CN1152493C - 正交频分复用通信系统的峰平比抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种正交频分复用通信系统的峰平比抑制方法，首先将OFDM调制的子载波基带信号送入预测器，计算出基带信号点的幅值，对OFDM通信系统上采样后的点的峰值进行预测，根据预测的结果判断削波操作中需要减少的信号功率值，再根据这些参数对基带信号进行削波操作，削波之后的信号送至上采样和成型滤波单元，然后通过模拟正交调制达到射频端，完成OFDM通信系统的发送工作。本发明的方法实现容易，成本较低，对信号的损害比较小，可以用于单载波、多载波OFDM通信系统，也可以应用于无线局域网以及高清晰数字电视广播中。

Description

正交频分复用通信系统的峰平比抑制方法

技术领域：

本发明涉及一种正交频分复用通信系统的峰平比抑制方法，是一种在通信系统中抑制信号峰值功率、降低峰平比的方法，属于数字通信技术领域。

背景技术：

正交频分复用调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种信道利用率很高的调制方式，具有良好的抗衰落能力，并可以实现数据的并行传送。随着数字信号处理技术的飞速发展及大规模集成电路的广泛应用，OFDM日益受到广泛的关注，尤其是在高速数字通信领域。

在OFDM通信系统中，使用在频率上具有同步关系的多个载波来调制信号，由于各载波的包络值统计独立，随着载波数的增加，叠加后信号的峰值功率与平均功率的比值，即峰平比(peak-to-average power ratio，PAPR)的数值较大。因此，调制信号的动态范围相当大，这就要求系统中的功放具有较高的线性放大范围，以避免传输信号的频谱扩散和非线性失真，同时也要求后继的D/A转换器具有较大的转换宽度，这样就增加了系统成本和实现难度。

目前，降低OFDM通信系统信号峰平比一般有如下几种方法：直接削波、加窗、部分传输序列等。直接削波即把高于门限的峰值功率直接削去，它是最简单实用的方法，但是它给系统引入了新的噪声，并且对频谱特性的影响较大，使带外扩散严重，影响相邻信道的信号。加窗的方法用一个窗函数对信号峰值功率进行限制，为了保证效果，需要在上采样以后的较高速率下对信号进行处理，因此实现起来比较困难，而且它也会影响信号的频谱特性，这一方法由Richard van和Arnout de Wild在文Reducing the Peak-to-Average Power Ratioof OFDM(IEEE VTC’98)中提出。部分传输序列的方法为，如果一组发送符号的时域信号幅度高于所要求的门限值，则通过一种收端已知的变换将这组符号进行变换，直到其时域信号幅度满足要求为止，同时以非常小的代价将变换的参数发送给对方，这种方法虽然降低峰平比的效果比较好，但是它在实现上有难度，而且在调制解调端都需要有附加模块，这种方法由Leonard J.Cimini和Nelson R.Sollenberger在文Peak-to-Averagé Power Ratio Reduction of anOFDM Signal Using Partiai Transmit Sequences(IEEE COMMUNICATIONS LETTERS，VOL.4 NO.3，MARCH 2000)中提出。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种新的适用于正交频分复用通信系统的峰平比抑制方法，可以根据对上采样后的信号峰值包络进行预测的结果对低倍速信号进行相应的处理，保证上采样和成型滤波后的信号具有较低的峰平比，并且实现容易、成本较低，可以把对信号的损害程度减到最小。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用预测削波的方法来降低系统峰平比，首先将OFDM调制的子载波基带信号送入预测器，先计算出基带信号点的幅值，对OFDM通信系统上采样后的点的峰值进行预测，根据预测的结果判断削波操作中需要减少的信号功率值，再根据这些参数对基带信号进行削波操作，削波之后的信号送至上采样和成型滤波单元，然后通过模拟正交调制达到射频端，完成OFDM通信系统的发送工作。本发明的具体操作按如下步骤进行：

