CN1255962C - 一种用于正交频分系统的优化削波法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新的优化削波法,在选择优化模块12中,将各子载波上的数据点分组,各组分别进行IFFT,所得各组数据与可选的相位因子相乘后叠加,选择出一簇最优的相位因子,使得与之相乘叠加后的数据受削波影响最小。接收端信号经过FFT 10后,数据点在模块13进行解选择优化,还原数据。采用本发明的通信方法,既可减小信号峰值功率与平均功率的比值,又可降低系统传输的误码率,优化传输性能。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,特别涉及采用削波法的正交频分多址系统。
背景技术
众所周知,在现有的通信技术中,正交频分多址(简称OFDM)技术以其很高的频谱利用率、良好的抗多径衰落和抗干扰性能,成为未来移动多媒体通信的主要候选技术之一。
OFDM系统的主要缺点之一是信号峰值功率与平均功率的比值偏高,通常采用削波法来降低信号峰值功率与平均功率的比值,削波法(简称Clip)的工作原理如图1所示。其中模块3是削波模块,它的原理是:预定一个门限值Th,对OFDM信号包络(|bk|)超过门限的部分进行直接削除,见图2。详细内容见Dinur,N.;Wulich,D.“Peak to average powerratio in amplitude clipped high order OFDM”,IEEE,Volume:2,Page(s):684-687 vol.2,1998。
现有的联合削波法的OFDM系统的主要缺点在于:削波对信号的幅度进行了直接削减,会造成信号失真,因此在信号峰值功率与平均功率比值降低的同时,误码率会显著升高。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于正交频分系统的优化削波法,采用本发明的方法,在信号峰值功率与平均功率比值降低的同时,可以更有效地降低削波法引入的传输误码率。
本发明由发射和接收两部分组成。
本发明的发射机部分组成:包括映射1、选择优化12、IFFT 2、削波3、添加保护时隙4、D/A转换5、上变频6等模块。
本发明发射机部分工作过程:如图3所示,信源比特经映射1后,在选择优化模块12中,将各子载波上的数据点分为V组分别进行IFFT,所得各组数据点与多簇相位因子相乘后叠加,通过比较选择出一簇最优的相位因子,使得与之相乘叠加后的数据受削波影响最小,在输出优化数据同时输出有关最优相位因子的副信息。这是本发明的主要创新内容;然后经IFFT 2、削波3、添加保护时隙4、D/A变换5、上变频6等模块进行发射。
在阐述本发明方法之前,首先介绍本发明中所用的术语:
1)相位因子αj(j=1,2.3…U)是一个复数,且满足两个条件:(1)|αj|=1;(2)假设映射集合为C,对于数据点bk∈C.有(bk*αj)∈C。
2)最优相位因子是指能够使得Clip对优化后的数据点影响最小,即使
(当|k|>Th时)最小的一簇相位因子。其中各组数据点经IFFT之后,与相位因子相乘叠加所得数据点为k,k=1,2,3……N.N为OFDM系统的子载波数。Th指Clip的门限。
3)副信息是指说明所采用的最优相位因子的信息。选择优化的方法是:选择相位因子αj(j=1,2,3…U),将各子载波上的数据点分为V组A(1)、A(2)…A(i)…A(V)(i=1,2,3…V),各组分别进行IFFT,所得各组数据点与多簇相位因子αj (1)、αj (2)…αj (i)…αj (V)(i=1,2,3…V,j=1,2,3…U)相乘,然后叠加,所得数据点为k,k=1,2,3……N.选择出
(当|k|>Th时)的最小值,此时对应的一簇相位因子即为最优相位因子。
选择优化的方法可以由图4简单说明。映射1后的各子载波上的N个数据点经分组模块14分为V组,每组分别进行IFFT 15,所得每组数据与簇中相应的相位因子通过模块16相乘,然后通过模块17叠加,送入选择优化因子模块18进行选择,选择使Clip对数据传输性能影响最小即
(当|k|>Th时)最小的一簇最优相位因子,然后把该簇最优相位因子与各组数据点相乘、叠加,得到优化后的数据,同时输出副信息。
本发明提出了一种用于正交频分系统的优化削波法,包括以下步骤:
步骤1将映射后的数据点分组为A(1)、A(2)…A(i)……A(V),i=1,2,3…V,其中V为分组数;
