2重复迭代过程；其中L最大迭代次数一般取值为3。
最后得到降低PAPR的OFDM信号xi+1[n]。评判降低OFDM声纳的PAPR性能主要是CCDF(Complementary Cumulative Distribution Function，互补累计分布函数)。具体的，通过CCDF描述降低信号PAPR，表达式为：
Figure BDA0002247374090000051
式中，PAPR0为阈值，P表示信号的PAPR大于阈值PAPR0的概率，N表示为OFDM信号的子载波的个数。本方法抑制PAPR的性能如图2所示，与常规的ACE-SGP算法相比，PAPR更小，收敛速度更快。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (4)

1.一种降低OFDM声纳的PAPR方法，其特征在于，包括：
步骤1，将一帧频域内的数据X通过IFFT得到时域信号xi[n]，此时迭代次数i＝0；
步骤2，设定限幅门限为A，对时域信号xi[n]大于限幅门限A的传输数据进行限幅，得到信号
Figure FDA0002247374080000011
步骤3，计算削波信号
Figure FDA0002247374080000012
步骤4，调整限幅门限A，
Figure FDA0002247374080000013
式中Qp是大于限幅门限A的峰值采样信号；
步骤5，将削波信号ci[n]通过FFT变换，得到频域信号Ci[n]并将其投影到对应子载波的星座点上，得到信号
Figure FDA0002247374080000014
步骤6，将得到的信号
Figure FDA0002247374080000015
再经过IFFT变化，得到时域内的限幅削波信号
Figure FDA0002247374080000016
步骤7，计算迭代步长
Figure FDA0002247374080000017
其中，E是时域信号的最大幅值，即E＝max(|xi[n]|)，
Figure FDA0002247374080000018
为在最大幅值处的时域削波信号，其中最大幅值的位置为nmax＝arg(max(|xi[n]|))；选取μ[n]中的最小值μmin作为最优的迭代步长μ，即μ＝μmin；
步骤8，利用
Figure FDA0002247374080000019
迭代求解信号xi+1[n]，其中μ是最优的迭代步长μmin；
步骤9，计算此时的PAPR值，判断是否达到系统预定的PAPR门限或者达到预设的最大迭代次数L，若满足其一则停止迭代；否则令i＝i+1，回到步骤2重复迭代过程。
2.如权利要求1所述的降低OFDM声纳的PAPR方法，其特征在于，所述信号
Figure FDA00022473740800000110
具体为：
Figure FDA00022473740800000111
其中，xi[n]＝|xi[n]|ejθ[n]，i为迭代次数；j表示复数的虚数单位；n表示信号离散采样点。
3.如权利要求1所述的降低OFDM声纳的PAPR方法，其特征在于，所述步骤5中将削波信号ci[n]通过FFT变换，得到频域信号Ci[n]并将其投影到对应子载波的星座点上，得到信号
Figure FDA0002247374080000021
包括：
将频域信号Ci[n]投影到对应子载波的星座点上，若Ci[n]处在星座点的可扩展方向，则保持不变；若Ci[n]在星座点的不可扩展方向，则移除Ci[n]，使之为零，得到信号
Figure FDA0002247374080000022
4.如权利要求1所述的降低OFDM声纳的PAPR方法，其特征在于，通过CCDF描述降低信号PAPR水平，表达式为：
Figure FDA0002247374080000023
式中，PAPR0为阈值，P表示信号的PAPR大于阈值PAPR0的概率，N表示为OFDM信号的子载波的个数。
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