CN115941414A - 一种ofdm信号的降峰均比值方法、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

一种OFDM信号的降峰均比值方法、装置及存储介质，所述方法在信号发射端，信号的处理过程如下：在OFDM符号中预留若干个子载波，所预留的子载波呈等间距分布，且依次为第0，Q，2Q，...，N‑Q个子载波；对OFDM符号的原始频域信号进行快速逆傅里叶变换，得到对应的原始时域信号；对原始时域信号根据预留的子载波的数量进行分段，得到多个分段时域信号；采用最小圆覆盖算法计算各分段时域信号的复常数；基于各分段时域信号的复常数构建抑制时域信号；将抑制时域信号和原始时域信号相加，得到时域发送信号并发送。本发明方法无需在发送端预存数量庞大的抵消信号集合，能以较低计算复杂度计算出所需的抵消信号，降峰均比性能优秀。

Description

一种OFDM信号的降峰均比值方法、装置及存储介质

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤指涉及一种基于预留子载波信号的OFDM信号降峰均比值方法、装置及存储介质。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM)系统因具有较强的抗多径衰落能力和较高的频带利用率而备受关注。OFDM信号包含大量的独立已调子载波，其相互叠加会产生功率峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，简称PAPR)较高的问题，进而导致其通过射频端的功率放大器时，容易因功放的非线性而产生带内失真和带外扩展，破坏子载波间的正交性，降低信号传输性能。

高峰均比问题对由电池供电类的通信终端的影响尤其明显，对功率放大器的线性度要求的提高会带来硬件成本增加，电池能量利用效率降低等问题，因此降峰均比技术一直是OFDM系统的关键技术之一。目前，OFDM系统的降峰均比技术主要分为以下几大类：限幅类算法、编码类算法和概率类算法。其中，限幅类算法相对简单，但该类算法是采用非线性的处理方法，在获得一定抑制峰均比效果的同时，会导致带内失真和带外干扰。编码类算法是通过对信息码源进行特殊的编码，使调制后的信号峰均比得到控制。概率类算法是通过特殊的映射打破子载波相位的一致性，以降低同相位信号出现的概率，从而达到降低峰均比的效果。编码类算法和概率类算法的特点是在保证信号不失真的情况下，可以得到有效的峰均比抑制，但实现的复杂度会随着子载波个数的增加呈指数增长，相应的编码效率也会随着PAPR抑制能力的增强而降低，且添加的冗余信息也降低了传输效率。

基于预留子载波的降峰均比方法属于信号预畸变技术，是一种可以无失真且有效降低OFDM系统PAPR的方法。基于预留子载波的降峰均比方法的基本原理是发射端保留一部分的子载波，专门用于产生抑制PAPR的消峰信号，接收端接收信号时可直接忽略这些被保留的用来抑制PAPR的子载波上的数据，只从其他正常的用来传输信息的数据子载波中恢复有用的信号。图1所示为现有的基于预留子载波的降峰均比方法在信号发射端的信号处理流程图，如图1所示，现有的预留子载波降峰均比值方法在信号发射端生成一系列的数据序列，这些数据序列经快速逆傅里叶变换(inverse fast Fourier transform，简称IFFT)计算后，作为时域消峰信号存储起来，然后将这些时域消峰信号与数据子载波的时域信号x分别相加，找出其中能使合成信号具有最小PAPR值的那个序列，将其插入到预留子载波处，与信息序列一起在经过IFFT变换后，作为传输信号进行发射。这种降峰均比方法不用发送边带信息，不会带来频带干扰，接收端设计简单，但这种方法需要较多的预留子载波才能取得一定的PAPR降低效果，而且在计算预留子载波的时域消峰序列时，预留子载波的选择没有特定的规律，导致计算过程复杂、计算量大，还存在改善的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于预留子载波信号的OFDM信号降峰均比值方法，可以降低计算复杂度，提高降峰均比值的效果。

