CN1601940A - 正交频分复用信号峰均功率比抑制的相位扰动法 - Google Patents

Abstract

一种抑制正交频分复用信号峰均功率比的相位扰动法，包括：信息元相位扰动和抑制元相位扰动，在采用相位扰动法抑制峰均功率比的正交频分复用系统中，子载波序列的调制矢量由信息元分量和抑制元分量构成，其特征在于，包括如下步骤：1)时域信号峰均功率比大于设定阈值时，在信息元相位上迭加伪随机相位；2)而抑制元的扰动相位由梯度算法搜索获得；3)接收机时域采样、解调后，直接删除相应子载波上的频域信息得到有用信息。

Description

正交频分复用信号峰均功率比抑制的相位扰动法

技术领域

本发明涉及一种抑制正交频分复用(OFDM)峰均功率比(PAR)的相位扰动方法。

背景技术

正交频分复用(OFDM)，是一种无线环境下的高速宽带传输技术。鉴于无线信道的频率选择性响应，正交频分复用技术的主要思想是在频域内将所给信道分成多个子信道，各个子信道上使用一个子载波进行调制，子载波序列并行传输，因此子信道的频率响应是相对平坦的，而且信号带宽小于信道的相关带宽，大大减少了符号间干扰；相互覆盖的子载波频谱由于正交特性，不会产生相互干扰，提高信道的频谱利用率。

由于强抗信道失真性以及高频谱利用率的优点，正交频分复用技术已经在无线局域网(WLAN)、数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)和非对称数字用户线(ADSL)等许多领域得到广泛应用，也可能是下一代蜂窝移动网络的无线接入技术。

OFDM调制的主要缺点是大的峰均功率比(PAR)。这种方式下，子载波传输的信息统计独立，时域波形近似高斯分布；一旦发射机功率放大器的线性放大范围不够大，将导致严重的信号带内失真和频谱扩散，影响通信质量。

目前为止，已经提出了多种抑制正交频分复用峰均功率比的方法。最直接的方案是在OFDM信号放大前削除波形中的峰值，这使系统的比特差错率(BER)性能变差；编码方案需要计算所有信息序列组合的峰均功率比，运算量大，仅适用于载波少的OFDM系统；信息码字映射为格雷序列或者M序列的形式发送，编码率低。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种抑制正交频分复用峰均功率比的相位扰动方法，消除了由调制矢量中多个连续的相同信息元分量引起的超大峰均功率比；综合运用信息元相位扰动和抑制元相位扰动算法后，MonteCarlo仿真128载波的正交频分复用系统表明，其峰均功率比低于5dB，主要集中在3～4dB；发射机硬件复杂度增加不大，接收机基本不改变；该相位扰动算法的加入，不会影响接收机对信息的正常接收。

本发明一种抑制正交频分复用信号峰均功率比的相位扰动法，包括：信息元相位扰动和抑制元相位扰动，在采用相位扰动法抑制峰均功率比的正交频分复用系统中，子载波序列的调制矢量由信息元分量和抑制元分量构成，其特征在于，包括如下步骤：

1)时域信号峰均功率比大于设定阈值时，在信息元相位上迭加伪随机相位；

2)而抑制元的扰动相位由梯度算法搜索获得；

3)接收机时域采样、解调后，直接删除相应子载波上的频域信息得到有用信息。

其中调制矢量的信息元来自于信源，而抑制元人为加入；以信息元分量的相位扰动操作为先；为增强对无线高速移动信道频率选择性响应的抵抗能力，抑制元等频率间隔分布在调制矢量中。

首先计算抑制元分量未进行相位扰动时，调制矢量对应的峰均功率比，如果超过设定的阈值，在信息元分量上叠加伪随机扰动相位，否则，信息元分量的相位保持不变；伪随机扰动相位根据伪随机二进制序列生成多项式和正交相移键控星座图映射得到。