步骤2选择相位因子αj (1)、αj (2)…αj (i)…αj (V),i=1,2,3…V,j=1,2,3…U,其中V为分组数,U为相位因子的个数,相位因子αj (i)是一个复数,且满足两个条件: 假设映射集合为C,对于数据点bk∈C,有(bk*αj (i))∈C;
步骤3首先将各组数据点A(i),i=1,2,3…V,分别进行IFFT得到IFFT{A(i)},然后各组与相应的相位因子αj (i),i=1,2,3…V,相乘得到:αj (i)*IFFT{A(i)};再将各组数据叠加得到
因为
k=1,2,3……N,可以得到1、2…k…N,k=1,2,3……N,其中N为正交频分复用系统子载波的个数,k为经相位因子修正后的数据,从而可以得到当|k|>Th时各簇相位因子对应的
值,其中Th为限幅门限;
步骤5将步骤4选出的最优相位因子与其对应的各组数据各自相乘、叠加,得到优化后的数据,发送至IFFT模块2;同时输出由步骤4所选出的最优相位因子的副信息至IFFT模块2;
本发明的工作流程如图5所示。
需要说明的是,步骤1中的分组方式可以采用任意形式分组,步骤2中可以采用不同的相位因子,相位因子个数不限。一般情况下,相位因子个数越多,可获得的最优相位因子的优化性能越好,从而采用本发明的联合Clip的OFDM系统的传输性能越好,误码率越低。
步骤1中的分组方式可以采用任意形式分组,步骤2中可以采用不同的相位因子,相位因子个数不限。
本发明发射机部分的原理:将各子载波上的数据点分为V组,各组分别进行IFFT,所得各组数据与多簇相位因子相乘后叠加,经过比较选择出一簇最优的相位因子,使得与之相乘叠加后的数据受Clip影响最小,即使
(当|k|>Th时)最小,在输出优化数据同时输出有关最优相位因子的副信息。
结论:从上面的理论分析不难知道,这种选择优化的方法在原有削波法的基础上,既降低了峰值功率与平均功率的比值,又提高了传输的性能。
本发明发射机部分创新点:现有的采用Clip法的OFDM系统,在信号峰直功率与平均功率比值降低的同时,误码率显著升高。本发明对此提出了一种新时选择优化的方法,通过比较选择出一簇最优相位因子,使得与之相乘叠加后的数据受Clip影响最小。
本发明发射机部分的实质:相对于OFDM系统中传统的Clip方法,本发明的核心思想是:增加了选择优化的步骤,通过比较选择出一簇最优相位因子,使得与之相乘叠加后的数据受Clip影响最小。从而既降低了峰值功率与平均功率的比值,又提高了传输的性能。
本发明接收机部分:
本发明接收机部分组成:包括下变频7、A/D 8、去保护时隙9、FFT 10、解选择优化13、反映射11等模块,如图2所示。
本发明接收机部分工作过程:
工作过程:如图3所示,接收端信号经过下变频部分7、A/D转换8、去保护时隙9、FFT 10后,数据点在解选择优化13模块进行解选择优化,从接收的副信息里提取优化因子的数值,按原先的分组方式对数据点进行再次分组,将各组数据分别乘以相应优化因子的共轭值,叠加还原。然后经反映射11恢复原始数据。
解选择优化13的工作原理:是选择优化12的一个逆过程。在FFT 10之后,从接收的副信息里提取优化因子的数值,按原先分组方式对数据点进行再次分组,将各组数据分别乘以相应优化因子的共轭,叠加还原。如图6所示。
本发明接收机部分的创新点:从接收的副信息里提取最优化因子,对数据点进行分组,将各组数据分别乘以相应优化因子的共轭值,叠加还原。
本发明的工程实现与传统的联合Clip的OFDM系统相比,具有的特点在于:将各子载波上的数据点分为V组,分别进行IFFT,所得各组数据与多簇相位因子相乘后叠加,最后选择出一簇最优的相位因子,使得与之相乘叠加后的数据受Clip影响最小,即使(当|k|>Th时)最小,同时输出有关最优相位因子的副信息。接收端从副信息里提取出最优相位因子,对接收的数据点进行分组,将各组数据分别乘以相应优化因子的共轭值,叠加还原。这种选择优化的方法既降低了峰值功率与平均功率的比值,又提高了传输的性能。
附图说明
图1是采用传统Clip法的OFDM通信系统的工作原理图:
其中,发射机部分:1映射模块.2是IFFT模块,3是削波模块,4是添加保护时隙模块,5是D/A转换模块,6是上变频模块;接收机部分:7是下交频模块,8是A/D转换模块,9是去保护时隙模块,10是FFT模块,11是反映射模块;
图2是Clip的工作原理图:
其中Re表示实轴,Im表示虚轴;
