CN1588938A - Ofdm通信系统及降低峰均功率比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低正交频分多路复用OFDM通信系统峰均功率比PAPR的方法，以减小通信系统的成本，提高其效率。其过程是：首先定出通信系统可以接受的峰均功率比及其允许误差；然后进行预判断；如果系统中的PAPR满足预定的要求，则直接发送数据；如果系统的PAPR不满足预定要求，则采取自适应技术自动的调节参数，即根据PAPR和预定峰均功率比的差值来调节参数值，完成一次循环；再计算改变参数后的PAPR，依次重复该判断过程，直到PAPR满足要求为止。本方法计算简单、能够自动实现降低PAPR和保证系统性能之间的折衷，使整个通信系统具有较高的灵活性和自适应性，可用于移动通信、数字广播、数字电视及光纤通信等领域对PAPR的降低。

Description

OFDM通信系统及降低峰均功率比的方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体地说是一种降低正交频分多路复用(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信系统中峰均功率比的方法，以改善和提高通信系统的性能。

背景技术

早在1957年，OFDM就被用于多载波高频调制解调器，1971年Weinstein和Ebert两位学者提出了用快速傅里叶变换(FFT：Fast FourierTransform)来实现OFDM。OFDM的主要思想是将高速串行码流转变成并行的低速码流，调制到等频率间隔的一组相互正交的子载波上。其基本原理是将总的信道带宽分成多个带宽相等的子信道，每个子信道单独通过各自子载波调制的信息符号。此外，OFDM符号中引入的保护间隔能有效地克服多径信道的延时扩展，消除码间干扰，因此消除了采用复杂均衡器的必要。目前流行的高速数字用户线HDSL、非对称数字用户线ADSL、超高速数字用户线VHDSL都以OFDM为核心传输技术。同时OFDM也是欧洲数字音频广播、数字视频广播的标准调制解调技术。另外，它还是无线局域网物理层的基础，1999年国际标准化组织通过了一个以OFDM为核心技术、可提供高达54Mbps传输速率的无线局域网标准802.11a。

采用OFDM技术的基本通信系统如图1所示：在OFDM的发送端，输入为二进制比特流、图像，或随机序列a_n，然后，采用正交幅度调制(QAM：Quadrature Amplitude Modulation)或相移键控法(PSK：Phase-Shift-Keying)对a_n进行一次预调制，得到X_n，各子信道上的调制方式可以不同，也可以相同。比较平缓的子信道上加载较多的比特调制，衰落大的子信道上加载很少或者不加载比特，这个模块可以增加系统的传输速率。X_n经串并变换和快速傅立叶逆变换(IFFT：Inverse Fast FourierTransform)后得到时域信号x_l，n，即第l个符号中第n个采样值。在OFDM符号之间加入保护间隔，成为循环前缀CP，它可以消除多径衰落引起的码间干扰，这样就得到信号s_l，n。信号s_l，n经并串变换和数模转换，就可得到实际发送信号s(t)。在OFDM的接收端，实际上进行的是上述发送端的逆过程。

虽然，采用OFDM技术的通信系统具有很多优点，但是它的一个主要缺点就是具有较高的峰均功率比(PAPR：Peak-to-Average Power Ratio)，该峰均功率比可用下式来计算：

$\mathrm{PAPR}=10{\log }_{10}\left[\frac{\underset{n}{\max }\left({\left|x_n\right|}^2\right)}{\mathrm{mean}\left({\left|x_n\right|}^2\right)}\right]---\left(1\right)$

其中， 表示OFDM符号的最大功率，mean(|x_n|²)表示OFDM符号的平均功率。

通常OFDM信号可以看成是许多个独立同分布信号的总和，当相位相同时峰值功率是均值功率的N倍，其中N为子载波数。高的峰均功率比有很多不利的方面，例如，对放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器线性部分的动态范围不能满足信号的变化则接收信号会产生畸变，破坏OFDM信号各子载波的正交性，使系统性能恶化。

针对OFDM系统中峰均功率比的问题国内外进行了大量的研究，但是现有的方法都是以牺牲通信系统的其他性能指标作无代价来换取峰均功率比的降低，例如，误码率变大、系统的复杂性增加等。目前，已经提出的降低OFDM通信系统中峰均功率比的方法主要有：

