CN112152957A - 基于深度限幅联合星座扩展的ofdm峰均比抑制方法及抑制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制方法及抑制器，对频域信号先进行过采样处理，然后经过IFFT处理转换到时域后，根据限幅门限值对时域信号按深度限幅函数对幅度进行修正，然后信号经过FFT处理转换到频域后进行滤波，将带外噪声进行滤除后进行降采样，接着进行星座扩展处理，对限幅滤波处理后的频域信号进行修正，最后再经过IFFT处理转换成时域信号；所述深度限幅函数对超过限幅门限的信号执行与幅度正相关的限幅处理；所述星座扩展处理采用16QAM星座点修正的处理方式。
Description
技术领域
本发明属于信息学领域，尤其涉及一种基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制方法及抑制器。
背景技术
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）是一种特殊的多载波传输方案，具有高频谱利用率、良好的抗多径干扰能力和可用IFFT/FFT实现调制解调等优点，被广泛应用于各种高速的无线通信系统和宽带的数字电视广播系统。然而其信号具有较高的PAPR（peak-to-Average Power Ratio，峰均功率比），容易使得发射机端的功率放大器进入饱和区，产生非线性失真，从而严重影响OFDM系统的性能。
发明内容
针对现有技术存在的不足和空白，本发明提出一种基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制方法及抑制器，能够在不进行迭代的情况下有效地降低OFDM信号的PAPR，同时改善系统误码率、调制误差率MER性能，降低实现复杂度。本发明的特点在于：采用了一种联合方法，其中改进的限幅方法深度限幅法可以在不进行迭代的情况下有效地抑制峰值再生和降低OFDM信号的峰均比，星座扩展法可以改善系统接收端误码率、调制误差率MER性能。这种峰均比抑制器简单、有效，并且接收端不需要增加额外的处理。其相对于已有的类似方案，能够更加有效地抑制峰值再生和降低OFDM信号的峰均比，由深度限幅产生的误码率能够通过16QAM星座点进行完善的修正，使该方案的最终性能显著优于现有其他方案。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制方法，其特征在于：对频域信号先进行过采样处理，然后经过IFFT处理转换到时域后，根据限幅门限值对时域信号按深度限幅函数对幅度进行修正，然后信号经过FFT处理转换到频域后进行滤波，将带外噪声进行滤除后进行降采样，接着进行星座扩展处理，对限幅滤波处理后的频域信号进行修正，最后再经过IFFT处理转换成时域信号；
所述深度限幅函数对超过限幅门限的信号执行与幅度正相关的限幅处理；
所述星座扩展处理采用16QAM星座点修正的处理方式。
优选地，对时域信号按深度限幅函数对幅度进行修正的步骤在极坐标下完成。
优选地，所述深度限幅函数对超过限幅门限值的信号执行与幅度线性正相关的限幅处理。
优选地，所述限幅门限值由限幅率和IFFT处理后的时域信号的平均功率的均方根值确定。
优选地，所述16QAM星座点修正的处理方式基于16QAM星座图，所述16QAM星座图包括在虚实坐标轴上呈矩阵对称排布的16个星座点，共计4个角落点、4个内部点和8个侧边点；频域信号根据落在16QAM星座图上的位置，执行修正处理：
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵内，且距离最近的星座点为内部点，则执行频域信号不变的处理；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵内，且距离最近的星座点为侧边点，则修正至该侧边点所在的矩阵的侧边；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵外，且位于星座点在虚实坐标轴上投影形成的十字型边界内，则修正至距离最近的十字型边界上；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵外，且位于星座点在虚实坐标轴上投影形成的十字型边界外，则执行频域信号不变的处理。
一种基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制器，其特征在于，包括：深度限幅滤波模块和星座扩展处理模块；
所述深度限幅滤波模块包括：过采样模块、第一IFFT模块、限幅门限设定模块、笛卡尔坐标至极坐标转换模块、数据缓存模块、幅度修正模块、极坐标至笛卡尔坐标转换模块、FFT模块和滤波模块；
所述星座扩展处理模块包括：降采样模块、16QAM星座点修正模块和第二IFFT模块；
所述幅度修正模块对超过限幅门限的信号执行与幅度正相关的限幅处理。
优选地，所述16QAM星座点修正模块基于16QAM星座图，所述16QAM星座图包括在虚实坐标轴上呈矩阵对称排布的16个星座点，共计4个角落点、4个内部点和8个侧边点；频域信号根据落在16QAM星座图上的位置，执行修正处理：