其中抑制元相位由梯度算法搜索获得，最终根据运算量上限或者期望的峰均功率比决定是否停止搜索过程。

其中选取整个圆周上的多个等间隔离散相位点，从抑制元相位的初始点出发，计算抑制元的某个离散相位点组合对应的正交频分复用信号峰均功率比，以小峰均功率比的离散相位点组合取代前一较大峰均功率比组合，最终可以取得初始点附近的一个局部极小点；抑制元相位搜索过程中，信息元相位保持不变。

其中抑制元的数目以及抑制元相位搜索中整个圆周上离散点的数目人为选择，实现信息速率、搜索算法运算量与峰均功率比的折中，以适应不同的通信环境和通信要求。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是抑制峰均功率比的相位扰动法运算流程框图；

图2是根据本发明的基本思路Monte Carlo仿真得到的128载波系统峰均功率比抑制对比曲线。

具体实施方式

请参阅图1，本发明一种抑制正交频分复用信号峰均功率比的相位扰动法，包括：信息元相位扰动和抑制元相位扰动，在采用相位扰动法抑制峰均功率比的正交频分复用系统中，子载波序列的调制矢量由信息元分量和抑制元分量构成，包括如下步骤：

1)时域信号峰均功率比大于设定阈值时，在信息元相位上迭加伪随机相位，

2)而抑制元的扰动相位由梯度算法搜索获得；其中抑制元的数目以及抑制元相位搜索中整个圆周上离散点的数目人为选择，实现信息速率、搜索算法运算量与峰均功率比的折中，以适应不同的通信环境和通信要求；

3)接收机时域采样、解调后，直接删除相应子载波上的频域信息得到有用信息。

其中调制矢量的信息元来自于信源，而抑制元人为加入；以信息元分量的相位扰动操作为先；为增强对无线高速移动信道频率选择性响应的抵抗能力，抑制元等频率间隔分布在调制矢量中；首先计算抑制元分量未进行相位扰动时，调制矢量对应的峰均功率比，如果超过设定的阈值，在信息元分量上叠加伪随机扰动相位，否则，信息元分量的相位保持不变；伪随机扰动相位根据伪随机二进制序列生成多项式和正交相移键控星座图映射得到；其中抑制元相位由梯度算法搜索获得，最终根据运算量上限或者期望的峰均功率比决定是否停止搜索过程；其中选取整个圆周上的多个等间隔离散相位点，从抑制元相位的初始点出发，计算抑制元的某个离散相位点组合对应的正交频分复用信号峰均功率比，以小峰均功率比的离散相位点组合取代前一较大峰均功率比组合，最终可以取得初始点附近的一个局部极小点；抑制元相位搜索过程中，信息元相位保持不变；

图2是根据本发明的基本思路Monte Carlo仿真得到的128载波系统峰均功率比抑制对比曲线。

OFDM系统中，信息流经过数字映射以及交织处理得到调制复数序列，含有N个元的复数序列可以表示为频域调制矢量 $\stackrel{\→}{X}=[X\left(0\right),X\left(1\right),K,X(N-1)],$ 其中N是OFDM系统中子载波数目，复数元X(k)(0≤k≤N-1)∈C，C是数字映射星座图的映射点集合。QPSK调制方式的一种映射点集合 $C=\left\{\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)\right|{\mathrm{\φ}}_k=\frac{\mathrm{\π}}{4},\frac{3\mathrm{\π}}{4},\frac{5\mathrm{\π}}{4},\frac{7\mathrm{\π}}{4}\}.$ 时域模拟OFDM符号为：

$s\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)\mathrm{expj}\left(2\mathrm{\πk\Δft}\right),t\∈[0,T)$

其中Δf是OFDM子载波的载波间隔，T是OFDM符号周期， $\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T}$ 时各子载波是正交的.IFFT调制结果时域矢量 的分量x(n)(n＝0，1，K，N-1)是OFDM符号s(t)的时域采样值，采样间隔是T_s，即x(n)＝s(nT_s)，(n＝0，1，K，N-1).符号s(t)的峰均功率比如下定义：

$\mathrm{PAR}\left(\mathrm{dB}\right)=10{\log }_2\frac{\max \left\{{\left|s\left(t\right)\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|s\left(t\right)\right|}^2\right\}}$

