CN111641576B - 一种基于索引调制的降低ofdm信号峰均比值的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于索引调制的降低OFDM信号峰均比值的方法，步骤如下：从编码后信息比特流中提取K个信息比特信号并循环左移；执行频域星座信号映射、插入导频及IFFT运算，生成OFDM信号；计算OFDM信号的峰均比值，发射符合要求的OFDM信号，否则从生成的OFDM信号中选出峰均比值最小的信号发射；信号接收端接收信号后进行去除循环前缀、FFT运算、信道估计及星座相位逆旋转，然后分组得到由行向量构成的矩阵；分别计算行向量对应的能量值，能量值最小值对应的位置为索引调制0信号的位置，与能量值最小值对应的行向量编号为V；从矩阵删除第V个行向量后从上到下逐列读取得到新信号，将新信号循环右移16‑V位即得到待译码信号。

Description

一种基于索引调制的降低OFDM信号峰均比值的方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤指涉及一种基于索引调制的降低OFDM 信号峰均比值的方法。

背景技术

OFDM通信技术具有高频谱效率、抗多径衰落、容易实现等优点，是无线宽带通信系统中的主流技术之一。如图1所示，OFDM通信系统的信号发送和接收流程为：在信号发送端，将编码后的信息比特信号进行载波星座映射，然后进行星座相位旋转，再插入导频，进行IFFT运算(反向快速傅里叶变换)和加入循环前缀，最后由信号发送端的射频前端将信号发射出去。在信号接收端，信号接收端的射频前端接收到信号后，进行一个相反的操作过程，去除循环前缀并进行FFT运算(快速傅里叶变换)，然后进行信道估计、星座相位逆旋转以及解映射，得到待译码信号。

OFDM通信系统的一个明显缺点是输出信号的瞬时值会出现较大的波动，即发射信号的峰均比值较高。随着信号中子载波数量以及信号调制阶数的增加， OFDM通信系统的信号峰均比值(简称PAPR)也会随之增加，从而带来硬件成本增加和系统通信性能下降等诸多问题，因此相应的PAPR抑制算法一直是 OFDM通信系统的关键技术。现有的OFDM通信系统峰均比抑制算法主要从峰均比抑制效果与传输性能、复杂度等系统指标间进行平衡。PAPR抑制算法主要可以分为预失真技术和无失真技术两大类，其中，常用的预失真技术有限幅法、压缩扩展法和峰值抵消法等算法；常用的无失真技术算法有编码法、预留子载波和多信号替换法等算法。对于预失真技术，由于PAPR抑制算法会对接收信号有影响，因此需要通过优化失真噪声在PAPR性能与传输性能间取得折中；而对于无失真技术，需要考虑PAPR抑制算法的有效性与实现复杂度之间的平衡。现有的PAPR抑制算法都存在改善的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于索引调制的降低OFDM信号峰均比值的方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于索引调制的降低OFDM信号峰均比值的方法，包括以下步骤：

S1、在信号发送端，从编码后信息比特流中提取K个信息比特信号；

S2、将提取的信号比特信号循环左移X位，X的初值为0；

S3、对循环左移后的K个信息比特信号执行频域星座信号映射，将每n个比特映射为一个载波上的星座点，每完成15×n个比特的映射后，在最后一个星座点上添加一个0信号，n为调制阶数；

S4、对完成映射后所生成的星座信号中非零部分的星座点进行星座相位旋转；

S5、对相位旋转后的星座信号插入导频以及进行IFFT运算，生成一个 OFDM信号；

S6、计算生成的OFDM信号的峰均比值，将峰均比值与设定阈值进行比较，如果峰均比值≤设定阈值C，则认为该OFDM信号的峰均比值已符合要求，进入后续的信号处理流程并进行发射，如果峰均比值＞设定阈值C，则进入步骤S7；

S7、判断X是否大于W，如果X大于W，则从生成的OFDM信号中选出峰均比值最小的信号，进入后续的信号处理流程并进行发射，否则令X＝X+1，并返回步骤S2，W为信息比特循环移动次数的上限值，当生成的OFDM信号的峰均比值都小于等于设定阈值C，或者循环次数超过上限值时，信号的发送过程结束；

