CN111654462B - 一种基于符号分拆的降低ofdm信号峰均比值的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于符号分拆的降低OFDM信号峰均比值的方法，在信号发送端，将所有OFDM符号的峰均比值与设定阈值进行比较，如果OFDM符号的峰均比值≤设定阈值，则按原有的发送机制进行发送，否则将该OFDM符号分拆为两个连续的不同的OFDM子符号，进行处理后再发送；信号接收端接收到信号后去除循环前缀及FFT运算，得到频域接收信号，对频域接收信号逐个判决，判断其对应的发射信号是一个完整信号或是一个半完整信号，对完整信号采用常规的方法执行后续信号处理，对于分拆信号，分别丢弃两个分拆信号中各自的一半零载波对应的接收信号，然后按照其拆分方式逆向重新组合，得到正确顺序的完整信号，然后采用常规的方法执行后续信号处理。

Description

一种基于符号分拆的降低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，尤指涉及一种基于符号分拆的降低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，然后插入导频，进行IFFT运算(反向快速傅里叶变换)及加入循环前缀，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)，然后进行信道估计和解映射，得到待译码信号。

OFDM通信技术的主要不足是发送信号具有很高的峰值与平均功率比。对于有N个子载波的OFDM系统，其发送信号的峰值功率理论上可以达到平均功率的N倍。在某个时刻，若多个载波以同一方向进行累加时，就会产生很大的峰值，从而要求功率放大器具有很大的线性区域；否则，当信号峰值进入放大器的非线性区域时，就会使信号产生畸变，从而产生子载波间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波间的正交性，降低系统性能。为了避免这种情况，功率放大器应工作在大功率补偿状态下。然而，这会导致非常低的放大效率并使发射机的成本变得非常昂贵。另一方面，若OFDM在移动通信中应用，由于移动终端的能量有限，就要求高效的功率放大。因此，必须采用一定的技术来降低信号的峰均比值，使发射机的功率放大器高效工作，以提高系统的整体性能。

为了提高OFDM系统的性能，降低信号的降峰均比，人们提出了很多基于不同思路的方法，如限幅法、峰值加窗法、部分传输序列法、选择映射法等，但现有的降低OFDM信号峰均比的方法在降低峰均比的同时也付出了其它性能损失的代价，在复杂度、抗噪声性能和信息速率损失等很难获得较好的均衡，仍存在改善的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于符号分拆的降低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：

一种基于符号分拆的降低OFDM信号峰均比值的方法，包括以下步骤：

S1、在信号发送端，将分组信号中所有的OFDM符号的峰均比值与设定阈值C分别进行比较，对于某个OFDM符号x_l，如果其峰均比值p_l≤设定阈值C时，则按原有的发送机制进行信号发送，否则，将该OFDM符号x_l分拆为两个连续的不同的OFDM子符号，进行处理后再发送，l＝1,2,…,L，L为信号发送端发送一次分组信号时所包含的OFDM符号的数量，分拆处理的方法如下：

a.对于某个OFDM符号x_l，其N个子载波上所承载的N个频域信号为X_l＝[X_l,1,X_l,2,...,X_l,N]，将该OFDM符号x_l的频域信号按式(1)分拆两个对应的子频域信号，式(1)为：