本发明的目的还在于提供一种OFDM信号降峰均比值及存储介质。

为了实现上述第一目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种OFDM信号的降峰均比值方法，在信号发射端，信号的处理过程如下：

S1、在一个OFDM符号中预留若干个子载波，所预留的子载波在所述OFDM符号中的位置呈等间距分布，且所预留的子载波在所述OFDM符号中的位置依次为第0，Q，2Q，...，N-Q个子载波，N为OFDM符号中子载波的数量，Q＝2^q，q≥2；

S2、对所述OFDM符号的原始频域信号进行快速逆傅里叶变换，得到对应的原始时域信号；

S3、对所述原始时域信号根据所预留的子载波的数量进行分段，得到多个分段时域信号；

S4、采用最小圆覆盖算法计算各分段时域信号的复常数；

S5、基于各分段时域信号的复常数，构建抑制时域信号；

S6、将所述抑制时域信号和所述原始时域信号相加，得到所述OFDM符号的时域发送信号，信号发射机发送所述时域发送信号。

如上所述的OFDM信号的降峰均比值方法，可选的，所述OFDM符号的子载波数量N＝2^K，K＞q，所述OFDM符号的频域信号X＝[X(0),X(1),...,X(N-1)]和对应的时域信号

之间的关系如下：

所述频域信号

对应的所述时域信号的周期为N/Q。

如上所述的OFDM信号的降峰均比值方法，可选的，所述步骤S3中，将原始时域信号按以下方式进行分段，得到N/Q个分段时域信号S₀,S₁,…,S_N/Q-1：

其中，x(0),x(1),…,x(N-1)为原始频域信号进行快速逆傅里叶变换后得到的原始时域信号x＝[x(0),x(1),...,x(N-1)]中的元素。

如上所述的OFDM信号的降峰均比值方法，可选的，所述步骤S5中，构建的抑制时域信号

其中，C＝[c₀,c₁,...,c_N/Q-1]，c₀,c₁,…,c_N/Q-1分别为分段时域信号S₀、S₁、……、S_N/Q-1的复常数。

为了实现上述第二目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种OFDM信号的降峰均比值装置，包括：信号处理单元和信号发送单元；

所述信号处理单元，用于在OFDM符号中设置预留的子载波；

所述信号处理单元，还用于对OFDM符号的原始频域信号进行快速逆傅里叶变换，以得到对应的原始时域信号；

所述信号处理单元，还用于根据子载波数量对原始时序信号进行分段，并采用最小圆覆盖算法计算分段时域信号的复常数；

所述信号处理单元，还用于基于各分段时域信号的复常数构建抑制时域信号，并将抑制时域信号和原始时域信号相加，以得到时域发送信号；

所述信号发送单元，用于将所述时域发送信号传输出去。

如上所述的OFDM信号的降峰均比值装置，可选的，所述信号处理单元在OFDM符号中设置预留的子载波时，所预留的子载波在所述OFDM符号中的位置呈等间距分布，且所预留的子载波在OFDM符号中的位置依次为第0，Q，2Q，....，N-Q个子载波。

如上所述的OFDM信号的降峰均比值装置，可选的，所述信号处理单元构建的抑制时域信号为

本发明还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行前述方法步骤。

由以上技术方案可知，本发明对现有的基于预留子载波信号抵消的降峰均比方法做了改进，使用具有特殊位置分布特性的预留子载波，从而将抑制时域信号的计算过程等价于具有线性计算复杂度的最小圆覆盖问题，极大降低了计算复杂度，而且本发明方法只选取部分特殊位置的预留子载波，和现有的预留子载波抑峰均比方法相比，无需在发送端预存数量庞大的抑制信号集合，只用较少数量的预留子载波就可以获得优秀的降峰均比性能，带宽代价小，具有更高的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的预留子载波峰均比抑制方法的信号处理流程图；