(1)信号预畸变技术

信号预畸变技术主要包括限幅，压扩变换技术等。

1)限幅技术

限幅操作可以被看作是OFDM采样信号与矩形窗函数相乘，如果OFDM信号的幅值小于门限值时，则该矩形窗函数的幅值为1，否则，该矩形窗函数的幅值小于1。在我们的讨论中，我们将使用归一化的限幅门限，即限幅率CR，而限幅门限A＝CR*σ，其中，σ为OFDM信号的平均功率。这表明，在载波数为N的OFDM信号的条件下，基带信号平均功率为 $\mathrm{\σ}=\sqrt{N},$ 带通信号的平均功率为 $\mathrm{\σ}=\sqrt{N/2}.$ 根据时域相乘等于频域相卷积原理，经过限幅的OFDM信号的频谱等于原始OFDM信号的频谱与窗函数频谱的卷积，因此其带外频谱特性主要由两者之间频谱宽度较大的信号来决定，也就是矩形窗函数的频谱来决定

2)压扩变换技术

压扩变换可分为μ律和A律两种。在压扩变换方法中，通过把大功率发射信号压缩，把小功率发射信号进行放大，从而使发射信号的平均功率相对保持不变。这样不但可以降低系统的PAPR，而且可以使小信号抗干扰的能力增强。在本发明中，我们用的是μ律压扩变换，所以需要调节的参数也就是压扩系数μ。

(2)高速编码技术

高速编码技术主要包括：选择性映射SLM和部分传送序列PTS。

1)选择性映射(SLM：Selective Mapping)

OFDM系统的发射机内的信号可以表示为：

x_k＝IFFT[X_n]，(n，k＝0，1，…，N-1)，假设存在M个不同的、长度为N的随机相位序列矢量 $P^{\left(\mathrm{\μ}\right)}=(P_0^{\left(\mathrm{\μ}\right)},P_0^{\left(\mathrm{\μ}\right)},,P_{N-1}^{\left(\mathrm{\μ}\right)}),$ 其中(μ＝1，2，…，M)， _i ^(μ)在[0，2π)之间均匀分布。可以利用这M个相位矢量分别与IFFT的输入序列X进行点乘，则可以得到M个不同的输出序列X^(μ)；然后对所得到的M个序列X^(μ)分别实施离散傅立叶变换IFFT计算，相应得到M个不同的输出序列 $x^{\left(\mathrm{\μ}\right)}=(x_0^{\left(\mathrm{\μ}\right)},x_1^{\left(\mathrm{\μ}\right)},\·\·\·,x_{N-1}^{\left(\mathrm{\μ}\right)});$ 最后在给定PAPR门限值的条件下，从这M个时域信号序列内选择PAPR性能最好的用于传输。

2)部分传送序列(PTS：Partial Transmit Sequences)

首先利用向量来定义数据符号X＝[X₀，X₁，…，X_N-1]；然后把向量X分成V组，分别由{X_v，v＝1，2，…，V}来表示，其分割方法可以有多种如：相邻分割法、交织分割法、随机分割法，假设每个分组中所包括的子载波数量是相同的，然后将这M个分组按如下方式组合起来： $X^{\′}=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v{X}_v.$ 其中{b_v，v＝1，2，…，V}是加权系数，而且满足b_v＝exp(j_v)以及_v∈[0.2π]，这被称为辅助信息；然后对X′进行快速傅立叶反变换IFFT，得到x′＝IFFT{X′}。根据IFFT的线性，可以利用V个单独的离散傅立叶反变换IDFT，对各个分组进行计算得： $x^{\′}=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v\·\mathrm{IFFT}\left\{X_v\right\}=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{b}_v\·X_v,$ 其中引入了V个部分发送序列PTS，X_v＝IFFT{X_v}。通过使用优化算法选择辅助加权系数b_v，使得峰值信号达到最佳化。

(3)分组编码技术

常用的编码技术主要有戈雷Golay互补序列和Reed-Muller编码。Reed-Muller编码是一种高效的编码方案，它可以扩展到二进制、四进制、八进制甚至更高进制。它从理论上保证了很小的PAPR，也提供了很好纠错性能，同时也可以通过对码速率、PAPR和纠错性能的简单改变来处理不同信道的情况。Golay互补序列和二阶Reed-Muller码之间有非常紧密的关系，通过把二阶Reed-Muller码分成若干陪集来把对应于大PAPR的码字分开，从而起到降低PAPR的目的。