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵内，且距离最近的星座点为内部点，则执行频域信号不变的处理；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵内，且距离最近的星座点为侧边点，则修正至该侧边点所在的矩阵的侧边；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵外，且位于星座点在虚实坐标轴上投影形成的十字型边界内，则修正至距离最近的十字型边界上；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵外，且位于星座点在虚实坐标轴上投影形成的十字型边界外，则执行频域信号不变的处理。
本发明及其优选方案相对于已有的类似方案，能够更加有效地抑制峰值再生和降低OFDM信号的峰均比，由深度限幅产生的误码率能够通过16QAM星座点进行完善的修正，使该方案的最终性能显著优于现有其他方案。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例峰均比抑制器结构示意图；
图2为本发明实施例深度限幅函数示意图；
图3为本发明实施例星座扩展中16QAM星座点修正示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
本实施例提供的峰均比抑制器主要分为深度限幅滤波和星座扩展处理两部分。系统结构框图如图1所示。当频域信号输入系统时，信号先经过过采样模块进行过采样处理，提高系统调制解调的信息恢复率，有助于后续对限幅失真信号的滤波处理，然后经过IFFT模块转换到时域后，设定一个限幅门限，对时域信号按深度限幅函数对幅度进行修正，然后信号经过FFT模块转换到频域后进行滤波，将带外噪声进行滤除后进行降采样，接着进行星座扩展处理，对限幅滤波处理后的频域信号进行修正，最后再经过IFFT模块转换成时域信号，从而实现了在不进行迭代的情况下降低OFDM信号的PAPR，同时能够改善接收端误码率、调制误差率MER性能的OFDM峰均比抑制器的设计。
图1是本发明的系统结构框图。整个系统都在一片FPGA硬件上实现，包括深度限幅滤波模块11和星座扩展处理模块12。
1、深度限幅滤波模块11
该模块主要完成输入信号的峰均比抑制，包含9个子模块，各子模块描述如下：
（1）过采样模块111：该模块对输入的频域信号进行插零处理，使得后续限幅处理产生的噪声被扩展到较宽的频带范围内，可以提高信噪比。
（2）IFFT模块112：该模块完成信号频域到时域的转换。
（3）限幅门限设定模块113：该模块完成对限幅门限的设定，限幅门限值由限幅率和IFFT后的时域信号的平均功率的均方根值来决定。
（4）笛卡尔坐标至极坐标转换模块114：该模块完成I/Q路数据到幅度/相位的转换。
（5）数据缓存模块115：该模块完成一帧数据符号幅度/相位的缓存。
（6）幅度修正模块116：该模块完成由设定的限幅门限对数据幅度进行修正，相位保持不变。深度限幅函数如图2所示，输入信号幅度小于门限值A保持不变，对那些幅度相对门限值较大的采样点进行深度限幅，深度限幅函数对超过限幅门限值的信号执行与幅度线性正相关的限幅处理。超过门限值之后，幅度越大则限幅越多，相应地，极大降低了峰均比。不过与此同时，会带来误码率的提升，这一点，通过后续的星座扩展模块进行处理。
（7）极坐标至笛卡尔坐标转换模块117：该模块完成幅度/相位到I/Q路数据的转换。
（8）FFT模块118：该模块完成信号时域到频域的转换。
（9）滤波模块119：该模块采用频域滤波法，将深度限幅后的频域信号中原先过采样插零点的值强制变成零，其余点的值保持不变。
2、星座扩展处理模块12
该模块主要完成对接收端误码率性能的改善，包含3个子模块，各子模块描述如下：
（1）降采样模块121：该模块将深度限幅滤波模块11中原先过采样插零的部分进行去除。
（2）16QAM星座点修正模块122：该模块完成对降采样后的频域信号进行修正，一方面改变信号的幅度和相位，避免载波调制后相位一致，避免信号峰值的出现，降低了信号的PAPR值；另一方面，增加星座点之间的汉明距离，降低了接收端的误码率。16QAM星座图上的星座点可以分为内部点、角落点和侧边点三种共计4个角落点、4个内部点和8个侧边点；频域信号根据落在16QAM星座图上的位置，执行修正处理：
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵内，且距离最近的星座点为内部点，则执行频域信号不变的处理；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵内，且距离最近的星座点为侧边点，则修正至该侧边点所在的矩阵的侧边；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵外，且位于星座点在虚实坐标轴上投影形成的十字型边界内，则修正至距离最近的十字型边界上；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵外，且位于星座点在虚实坐标轴上投影形成的十字型边界外，则执行频域信号不变的处理。