图2为本发明方法在信号发射端的信号处理流程图；

图3为本发明的降峰均比值方法在不同Q值的情况下的CCDF曲线仿真图；

图4为一个含32个点的未抵消分段时域信号的数值分布情况图；

图5为含32个点的未抵消分段时域信号的最小覆盖圆；

图6为抵消信号的数值分布情况图；

图7为本发明实施例降峰均比装置的框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；术语“正”、“反”、“底”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有的基于预留子载波的降峰均比方法一般采用分散式或集中式的方式来设置预留子载波，预留子载波位置的选择没有特定的规律，计算时也没有特定的计算模型，从而在计算预留子载波的抑制时域信号(抵消信号)时，存在计算过程复杂、计算量大的问题。

对于一个子载波数量为N(2的整数次幂)的OFDM系统，如果从第0个载波开始，选择等间距分布的预留子载波，且预留子载波的间距值设置为2的整数次幂，则其对应的抑制时域信号将具备周期性。针对现有的基于预留子载波的降峰均比方法存在的问题，发明人对于在频域和时域上具有前述关系(即频域上的信号是等间距时，时域上的信号具有周期性)的OFDM信号，在信号发射端，使用具有特殊位置分布特性的预留子载波，从而在计算抑制时域信号(分段时域信号的复常数)时，可以将原本复杂的计算过程转换为最小圆覆盖问题的求解过程，大幅降低了计算复杂程度及计算量，而且具有优秀的降峰均比效果。

数字信号的时域信号和相对应的频域信号之间存在着映射关系。对于子载波数量为N的OFDM符号的频域信号X＝[X(0),X(1),...,X(N-1)]，其和相对应的时域信号x＝[x(0),x(1),...,x(N-1)]之间的关系如下：

IDFT表示离散傅里叶变换。

基于以上映射关系，对于子载波数量N＝2^K(子载波编号从0至N-1)且满足如下特性的频域信号

Q＝2^q(q≥2)而言，其对应的时域信号

是一个具有周期特性的信号，且周期大小为N/Q。

本发明对于具有以上映射关系及以上特性的OFDM信号，提出了一种改进型预留子载波峰均比抑制方法，如图2所示，在信号发射端，本发明方法对信号的处理过程包括以下步骤：

S1、在一个OFDM符号中预留数量为N/Q的子载波，预留子载波用于产生抑制PAPR的消峰信号，以降低发射信号的峰均比值，本发明所预留的子载波在OFDM符号中的位置呈等间距分布，且所预留的子载波在OFDM符号中的位置依次为第0，Q，2Q，...，N-Q个子载波，N为OFDM符号中子载波的数量，N＝2^K，Q＝2^q，K＞q≥2；

S2、对该OFDM符号的原始频域信号X进行快速逆傅里叶变换，得到对应的原始时域信号x；

本发明的原始频域信号是指未进行抵消的频域信号，未进行抵消时OFDM符号中预留子载波的频域信号为0，原始频域信号

进行快速逆傅里叶变换后得到的未抵消的原始时域信号x＝[x(0),x(1),...,x(N-1)]；

S3、对原始时域信号x根据所预留的子载波的数量进行分段，即将原始时域信号x分为N/Q段，得到N/Q个分段时域信号S_n，n＝0,…,N/Q-1；

可选的，将原始时域信号x按以下方式进行分段，得到分段时域信号S₀,S₁,…,S_N/Q-1：

S₀＝[x(0),x(N/Q),...,x(N-1-N/Q)]；

S₁＝[x(1),x(N/Q+1),...,x(N-N/Q)]；

...