上述这些降低PAPR的方法都有其自身的局限性，主要存在以下不足之处：

(1)采用限幅技术对信号进行限幅会引入限幅噪声，当采用滤波器消除这些噪声时又会引起峰值再生，从而不能满足系统设计的要求；采用压扩变换技术虽然可以有效的降低系统的PAPR，但它又会对系统产生较大的影响。

(2)采用选择性映射、部分传送序列和编码技术是以增加冗余度为代价换来了PAPR的降低，当子载波数较大时，这几种方法都需要较大的计算量和复杂度，而在目前实用的OFDM通信系统中，子载波数一般都较大，所以其计算量和复杂度是难以接受的。

(3)无论采用以前的哪知方法，在降低峰均功率比的同时，都会导致通信系统性能的恶化，所以如何在峰均功率比和系统性能之间寻求最佳的折衷是目前需要解决的一个问题。

发明的内容

本发明的目的之一是提供一种能够根据实际通信环境和指标自动调节降低峰均功率比的OFDM通信系统；目的之二提供一种降低OFDM通信系统峰均功率比的方法，以改善因降低PAPR而对OFDM通信系统性能造成的不良影响。

实现本发明的技术方案采用预判断技术和自适应技术，以实现参数的自动优化和峰均功率比与系统性能之间的自动折衷，提高OFDM通信系统的灵活性和自适应性。

所说的预判断技术，是根据中心极限定理，峰均功率比的分布随着子载波数的增加逐渐趋于高斯分布。即当OFDM满足子载波数大于时，其分布已十分接近高斯分布，因而其PAPR较大。但由于通常OFDM通信系统处于大峰值功率的概率很低，一般OFDM信号功率超过平均功率的三倍，即当PAPR为9.6dB的概率约为0.1％，超过其四倍平均功率；当PAPR为12dB的概率小于0.01％，为了满足出现概率较低的大峰值功率而对信号一律进行降低峰均功率比的处理，会对系统的性能造成很大的影响。因此，本发明的预判断技术只对大峰值功率的信号进行处理，即先根据功率放大器的线性范围，确定出可以接受的峰均功率比PAPR₀，然后再判断系统的峰均功率比是否满足要求，如果满足要求，则不对OFDM信号进行处理而直接发送出去；如果不满足要求，则采用自适应技术，直到满足要求为止。

所说的自适应技术，主要指根据预定的性能指标和实际的通信情况，按照自适应算法自动的调整参数，在PAPR和通信系统的性能这一对矛盾之间寻求最优化并最终自动实现折衷。由于通信环境的千变万化，特别是在无线移动通信中，电波传播的主要方式是直射波、折射波、反射波以及它们的合成波，再加上移动台本身的运动，使得移动台与基站之间的无线信道多变且难以控制，信号通过信道时会遭受各种衰落的影响，如果采用固定参数的降低PAPR的方法，就不能适应多变信道的实际。自适应技术的采用主要是考虑到要适应多变信道的实际，以增加通信系统的灵活性和自适应性。

本发明的OFDM通信系统，包括：发送单元、预判断单元、自适应降低峰均功率比单元、降低峰均功率比的逆过程单元、接收单元。其中：

发送单元，用于接收4-QAM调制和串并变换后的信号，并经过快速傅立叶逆变换、加循环前缀和并串变换，形成OFDM发送信号，送入预判断单元；

预判断单元，用于对OFDM发送信号进行预判断处理，分别通过两路输出，即一路将无需降低峰均功率比的信号直接送到数模转换单元，另一路将需要降低峰均功率比的信号，送到自适应降低峰均功率比单元；