对分拆得到的两个子频域信号进行IFFT运算，对应产生两个新的OFDM子符号

和

分别计算这两个OFDM子符号的峰均比值，取两者中的最大值，记为第一峰均比值

b.将第一峰均比值

与设定阈值C进行比较，如果第一峰均比值

则用基于式(1)产生的两个OFDM子符号

和

替代原来的OFDM符号x_l进行信号发送，否则，将该OFDM符号x_l的频域信号按式(2)分拆为两个对应的子频域信号，式(2)为：

对分拆得到的两个子频域信号进行IFFT运算，对应产生另外两个新的OFDM子符号

和

分别计算这两个OFDM子符号的峰均比值，取两者中的最大值，记为第二峰均比值

c.将第一峰均比值

第二峰均比值

以及该OFDM符号x_l的峰均比值p_l进行比较，选出其中的最小值，以该最小值对应的OFDM符号进行信号发送；

S2、信号接收端接收信号，对接收到的信号按以下步骤进行处理：

a.对接收到的信号依次进行去除循环前缀、FFT运算步骤，在进行FFT运算后，得到K个频域接收信号Y＝[Y₁,Y₂,…,Y_k,…,Y_K]，k＝1,2,…,K；

b.对K个频域接收信号逐个进行判决，判断其对应的发射信号是一个完整信号，或是一个半完整信号，判决方法具体如下：

对于某两个连续的频域接收信号Y_k＝[Y_k,1,…,Y_k,N]和

Y_k+1＝[Y_k+1,1,…,Y_k+1,N]，令向量Δ_k＝[Δ_k,1,Δ_k,2,…,Δ_k,N]，其中，

Δ_k,n＝sign(|Y_k,n|-|Y_k+1,n|)，n＝1,2,…,N，函数sign(·)为

分别计算向量Δ_k中数值为1和数值为-1的个数，记为

和

则判决结果如下：

c.根据判决结果，对未分拆的完整信号采用常规的方法执行后续信号处理步骤，得到接收信号，对于分拆信号，分别丢弃两个分拆信号中的各自的一半零载波对应的接收信号，然后按照其拆分方式逆向重新组合，得到正确顺序的完整信号，然后采用常规的方法执行后续信号处理步骤，得到接收信号。

由以上技术方案可知，本发明方法在信号发送端进行一次分组信号的发送时，首先对各OFDM符号的峰均比值和设定阈值进行比较，从而决定是否要对OFDM符号进行分拆，如果信号中的某个OFDM信号的峰均比值超过阈值，则将该信号分拆了两个OFDM子符号来传输，两个子符号中各承载了原符号的一半频域信息，且都有一半的子载波数值为0，且位置相互交错；而接收端则通过对一半子载波的数值为0这一特征来判断发送信号中是否存在符号分拆的OFDM符号，并据此实现两个信号的合并。通过理论分析和仿真结果表明，本发明方法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，接收性能和传统OFDM信号保持一致，则降低10％的传输速率的情况下，新信号获得了非常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为采用本发明方法进行处理后的信号以及未处理的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。

本发明方法基于符号分拆思想，对超过设定阈值的高峰均比的OFDM符号分拆为两个OFDM符号，从而降低发送信号的峰均比值。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：信号发送端在发送某一次的分组信号时，共有L个OFDM符号，记为x＝[x₁,x₂,…,x_L]，该L个OFDM符号的峰均比值为：P＝[p₁,p₂,…,p_L]，一个OFDM信号中含有N个子载波(N为偶数)；

S1、在信号发送端，将所有的OFDM符号的峰均比值与设定阈值C分别进行比较，对于某个OFDM符号x_l，l＝1,2,…,L，如果其峰均比值p_l≤设定阈值C时，则按原有的发送机制进行信号发送，否则，将该OFDM符号x_l分拆为两个连续的不同的OFDM子符号，进行处理后再发送，分拆处理的方法如下：

a.对于某个OFDM符号x_l，其N个子载波上所承载的N个频域信号为X_l＝[X_l,1,X_l,2,...,X_l,N]，将该OFDM符号x_l的频域信号按式(1)分拆两个对应的子频域信号，式(1)为：