抑制元的相位扰动从时域角度着手，比较抑制矢量各分量不同扰动相位对应的峰均功率比，选取峰均功率比最小对应的扰动相位，而信息元的相位扰动基于对信息矢量的频域随机相位迭加的思想。

构造信息矢量

和抑制矢量 满足： $\stackrel{\→}{X}=\stackrel{\→}{X_F}+\stackrel{\→}{X_R}.$ 为增强对无线高速移动信道频率选择性响应的抵抗能力，抑制元等频率间隔分布在调制矢量 中，如下定义：

抽取抑制矢量

中的抑制元组成搜索矢量

$\stackrel{\→}{X_{\mathrm{OP}}}=[X_R(N/R-1),X_R(2N/R-1),K,X_R(N-1)]$

$=\left[X\right[(N/R-1),X(2N/R-1),K,X(N-1)]=X_{\mathrm{OP}}\left(0\right),X_{\mathrm{OP}}\left(1\right),K,X_{\mathrm{OP}}(R-1)].$

信息元相位扰动利用伪随机二进制序列发生器生成附加伪随机相位，从频域消除多个相位相同的信息元的连续状态.伪随机二进制序列的生成多项式为7阶：S(x)＝x⁷+x⁴+1，预置非全零状态字.建立如下的映射f：

$\frac{1+j}{\sqrt{2}}\↔00,\frac{-1+j}{\sqrt{2}}\↔01,\frac{-1-j}{\sqrt{2}}\↔11,\frac{1-j}{\sqrt{2}}\↔10,$

频率交织模块输出的复数信息元，经过该映射，得到相应的二进制序列，输入相位扰动器，输出的二进制序列按照逆映射f^-1规则变换成为扰动后的信息元。

设调制矢量

中插入了R个抑制元x_r(n)(n＝0，1，K，R-1)。抑制元的模和幅角取值满足：|x_r|＝1，∠x_r＝2πκ_r/N_sd，(κ_r＝0，1，Λ，N_sd-1)，其中N_sd为抑制元扰动相位搜索的细分度，κ_r是特定抑制元的扰动相位对应取值。调制矢量 中信息元数目F＝N-R，为说明问题方便，假设N和R是2的整数次幂。

设R维空间的单位搜索矢量为：

v⁽¹⁾＝[υ，0，K，0]，v⁽²⁾＝[0，υ，K，0]K，v^(R)＝[0，0，K，υ]，统一表示为：

$v^{\left(i\right)}=[0,K,\stackrel{i}{\mathrm{\υ}},K,0],i=\mathrm{1,2},K,R,\mathrm{\υ}=\exp (j2\mathrm{\π}/N_{\mathrm{sd}}).$

分别沿各个矢量v⁽ⁱ⁾的方向搜索使得峰均功率比最小的解.选取一初始矢量 由 沿第一个单位搜索矢量v⁽¹⁾的方向在矢量集V⁽¹⁾＝{nυ⁽¹⁾|n＝0，1，K，N_sd-1}中求最优解，得到 以

为起点，沿第二个单位搜索矢量v⁽²⁾的方向在矢量集V⁽²⁾＝{nυ⁽²⁾|n＝0，1，K，N_sd-1}中求最优解，得到

依次类推，一直到沿第R个单位搜索矢量v^(R)的方向在矢量集V^(R)＝{nυ^(R)|n＝0，1，K，N_sd-1}中求最优解，得到 这时，如果达到峰均功率比的要求PAR＜ε(或者最大运算量的上限ξ)，停止迭代，否则重复上述迭代过程。

对于由R维搜索矢量

张成的离散点空间E：

$E=\left\{\stackrel{\→}{X_{\mathrm{OP}}}\right|X_{\mathrm{OP}}\left(k\right)=0,\mathrm{\υ},K,(N_{\mathrm{sd}}-1)\mathrm{\υ},k=\mathrm{0,1},K,R-1\},$

