CN112543161A - 一种降低中压载波信号峰均比的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种降低中压载波信号峰均比的方法，在发射端包括：步骤A1、获得子载波的初始相位；步骤A2、获得子载波叠加后的发送波形；步骤A3、选择将相位旋转矩阵中的一组旋转向量添加到子载波的正弦角度上，并计算峰均比，取峰均比最小的一组，选取使用该组旋转向量得到的波形发送；相位旋转矩阵中各组旋转向量中含有的奇数倍π/4的个数不同。本发明在发射端，通过相位旋转矩阵使大多数的高峰均比波形变为低峰均比波形，并且该相位旋转矩阵中的旋转相位组自身携带有编号信息，传输过程中不需要添加额外的边带信息，不占用带宽，不会降低通信速率，且对波形没有任何改变，不会损失通信数据质量。
Description
技术领域
本发明属于多载波通信领域，特别涉及多载波OFDM中降低峰均比的方法。
背景技术
当使用正交相移键控数字调制方式的多载波通信时,会出现峰均比较高的情况，峰均比高会使接收设备出现钳位现象，导致数据的畸变和信息的缺失。峰均比是多载波通信固有问题之一，也一直是学术界研究的热点。目前已提出多种降低OFDM信号峰均比值的技术，如:限幅类技术、编码类技术和概率类技术。
限幅类技术直接对信号的超限峰值进行剪切操作，该技术最直接、最简单，但会带来带内噪声和带外干扰，从而降低系统的误比特率性能和频谱效率。
编码类技术利用编码将原来的信息码字映射到一个具有较低峰均比值的传输码集上，从而避开了那些会出现信号峰值的码字。编码类技术的编解码比较麻烦，且由于在原有码字中引进了信息比特，从而降低了信息速率，故只适用于子载波数较少的情况。
概率类技术着眼于降低信号峰值出现的概率，这类技术的信息冗余度很小，只需发送很少比特的额外信息。重庆邮电大学学报，2014年第26卷第1期公开一种降低OFDM系统峰均比的循环反馈SLM方法，作者为李英善，段燕辉，以及河海大学常州分校学报，2007第21卷第1期公开了改进SLM算法降低OFDM系统峰均比的研究，作者为张理华，康桂华。以上为基于选择映射的方法即概率类技术来降低峰均比，但是都需要在通信中添加边带信息，边带信息传输中需要占用带宽，极大降低通信效率。
发明内容
本发明针对现有采用概率技术降低OFDM信号峰均比存在边带信息传输占用带宽，通信效率低的问题，提出一种降低中压载波信号峰均比的方法，采用如下技术方案予以实现：
一种降低中压载波信号峰均比的方法，发射端包括：
步骤A1、获得子载波的初始相位；
步骤A2、获得子载波叠加后的发送波形；
步骤A3、选择将相位旋转矩阵中的一组旋转向量添加到子载波的正弦角度上，并计算峰均比，取峰均比最小的一组，选取使用该组旋转向量得到的波形发送；所述相位旋转矩阵中各组旋转向量中含有的奇数倍π/4的个数不同。
进一步地，接收端包括：
步骤B1、对收到波形进行解调；
步骤B2、判定使用的旋转向量；
步骤B3、还原发送波形的初始相位，获得传输数据。
进一步地，所述相位旋转矩阵中的元素为如下：
0,π/4,2π/4,3π/4,4π/4,5π/4,6π/4,7π/4的组合。
进一步地，所述A3步骤前包括如下步骤：比较发送波形的峰均比和阈值的大小，当发送波形的峰均比大于阈值时，执行步骤A3，否则直接发送。
进一步地，所述B2步骤中，根据落在x轴、y轴及π/4奇数倍轴上子载波数目来判定使用的旋转向量。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明在发射端，通过相位旋转矩阵使大多数的高峰均比波形变为低峰均比波形，并且该相位旋转矩阵中的旋转相位组自身携带有编号信息，不需要巨大的相位旋转矩阵，只需要几个即可，极大减小了发送端的计算量，另外旋转相位本身携带边带信息，传输过程中不需要添加额外的边带信息，不占用带宽，不会降低通信速率，且对波形没有任何改变，不会损失通信数据质量。在接收端，解码后对其解码相位进行判断，可以得到使用的哪一组向量，然后将解码后的相位减去该组的相位，就可以得到原始子载波的相位，从而得到原始数据信息。
附图说明
图1为本发明实施例一原始子载波波形图；
图2为本发明实施例一原始发送信号波形；
图3为本发明实施例一旋转后子载波波形图；
图4为本发明实施例一旋转后发送信号波形；
图5为本发明实施例一矩阵中各行相加后的相位变化示意图；
图6为本发明实施例一中旋转后的落点示意图；
图7为本发明实施例二QPSK调制落点示意图；
图8为本发明实施例二旋转后的落点示意图；
图9为本发明实施例二原始信号的峰均比图；
图10为本发明实施例二经过旋转后的峰均比图；
图11为本发明实施例一方法流程示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
参考图11，本实施例提出一种降低中压载波信号峰均比的方法。
在发射端，获得子载波的初始相位，并进行子载波的叠加，获得叠加后的发送波形；计算发送数据的峰均比；将相位旋转矩阵中的一行添加到子载波正弦角度上，并再次计算峰均比，将相位旋转矩阵中的每一行都带入到波形的计算公式中，得到m组波形，保存每一组的峰均比计算结果，进行对比，取峰均比最小的一组，选取使用该组旋转向量得到的波形。
在接收端，收到信号以后进行解调，解调后判断落在x轴、y轴及π/4奇数倍轴上子载波数目来判定使用的哪个旋转向量，还原发送波形的初始相位，获得传输数据。
具体实例如下：
对于多载波通信中，发射端每个子载波的波形格式为yi＝sin(2*π*fi*t+θi)，其中i是子载波的编号，θi是第i个子载波的相位信息。对于QPSK调制解调中，θi主要有四种相位分别是0、π/2、π、3π/2，以20个子载波举例，当发送码元为[00,00,00…00]时，发送信号的相位信息为[0,0,0…0]，此时，子载波的时域波形如图1所示，叠加后的发送波形如图2。
由于每一个子载波的初始相位是一致的，所以图2中波形的起伏很大，根据峰均比的计算公式Papr＝10lg(max(|y|2)/E(|y|2))，可以计算出该波形的峰均比为16.0dB。峰均比过大时，会使信号中值较大的部分出现钳位现象，丢失传输信息，而波形值较小的部分则容易淹没在噪声中。
对于不符合发送条件的数据，需要将相位进行旋转，这里需要用到一个提前构建好的相位旋转矩阵Z，其中i为子载波数目，m为可供旋转相位的个数。
Z中的元素为0,π/4,2π/4,3π/4,4π/4,5π/4,6π/4,7π/4的组合，当波形不符合发送条件时，提取Z中的第一行元素，加入到初始相位中，则发送的子载波函数变为yi＝sin(2*π*fi*t+θi+zi,1)，这样就可以重新得到一个新的波形组合，假设得到的波形组合为图3，组合波形为图4。
经过计算新波形的峰均比为8.5dB，将每一行的旋转向量都带入方程计算，使用峰均比最小的一组。由Z中的元素选取可以看出，该种方法相当于将QPSK调制映射到8PSK调制中，将坐标轴上的数字映射分散到了y＝x和y＝-x两条直线上。通过落在斜轴上的坐标点数来区别不同的旋转向量。
在构建Z矩阵时，需要对矩阵进行设计，使每一组旋转向量中奇数倍π/4的个数是不同的，例：
对于4个子载波的传输系统，Z中包含有四组旋转向量，其中第一组中π/4的倍数为奇数的个元素个数为0个，第二组中π/4的倍数为奇数的个元素个数为1个，第三组中π/4的倍数为奇数的个元素个数为2个,第四组中π/4的倍数为奇数的个元素个数为3个。
原始相位，例
只会落在x、y轴上，当将初始相位带入到旋转矩阵中时，会得到如下新的相位矩阵：
变换关系如图5所示，这样由原先的1个波形变为4个波形，就可以通过计算出4个波形中峰均比最小的一个波形进行发送。
当信号到达接收端时，对信号进行解码，由于噪声的存在，信号的相位信息可能存在偏差，可能得到的星座图如图6所示，在发射端，将QPSK映射为8PSK，在接收端也需要使用8PSK的判断方法对结果进行判断。在图6情况下，也可以将其判断为π/4的倍数为奇数，从图中可以看出，原先处于π/4的点由于噪声原因偏移了原始点位，但判决的是一个范围，这样通过判断出有多少个处于奇数位的点，来确定选取的哪个旋转向量。本实施例在π/8到3π/8的区间点，可以判断为π/4的倍数为奇数。
本实施例中，当有0个相位落在π/4奇数倍轴上时，则可得到使用的旋转向量是矩阵中的第一行，当有1个相位落在π/4奇数倍轴上时，则可得到使用的旋转向量是矩阵中的第二行，当有2个相位落在π/4奇数倍轴上时，则可得到使用的旋转向量是矩阵中的第三行，当有3个相位落在π/4奇数倍轴上时，则可得到使用的旋转向量是矩阵中的第四行，以此类推。
本实施例设计的相位旋转矩阵本身携带边带信息，即用奇数个π/4的个数来表示所使用的旋转向量的编号，发送端传输过程中不需要添加额外的边带信息，不占用带宽，不会降低通信速率，且对波形没有任何改变。接收端只需要稍作判断就可以知道使用的是哪个旋转向量。然后将解码后的相位减去该组的相位，就可以得到原始子载波的相位，从而得到原始数据信息。
实施例二、与实施例一的不同之处在于，本实施例针对的是20个子载波的情况，在构建Z矩阵时，使每一组旋转向量中奇数倍π/4的个数是不同的，如：
Z中包含有三组旋转向量，其中第一组中π/4的倍数为奇数的个元素个数为8个，其中第二组中π/4的倍数为奇数的个元素个数为9个，其中第三组中π/4的倍数为奇数的个元素个数为11个。以每组向量奇数个π/4的个数来标记发送端使用的哪组向量，这样不需要传输冗余信息，可减少带宽损耗。
原始相位，例
只会落在x、y轴上，如图7所示，当使用了旋转矩阵时，有奇数倍π/4的旋转向量会使码元落在斜轴轴上，如图8所示。
在接收端，首先对接收信号进行解码，确定在斜轴上的载波个数，如图例中所示即为区别8、9、11，这样就可以确定出使用的哪一组旋转向量，若解码后全部落在x、y轴上，则表明没有使用旋转向量。
本实施例对旋转向量进行特殊编码，作为接收端的识别方法，可有效的判断所选择的旋转向量的编号，当判断完成后，使用解码后的各子载波相位减去选取的旋转相位即可得到初始信号的相位，从而解码原始信息。
图9和10为使用该方法峰均比的的抑制效果，图中可以看出，经过旋转后的峰均比的均值为8.2dB，而未旋转的峰均比的均值为9.4dB，提高了1.2dB。
实施例三
与实施例一、二的不同之处在于，本实施例只含有发射端，在发射端包括获得子载波的初始相位的步骤；获得子载波叠加后的发送波形的步骤；以及如下步骤：选择将相位旋转矩阵中的一组旋转向量添加到子载波的正弦角度上，并计算峰均比，取峰均比最小的一组，选取使用该组旋转向量得到的波形发送；相位旋转矩阵中各组旋转向量中含有的奇数倍π/4的个数不同。
实施例四
与实施例三的不同之处在于，本实施例在添加相位旋转矩阵前，包括一个比较步骤，比较发送波形的峰均比和事先设定阈值的大小，当发送波形的峰均比大于阈值时，执行添加相位旋转矩阵步骤，否则直接发送。
实施例五
与以上实施例的不同之处在于，本实施例相位旋转矩阵组数为4-6组，如此在数据传输时，不需使用额外的子载波传输所使用的旋转矩阵的编号，减小计算量，降低发射端的压力增大。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种降低中压载波信号峰均比的方法，其特征在于，发射端包括：
步骤A1、获得子载波的初始相位；
步骤A2、获得子载波叠加后的发送波形；
步骤A3、选择将相位旋转矩阵中的一组旋转向量添加到子载波的正弦角度上，并计算峰均比，取峰均比最小的一组，选取使用该组旋转向量得到的波形发送；所述相位旋转矩阵中各组旋转向量中含有的奇数倍π/4的个数不同。
2.根据权利要求1所述的降低中压载波信号峰均比的方法，其特征在于，接收端包括：
步骤B1、对收到波形进行解调；
步骤B2、判定使用的旋转向量；
步骤B3、还原发送波形的初始相位，获得传输数据。
3.根据权利要求1所述的降低中压载波信号峰均比的方法，其特征在于，所述相位旋转矩阵中的元素为0,π/4,2π/4,3π/4,4π/4,5π/4,6π/4,7π/4的组合。
4.根据权利要求1所述的降低中压载波信号峰均比的方法，其特征在于，所述A3步骤前包括如下步骤：比较发送波形的峰均比和阈值的大小，当发送波形的峰均比大于阈值时，执行步骤A3，否则直接发送。
5.根据权利要求2所述的降低中压载波信号峰均比的方法，其特征在于，所述B2步骤中，根据落在x轴、y轴及π/4奇数倍轴上子载波数目来判定使用的旋转向量。
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