自适应降低峰均功率比单元，用于对预判断单元输出的信号，通过自动调节降低峰均功率比方法的参数，得到满足要求的峰均功率比和系统性能的信号，送到数模转换单元；

降低峰均功率比的逆过程单元，用于将预判断后采用了降低峰均功率比方法的信号进行逆过程恢复，然后送入串并变换单元；

接收单元，用于接收经过串并变换的信号，并通过去循环前缀、快速傅立叶变换，输出到并串变换单元，经过4-QAM解调后得到需要的信号。

本发明采用所述的预判断技术和自适应技术，降低OFDM通信系统中峰均功率比的方法步骤如下：

首先，根据功率放大器的线性范围，预定出通信系统可以接受的峰均功率比PAPR₀和允许误差a；

然后，对经过快速傅里叶逆变换和并串变换后的信号，进行预判断：也就是如果系统中的峰均功率比PAPR满足预定的PAPR₀要求，则直接发送数据；如果系统的PAPR不满足预定的PAPR₀要求，则对降低PAPR方法的参数进行如下过程的自适应处理后，再发送数据：

(1)确定OFDM信号最初的参数，例如压扩系数μ或限幅率CR、循环系数λ、总循环次数n、允许误差a；

(2)先对OFDM信号进行处理，例如压扩变换或限幅，再通过通用公式：

${\mathrm{PAPR}}_1={10\log }_{10}\left[\frac{\underset{n}{\max }\left({\left|x_n\right|}^2\right)}{\mathrm{mean}\left({\left|x_n\right|}^2\right)}\right]$ 计算出当时的峰均功率比PAPR₁式中，

表示OFDM符号的最大功率，mean(|x_n|²)表示OFDM符号的平均功率；

(3)将当时的峰均功率比PAPR₁与预定的峰均功率比PAPR₀进行比较，如果满足要求，则直接将数据发送出去；

(4)如果当时的峰均功率比PAPR₁大于预定的峰均功率PAPR₀，则根据二者的差值来增大压扩系数μ或减小限幅率CR，返回自适应步骤(2)；

(5)如果当时的峰均功率比PAPR₁小于预定的峰均功率比PAPR₀，则再判断二者的差值是否在允许误差a的范围之内，如果该差值在允许误差a的范围内，则循环结束，发送数据；如果该差值不在允许误差a的范围内，则减小压扩系数μ或增大限幅率CR，并返回自适应步骤(2)。

上述预定的峰均功率比PAPR₀主要由功率放大器的线性动态范围来确定，峰值功率不大于功率放大器允许的输入功率。

上述预定预定通信系统的允许误差a，根据通信系统的调节精度要求来确定，调节精度越高，a的取值越小。

上述循环的原则是使系统的PAPR尽可能的接近预定值，所以总循环次数在理论上是越大越好，这样才可达到对系统性能的影响最小，同时又能满足PAPR的要求。但如果取得过大又会影响传输效率，故在实际应用中根据实际情况来选取，在本发明的仿真中，取总循环次数为5，即可达到预定要求，如表1和表2所示。

本发明与现有的降低峰均功率比的方法相比，具有如下优点：

1.由于本发明基于在实际通信中高的峰均功率比出现的概率较小的事实，所以采用预判断技术是很有用的，通过采用预判断技术可以只对小概率的高PAPR的信号进行相应的处理，因而避免了对所有信号都要进行不必要的处理，提高了传输效率，且对整个通信系统性能的影响不是很大，提高了通信系统的灵活性；

2.由于本发明采用基于自适应技术，根据预期指标和实际通信信道环境，自动的调节通信参数，使其尽可能的满足预期要求，因此，可以使峰均功率比尽可能的满足我们的要求，并且自动实现了PAPR和系统性能之间的折衷，提高了通信系统的自适应性和智能性。

附图说明

图1是现有OFDM通信系统的原理框图

图2是采用本发明方法的OFDM通信系统原理框图

图3是本发明的第一实施例原理流程图

图4是本发明的第二实施例原理流程图

图5是本发明的第一实施例的互补累积分布函数CCDF对比图

图6是本发明的第一实施例的误码率对比图和压扩系数μ的变化图

图7是本发明的第二实施例的互补累积分布函数CCDF对比图

图8是本发明的第二实施例的误码率对比图和限幅率CR的变化图

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

参照图2，OFDM通信系统的发射部分主要包括：4-QAM调制器、快速傅立叶逆变换IFFT数字信号处理器6、并串变换8、自适应降低峰均功率比单元13、数模转换器15、低通滤波器16，接收部分实际上是发送部分的逆过程，主要包括：低通滤波器20、模数转换22、快速傅立叶变换FFT数字信号处理器29、4-QAM解调器32。