1、对上采样后的点的峰值进行预测。

预测削波的方法首先需要对OFDM通信系统上采样后的点的峰值进行预测，具体做法为，将调制以后的基带信号送入预测单元，当OFDM系统上采率为n时，将输入的每两个相邻信号点中插入(n-1)个零点，然后把信号幅值与成型滤波器的系数进行短卷积，即对每一个信号点的计算只计及当前信号点之前的i个一倍速信号点与之后的j个一倍速信号点对当前点的影响，这样得到的结果即为该点对应的上采样后信号点的预测值M。之所以能够用这种方法进行预测，是因为上采样和成型滤波一起，可以等效为一定阶数的FIR滤波器，FIR的最终输出结果可以看作输入序列中单个数据的单位冲击响应的线性加和。一倍速输入基带幅值数据形成各自的冲击响应，上采样后的输出点实际是相邻的众多一倍速点的冲击响应的线性加权，因此我们可以通过相邻的几个低倍速点的幅值，以较高的精度预测出高倍速点的幅值。上面提到的i和j为参与预测的一倍速上当前点之前和之后点的个数。显然，增大i和j会提高预测的精度，但将增加预测算法的复杂程度，这取决于系统实现的精度要求，一般取i＝j＝5。FIR滤波器的系数按照45阶根升余弦滤波器计算得到并且保存下来，实现过程中直接调用。

2、判断在削波操作中需要减少的信号功率值

经过预测后，需要根据预测的结果判断后面将要进行的削波操作的参数，即在削波操作中需要减少的信号功率值，具体做法为，预测出四倍速上点A1的幅值M后，根据预先定好的门限值Th，对M的值进行判断，如果它大于Th，则对其相邻点进行削波操作，反之则不做任何处理。在削波操作中，A1的幅度需要被削去M-Th，即削波后与削波前A1幅度的比值为：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{Th}}{M}$

这样就得到了削波操作中需要减少的信号功率比值η，即削波操作中将把A1前后若干相邻点的幅度乘以系数η，具体点数多少根据系统实现中的精度要求决定，一般取前1点后2点。

3、根据预测的结果对基带信号进行削波操作。

在前面两步操作中得到需要进行削波操作的点以及需要降低的信号功率比率后，要根据这些参数对基带信号进行削波操作，由于预测过程中出现的都是信号的幅值量，但在削波操作时面对的是I、Q路的数据，因此要把削波操作过程映射到I、Q路上去。

对I、Q两路信号进行处理的方法为，把I、Q两路相应的数值按比例减小，也就是乘以系数η，这样实现起来比较简单，也可以保证I、Q两路的合成矢量相角不变。具体操作中，得到需要进行削波操作的一倍速点后，要将这些信号点的I、Q路数值都同步乘以η值。

4、经过预测削波处理后的信号送至上采样和成型滤波

经过预测削波处理后的信号，在上采样和成型滤波之后的峰平比基本能够达到要求，而且在操作过程中可以根据需要更改门限值，可以确保降低峰平比的效果达到系统设计的目标。进行预测削波之后的信号将送至上采样和成型滤波单元，然后通过模拟正交调制达到射频端，从而完成OFDM通信系统的发送工作。

以上是单载波OFDM通信系统中预测削波降低峰平比的方法，当OFDM通信系统为多载波时，这一方法也可应用。多载波系统中，不同载波信号的相位不尽相同，因此合路后的传输信号是各载波信号的矢量合成，如果要将合路后信号的峰值由M降低为Th，由几何相似的关系，各载波的信号矢量只要在原相位情况下幅值变为原来的 $\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{Th}}{M}$ 倍，就可以达到精确降低系统峰平比的目的，并且合路后的信号相位不变。

本发明在OFDM调制过程的上采样以及成型滤波器之前的低倍速阶段对上采样后的信号峰值包络进行预测，然后根据预测的结果对低倍速信号进行相应的处理，从而保证上采样和成型滤波后的信号具有较低的峰平比。这一方法实施于成型滤波器之前，因此对调制后信号的频谱性能几乎没有影响；而且由于是在低倍速上进行处理，因此实现起来的难度和成本也比较低；同时由于相关的处理是在对成型滤波后的信号包络进行较精确的预测后进行的，因此可以把对信号的损害程度减到最小。

经过在OFDM通信系统链路仿真中加入预测削波单元进行验证，得到的结果显示，本发明预测削波的方法对降低系统峰平比的效果是明显的，而且对信号的损伤比较小。与直接削波的方法相比，本发明的方法对信号的损伤，尤其是对频域性能的损伤要小得多，但是效果基本相同；与加窗、部分传输序列、编码压缩等方法相比，本发明的方法不但降低峰平比的效果好，而且实现难度要低得多，因此，预测削波是降低OFDM通信系统峰平比的一个比较理想的方法。

本发明可以用于单载波OFDM通信系统、多载波OFDM通信系统，也可以应用于无线局域网如802.11系列协议实现过程中，以及在实现高清晰数字电视广播如DVB协议过程中。

