CN112291174A - 一种应用于中压载波通信的峰均比抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于中压载波通信的峰均比抑制方法，首先通过子载波筛选进行预留位置的选择，预留位置可以选择信道中子载波选择性衰落比较大的子载波位置，若各子载波通信能力都较好，可进行IFFT(快速傅里叶逆变换)后直接发送；然后根据预留子载波位置进行各种相位组合下的填充，填充位置即被预留的位置；对填充后的序列进行自相关函数计算，自相关函数求和结果可以近似等价于当前码元的峰均比；第一级比较器选择自相关系数最小模块对应的频域序列组合进行后续处理发射，第二级比较器进行预留与不预留分配到各子载波的能量比较，保证落实到实际使用的各子载波能量最大。本发明大大降低计算复杂度，为子载波预留法抑制峰均比提供了可能性。

Description

一种应用于中压载波通信的峰均比抑制方法
技术领域
本发明属于电力线通信技术领域，具体涉及一种应用于中压载波通信的峰均比抑制方法。
背景技术
在电力线通信系统中，单载波技术已不能满足中压配网系统的需求。OFDM(正交频分复用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)作为一种多载波调制技术，因其频谱利用效率高，抗多径能力强等优点在电力线通信系统中被广泛应用。但是，OFDM技术存在较为难以攻克的问题，即多载波在某些排列方式下出现较高的峰均比，影响非线性功率放大器的使用范围，即使通过归一化处理达到最佳的使用范围，也会因峰均比不同，得到的各个码元的能量存在较大差异。
当前处理峰均比问题有以下几种方法，一种是预畸变的技术，这种技术虽然计算量小，无需传输边带信息，但是会引起波形的失真和非线性变化，从而对系统误码率产生影响；另一种是编码类技术，通过冗余编码选择峰均比(PAPR，Peak to Average PowerRatio)较小的码元进行传输，由于冗余，频谱利用率会降低，而且当子载波数较多时，冗余编码和解码模块实现较为复杂；还有一种是概率类技术，其中包含加扰法，矩阵变化法，子载波预留法、部分传输序列法、选择映射法，通过对数据加扰降低频域发送信号的自相关性，从而降低时域信号的峰均比，但是此类方法计算复杂度较高，甚至有些需要传输边带信息，也会占用系统带宽和修改传输协议。
发明内容
为解决上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明提出一种应用于中压载波通信的峰均比抑制方法，在子载波预留方法的基础上进行的复杂度优化处理，大大降低计算复杂度，较为简便，同时不会对系统误码率产生影响。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于自相关函数的峰均比抑制方法，本发明的技术方案为:
一种应用于中压载波通信的峰均比抑制方法包括以下步骤：
步骤1：首先通过子载波筛选进行预留位置的选择，经过子载波筛选后的频域序列可以表示为x，x＝[x1,x2,K,xn,K,xN]T，其‘T’代表转置符号，xn代表第n个子载波的频域值，N代表子载波个数，预留位置可以选择信道中子载波选择性衰落比较大的子载波位置，子载波通信能力较好时，可进行IFFT(快速傅里叶逆变换)后直接发送；
步骤2：根据预留位置进行预留子载波数目的选择，预留位置用掩码进行表示，子载波筛选后的掩码可以表示为M，M＝[m1,m2,K,mi,K,mN]T，其中mi∈{0,1}，0代表当前子载波位置是预留位置，1代表当前子载波位置是非预留位置，Index＝find(M＝＝0)，Index代表筛选掉子载波的位置，预留子载波数目可进行约束，预留子载波数目在这里用Nr表示，筛选数目用Ns表示，若子载波筛选掉的子载波数目小于预留数目，则Nr＝Ns，若子载波筛选掉的子载波数目大于预留数目，则只用前Nr个位置进行预留，即
Figure BDA0002741222950000021
步骤3：根据调制方式和预留数目生成预留位置的各种组合形式；
步骤4：将预留位置的各组合下的值赋到x对应预留位置，即Mr中为0的位置，然后根据当前所有子载波的频域序列计算自相关函数，自相关函数的计算公式为
Figure BDA0002741222950000022
其中，
Figure BDA0002741222950000023
代表自相关函数中第i种相位排列组合下k时延差的参数，
Figure BDA0002741222950000024
代表第i种相位排列组合下的频域序列，‘*’代表共轭符号，自相关函数可以采用IFFT代替，进一步降低运算复杂度，自相关系数可以表示为