OFDM通信系统的发送、接收过程分别如下：

发送时，信源1产生的携带信息的数据符号流2送到调制器3，进行第一次正交幅度调制，这里采用4-QAM调制。二进制数据流经过4-QAM调制后，也就是将各个并行信道上二进制数据映射为信号星座图上的点，即形成复数形式的数据序列。该数据经过串并变换4后的数据5送到OFDM的发送端。由快速傅立叶逆变换IFFT数字信号处理器6对该复数并行序列进行第二次调制，即用一组彼此正交的正弦和余弦信号对原来的信号进行频率调制，得到调制后的并行复数数据，为了保持同步在复数数据里加上循环前缀7。该复数数据通过并串变换8，将各通道的数据流合并为串行数据流9，即OFDM符号，被送到预判断单元10。

预判断单元10有两路数据输出线11和12，预判断单元进行预判断的过程是：先求出OFDM符号9的峰均功率比PAPR₁，然后和可以接受的PAPR₀进行比较，如果此时的PAPR₁满足PAPR₀的要求，则符号9通过输出线11直接进入数模转换器15；如果此时的PAPR₁大于PAPR₀，则符号9通过输出线12进入自适应降低峰均功率比单元13来降低PAPR₁。

自适应降低峰均功率比单元13的主要作用是：通过采用自适应算法，自动的调节压扩系数μ或限幅率CR，以使通信系统的峰均功率比尽可能的满足要求。其工作过程为：对预判断后的数据通过降低峰均功率比处理后，再通过采用自适应算法部分，通过迭代循环过程后得到最优的参数值，对于压扩变换就是压扩系数μ，对于限幅方法则是限幅率CR，这时就得到了尽可能满足要求的的峰均功率比。

通过自适应压缩变换后的数据再加上辅助信息得到串行复数数据14，被送到数模转换器15，经过数模转换后送到低通滤波器16进行滤波，滤波后得到的数据17被送到信道18发射出去。这里的低通滤波器也被称为成型滤波器，可以是升余弦滤波器、FIR滤波器、IIR滤波器，也可以是其他类型的低通滤波器，它的主要作用是限制发送信号的带宽，改善信号的边带、频谱特性，使具有较好的衰减，以便减少混叠效应。所以这时低通滤波器16的设计很关键，具体设计时应考虑数据传输速率、带宽、信道特性等诸多因素。这里的信道可以是各种信道，既可以是有线信道也可以是无线信道，如果是无线信道的话，还需对数据17进行上边频处理，这里为简单起见采用加性高斯白噪声(AWGN：Additive White GaussianNoise)信道。

接收时，通过信道18的信号需要经过低通滤波器20得到模拟信号21，这个滤波器也被称为匹配滤波器。该模拟信号通过模数转换器22后变成数字信号。该模数转换器22有两路数字信号输出线，分别对应发送过程中的预判断情况，如果预判断后没有采用降低峰均功率比的方法，则对模数转换22后的信号不进行任何处理，通过传输线23直接进入串并变换器27；如果预判断后采用降低峰均功率比的方法，则模数转换器22输出的数字信号通过传输线24进入相应的降低峰均功率比的逆过程25，然后再送入串并变换27；在对串并变换后的并行复数数据流进行解调前还需要去除循环前缀28，然后由快速傅立叶变换FFT数字信号处理器29对该数据流进行解调后得到信号30，该信号再经过并串变换31和4-QAM解调32后恢复出与原始信息2基本相同的接收信息33，以满足信宿34的要求。

由于通信环境的千变万化，特别是在无线移动通信中，电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、反射波以及它们的合成波。再加上移动台本身的运动，使得移动台与基站之间的无线信道多变且难以控制，信号通过信道时会遭受各种衰落的影响，所以如果采用固定参数的降低PAPR的方法，就不能适应多变信道的实际。所以本发明引入了自适应技术，这里的自适应技术主要指根据预定的性能指标和实际的通信情况，按照自适应算法，自动的调整参数，在降低PAPR和通信系统的性能这一对矛盾之间寻求最优化并最终自动实现折中。因此在OFDM通信系统工作时，经预判断之后的信号，如果需要采用自适应技术，就要利用自适应压缩变换进行参数的循环。对于自适应压缩变换可以采用不同的方法，例如：压扩、限幅、部分传送序列、选择性映射、编码等。本发明给出了两种实施例。