S_N/Q-1＝[x(N/Q-1),x(2N/Q-1),...,x(N-1)]；

S4、采用最小圆覆盖算法计算各分段时域信号S_n的复常数c_n；

本发明采用最小圆覆盖算法来计算分段时域信号S_n对应的复常数c_n，各分段时域信号S_n的复常数c_n的计算过程本质是一个经典的最小圆覆盖问题，是向量Δ_n中元素的最大值的最小化的过程，Δ_n＝|S_n+c_n|＝[|x(n)+c_n|,|x(N/Q+n)+c_n|,...,|x(N-N/Q+n-1)+c_n|](式中的符号|·|表示取绝对值)，即，针对含Q个复数数值的分段时域信号S_n＝[x(n),x(N/Q+n),...,x(N-N/Q+n-1)]，将这些数值视为分布在二维平面上的点，找出包含这些点的半径最小圆(半径最小圆具有唯一性)，而这个最小圆的圆心跟零点之间的对称点的位置就是复常数c_n的数值，该圆的半径即为向量Δ_n中元素的最大值；最小圆覆盖问题是一个经典数学问题，目前已有非常成熟且具有线性复杂度的公开计算算法，如随机增量法(RIA)，最小圆覆盖算法不是本发明的创新之处，在此不做赘述；

S5、基于各分段时域信号S_n的复常数c_n，构建用于峰均比抑制的抑制时域信号

抑制时域信号

的长度为N，其中C＝[c₀,c₁,...,c_N/Q-1]；

S6、将抑制时域信号

和原始时域信号x相加，即得到OFDM符号的时域发送信号

时域发送信号Ω由信号发射机发送出去。在信号接收端，信号接收机接收到信号发射机发送的时域发送信号Ω后，采用常规的信号处理方法对接收到的信号进行处理即可，本发明对接收到的信号的处理过程没有改进，此处不再赘叙。

下面通过仿真实验来验证本发明方法的降峰均比效果。仿真实验使用时域互补累积分布函数(CCDF)来描述信号峰均比值(PAPR)的分布情况，其数学计算式为Pr(PAPR＞z)＝1-Pr(PAPR≤z)。仿真时OFDM符号的子载波数量N＝1024且采用QPSK调制技术。图3为本发明的降峰均比值方法在不同Q值的情况下的CCDF曲线。从图3可以看出，本发明方法可以获得优秀的降峰均比性能，例如，当Q＝64时，预留的子载波数量为16，即以1/64＝1.56％的子载波作为预留子载波，和原始的OFDM信号相比，本发明方法的CCDF在10^-3处降低了约2.2dB。

仿真实验中，原始时域信号的一个分段时域信号包含了32个复数数值，这些数值的分布情况如图4所示，该分段时域信号的信号幅度最大值为1.91。图5为该分段时域信号的最小覆盖圆，该最小覆盖圆的圆心位置为0.6107-0.0657i。采用本发明方法进行信号发射前的处理后，得到的抑制时域信号C(抵消信号)的数值分布情况如图6所示，从图6可以看出，信号幅度最大值为1.42，由此可以看出，通过本发明方法对信号进行处理后，通过信号抵消，信号幅度的最大值降低了约(1.91-1.42)/1.91＝25.65％，信号幅度的最大值降低后，也就降低了信号的峰均比值。

本发明在对发射前的信号进行处理时，采用特定位置的预留子载波，从而在后续的处理步骤中可以采用最小圆覆盖算法计算分段时域信号的复常数，进而简化了抑制时域信号的计算，降低了计算复杂程度，减少了计算量，而且信号中预留子载波数量和总子载波数量之间的比值较低，预留子载波数量和总子载波数量之间的比值＝带宽代价，该值越小带宽利用率越高，代价越低，即可以以较低的带宽代价获得较为理想的降峰均比效果，具有较高的工程应用价值。

下述为本发明装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于本发明装置实施例中未披露的细节，请参照本发明方法实施例。

如图7所示，其示出了本申请一个示例性实施例提供的用于OFDM信号的降峰均比装置的结构框图。该装置可以通过软件、硬件或者两者的结合实现。用于OFDM信号的降峰均比装置包括信号处理单元和信号发送单元。

信号处理单元，用于在OFDM符号中设置预留的子载波；

信号处理单元，还用于对OFDM符号的原始频域信号进行快速逆傅里叶变换，以得到对应的原始时域信号；

信号处理单元，还用于根据子载波数量对原始时序信号进行分段，并采用最小圆覆盖算法计算分段时域信号的复常数；

信号处理单元，还用于基于各分段时域信号的复常数构建抑制时域信号，并将抑制时域信号和原始时域信号相加，以得到时域发送信号；

信号发送单元，用于将时域发送信号传输出去。

需要说明的是，上述实施例提供的装置在执行前述降低峰均比值方法时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的用于OFDM信号的降峰均比装置与降低OFDM信号的峰均比值的方法实施例属于同一构思，其体现实现过程及带来的技术效果详见方法实施例，这里不再赘述。