Figure BDA0002741222950000025
步骤5：第一级比较器选择相关系数最小的组合，不同相位排列组合会产生不同的自相关系数，即Ψ＝[ρ1,ρ2,K,ρN]T，最小相关系数对应的索引值可以表示为
Figure BDA0002741222950000026
步骤6：根据索引序列对应的
Figure BDA0002741222950000027
序列和原始序列x，并行进行IFFT运算；第二级比较器计算两者的最大值，发送最大值较大者对应的序列。
进一步的，步骤2中预留子载波数目与总子载波数目有关，即预留子载波数目占总子载波数目的1/5时，对于峰均比的抑制效果比较好。
进一步的，步骤4中利用自相关函数代替IFFT和峰均比的计算，在保证峰均比抑制效果的同时大大降低了计算复杂度。
进一步的，本发明采用两级比较器，第一级比较器比较自相关系数最小的组合；第二级比较器采用时域最大值代替PAPR进行比较预留与不预留的发送序列的能量。
本发明的有益效果为：无需进行多组数据的IFFT操作和PAPR的计算，节省了大量的系统资源；无需进行边带信息的传输，提高了频谱利用率；只需更改发送端，减小了开发难度；通过二次比较不仅在峰均比上有所提升，在分配到各个子载波的能量上也有所改善。
附图说明
图1为本发明应用于中压载波通信的峰均比抑制方法的工作流程图；
图2为本发明应用于中压载波通信的峰均比抑制方法的自相关函数工作流程图；
图3为本发明应用于中压载波通信的峰均比抑制方法的CCDF分布对比图；
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的技术方案为:
步骤1：首先通过子载波筛选进行预留位置的选择，经过子载波筛选后的频域序列可以表示为x，x＝[x1,x2,K,xn,K,xN]T，其‘T’代表转置符号，xn代表第n个子载波的频域值，N代表子载波个数，预留位置可以选择信道中子载波选择性衰落比较大的子载波位置，子载波通信能力较好时，可进行IFFT(快速傅里叶逆变换)后直接发送；其中xn的值跟调制方式有关，若是BPSK调制，那么xn∈{1，-1}，若是QPSK调制，那么xn∈{1+1j,-1+1j,-1-1j,1-1j}，在这里只考虑BPSK和QPSK两种调制方式；
步骤2：预留位置用掩码进行表示，子载波筛选后的掩码可以表示为M，M＝[m1,m2,K,mi,K,mN]T，其中mi∈{0,1}，0代表当前子载波位置是预留位置，1代表当前子载波位置是非预留位置，Index＝find(M＝＝0)，Index代表筛选掉子载波的位置，预留数目可进行约束，在这里，通过仿真验证，预留子载波数占总子载波数的1/5时，对于峰均比的抑制效果比较好，预留数目在这里用Nr表示，筛选数目用Ns表示，若子载波筛选掉的子载波数目小于预留数目，则Nr＝Ns，若子载波筛选掉的子载波数目大于预留数目，则只用前Nr个位置进行预留，即
Figure BDA0002741222950000031
步骤3：根据调制方式和预留数目生成预留位置的各种组合形式，如BPSK调制，预留数目Nr＝4，则有24＝16种排列组合形式，从{1，1，1，1}到{-1，-1，-1，-1}；
步骤4：将预留位置的各组合下的值赋到x对应预留位置，即Mr中为0的位置，然后根据当前所有子载波的频域序列计算自相关函数，自相关函数的计算公式为
Figure BDA0002741222950000032
其中，
Figure BDA0002741222950000033
代表自相关函数中第i种相位排列组合下k时延差的参数，x(i)代表第i种相位排列组合下的频域序列，‘*’代表共轭符号，自相关函数可以采用IFFT代替，如图2所示，信号一路经过FFT，另一路经过倒序、共轭后，再进行FFT，最终两路通过点乘、IFFT后输出相关函数，此过程进一步降低了运算复杂度，自相关系数可以表示为
Figure BDA0002741222950000034
步骤5：第一级比较器选择相关系数最小的组合，不同相位排列组合会产生不同的自相关系数，即Ψ＝[ρ1,ρ2,K,ρN]T，选择最小相关系数对应的索引值，即
Figure BDA0002741222950000035
步骤6：根据索引序列对应的
Figure BDA0002741222950000036
序列和原始序列x，并行进行IFFT运算；第二级比较器计算两者的最大值，发送最大值较大者对应的序列；
峰均比的定义公式如下所示：
Figure BDA0002741222950000041