实施例1

本发明的第一实施例是结合压扩变换来讨论的，其实施流程图如图3所示：第一步，首先确定可以接受的峰均功率比PAPR₀；

第二步，计算出原始信号的峰均功率比PAPR，并进行预判断，以决定是否需要采用压扩变换来降低峰均功率比；如果原始信号的峰均功率比PAPR大于PAPR₀，则需要进行第三步过程进行自适应降低峰均功率比；如果原始信号的峰均功率比PAPR小于PAPR₀，则跳转到第四步；

第三步，自适应降低峰均功率比过程：

(1)确定出压扩系数μ、迭代系数λ、总迭代次数n、允许误差a；

(2)对输入数据进行压扩系数为μ的μ律压扩变换，并计算出压扩变换之后的峰均功率比PAPR₁；即

${\mathrm{PAPR}}_1={10\log }_{10}\left[\frac{\underset{n}{\max }\left({\left|x_n\right|}^2\right)}{\mathrm{mean}\left({\left|x_n\right|}^2\right)}\right]$

式中，

表示OFDM符号的最大功率，mean(|x_n|²)表示OFDM符号的平均功率；

(3)对压扩系数进行迭代优化处理，即先判断迭代次数是否到了，如果迭代次数已到则迭代结束；如果迭代次数未到，再判断PAPR₁是否大于PAPR₀，如果PAPR₁大于PAPR₀，则根据二者的差值来加大压扩系数μ，即按照μ＝(1+α)μ，其中α＝(PAPR1-PAPR0)*λ来调整参数μ，然后返回第三步的开始；如果PAPR₁小于PAPR₀，这时还需要判断二者的差值是否在允许的范围内，如果在允许范围内，则迭代结束，回到第四步；如果不在允许范围内，则根据二者的差值来减小压扩系数μ，即按照μ＝(1+α)μ，其中α＝(PAPR1-PAPR0)*λ，来调整参数μ，然后返回第三步的开始，直到迭代满足要求为止。

第四步，迭代过程结束，将数据发送出去。

可见，本发明循环的原则是使系统的峰均功率比尽可能的接近预定值，以实现既对系统性能的影响最小，同时又能满足峰均功率比的要求。

实施例2

本发明的第二实施例是结合限幅来讨论的，其实施过程如图4：

第一步，首先确定可以接受的峰均功率比PAPR₀；

第二步，计算出原始信号的峰均功率比PAPR，并进行预判断，以决定是否需要采用限幅方法来降低峰均功率比；如果原始信号的峰均功率比PAPR大于PAPR₀，则需要进行第三步过程进行自适应降低峰均功率比；如果原始信号的峰均功率比PAPR小于PAPR₀，则跳转到第四步；

第三步，自适应降低峰均功率比过程：

(1)定出限幅率CR、迭代系数λ、总迭代次数n、允许误差a；

(2)对输入数据进行限幅率为CR的限幅，并通过通用公式计算出采用限幅方法之后的峰均功率比PAPR₁，即

${\mathrm{PAPR}}_1={10\log }_{10}\left[\frac{\underset{n}{\max }\left({\left|x_n\right|}^2\right)}{\mathrm{mean}\left({\left|x_n\right|}^2\right)}\right]$

式中，

表示OFDM符号的最大功率，mean(|x_n|²)表示OFDM符号的平均功率；

(3)对限幅率CR进行迭代优化处理，即先判断迭代次数是否到了，如果迭代次数已到则迭代结束；如果迭代次数未到，再判断PAPR₁是否大于PAPR₀，如果PAPR₁大于PAPR₀，则根据二者的差值来减小限幅率CR，即按照CR＝(1-α)CR，其中α＝(PAPR1-PAPR0)*λ来调整限幅率CR，然后返回第三步的开始；如果PAPR₁小于PAPR₀，这时还需要判断二者的差值是否在允许的范围内，如果在允许范围内，则迭代结束，回到第四步；如果不在允许范围内，则根据二者的差值来加大限幅率CR，即按照CR＝(1-α)CR，其中α＝(PAPR1-PAPR0)*λ，来调整参数限幅率CR，然后返回第三步的开始，直到迭代满足要求为止；