对分拆得到的两个子频域信号进行IFFT运算，对应产生两个新的OFDM子符号

和

分别计算这两个OFDM子符号的峰均比值，取两者中的最大值，记为第一峰均比值

b.将第一峰均比值

与设定阈值C进行比较，如果第一峰均比值

则用基于式(1)产生的两个OFDM子符号

和

替代原来的OFDM符号x_l进行信号发送，否则，将该OFDM符号x_l的频域信号按式(2)分拆为两个对应的子频域信号，式(2)为：

对分拆得到的两个子频域信号进行IFFT运算，对应产生另外两个新的OFDM子符号

和

分别计算这两个OFDM子符号的峰均比值，取两者中的最大值，记为第二峰均比值

c.将第一峰均比值

第二峰均比值

以及该OFDM符号x_l的峰均比值p_l进行比较，选出其中的最小值，以该最小值对应的OFDM信号进行信号发送，例如，如果

即OFDM符号x_l的峰均比值p_l最小，则发送的OFDM符号为x_l，以此类推，如果

则发送的OFDM符号为基于式(1)产生的OFDM子符号

和

如果

则发送的OFDM符号为基于式(2)产生的OFDM子符号

和

S2、信号接收端接收信号，对接收到的信号按以下步骤进行处理：

a.对接收到的信号依次进行去除循环前缀、FFT运算步骤，在进行FFT运算后，得到K个频域接收信号Y＝[Y₁,Y₂,…,Y_k,…,Y_K]，k＝1,2,…,K，K为信号接收端接收到的频域接收信号的数量；

b.对K个频域接收信号逐个进行判决，判断其对应的发射信号是一个完整信号，或是一个半完整信号，判决方法具体如下：

对于某两个连续的频域接收信号Y_k＝[Y_k,1,…,Y_k,N]和

Y_k+1＝[Y_k+1,1,…,Y_k+1,N]，令向量Δ_k＝[Δ_k,1,Δ_k,2,…,Δ_k,N]，其中，

Δ_k,n＝sign(|Y_k,n|-|Y_k+1,n|)，n＝1,2,…,N，函数sign(·)为

分别计算向量Δ_k中数值为1和数值为-1的个数，记为

和

则判决结果如下：

c.根据判决结果，对未分拆的完整信号采用常规的方法执行后续信号处理步骤，得到接收信号，对于分拆信号，则分别丢弃两个分拆信号中的各自的一半零载波对应的接收信号，然后按照其拆分方式(式1或式2)逆向重新组合，即得到正确顺序的完整信号，然后采用常规的方法执行后续信号处理步骤，得到接收信号。

本发明的设定阈值C是一个动态参数，可根据子载波数量、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，发送端所生成的OFDM信号需要进行分拆的概率就变小，计算量较小，但OFDM信号的峰均比值性能较差；而设定阈值C较小时，发送端所生成的OFDM信号需要进行分拆的概率就变大，计算量较大，但OFDM信号的峰均比值性能较好。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]，

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)算法复杂度；3)对传输速率的影响；4)信号接收性能；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信号都要进行拆分，因此算法复杂度是不采用降峰均比值机制时的约2-4倍；而如果将阈值C的数值设置为无限大，则算法复杂度最低，所有OFDM信号都无需拆分，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，显然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)；

对于那些因峰均比值超过设定阈值C而被拆分的OFDM符号而言，拆分后的2个符号中一半子载波的数值为0，因此两个拆分信号的峰均比出现较大值的概率减低。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。因此，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，发送端90％的OFDM符号无需拆分，保持了和传统算法相同的信号处理流程，而剩余10％的符号需要进行拆分，需要进行2-4次的OFDM信号生成过程。因此综合而言，和原算法相比，本发明的降低峰均比方法只增加了非常少的计算复杂度，几乎可以忽略不计。

从对传输速率的影响来看，假定，当Pr(PAPR＞C)＝10^-1，则每个OFDM信号被拆分为2个的概率为0.1，因此有0.9×1+0.1×2＝1.1，即在传输相同信息情况下，新信号的OFDM的数量在统计意义上要比传统信号的数量多10％，因此传输速率下降了约10％。

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判断出接收信号中是否存在拆分信号。基于OFDM信号的处理原理可知，一个子载波上的频域接收信号y可以表示为：

其中h表示该载波对应的衰落系数，S表示该载波上的发射信号，w表示接收测的随机噪声项。

因此对向量Δ_k＝[Δ_k,1,Δ_k,2,…,Δ_k,N]而言，如果Y_k和Y_k+1都是完整信号，则向量Δ_k＝[Δ_k,1,Δ_k,2,…,Δ_k,N]中的每一个元素都有一半的概率为1，一半的概率为-1(为0的概率趋于0，这里忽略不计)，即

pr(|h₁S₁+w₁|＜|h₂S₂+w₂|)＝pr(|h₁S₁+w₁|＞|h₂S₂+w₂|)＝0.5；而如果Y_k和Y_k+1都是半完整信号，则其零载波的位置彼此交错，而有承载频域信号的载波信号的绝对值将以大于一半的概率大于没有承载频域信号的零载波信号，即pr(|h₁S₁+w₁|＜|w₂|)＞0.5，其中h₁和h₂表示该载波对应的衰落系数，S₁和S₂表示该载波上的发射信号，w₁和w₂表示接收测的随机噪声项。