S8、信号接收端接收信号，依次进行去除循环前缀、FFT运算、信道估计以及星座相位逆旋转，在经过星座相位逆旋转后得到信号Y；

S9、对信号Y进行长度为16的分组，得到由16个行向量构成的矩阵YY；

S10、分别计算16个行向量对应的能量值，从得到的能量值中选出最小值，将能量值最小值对应的位置作为索引调制的0信号的位置，令与能量值最小值对应的行向量编号为V；

S11、从矩阵YY删除第V个行向量，然后从上到下逐列读取，得到长度为 15÷16×N1的信号Z，然后将信号Z循环右移16-V位，得到待译码的信号；对待译码的信号进行译码即完成信号的传输过程。

进一步的，K为数据子载波承载的编码后信息比特的数量，K＝N1×n×15÷ 16，N1为一个OFDM信号中数据子载波的数量。

进一步的，当N1的取值不能整除16时，剩余的余数个子载波采用传统的星座映射机制进行映射。

进一步的，信息比特循环移动次数的上限值W为15。

由以上技术方案可知，本发明方法利用索引调制的思想，发送端在传统的星座映射环节中引入了静默子载波索引映射，在每一个OFDM符号上利用静默子载波的位置来指示该符号中激活子载波的频域信号的发送顺序，同时利用频域信号发送顺序的优化选择来获取低峰均比值的OFDM发送信号。由于索引 OFDM系统采用块调制方式，增强了子载波间的相关性，并且子载波分布具有一定的稀疏性的，这种方式无需进行边带信息的发送，在发送和接收侧的算法复杂度非常低，和传统OFDM信号相比，本发明方法只损失极少量的信息传输速率，就使得接收性能有了提升，而且OFDM发送信号的互补累积分布函数在10^-4处也有所降低，可以获得较好的降低峰均比值的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为OFDM信号的发送和接收流程图；

图2为本发明方法发送端的信号处理流程图；

图3为本发明实施例信息比特信号首次星座映射关系图；

图4为本发明实施例信息比特信号第2次星座映射关系图；

图5为不同循环左移次数发送信号的互补累积分布函数图。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

索引调制(IM)技术具有良好的抗子载波间干扰性能，较高的能量效率性能、交织情况下更低的误码率以及系统配置更加灵活等优点。本发明方法基于索引调制，将频域子载波分为激活子载波和静默子载波，用激活子载波传输星座点符号，静默子载波发送零，索引比特信息隐含在子载波的选择上进行传输，即发射端通过选取不同组合来传输额外的数据，通过对频域上星座信号的发送顺序的优化选择来降低发送信号的峰均比值。

一个OFDM信号中含有N个子载波，编号从1至N，这些子载波包括位于两侧的若干个保护子载波、1个直流子载波、若干个承载导频信号的导频子载波以及承载编码比特的数据子载波。数据子载波对应的载波编号的集合为： Index＝[a₁,a₂,…,a_N1]，1≤a₁＜a₂＜…＜a_N1≤N1，N1表示一个OFDM信号中数据子载波的数量。N1个数据子载波承载的编码后信息比特的数量K＝N1×n×15÷ 16，n为调制阶数，调制阶数为一个星座点对应承载的信息比特数量，如BPSK 调制时n＝1，QPSK调制时n＝2。如N1的取值不能整除16，剩余的余数个子载波采用传统的星座映射机制进行映射，但不影响本发明方法的流程，为了便于描述，以下说明中以N1可以整除16进行说明。

下面结合图2对本发明方法进行说明，本发明的方法步骤如下：

S1、在信号发送端，从编码后信息比特流中提取K个信息比特信号，记为 B_0＝[b₁,b₂,…,b_K]，b_K＝0 or 1，k＝1,…,K；

S2、将提取的信号比特信号循环左移X位，X的初值为0；

S3、对K个信息比特信号执行频域星座信号映射：使用传统的星座映射关系将每n个比特映射为一个载波上的星座点，每完成15×n个比特的映射后，在最后一个星座点上添加一个0信号，首次星座映射关系如图3所示，完成映射后所生成的星座信号为：

n＝1,...,15,17,...31,...,N1-15,...,N1-1，S表示频域信号的调制星座点集合；

当N1的取值不能整除16时，剩余的余数个子载波采用传统的星座映射机制进行映射，余数个(如剩余8个)子载波均为星座点信号，不含零信号，整除部分的子载波和余数部分的子载波合在一起生成一个OFDM信号，整除部分的子载波每16个含1个0信号；

