CN1154317C - Ofdm信号中波峰因素的减少 - Google Patents

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Abstract

操作无线电通信系统的一种方法将正交信号用于两个或多个站之间数据分组的传输。在发射机中利用例如DQPSK的微分相位调制技术将数据编码(204，206，208)到多个正交载波上。这些载波利用离散傅里叶逆变换(210)组合在单个信号中并在发送(218)之前限幅在预定振幅(212)上以减少发送信号的波峰因素。在每个数据分组之前随机化一个或多个载波的相位，因此不同的波峰因素将导致同一分组的重发，这保证在由于限幅引起减少的信噪比而使分组发送困难时将成功地重发。

Description

OFDM信号中波峰因素的减少
本发明涉及采用正交信号传输技术来发送数据分组的无线电通信系统。本发明也涉及用于这样的系统中的发射机、操作这样的系统的方法和在这样的系统中发送的信号。虽然本说明书描述采用正交频域多路复用(OFDM)的系统，但应明白：这样的技术同样可应用于发送正交信号的其他系统，例如码分多址(CDMA)。
也称为多载波调制(MCM)或离散多频声调制(DMT)的OFDM是用于通过并行调制几个低比特率载波而不是调制一个高比特率载波来以高速率发送数据的技术。OFDM是频谱有效的并且已表明对于高性能数字无线电链路是有效的。应用领域包括：无线异步传送模式(WATM)，用于计算机系统之间加高速短距离无线电链路；数字音频广播(DAB)，用于高质量音频信号；微波视频分配系统(MVDS)；和未来移动无线电系统，诸如全球移动电信系统(UMTS)。
射频(RF)信号传输的一个重要特征是定义为AC波形的峰值与其均方根(RMS)值的比率的波峰因素。在OFDM系统中，由于每个载波上的信号有可能是同相的(引起是载波数量与每个载波上信号幅度的乘积的峰值)，所以波峰因素可能高，但平均来说这些相位将随机地进行分布(引起相当低的平均值)。例如，在16载波OFDM系统中，峰值功率可能是平均发送功率的16倍。
如果将这样的信号不失真地发送，需要具有好线性的高规格发射机。一般地，这样的发射机具有差的DC-RF功率转换效率，这可能导致生成过多的热量，并且如果在便携式设备中采用此发射机，这对电池寿命也具有不利影响。因此，已研究各种方案来减少波峰因素。
一种技术是避免对载波采用某些相位调制状态的组合。然而，这具有以下缺点：由于每个码元具有较少可利用的状态，所以对于给定的数据量需要发送更多的码元。这样的技术是公知的，一个示例是用于4载波OFDM系统的3/4速率方案，这将波峰因素从4减小到1.9。US-A-5636247描述这种类型的一种更复杂的技术。在应用到16载波系统时，使用13/16速率方案能获得3dB的波峰因素减少。
一种可选择的方法描述在US-A-5610908中，其中通常将许多相近隔开的载波(在这种情况下使用QPSK)进行调制并随后利用快速傅里叶逆变换(IFFT)转换到时域。然后，限制这些信号并利用快速傅里叶变换(FFT)将这些信号转换回到频域，其中可以对一些信号进行相位与幅度调整，并且随后利用IFFT将这些信号转换回到时域。自此与常规一样继续传输。给出2048载波OFDM系统的示例，对于此系统，最初具有9.38dB波峰因素的二十个随机信号的模拟表明此波峰因素能减至3.4dB。
可看出：虽然上述技术能减小波峰因素，但这些技术不能将波峰因数减到一致(与恒定包络调制相对应)。另一种可选择的减小波峰因素的公知技术为限幅，其中将基带信号限幅在恒定的电平上，因此除去了信号峰值并减小了波峰因素。限幅是一种实施简单的技术，但因为这是非线性处理，所以在其使用时要求谨慎小心。
在128载波OFDM系统中限幅的效果在1997年5月第47届IEEEVehicular Technology会议记录汇编第1634-1638页上的X Li与LJ Cimini的论文“Effects of Clipping and Filtering on thePerformance of OFDM”中进行了讨论。在此论文中表明：将限幅电平设置约为平均功率电平的1.5倍提供了波峰因素的显著减小而误码率并没有显著增加。