第四步，迭代过程结束，将数据发送出去。

本发明降低PAPR的方法与目前已经提出的降低PAPR的方法相比，其突出的优点就是通过采用预判断技术和自适应技术，增加了OFDM通信系统的灵活性和自适应性，并且可以使通信系统的各项性能指标都能尽可能的满足要求，而且也不会增加太大的系统复杂度。

本发明的效果可以通过以下仿真实验结果进一步验证，在仿真中用到的互补累积分布函数CCDF是指PAPR超过某一值(例如，PAPR_c)的概率，用数学式子可表示为：Prob{PAPR＞PAPR_c|。

仿真实验1

取总迭代次数n为5、允许误差a为0.1dB、PAPR₀为6.8dB；取1024个子载波并采用4-QAM调制方式，采用加性高斯白噪声信道，对自适应压扩方法进行仿真实验。

当SNR＝14dB时，其峰均功率比的CCDF对比如图5所示。由图5可见，原始OFDM符号的峰均功率比最高，采用预判断技术和自适应技术的峰均功率比最低，而采用原始压扩变换方法(μ＝1)的峰均功率比在二者之间。

当SNR＝14时，误码率对比图和压扩系数μ的自动调节过程如图6所示。

当SNR＝14时，压扩系数μ的变化情况如表1。

表1：SNR＝14dB的压扩系数μ变化情况

仿真次数	压扩系数μ的变化情况
		1	1.0→0.7149→0.6141→0.6248
2	1.0→0.691→0.577
		... ...	... ... ... ... ...
100	1.0→0.6407→0.4985→0.4353
		... ...	... ... ... ... ...
9900	1.0→0.73
		9901	1.0
... ...	... ... ... ... ...
		10000	1.0→0.6805→0.5596

由表1可以看出压扩系数μ是可以自动调节的，对于第一次仿真，压扩系数μ由最初的1.0变到0.7149，在调节到0.6141，最后当调节到0.6248的时候，这时的PAPR满足我们的要求，所以迭代结束；对于第二次仿真和以后的仿真，变化情况类似。

由图6可见：不对信号进行处理的误码率最小，但它的PAPR过大，最大值可为12.2845dB；而采用自适应技术的误码率要比压扩系数μ固定的传统压扩变换的误码率小。这里仿真10000次，采用自适应技术的误码率的均值为2.613×10^-4，传统压扩变换(压扩系数μ固定)的误码率为4.318×10^-4；并且采用自适应技术的PAPR也是最小的，这时它的PAPR最大值为6.8dB，而压扩系数μ固定的传统压扩变换的PAPR最大值为7.7563dB。可见，采用本发明的方法的性能最好，并且自动实现了PAPR和误码率之间的折衷。另外从图6还可看出，通过采用预判断技术和自适应技术在降低PAPR的同时对系统性能的影响也较小。

仿真实验2

取总迭代次数n为5、允许误差a为0.1dB、PAPR₀为6.9dB，取1024个子载波并采用4-QAM调制方式，采用加性高斯白噪声信道，对自适应限幅方法进行仿真实验。

当SNR＝14dB时，峰均功率比的互补累积分布函数对比如图7。由图7可见：原始OFDM符号的峰均功率比最高，采用预判断技术和自适应技术的峰均功率比最低，而采用原始限幅方法(CR＝2.2)的峰均功率比在二者之间。

当SNR＝14dB时，误码率对比和门限系数CR的自动调节过程如图8。

当SNR＝14dB时，限幅门限值CR的变化情况如表2。

表2：SNR＝14dB的限幅门限值CR变化情况

仿真次数	限幅参数CR的变化情况
		1	2.2→2.1215→2.1796→2.1328
2	2.2→2.1193→0.577
		... ...	... ... ... ... ...
100	2.2→2.1229→2.1808→2.1341
		... ...	... ... ... ... ...
9990	2.2→2.2758
		9991	2.2→2.1238→2.1812→2.1350
... ...	... ... ... ... ...
		10000	2.2→2.1168