图3是采用本发明提出的新的选择优化方法的OFDM通信系统的工作原理图:
其中,发射机部分:1是映射模块,12是选择优化模块,2是IFFT模块,3是添加保护时隙模块,4是削波模块,5是D/A转换模块,6是上变频模块;接收机部分:7是下变频模块,8是A/D转换模块,9是去保护时隙模块,10是FFT模块,13是解选择优化模块,11是反映射模块;
图4是本发明提出的新的优化选择法的工作原理图:
其中,14是分组模块,15是优化选择12中的IFFT模块,16是乘法模块,17是加法模块,18是选择优化因子模块。
A(1)、A(2)…A(V)分别是1、2…V组的数据点集合,αj (1)、αj (2)…αj (V)表示对应于1、2…V组的相位因子,其中j=1,2,3…U;αj (1)、αj (2)…αj (V)表示经优化选择得到的对应于1、2…V组的最优相位因子,其中j=1,2,3…U;
图5是本发明的工作流程图
图6是本发明提出的新的解优化选择的工作原理图:
其中14是分组模块,16是乘法模块,17是加法模块,19是提取优化因子模块。αj (1)*、αj (2)*…αj (V)*表示最优相位因子的共轭复数,其中j=1,2,3…U。
具体实施方式
本发明发射部分的主要创新是通过比较选择出一组最优的相位因子,使得与之相乘叠加后的数据受Clip影响最小;可以通过编程的方法实现,利用现有技术可以制作成相应的硬件,实现最优的相位因子对数据点的优化;然后,联合其他模块,组成本发明的发射机系统。
本发明接收部分的主要创新是从接收的副信息里提取优化因子。将各组数据分别乘以相应优化因子的共轭,叠加还原。同样可以按所述方法,通过编程来实现本发明提出的通信方法,然后利用现有技术可以制作成相应的硬件,组成本发明的接收机系统,实现优化数据的还原。
计算机仿真表明,在N=256,64QAM调制映射,Clip门限Th=1.778,Es/N0=24dB,U=4,V=4,相位因子取1、-1、j、-j(此处
)时,误符号率由0.04降低为0.003。由此可见,采用本发明所述的新的优化选择法的联合Clip的0FDM系统,和原有的系统相比,既减小了信号峰值功率和平均功率的比值,又降低了传输的误码率,优化了传输性能。
Claims (2)
1、一种用于正交频分系统的优化削波法,包括发射部分和接收部分,发射部分包括映射(1)、选择优化(12)、IFFT(2)、削波(3)等模块;接收部分包括FFT(10)、解选择优化(13)、反映射(11)等模块;
其特征在于发射部分还包括选择优化(12)模块,它是按照下面步骤工作的:
步骤1 将映射后的数据点分组为A(1)、A(2)…A(i)…A(V),i=1,2,3…V,其中V为分组数;
步骤2 选择相位因子αj (1)、αj (2)…αj (i)…αj (V),i=1,2,3…V,j=1,2,3…U,其中V为分组数,U为相位因子的个数,相位因子αj (i)是一个复数,且满足两个条件:
步骤3 首先将各组数据点A(i),i=1,2,3…V,分别进行IFFT得到IFFT{A(i)},然后各组与相应的相位因子αj (i),i=1,2,3…V,相乘得到:αj (i)*IFFT{A(i)};再将各组数据叠加得到
因为
k=1,2,3……N,可以得到1、2…k…N,k=1,2,3……N,其中N为正交频分复用系统子载波的个数,k为经相位因子修正后的数据,从而可以得到当|k|>Th时各簇相位因子对应的
值,其中Th为限幅门限;
步骤4 对步骤3所得到的结果进行判断,选择出当|k|>Th时
值最小时对应的一簇相位因子,即为最优相位因子;
步骤5 将步骤4选出的最优相位因子与其对应的各组数据各自相乘、叠加,得到优化后的数据,发送至IFFT模块(2);同时输出由步骤4所选出的最优相位因子的副信息至IFFT模块(2);
接收部分还包括解选择优化(13)模块,它的工作过程是:经FFT模块(10)后,数据点在解选择优化模块(13)进行解选择优化,从接收的副信息里提取优化因子的数值,按原先的分组方式对数据点进行再次分组,将各组数据分别乘以相应优化因子的共轭值,叠加还原;然后经反映射模块(11)恢复原始数据。
2、根据权利要求1所述的一种用于正交频分系统的优化削波法,其特征是所述的步骤1中的分组方式可以采用任意形式分组,步骤2中可以采用不同的相位因子,相位因子个数不限。
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