S4、对完成映射后所生成的星座信号中非零部分的星座点进行星座相位旋转，本发明的星座旋转机制与传统星座相位旋转机制相同，零部分的星座点相位旋转后仍为0，因此无需旋转；

S5、对相位旋转后的星座信号插入导频以及进行IFFT运算，生成一个 OFDM信号；

S6、计算生成的OFDM信号的峰均比值，将峰均比值与设定阈值进行比较，如果峰均比值≤设定阈值C，则认为该OFDM信号的峰均比值已符合要求，进入后续的信号处理流程并进行发射，如果峰均比值＞设定阈值C，则进入步骤S7；信号处理流程和发射流程与现有方法的信号处理流程及发射流程一致，不是本发明的创新点，此处不做赘述；

S7、判断X是否大于W，如果X大于W，则从生成的OFDM信号中选出峰均比值最小的信号，进入后续的信号处理流程并进行发射，W为信息比特循环移动次数的上限值，本实施例的W＝15，当X大于15时，生成的OFDM信号包括基于初始二进制信号B_0生成的OFDM信号，以及基于初始二进制信号B_0循环左移后的信号B_1至B_15的15个二进制信号所依次生成的15个OFDM信号，这16个OFDM信号的峰均比值都大于设定阈值C；

否则令X＝X+1，并返回步骤S2，除了首次频域星座信号映射外，后续的每次频域星座信号映射时，信息比特信号都已经过循环左移，例如第2次循环执行步骤S2时，信息比特信号循环左移1位，得到的新信号 B_1＝[b₂,…,b_K,b₁]，以此类推，第3次循环执行步骤S2时，信息比特信号循环左移2位，得到的新信号B_1＝[b₃,…,b_K,b₁,b₂]；在循环执行步骤S2时，是基于循环左移后得到的新信号进行频域星座信号映射，如基于信号 B_1＝[b₂,…,b_K,b₁]进行第2次频域星座信号映射时，得到的星座信号记

S_1_n∈S,n＝1,...,14,16,17,...,30,32,...,N1-15,...,N1-2,N1，映射关系图4所示，每进行一次星座映射，0信号的位置都从除16余数为0的位置向左挪动一位，即可除16余数为15的位置；当X＝15时，0信号的位置已经从除16余数为0的位置向左挪动了十五位，即可除16余数为1的位置；当生成的OFDM信号的峰均比值都小于等于设定阈值C，或者循环次数超过15次时，信号的发送过程结束；

S8、信号接收端接收信号，依次进行去除循环前缀、FFT运算、信道估计以及星座相位逆旋转等常规步骤，在经过星座相位逆旋转后得到信号 Y＝[y₁,…,y_N1]；

S9、对Y＝[y₁,…,y_N1]进行长度为16的分组，得到由16个行向量构成的矩阵

S10、分别计算16个行向量对应的能量值，即对行向量中的各元素平方后求和，从得到的能量值中选出最小值，将能量值最小值对应的位置作为索引调制的0信号的位置，令与能量值最小值对应的行向量编号为V；

S11、从矩阵YY中删除第V个行向量，然后从上到下逐列读取，得到长度为15÷16×N1的信号Z＝[z₁,…,z_N1×15/16]，然后将信号Z循环右移16-V位，得到待译码的信号

对待译码的信号/>

采用现有方法进行译码即得到最终的信号。在对索引调制0信号位置判断正确的前提下，信号Z即为编码后信息比特信号B_0＝[b₁,b₂,…,b_K]对应的接收信号。

本发明的设定阈值C是一个动态参数，根据子载波数量、调制方式和功率放大器性能灵活调整，当设定阈值C较大时，发送端对信息比特信号尝试较少次数的循环移位就可以生成满足要求的OFDM信号，计算量较小，但OFDM信号的峰均比值较高；而设定阈值C较小时，发送信号的峰均比值较低，但需要尝试更多次数才能生成满足要求的OFDM信号，计算量较大。因此本发明对设定阈值C取值不做具体限定，可在实际应用过程中由各设备厂家根据自身情况自主设定。