其中，s代表发送序列的时域波形，T代表发送序列的采样点数，结合帕塞瓦尔定理，从公式可以看出，发送序列各个子载波的能量是一致的，那么选择索引序列对应的
Figure BDA0002741222950000042
序列对应的时域波形和原始序列x对应的时域波形的最大值较大者进行发送即可。
假设IFFT点数为Nf，子载波数目为N，那么正常的子载波预留法的计算复杂度为
O(Nflog(Nf))+O(2Nf)＝O((2+log(Nf))Nf)
采用本发明方式的计算复杂度为
O(2N(N+1)+N)＝O(2N2+3N)
步骤2中预留子载波数目与总子载波数目有关，即预留子载波数目占总子载波数目的1/5时，对于峰均比的抑制效果比较好。
步骤4中利用自相关函数代替IFFT和峰均比的计算，在保证峰均比抑制效果的同时大大降低了计算复杂度。
本发明采用两级比较器，第一级比较器比较自相关系数最小的组合；第二级比较器采用时域最大值代替PAPR进行比较预留与不预留的发送序列的能量。
为了验证本发明的性能，通过CCDF(互补累计分布函数，ComplementaryCumulative Distribution Function)验证峰均比的分布情况，如图3所示，本发明的峰均比分布情况与正常的子载波预留法接近，但是计算复杂度要远远小于正常的子载波预留法。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于中压载波通信的峰均比抑制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：首先通过子载波筛选进行预留位置的选择，经过子载波筛选后的频域序列可以表示为x，x＝[x1,x2,K,xn,K,xN]T，其‘T’代表转置符号，xn代表第n个子载波的频域值，N代表子载波个数，预留位置可以选择信道中子载波选择性衰落比较大的子载波位置，子载波通信能力较好时，可进行IFFT(快速傅里叶逆变换)后直接发送；
步骤2：根据预留位置进行预留子载波数目的选择，预留位置用掩码进行表示，子载波筛选后的掩码可以表示为M，M＝[m1,m2,K,mi,K,mN]T，其中mi∈{0,1}，0代表当前子载波位置是预留位置，1代表当前子载波位置是非预留位置，Index＝find(M＝＝0)，Index代表筛选掉子载波的位置，预留子载波数目可进行约束，预留子载波数目在这里用Nr表示，筛选数目用Ns表示，若子载波筛选掉的子载波数目小于预留数目，则Nr＝Ns，若子载波筛选掉的子载波数目大于预留数目，则只用前Nr个位置进行预留，即
Figure FDA0002741222940000011
步骤3：根据调制方式和预留数目生成预留位置的各种组合形式；
步骤4：将预留位置的各组合下的值赋到x对应预留位置，即Mr中为0的位置，然后根据当前所有子载波的频域序列计算自相关函数，自相关函数的计算公式为
Figure FDA0002741222940000012
其中，
Figure FDA0002741222940000013
代表自相关函数中第i种相位排列组合下k时延差的参数，x(i)代表第i种相位排列组合下的频域序列，‘*’代表共轭符号，自相关函数可以采用IFFT代替，进一步降低运算复杂度，自相关系数可以表示为
Figure FDA0002741222940000014
步骤5：通过第一级比较器选择相关系数最小的组合，不同相位排列组合会产生不同的自相关系数，即Ψ＝[ρ1,ρ2,K,ρN]T，最小相关系数对应的索引值可以表示为
Figure FDA0002741222940000015
步骤6：根据索引序列对应的
Figure FDA0002741222940000016
序列和原始序列x，并行进行IFFT运算，并通过第二级比较器计算两者的最大值，发送最大值较大者对应的序列。
2.根据权利要求1所述的一种应用于中压载波通信的峰均比抑制方法，其特征在于，步骤2中预留子载波数目与总子载波数目有关，即预留子载波数目占总子载波数目的1/5时，对于峰均比的抑制效果比较好。
3.根据权利要求1所述的一种应用于中压载波通信的峰均比抑制方法，其特征在于，步骤4中利用自相关函数代替IFFT和峰均比的计算，在保证峰均比抑制效果的同时大大降低了计算复杂度。
4.根据权利要求1所述的一种应用于中压载波通信的峰均比抑制方法，其特征在于，本发明采用两级比较器，第一级比较器比较自相关系数最小的组合；第二级比较器采用时域最大值代替PAPR进行比较预留与不预留的发送序列的能量。
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