表2表明：限幅率CR可以按照自适应算法自动的调节，直到PAPR满足的要求。

从图7和图8同样可以看出采用自适应技术的限幅方法比传统的限幅方法要好。另外从图8还可看出，通过采用预判断技术和自适应技术在降低PAPR的同时对系统性能的影响也较小。

以上是本发明仿真了SNR＝14dB时，采用压扩变换和限幅方法的情况。对于其它减低PAPR方法和其它信噪比情况的分析和仿真与此类似。

尽管本发明中降低PAPR的方法是针对多载波中的OFDM通信系统来讨论和仿真的，但它同样适用于其它具有较高PAPR的多载波通信系统，例如，移动通信、数字广播、数字电视及光纤通信等领域。另外本发明是结合压扩变换和限幅来说明预判断技术和自适应技术的，但本发明同样还适用于其它降低PAPR的方法，例如：选择性映射、部分传送序列、编码方法等。不同的方法其参数不同，例如，对于压扩变换方法，其参数就是指压扩系数μ；对于限幅方法，其参数是指限幅率CR；对于PTS方法，其参数则是指分组数V；对于SLM方法，其参数则指随机相位序列矢量的个数M，采用本发明的方法中就可确定这些不同的参数。

Claims (4)

1.一种OFDM通信系统，包括：

发送单元，用于接收4-QAM调制和串并变换后的信号，并经过快速傅立叶逆变换、加循环前缀和并串变换，形成OFDM发送信号，送入预判断单元；

预判断单元，用于对OFDM发送信号进行预判断处理，分别通过两路输出，即一路将无需降低峰均功率比的信号直接送到数模转换单元，另一路将需要降低峰均功率比的信号，送到自适应降低峰均功率比单元；

自适应降低峰均功率比单元，用于对预判断单元输出的信号，通过自动调节降低峰均功率比方法的参数，得到满足要求的峰均功率比和系统性能的信号，送到数模转换单元；

降低峰均功率比的逆过程单元，用于将预判断后采用了降低峰均功率比方法的信号进行逆过程恢复，然后送入串并变换单元；

接收单元，用于接收经过串并变换的信号，并通过去循环前缀、快速傅立叶变换，输出到并串变换单元，经过4-QAM解调后得到需要的信号。

2.一种降低OFDM通信系统中的峰均功率比方法，步骤如下：

首先，预定出通信系统可以接受的峰均功率比PAPR₀和允许误差a；

然后，对经过快速傅里叶逆变换IFFT和并串变换后的信号进行预判断；如果系统中的峰均功率比PAPR满足预定的PAPR₀要求，则直接发送数据；如果系统的比PAPR不满足预定的PAPR₀要求，则对PAPR的参数进行如下过程的自适应处理后，再发送数据：

(1)确定OFDM信号的压扩系数μ或限幅率CR、循环系数λ及总循环次数n；

(2)根据(1)对OFDM信号进行压扩变换或限幅，再利用通用公式计算出当时的峰均功率比PAPR₁，即

${\mathrm{PAPR}}_1=10\mathrm{lo}{g}_{10}[\underset{n}{\mathrm{ma}}x\left({\left|x_n\right|}^2\right)/\mathrm{mean}\left({\left|x_n\right|}^2\right)]$

式中， 表示OFDM符号的最大功率，

表示OFDM符号的平均功率；

(3)将当时峰均功率比PAPR₁与预定的峰均功率比PAPR₀进行比较，如果满足要求，则直接将数据发送出去；

(4)如果当时的峰均功率比PAPR₁大于预定的峰均功率PAPR₀，则根据二者的差值来增大压扩系数μ或减小限幅率CR，返回自适应步骤(2)；

(5)如果当时的峰均功率比PAPR₁小于预定的峰均功率比PAPR₀，则先判断二者的差值是否在允许误差a的范围之内，如果该差值在允许误差a的范围内，则循环结束，发送数据；如果该差值不在允许误差a的范围内，则减小压扩系数μ或增大限幅率CR，并返回自适应步骤(2)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中预定通信系统可以接受的峰均功率比PAPR₀主要根据通信系统功率放大器的线性动态范围来确定，即峰值功率小于或者等于功率放大器允许的输入功率。

4.根据权利要求2所述的方法，其中预定通信系统的允许误差a，根据通信系统的调节精度要求来确定，调节精度越高，a的取值越小。

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