本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质可以存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如上述图2所示实施例的方法步骤，具体执行过程可以参见图2所示实施例的具体说明，在此不进行赘述。本实施例的构思和图2的方法实施例相同，其带来的技术效果也相同，具体可参照图2实施例的描述，这里不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (8)

1.一种OFDM信号的降峰均比值方法，其特征在于：

在信号发射端，信号的处理过程如下：

S1、在一个OFDM符号中预留若干个子载波，所预留的子载波在所述OFDM符号中的位置呈等间距分布，且所预留的子载波在所述OFDM符号中的位置依次为第0，Q，2Q，...，N-Q个子载波，N为OFDM符号中子载波的数量，Q＝2^q，q≥2；

S2、对所述OFDM符号的原始频域信号进行快速逆傅里叶变换，得到对应的原始时域信号；

S3、对所述原始时域信号根据所预留的子载波的数量进行分段，得到多个分段时域信号；

S4、采用最小圆覆盖算法计算各分段时域信号的复常数；

S5、基于各分段时域信号的复常数，构建抑制时域信号；

S6、将所述抑制时域信号和所述原始时域信号相加，得到所述OFDM符号的时域发送信号，信号发射机发送所述时域发送信号。

2.如权利要求1所述的OFDM信号的降峰均比值方法，其特征在于：所述OFDM符号的子载波数量N＝2^K，K＞q，所述OFDM符号的频域信号X＝[X(0),X(1),...,X(N-1)]和对应的时域信号x＝[x(0),x(1),...,x(N-1)]之间的关系如下：

所述频域信号对应的所述时域信号的周期为N/Q。

3.如权利要求1所述的OFDM信号的降峰均比值方法，其特征在于：所述步骤S3中，将原始时域信号按以下方式进行分段，得到N/Q个分段时域信号S₀,S₁,…,S_N/Q-1：

其中，x(0),x(1),…,x(N-1)为原始频域信号进行快速逆傅里叶变换后得到的原始时域信号x＝[x(0),x(1),...,x(N-1)]中的元素。

4.如权利要求1所述的OFDM信号的降峰均比值方法，其特征在于：所述步骤S5中，构建的抑制时域信号其中，C＝[c₀,c₁,...,c_N/Q-1]，c₀,c₁,…,c_N/Q-1分别为分段时域信号S₀、S₁、……、S_N/Q-1的复常数。

5.一种OFDM信号的降峰均比值装置，其特征在于，包括：信号处理单元和信号发送单元；

所述信号处理单元，用于在OFDM符号中设置预留的子载波；

所述信号处理单元，还用于对OFDM符号的原始频域信号进行快速逆傅里叶变换，以得到对应的原始时域信号；

所述信号处理单元，还用于根据子载波数量对原始时序信号进行分段，并采用最小圆覆盖算法计算分段时域信号的复常数；

所述信号处理单元，还用于基于各分段时域信号的复常数构建抑制时域信号，并将抑制时域信号和原始时域信号相加，以得到时域发送信号；

所述信号发送单元，用于将所述时域发送信号传输出去。

6.如权利要求5所述的OFDM信号的降峰均比值装置，其特征在于：所述信号处理单元在OFDM符号中设置预留的子载波时，所预留的子载波在所述OFDM符号中的位置呈等间距分布，且所预留的子载波在OFDM符号中的位置依次为第0，Q，2Q，....，N-Q个子载波。

7.如权利要求5所述的OFDM信号的降峰均比值装置，其特征在于：所述信号处理单元构建的抑制时域信号为

8.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如权利要求1～4任意一项的方法步骤。

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