抑制元扰动相位搜索的梯度算法力求获得满足要求： 的矢量

搜索运算的结果是初始矢量

附近的一个极小点，而不是离散点空间E中使得PAR达到最小值的最优矢量，因此抑制元扰动相位是次最优的。

根据FFT算法实现多载波调制的基本思想，可以认为时域采样值等同于D/A转换和滤波后的模拟信号，有如下关系：

$s\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)\exp \left(j2\mathrm{\πk\Δft}\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)\exp (j2\mathrm{\πkn}/N)=N\·\mathrm{IFFT}\left(X\left(k\right)\right)$

$=N\·\mathrm{IFFT}\left(X_F\left(k\right)\right)+N\·\mathrm{IFFT}\left(X_R\left(k\right)\right)=x_F\left(n\right)+x_R\left(n\right),0\≤n\≤N-1,t\∈[0,T)$

抑制元扰动相位确定过程中，信息矢量 固定，IFFT(X_F(k))只运算一次，而抑制矢量的每次变换都要重新计算IFFT(X_R(k))，时域信息信号x_F(n)和时域抑制信号x_R(n)相加是时域OFDM信号，运算IFFT(X_F(k))和IFFT(X_R(k))在物理结构上由同一部分实现。

考虑到实际FM波段的无线信道特性以及数字边带信号的可用带宽，实验中选择了128个子载波仿真.抑制矢量维数R、抑制元分量扰动相位搜索的细分度N_sd和抑制元扰动相位搜索过程结束条件等参数可以设定。

接收机时域采样和傅立叶变换后，由于抑制元在调制相量中位置已知，直接删除相应子载波上的频域信息得到有用信息；根据已知的信息元相位扰动器初始状态和伪随机相位生成多项式求得当前频域信息元的迭加相位，由模2加和映射关系f可以还原信息元分量的原始相位。

Claims (6)

1、一种抑制正交频分复用信号峰均功率比的相位扰动法，包括：信息元相位扰动和抑制元相位扰动，在采用相位扰动法抑制峰均功率比的正交频分复用系统中，子载波序列的调制矢量由信息元分量和抑制元分量构成，其特征在于，包括如下步骤：

1)时域信号峰均功率比大于设定阈值时，在信息元相位上迭加伪随机相位；

2)而抑制元的扰动相位由梯度算法搜索获得；

3)接收机时域采样、解调后，直接删除相应子载波上的频域信息得到有用信息。

2、根据权利要求1所述的正交频分复用信号峰均功率比抑制的相位扰动法，其特征在于，其中调制矢量的信息元来自于信源，而抑制元人为加入；以信息元分量的相位扰动操作为先；为增强对无线高速移动信道频率选择性响应的抵抗能力，抑制元等频率间隔分布在调制矢量中。

3、根据权利要求1所述的正交频分复用信号峰均功率比抑制的相位扰动法，其特征在于，首先计算抑制元分量未进行相位扰动时，调制矢量对应的峰均功率比，如果超过设定的阈值，在信息元分量上叠加伪随机扰动相位，否则，信息元分量的相位保持不变；伪随机扰动相位根据伪随机二进制序列生成多项式和正交相移键控星座图映射得到。

4、根据权利要求1所述的正交频分复用信号峰均功率比抑制的相位扰动法，其特征在于，其中抑制元相位由梯度算法搜索获得，最终根据运算量上限或者期望的峰均功率比决定是否停止搜索过程。

5、根据权利要求4所述的正交频分复用信号峰均功率比抑制的相位扰动法，其特征在于，其中选取整个圆周上的多个等间隔离散相位点，从抑制元相位的初始点出发，计算抑制元的某个离散相位点组合对应的正交频分复用信号峰均功率比，以小峰均功率比的离散相位点组合取代前一较大峰均功率比组合，最终可以取得初始点附近的一个局部极小点；抑制元相位搜索过程中，信息元相位保持不变。

6、根据权利要求1、4所述的正交频分复用信号峰均功率比抑制的相位扰动法，其特征在于，其中抑制元的数目以及抑制元相位搜索中整个圆周上离散点的数目人为选择，实现信息速率、搜索算法运算量与峰均功率比的折中，以适应不同的通信环境和通信要求。

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