在现有技术中没有解决的使用限幅的问题是：对某些OFDM码元具有不利影响，而其他码元不受影响。如果在分组中发送许多不利影响的码元，接收机有可能不能解调此分组并将请求其重新发送。发送器将重复此分组并遭遇同一问题。因此，极有可能具有差错地接收某些分组。
本发明的一个目的是缓解某些分组发送非常困难的问题。
根据本发明的第一方面，提供操作无线电通信系统的一种方法，此方法包括：利用微分相位调制将数据编码到多个正交载波上；组合这些相位调制的信号；限幅所组合的信号以限制波峰因素；并在至少两个站之间发送作为数据分组的限幅信号，其特性在于，在分组发送之前随机化至少一个载波的初始相位。
根据本发明的第二方面，提供用于发送正交信号的一种发射机，包括：将数据调制到多个正交载波上的微分相位调制装置；用于组合该相位调制信号的装置；用于限制该组合信号的波峰因数的限幅装置和用于发送限幅信号的发送装置，其特征在于，提供用于在分组发送之前随机化至少一个载波的初始相位的装置。
根据本发明的第三方面，提供包括多个根据本发明制造的发射机的一种无线电通信系统。
根据本发明的第四方面，提供一种无线电信号，包括多个正交载波，利用微分相位调制将数据分组编码到这多个正交载波上，限幅此信号以限制其波峰因素，其特征在于，在数据分组开始时随机化至少一个载波的初始相位。
本发明基于现有技术中未提到的认识，即通过改变包括OFDM信号的载波的初始相位状态，码元的重复将导致不同的波峰因素。
现在利用示例参阅附图来描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的系统的方框示意图；
图2是根据本发明制造的发射机实施例的部件的框图；和
图3是根据本发明的OFDM系统中二个载波的相继相位状态的图。
图1所示的系统包括两个站102、104，每个站包含一个收发信机，在其之间具有一条双向无线电通信链路。站102、104根据特定应用领域能具有许多不同的类型。例如，在WATM系统中，第一站102可以是个人计算机，而第二站104能是打印机。或者，在UMTS系统中，第一站102可以是蜂窝电话机，而第二站104能是蜂窝基站。
图2所示的发射机部件与输入比特流202的编码及其调制发送有关。所示的所有方框的操作参数由控制器(未示出)进行控制。比特流202包括将要发送、通过媒体存取控制(MAC)层的数据。此数据首先传送给编码方框(ENC)204，以合适的用于传输的调制方案的形式(例如，使用微分四相移相键控(DQPSK)时的二个比特码元)生成所要求的码元流。
数字复用器(INT)206提取此输入码元流并将每个码元输出到其并行输出线路之中相应的一条线路上。每条输出线路对应于用于传输的一个OFDM载波，因此具有与载波相同数量的从数字复用器206输出的线路，在此图中数量为8。
随后利用调制器MOD208使用所要求的调制方案(例如DQPSK)调制从数字复用器206输出的每一条数据线路上的码元。然后，所调制的数据利用IDFT方框210进行离散傅里叶逆变换(或等效地进行快速傅里叶逆变换)，此方框210也将输出数据重新组合为串行数据流。
此串行数据流是代表将要发送的包括任意幅度峰值的波形的数字，并且接下来传送给将信号幅度限制为所要求的最大电平的限幅方框(CLP)212。在数据传送给数字-模拟变换器(DAC)216之前，扩张器方框(EXT)214在OFDM码元之间增加保护频带，以减少码元间干涉的问题。输出信号随后传送给无线电发送装置218，此装置将其变换为所要求的频率并将其放大发送。
图3表示从调制器208输出的二条数据线路的一系列相位状态，此调制器采用随时间微分编码的DQPSK。对于每个相位状态，具有4个可能的值，从而编码2比特码元。每个输出OFDM码元中每个载波的第一个相位状态302、312定义那个载波与码元的初始相位基准。
