CN1503485A - 一种新的优化削波法 - Google Patents

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

一种新的优化削波法

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T_h，对OFDM信号包络(｜b_k|)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新的优化削波法，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α_j(j＝1，2，3…U)是一个复数，且满足两个条件：(1)|α_j|＝1；(2)假设映射集合为C，对于数据点b_k∈C，有(b_k*α_j)∈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 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|{\hat{b}}_k|-T_h)}^2$ (当 $\left|{\hat{b}}_k\right|>T_h$ 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＝1，2，3……N.N为OFDM系统的子载波数。T_h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α_j(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α_j ⁽¹⁾、α_j ⁽²⁾…α_j ⁽ⁱ⁾…α_j ^(V)(i＝1，2，3…V，j＝1，2，3…U)相乘，然后叠加，所得数据点为

k＝1，2，3……N.选择出 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|{\hat{b}}_k|-T_h)}^2$ (当 $\left|{\hat{b}}_k\right|>T_h$ 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 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|{\hat{b}}_k|-T_h)}^2$ (当 $\left|{\hat{b}}_k\right|>T_h$ 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。

本发明提出了一种利用选择优化来优化Clip的方法，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)；

步骤2  选择多簇符合上述定义的相位因子α_j ⁽¹⁾、α_j ⁽²⁾…α_j ^(V) (i＝1，2，3…V，

        j＝1，2，3…U)；

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α_j ⁽ⁱ⁾(i＝1，2，3…V)相乘得到：α_j ⁽ⁱ⁾*IFFT{A⁽ⁱ⁾}；最后将各组数据叠加得到 $\underset{i=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(i\right)}*\mathrm{IFFT}\left\{A^{\left(i\right)}\right\},$ 因为 ${\hat{b}}_k=\underset{i=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(i\right)}*\mathrm{IFFT}\left\{A^{\left(i\right)}\right\}$ (k＝1，2，3……N)，可以得到 ${\hat{b}}_1,{\hat{b}}_2\·\·\·{\hat{b}}_k\·\·\·{\hat{b}}_N$ (k＝1，2，3……N)的值，从而可以得到各簇相位因子对应的 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|{\hat{b}}_k|-T_h)}^2$ (当 $\left|{\hat{b}}_k\right|>T_h$ 时)值；

步骤4对步骤3所得到的结果进行判断，选择出 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|{\hat{b}}_k|-T_h)}^2$ (当 $\left|{\hat{b}}_k\right|>T_h$ 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。

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 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|{\hat{b}}_k|-T_h)}^2$ (当 $\left|{\hat{b}}_k\right|>T_h$ 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，在信号峰值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的选择优化的方法，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 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|{\hat{b}}_k|-T_h)}^2$ (当 $\left|{\hat{b}}_k\right|>T_h$ 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，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；

b_k＝|b_k|exp(_k)，k＝1，2……N。b_k是经映射1、IFFT 2后的数据点，_k是相位；k＝1，2……N。

是经Clip后的数据点。T_h是Clip门限；

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，α_j ⁽¹⁾、α_j ⁽²⁾…α_j ^(V)表示对应于1、2…V组的相位因子，其中j＝1，2，3…U； $\widetilde{{\mathrm{\α}}_j^{\left(1\right)}},\widetilde{{\mathrm{\α}}_j^{\left(2\right)}\·\·\·}\widetilde{{\mathrm{\α}}_j^{\left(V\right)}}$ 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。 $\widetilde{{\mathrm{\α}}_j^{{\left(1\right)}^{*}}},\widetilde{{\mathrm{\α}}_j^{{\left(2\right)}^{*}}}\·\·\·\widetilde{{\mathrm{\α}}_j^{{\left(V\right)}^{*}}}$ 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T_h＝1.778，Es/N0＝24dB，U＝4，V＝4，相位因子取1、-1、j、-j(此处 $j=\sqrt{-1}$ )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OFDM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、一种新的优化削波法，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)；

步骤2  选择多簇符合上述定义的相位因子α_j ⁽¹⁾、α_j ⁽²⁾…α_j ⁽ⁱ⁾…α_j ^(V)(i＝1，2，3…V，j＝1，2，3…U)；

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α_j ⁽ⁱ⁾(i＝1，2，3…V)相乘得到：α_j ⁽ⁱ⁾*IFFT{A⁽ⁱ⁾}；最后将各组数据叠加得到 $\underset{i=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(i\right)}*\mathrm{IFFT}\left\{A^{\left(i\right)}\right\},$ 因为 ${\hat{b}}_k=\underset{i=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(i\right)}*\mathrm{IFFT}\left\{A^{\left(i\right)}\right\}$ (k＝1，2，3……N)，可以得到 ${\hat{b}}_1,{\hat{b}}_2\·\·\·{\hat{b}}_k\·\·\·{\hat{b}}_N$ (k＝1，2，3……N)的值，从而可以得到各簇相位因子对应的 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|{\hat{b}}_k|-T_h)}^2$ (当 $\left|{\hat{b}}_k\right|>T_h$ 时)值；

步骤4  对步骤3所得到的结果进行判断，选择出 $\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|{\hat{b}}_k|-T_h)}^2$ (当 $\left|{\hat{b}}_k\right|>T_h$ 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：从接收的副信息里提取优化因子的数值，按发射机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，叠加还原。

2、根据权利要求1所述的一种新的优化削波法，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。