根据以上原理，假设在原始星座图中待发送的频域数据
（
为
的第
个元素）的载波位置位于点
处，属于角落点，如果频域信号
落在点
处，则修正实部将
修正为
，保持虚部不变；如果频域信号
落在
点，则修正虚部将
修正为
，保持实部不变；如果频域信号
落在
点处，则同时修正实部和虚部将
修正为
；如果频域信号
落在
点处，由于
点落在可扩展区域内，因此不需要进行修正。假设在原始星座图中待发送的频域数据
（
为
的第
个元素）的载波位置位于点
处，属于侧边点，如果频域信号
落在点
处，则修正实部将
修正为
，保持虚部不变。假设在原始星座图中待发送的频域数据
（
为
的第
个元素）的载波位置位于点
处，属于侧边点，如果频域信号
落在
点，则修正虚部将
修正为
，保持实部不变。假设在原始星座图中待发送的频域数据
（
为
的第
个元素）的载波位置位于点
处，属于内部点，保持不变。
（3）IFFT模块123：该模块完成信号频域到时域的转换。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制方法及抑制器，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制方法，其特征在于：对频域信号先进行过采样处理，然后经过IFFT处理转换到时域后，根据限幅门限值对时域信号按深度限幅函数对幅度进行修正，然后信号经过FFT处理转换到频域后进行滤波，将带外噪声进行滤除后进行降采样，接着进行星座扩展处理，对限幅滤波处理后的频域信号进行修正，最后再经过IFFT处理转换成时域信号；
所述深度限幅函数对超过限幅门限的信号执行与幅度正相关的限幅处理；
所述星座扩展处理采用16QAM星座点修正的处理方式。
2.根据权利要求1所述的基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制方法，其特征在于：对时域信号按深度限幅函数对幅度进行修正的步骤在极坐标下完成。
3.根据权利要求1所述的基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制方法，其特征在于：所述深度限幅函数对超过限幅门限值的信号执行与幅度线性正相关的限幅处理。
4.根据权利要求1所述的基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制方法，其特征在于：所述限幅门限值由限幅率和IFFT处理后的时域信号的平均功率的均方根值确定。
5.根据权利要求1所述的基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制方法，其特征在于：所述16QAM星座点修正的处理方式基于16QAM星座图，所述16QAM星座图包括在虚实坐标轴上呈矩阵对称排布的16个星座点，共计4个角落点、4个内部点和8个侧边点；频域信号根据落在16QAM星座图上的位置，执行修正处理：
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵内，且距离最近的星座点为内部点，则执行频域信号不变的处理；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵内，且距离最近的星座点为侧边点，则修正至该侧边点所在的矩阵的侧边；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵外，且位于星座点在虚实坐标轴上投影形成的十字型边界内，则修正至距离最近的十字型边界上；
如果频域信号位于16QAM星座图构成的矩阵外，且位于星座点在虚实坐标轴上投影形成的十字型边界外，则执行频域信号不变的处理。
6.一种基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制器，其特征在于，包括：深度限幅滤波模块和星座扩展处理模块；
所述深度限幅滤波模块包括：过采样模块、第一IFFT模块、限幅门限设定模块、笛卡尔坐标至极坐标转换模块、数据缓存模块、幅度修正模块、极坐标至笛卡尔坐标转换模块、FFT模块和滤波模块；
所述星座扩展处理模块包括：降采样模块、16QAM星座点修正模块和第二IFFT模块；
所述幅度修正模块对超过限幅门限的信号执行与幅度正相关的限幅处理。
7.根据权利要求6所述的基于深度限幅联合星座扩展的OFDM峰均比抑制器，其特征在于：所述16QAM星座点修正模块基于16QAM星座图，所述16QAM星座图包括在虚实坐标轴上呈矩阵对称排布的16个星座点，共计4个角落点、4个内部点和8个侧边点；频域信号根据落在16QAM星座图上的位置，执行修正处理：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201229 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |