CN113225290A - 一种降低fbmc-oqam系统峰均功率比的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种降低FBMC‑OQAM系统峰均功率比的方法,所述方法包括如下步骤:步骤1:预设FBMC‑OQAM所能达到的PAPR的最大值γ;步骤2:计算当前采样点的信号功率步骤3:计算确定所能达到的预设PAPR最小的b值;步骤4:计算在确定b值得前提下ω值的大小;步骤5:获得压扩与解压扩函数;步骤6:发送端将当前采样信号带入公式,输出压扩信号;接收端将当前采样点带入公式,输出解压扩信号;步骤7:重复步骤2‑6,直至全部采样点输出,结束。本发明根据FBMC‑OQAM的信号概率密度分布入手,提出一种改变原始信号概率密度分布的压扩算法,从而有效的降低FBMC‑OQAM系统的PAPR,该压扩函数只改变信号幅度,维持其相位不变,且压扩前后系统的发送功率保持不变。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术的技术领域,具体地,涉及一种降低FBMC-OQAM系统峰均功率比的方法。
背景技术
由于OFDM系统采用的矩形滤波器,其频谱具有较大的旁瓣,从而引起较大的带外泄露,进一步导致OFDM系统对频谱偏移比较敏感,难以在复杂的衰落信道中保持子载波正交,同时,由于CP的存在,在某种程度上降低了系统的频谱利用率。
由于OFDM系统的种种缺陷,因此,OFDM将不能很好适应未来通信的发展需要,针对OFDM的改进,欧洲的相关研究机构提出了一种新的多载波技术,即采用非矩形原型信号的滤波器组多载波技术,与传统OFDM系统的直接采用矩形滤波器不同,FBMC系统的滤波器采用带外泄露较小的原型滤波器函数进行处理,其设计的比较灵活,从而使得FBMC不在依赖循环前缀来维持相邻子载波的正交性,并且通过采用将实部虚部分开传输,且相隔半个周期的OQAM技术,使得FBMC的传输速率得到保证,因此,FBMC已经成为下一代通信技术物理层调整方案的有力竞争者。
与传统的多载波技术一样,FBMC也具有比较严重的较高PAPR的问题,由于FBMC采用了非矩形的原型滤波器函数,使得其相邻符号之间会存在相互交叠,尤其在拖尾比较严重的原型滤波器函数中,这种现象更加明显,并且,FBMC采用OQAM调制技术,使得原始数据的实部虚部之间也存在交叠的现象,同时,FBMC-OQAM系统中PAPR不仅只受自身的数据块的影响,相邻数据块之间也存在影响。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种降低FBMC-OQAM系统峰均功率比的方法。
根据本发明提供的一种降低FBMC-OQAM系统峰均功率比的方法,所述方法包括如下步骤:
步骤1:预设FBMC-OQAM的所能达到的PAPR的最大值γ;
步骤3:计算确定所能达到的预设PAPR最小的b值,其中ω为压扩函数、解压扩函数的参数;
步骤4:计算在确定b值得前提下ω值的大小,其中b为压扩函数、解压扩函数的参数;
步骤5:获得压扩与解压扩函数;
步骤6:发送端将当前采样信号带入公式,输出压扩信号;接收端将当前采样点带入公式,输出解压扩信号;
步骤7:重复步骤2-6,直至全部采样点输出,结束。
优选地,所述步骤2通过公式计算当前采样点的信号功率其中原始比特的方差,若为归一化星座图其恒为1,这里原型滤波器h的设计采用频谱抽样技术,子载波的数量为N,K=λN,其中λ为过采样系数,当λ≥4时,采样后的信号的PAPR可以非常的接近连续信号的PAPR,本文采用λ=4;
优选地,所述FBMC-OQAM系统中有M个复数输入信号数据块需要通过N个子载波传输:
其中,(·)T定义为矩阵的转置运算。
优选地,所述M个复数原始信号块分成2M个实数信号块经过OQAM处理后分开传输,映射规则为:
将处理完的信号发送至综合滤波器组,经过正交处理后得到最终的FBMC-OQAM信号:
其中h(t)为原型滤波器,mod(m,2)表示m除以2的余数,Sm(t)表示第m个数据块上的发送信号。
优选地,所述原型滤波器的设计采用频谱抽样技术,子载波的数量为N,重叠因子为k,滚降因子为α,在未经过上采样时,滤波器的长度L=kN-1,则:
则滤波器的脉冲响应设计如下:
其中A为标准化常量,且k=4,
优选地,所述复数信号通过采样后的原型滤波器h[n]得到:
其中,h[n]是由连续原型滤波器h(t)经过采样后得到的离散滤波器:
Lh表示h[n]的长度,且Lh=λkN-1,其中λ是采样系数,k是重叠因子,N是子载波的个数。
优选地,所述FBMC-OQAM信号的长度为LF:
优选地,所述FBMC-OQAM的发送信号S[n]为:
优选地,所述信道是无失真信道,所述接收信号r[n]等于发送信号S[n],第m个数据块上第k路信号经过解调后得到:
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
本发明根据FBMC-OQAM的信号概率密度分布入手,提出一种改变原始信号概率密度分布的压扩算法,从而有效的降低FBMC-OQAM系统的PAPR,该压扩函数只改变信号幅度,维持其相位不变,且压扩前后系统的发送功率保持不变。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明连续FBMC-OQAM系统发送端框图;
图2为本发明FBMC-OQAM信号结构图;
图3为本发明FBMC-OQAM信号图形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
假设在FBMC-OQAM系统中,有M个复数输入信号数据块需要通过N个子载波传输:
其中,(·)T定义为矩阵的转置运算。
FBMC-OQAM技术虽然仍然是多载波技术,但是其跟传统的OFDM技术差别很大。FBMC-OQAM技术在时域上将复数信号分成实部和虚部分开传输,并且实部与虚部相差半个周期。通过设计恰当的发送滤波器,同时在接收端使用匹配的滤波器,能在广义上令FBMC-OQAM各个子载波之间保持正交,从而在接收端能正确的恢复出原始发送信号。图1为FBMC-OQAM系统发送端的原理框图。
FBMC-OQAM系统的周期为T,首先会将复数信号分成实部和虚部分开传输,且实部信号与虚部信号之间传输时在时域上相差T/2,这种处理发生在每两个相邻的子载波之间。
因此可以将M个复数原始信号块分成2M个实数信号块经过OQAM处理后分开传输,其映射规则为:
然后将处理完的信号发送至综合滤波器组,经过正交处理后得到最终的FBMC-OQAM信号:
其中h(t)为原型滤波器,mod(m,2)表示m除以2的余数。Sm(t)表示第m个数据块上的发送信号。
这里原型滤波器的设计采用频谱抽样技术,子载波的数量为N,重叠因子为k,滚降因子为α,在未经过上采样时,滤波器的长度L=kN-1,则:
则滤波器的脉冲响应设计如下:
其中A为标准化常量,且k=4;
显然,FBMC-OQAM的原型滤波器的脉冲响应的长度大于T,且输入信号的实部与虚部之间还有T/2的时延,故FBMC-OQAM的相邻数据块是重叠的,相邻之间的数据块会相互影响其的峰均值大小的。FBMC-OQAM信号结构如图2所示。
目前已有的降低PAPR的方法只适用于离散信号,为了更加的逼近真实的信号,FBMC-OQAM信号S(t)采用T/K的采样率进行采样,其中K=λN,其中λ为过采样系数,当λ≥4时,采样后的信号的PAPR可以非常的接近连续信号的PAPR。本文采用λ=4。
于是,复信号通过采样后的原型滤波器h[n]即可得到:
即:
则FBMC-OQAM信号的长度为LF,即:
最终发送的FBMC-OQAM信号S[n]为:
如果信道是无失真信道,则接受信号r[n]等于发送信号S[n]。第m个数据块上第k路信号经过解调后可以得到:
本专利提出一种本文设计一种压扩函数的方法来降低FBMC-OQAM系统的PAPR,该压扩函数只改变信号幅度,维持其相位不变,且压扩前后系统的发送功率保持不变。压扩函数如下:
式中,公式(13)为压扩函数,公式(14)为解压扩函数。
γ为PAPR给定的门限,即满足:
P(PAPR≥γ)=10-3 (19)
可以证明,信号S[n]属于正态分布,|s[n]|属于瑞利分布。经过压扩系统c(x)后输出|Sc[n]|的概率密度分布函数为:
可以证明,压扩前后系统的发送功率保持不变,即满足:
可以证明,压扩前后系统的相位保持不变,即满足:
可以发现,本专利核心原理在于改善压扩后信号概率密度分布函数,且只改变信号幅度,维持其相位不变,维持压扩前后功率不变。
综上所述,本专利的算法步骤如下:
步骤1:预设FBMC-OQAM的所能达到的PAPR的最大值γ;
步骤3:通过公式(15)计算确定所能达到的预设PAPR最小的b值;
步骤4:通过公式(16)计算在确定b值的前提下ω值得大小;
步骤5:通过公式(13)、公式(14)获得压扩与解压扩函数;
步骤6:对于发送端,将当前采样点信号带入公式(13)输出压扩信号;对于接收端,将当前采样点带入公式(14)输出解压扩信号;
步骤7:重复步骤2-6,直至全部采样点输出,结束本算法。
本发明根据FBMC-OQAM的信号概率密度分布入手,提出一种改变原始信号概率密度分布的压扩算法,从而有效的降低FBMC-OQAM系统的PAPR,该压扩函数只改变信号幅度,维持其相位不变,且压扩前后系统的发送功率保持不变。
本领域技术人员知道,除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外,完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以,本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件,而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构;也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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