因此利用上述特性，在N数值较大的情况下，如N≥128，接收端就可以以高精确度来判断出拆分符号的存在性，而对拆分信号进行合并后，其信噪比和完整信号保持一致，因此新信号的接收性能和传统信号保持一致。

从发送信号峰均比值降低水平来看，对信号峰均比值降低性能进行仿真，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信号和使用本发明方法处理后的OFDM信号(C＝9.5dB)的互补累积分布函数(CCDF)的情况如图3所示，从仿真结果可以看出，采用本发明方法进行优化处理后，在降低了10％的传输速率的情况下，获得了非常好，类似于限幅法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 (1)

1.一种基于符号分拆的降低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，将分组信号中所有的OFDM符号的峰均比值与设定阈值C分别进行比较，对于某个OFDM符号x_l，如果其峰均比值p_l≤设定阈值C时，则按原有的发送机制进行信号发送，否则，将该OFDM符号x_l分拆为两个连续的不同的OFDM子符号，进行处理后再发送，分拆处理的方法如下：

a.对于某个OFDM符号x_l，其N个子载波上所承载的N个频域信号为X_l＝[X_l,1,X_l,2,...,X_l,N]，将该OFDM符号x_l的频域信号按式(1)分拆两个对应的子频域信号，式(1)为：

对分拆得到的两个子频域信号进行IFFT运算，对应产生两个新的OFDM子符号

和

分别计算这两个OFDM子符号的峰均比值，取两者中的最大值，记为第一峰均比值

b.将第一峰均比值

与设定阈值C进行比较，如果第一峰均比值

≤设定阈值C，则用基于式(1)产生的两个OFDM子符号

和

替代原来的OFDM符号x_l进行信号发送，否则，将该OFDM符号x_l的频域信号按式(2)分拆为两个对应的子频域信号，式(2)为：

对分拆得到的两个子频域信号进行IFFT运算，对应产生另外两个新的OFDM子符号

和

分别计算这两个OFDM子符号的峰均比值，取两者中的最大值，记为第二峰均比值

c.将第一峰均比值

第二峰均比值

以及该OFDM符号x_l的峰均比值p_l进行比较，选出其中的最小值，以该最小值对应的OFDM符号进行信号发送；

S2、信号接收端接收信号，对接收到的信号按以下步骤进行处理：

a.对接收到的信号依次进行去除循环前缀、FFT运算步骤，在进行FFT运算后，得到K个频域接收信号Y＝[Y₁,Y₂,…,Y_k,…,Y_K]，k＝1,2,…,K；

b.对K个频域接收信号逐个进行判决，判断其对应的发射信号是一个完整信号，或是一个半完整信号，判决方法具体如下：

对于某两个连续的频域接收信号Y_k＝[Y_k,1,…,Y_k,N]和Y_k+1＝[Y_k+1,1,…,Y_k+1,N]，令向量Δ_k＝[Δ_k,1,Δ_k,2,…,Δ_k,N]，其中，Δ_k,n＝sign(|Y_k,n|-|Y_k+1,n|)，n＝1,2,…,N，函数sign(·)为

分别计算向量Δ_k中数值为1和数值为-1的个数，记为

和

则判决结果如下：

c.根据判决结果，对未分拆的完整信号采用常规的方法执行后续信号处理步骤，得到接收信号，对于分拆信号，分别丢弃两个分拆信号中各自的一半零载波对应的接收信号，然后按照其拆分方式逆向重新组合，得到正确顺序的完整信号，然后采用常规的方法执行后续信号处理步骤，得到接收信号。

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