对于一个OFDM信号来说，其包含有N个子载波，通信系统的频域输入信号为X＝[X₁,X₂,…,X_N]，通信系统的时域信号序列为x＝[x₁,x₂,…,x_N]，

n＝1,2,...,N。信号的峰均比值/>

式中的max(|x_n|²)表示信号功率的最大值，E(|x_n|²)表示信号的平均功率。

通常情况下，用时域互补累积分布函数(CCDF)来描述信号峰均比值 (PAPR)的分布情况，其数学计算式为：Pr(PAPR＞z)＝1-Pr(PAPR≤z)。

根据中心极限定理可知，OFDM信号会出现高峰均比值情况下的本质是N个频域输入信号经过IFFT变换后，得到的时域信号将趋于高斯分布，这种情况会随着N值的增加和调制阶数的增加而变得更加逼近，而高斯分布函数在左右两侧存在拖尾区，因此时域信号将出现小概率的较大数值。

通常从以下5个方面来衡量降低信号峰均比值方法的性能：1)边带信息数量；2)对传输速率的影响；3)信号接收性能；4)算法复杂度；5)发送信号峰均比值降低水平。

从边带信息数量来看，从本发明方法的信号处理流程可以看出，接收端在无需任何辅助信息的前提下仍可以对接收信号进行相关的处理流程，因此边带信息数量为0。

从对传输速率的影响来看，从本发明方法的信号处理流程可以看出，新的信号生成机制中，发送端在每一个OFDM信号中使用了1/16的数据子载波来进行索引调制，用于携带本OFDM信号所对应的编码信息比特的循环右移次数，因此传输速率略有下降，约下降6％。

从信号接收性能来看，对于本发明的OFDM信号生成方式而言，接收方必须以非常低的错误率来从16个可能的位置中判断出索引调制信号对应的位置。基于OFDM信号的处理原理可知，一个子载波上的接收信号y可以表示为：

其中h表示该子载波对应的衰落系数，S表示该子载波上的发射信号，w 表示接收测的随机噪声项。由于新信号中每16个子载波中有1个子载波的数值为0，因此在相同功率条件下，其余非零子载波的信号功率为原来的 16/15。

从索引调制信号对应位置的判断算法可以看出，接收信号的16个判决行向量中，如果该行向量对应为非零子载波信号，则其功率为：

而如果对应为零子载波信号，则其功率为：

/>

理论研究和仿真结构表明，在N1值较大的情况下，如≥96，在相同的信噪比情况下，概率值Pr(P_S≤P₀)将比OFDM信号的译码错误率低4至5个等级，因此索引调制信号的位置判断过程对整个信号译码性能的影响可以忽略不计。比起传统OFDM信号，新信号中非零子载波的信号功率为原来的16/15，因此在相同信道条件下，接收侧可以获得10×log10(16/15)≈0.3dB的接收译码性能提升。

从算法复杂度来看，从本发明方法的信号处理流程中可以看出，算法复杂度和设定阈值C的设置大小息息相关。如果将设定阈值C的数值设置为0，则算法复杂度达到最高，即每个OFDM信号需要执行16次的IFFT运算和其它一些辅助运算，因此算法复杂度是不采用降峰均比值机制时的约16倍；而如果将设定阈值C的数值设置为无限大，则算法复杂度最低，发送端对数据载荷数据仅需要进行1次信号处理流程即可，但此时信号的峰均比值性能没有得到任何优化。

下面通过时域互补累积分布函数(CCDF)来给出算法复杂度的理论分析，设定阈值为C，而对于随机生成的一个OFDM信号，其幅度最大值的平方PA大于C的概率值为：Pr{1个OFDM符号的幅度最大值的平方大于C}＝1-Pr(PA≤C)；

申请人研究发现，对1个编码后的随机信息序列执行循环左移等这些可以明显改变信息比特的发送次序的操作，再经过传统星座映射和索引调制的混合映射，星座相位旋转和IFFT运算，可以认为基于该信号和其循环左移后的信号所生成了系列OFDM信号都是相互独立的，因此发送端阈值设定为C时，其发送信号的循环左移值X的概率值分布情况如下表：