附图说明：

图1为本发明预测削波方法功能框图。

如图所示，本发明先对I、Q两路基带信号求幅值，然后与滤波器的系数进行短卷积，根据得到的结果计算削波操作的参数，将参数传递到削波操作单元，分别把这一参数与I、Q两路信号相乘，然后将信号传递到上采样与成型滤波单元。

图2为本发明预测削波方法应用于单载波OFDM通信系统功能框图。

如图所示，本发明将OFDM调制所得的I、Q两路基带信号进行预测以及削波操作，得到的信号进行上采样与成型滤波，然后通过模拟正交调制送至射频端。

图3为本发明预测削波方法应用于多载波(以两载波为例)OFDM通信系统功能框图。

如图所示，本发明先将每一个载波的基带信号都送入预测器，预测各个载波在高倍速上叠加后的峰值功率，根据结果进行相应的参数计算，然后把得到的参数与各路载波的基带信号分别相乘，经过以上处理的各个载波的信号分别进行上采样与成型滤波，然后通过模拟正交调制送至射频端。

具体实施方式：

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。实施例为应用了本发明的无线局域网802.11a协议系统。这一系统采用了16QAM的调制方式，基带信号上3倍速采样，成型滤波器为45阶根升余弦滤波器，滤波器冲击响应峰值为8192，预测削波中的门限值Th定为1700。为了评价预测削波对信号的损伤程度，把工程上常用的矢量误差平均值，即EVM(Error Vector Mean)作为测评标准。本发明应用于802.11a协议系统的具体步骤为：

1、对上采样后的点的峰值进行预测。

将输入的每两个相邻信号点中插入2个零点，然后把信号幅值与成型滤波器的系数进行短卷积，即对每一个信号点的计算只计及当前信号点之前的5个一倍速信号点与之后的5个一倍速信号点对当前点的影响，这样得到了该点对应的上采样后信号点的预测值M。

2、判断在削波操作中需要减少的信号功率值

预测出3倍速上点A1的幅值M后，根据预先定好的门限值Th＝1700，对M的值进行判断，如果它大于1700，则对其相邻点进行削波操作，反之则不做任何处理。在削波操作中，A1的幅度需要被削去M-1700，即削波后与削波前A1幅度的比值为：

$\mathrm{\η}=\frac{1700}{M}$

这样就得到了削波操作中需要减少的信号功率比值η，在削波操作中，将A1前面1个点和后面2个点的幅度乘以系数η。

3、根据预测的结果对基带信号进行削波操作。

得到需要进行削波操作的1倍速点后，将这些信号点的I、Q路数值都同步乘以η值，从而完成削波操作。

4、经过预测削波处理后的信号送至上采样和成型滤波

进行预测削波之后的信号送至上采样和成型滤波单元，然后通过模拟正交调制达到射频端，从而完成OFDM通信系统的发送工作。

未进行预测削波时，802.11a无线局域网系统的峰平比为10dB左右，经过上述预测削波操作后，系统峰平比降至7dB，同时系统的EVM值为-22.6，802.11a协议中规定最高EVM值为-19，考虑到为后面射频等模块留出余量为3，即EVM值要低于-22，因此，在应用了本发明后，在保证系统性能的前提下，降低峰平比达到3dB，取得了很好的效果。

Claims (4)

1、一种正交频分复用通信系统的峰平比抑制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在上采样以及成型滤波器之前的低倍速阶段，对上采样后的信号峰值包络进行预测，将调制以后的基带信号送入预测单元，把信号幅值与成型滤波器的系数进行短卷积，即对每一个信号点的计算只计及当前信号点之前的i个一倍速信号点与之后的j个一倍速信号点对当前点的影响，得到该点对应的上采样后信号点的预测值M；

2)若预测值M大于预先定好的门限值Th，则对其相邻点进行削波操作，削波操作中需要减少的信号功率比值为η＝Th/M；

3)根据对幅值的削波要求，将信号点的I、Q两路相应的数值乘以系数η，保证I、Q两路的合成矢量相角不变；

4)将经过预测削波处理后的信号送至上采样和成型滤波单元，然后通过模拟正交调制达到射频端，完成OFDM通信系统的发送工作。

2、如权利要求1所说的正交频分复用通信系统的峰平比抑制方法，其特征在于预测中所取的信号点i＝5，j＝5。

3、如权利要求1所说的正交频分复用通信系统的峰平比抑制方法的应用，其特征在于用于单载波或多载波OFDM通信系统中。

4、如权利要求1所说的正交频分复用通信系统的峰平比抑制方法的应用，其特征在于用于无线局域网802.11系列协议或实现高清晰数字电视广播DVB协议过程中。