因此，考虑第一载波，第二状态304相对第一状态302的相位编码第一2比特码元的值，同样第三状态306相对第二状态304的相位提供第二码元的值，而第四状态308相对第三状态306的相位编码第三码元。以同样的方式使用各个状态312、314、316、318之间的相位差编码第二载波上的码元。
在现有技术的调制器中，每个载波302、312的初始相位状态在每个OFDM码元开头设置为预定值，这具有将总是利用相位状态的同一组合来发送给定的OFDM码元的效果。但是，这种方案具有明显的缺点。如果由于限幅而不利地影响码元，表示限幅已显著地减少其信噪比，有可能不正确地接收此码元。如果在分组中发送一个或更多受不利影响的码元给接收机，则此接收机有可能不能正确地解调此分组。此错误的结果将生成自动重发请求(ARQ)消息并且将重发此分组。然而，将生成具有同样减少的信噪比作为限幅结果的同样的OFDM码元。因此，有可能将再次错误地接收此分组。
根据本发明的方法通过在每个OFDM码元开始时随机化载波的初始相位来防止此问题发生，这能以本领域技术人员所熟知的各种方法来实现。一个示例是将分组中在载波上最后发送码元的状态用作下一分组中相应载波上的第一码元的基准相位。
初始相位的随机化的效果是在重发分组时将使用不同的相位状态组合。每个有问题的OFDM码元因此有可能具有不同的波峰因素和改善的信噪比(因为选择限幅电平，以致只有一些相位状态的组合具有足够差的信噪比而引起接收困难)。因此，更有可能正确地接收重发分组。没有必要随机化所有的初始载波，但是随机化越多，重发将使成功的可能性越大。
虽然已经根据DQPSK调制对本发明进行了描述，但应明白本发明可以应用于广泛的其他调制方案。所必需的是选择的调制方案具有每个载波的相位基准是在每个OFDM码元开始时载波的状态的特性。
也将明白：本发明可应用于除OFDM之外的正交调制技术，例如CDMA。
从阅读本公开文本可知，其他的修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这样的修改可以包括无线电通信系统及其组成部件中已公知的并且可以用于代替或增加到本文已描述的特征上的其他特征。
在本说明书与权利要求书中，单元前面的字“a”或“an”(1)不排除多个这样的单元的存在。而且，字“包括”不排除所列之外的其他单元或步骤的存在。
本发明可应用于要求正交信号传输的广泛系统，包括WATM、DAB、MVDS和UMTS。

Claims (7)

1.操作无线电通信系统的一种方法，包括利用微分相位调制将数据分组编码到多个正交载波上、组合相位调制的信号、限幅所组合的信号以限制波峰因素并在至少两个站之间发送限幅的信号作为数据分组，其特征在于，在该分组发送之前随机化至少一个载波的初始相位。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，至少一个所述载波的初始相位与那个载波上最后发送的码元的状态有关。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，至少一个所述载波的初始相位在重复发送同一分组时是不同的。
4.用于发送正交信号的一种发射机，包括用于将数据分组调制到多个正交载波上的微分相位调制装置、用于组合相位调制信号的装置、用于限制组合信号的波峰因数的限幅装置和用于发送限幅信号的发送装置，其特征在于，提供在该分组发送之前随机化至少一个载波的初始相位的装置。
5.如权利要求4的发射机，其特征在于，提供用于通过参考至少一个所述载波上最后发送码元的状态来设置此载波的初始相位的装置。
6.如权利要求4的发射机，其特征在于，提供用于在重复发送同一分组时将至少一个所述载波的初始相位设置为不同状态的装置。
7.一种无线电通信系统，包括多个如权利要求4-6之中任何一个权利要求所述的一组发射机。
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