不同循环左移值X对应的概率值

通常情况下，评估信号峰均比值(PAPR)情况时将比较关注其发送信号的时域互补累积分布函数(CCDF)在10^-4处对应的数值大小。发送端可以把设定阈值C的数值设置为本次信号发送所对应的时域互补累积分布函数(CCDF)在 10^-4处对应的数值，即Pr(PAPR＞C)＝1-Pr(PAPR≤C)＝10^-4(该数值可以利用计算机通过仿真获取)。

在此情况下，当Pr(PAPR＞C)＝10^-4时，X＝0的事件发生概率值趋于1，即发送端在约99.99％的情况下的都保持了和原算法相同的信号处理流程,而在X>0 的情况下需要多进行X次的OFDM信号生成过程。因此综合而言，和传统算法相比，本发明的降低峰均比方法只增加了非常少量的计算复杂度，几乎可以忽略不计。

从发送信号峰均比值降低水平来看，在N值较大的情况下，直流载波、两侧保护载波和导频信号对信号峰均比的影响可以忽略不计，因此为方便仿真，假定所有N＝1024个载波都为数据子载波，且系统采用QPSK调制方案，则传统 OFDM信号和使用优化机制后OFDM信号的互补累积分布函数(CCDF)的情况如图5所示(图5中传统信号是指未进过任何处理的OFDM信号，新信号是指采用本发明方法处理后的OFDM信号)，从仿真结果可以看出，采用优化机制后，发送信号的峰均比值的互补累积分布函数在10^-4处降低了约3.5dB，获得了非常好的降低峰均比值的效果。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (2)

1.一种基于索引调制的降低OFDM信号峰均比值的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在信号发送端，从编码后信息比特流中提取K个信息比特信号；

S2、将提取的信号比特信号循环左移X位，X的初值为0；

S3、对循环左移后的K个信息比特信号执行频域星座信号映射，将每n个比特映射为一个载波上的星座点，每完成15×n个比特的映射后，在最后一个星座点上添加一个0信号，n为调制阶数，K为数据子载波承载的编码后信息比特的数量，K＝N1×n×15÷16，N1为一个OFDM信号中数据子载波的数量，当N1的取值不能整除16时，剩余的余数个子载波采用传统的星座映射机制进行映射；

S4、对完成映射后生成的星座信号中非零部分的星座点进行星座相位旋转；

S5、对相位旋转后的星座信号插入导频以及进行IFFT运算，生成一个OFDM信号；

S6、计算生成的OFDM信号的峰均比值，将峰均比值与设定阈值进行比较，如果峰均比值≤设定阈值C，则认为该OFDM信号的峰均比值已符合要求，进入后续的信号处理流程并进行发射，如果峰均比值＞设定阈值C，则进入步骤S7；

S7、判断X是否大于W，如果X大于W，则从生成的OFDM信号中选出峰均比值最小的信号，进入后续的信号处理流程并进行发射，否则令X＝X+1，并返回步骤S2，W为信息比特循环移动次数的上限值，当生成的OFDM信号的峰均比值都小于等于设定阈值C，或者循环次数超过上限值时，信号的发送过程结束；

S8、信号接收端接收信号，依次进行去除循环前缀、FFT运算、信道估计以及星座相位逆旋转，在经过星座相位逆旋转后得到信号Y；

S9、对信号Y进行长度为16的分组，得到由16个行向量构成的矩阵YY；

S10、分别计算16个行向量对应的能量值，从得到的能量值中选出最小值，将能量值最小值对应的位置作为索引调制的0信号的位置，令与能量值最小值对应的行向量编号为V；

S11、从矩阵YY删除第V个行向量，然后从上到下逐列读取，得到长度为15÷16×N1的信号Z，然后将信号Z循环右移16-V位，得到待译码的信号；对待译码的信号进行译码即完成信号的传输过程。

2.如权利要求1所述的基于索引调制的降低OFDM信号峰均比值的方法，其特征在于：信息比特循环移动次数的上限值W为15。

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