CN1968237A - 一种降低正交频分复用系统峰均功率比的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低正交频分复用OFDM系统峰均功率比PAPR的装置，进一步包括：子载波分配模块，用于将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波；PAPR计算模块，用于根据OFDM信号的PAPR决定是否需要生成一组新的降低峰值数据；PAPR优化模块，用于生成新的降低峰值数据。本发明还提供了一种降低OFDM系统PAPR的方法，包括以下步骤：A.将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波；B.生成降低峰值数据；C.令降低峰值子载波承载降低峰值数据，令有效子载波承载有效数据；D.将包括降低峰值数据和有效数据的OFDM信号输出做后续处理。采用本发明提供的技术方案，可以在不增加接收端复杂度的情况下实现降低PAPR的目的，并且提高了通信的可靠性。

Description

一种降低正交频分复用系统峰均功率比的装置和方法
技术领域
本发明涉及移动通信正交频分复用技术，特别是涉及一种降低正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)系统中峰均功率比的装置和方法。
背景技术
OFDM技术是多载波宽带数字调制解调技术的一种，它的基本思想是将一个信道划分成若干个互相正交的子载波，并且将高速串行数据流分成相同个数的并行的低速子数据流，再将每个子数据流分别调制到不同的正交子载波上。OFDM技术可以有效抑制码间串扰，提高频谱的利用率，并且具有良好的抗多径干扰能力。同时，由于OFDM技术可以通过快速傅立叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)和快速傅立叶变换(Fast FourierTransform，FFT)来实现调制和解调，易于用数字处理芯片实现，因此被越来越广泛的应用于通信系统中。
一个典型的OFDM系统如图1所示。
在图1中，OFDM系统包括发射端100和接收端150。在发射端100中，从信道编码模块102一直到插入保护间隔模块114都是由数字信号处理器件完成的，其中IFFT模块完成OFDM调制；数模转换模块116是数模混合器件；射频模块118和天线120是模拟器件。在接收端150中，实际上是进行发射过程的逆处理，其中FFT模块完成OFDM解调。
OFDM技术的一个主要缺点是峰值功率与平均功率的比值(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)过高。这是因为OFDM调制器输出的数字信号波形是所有子载波波形的叠加，对于包含N个子载波的OFDM调制器来说，如果在某一时刻所有子载波上调制数据的相位相同，OFDM调制器的数字输出信号功率就是平均功率的N倍。PAPR高意味着OFDM数字信号的瞬时值会有较大的波动，这就要求数模混合器件和模拟器件具有很大的线性范围。而反过来这些部件的非线性会对信号产生非线性失真，从而引起误码率的提高以及带外泄漏的增加，从而导致整个系统性能的下降。因此，要改善系统性能，就要设法减小PAPR。
在现有技术中，实际系统所采用的减小PAPR的方法主要有选择映射法(Selected Mapping，SLM)和部分发送序列法(Partial Transmit Sequence，PTS)。
在SLM方法中，在发射端的插入导频模块和IFFT模块之间，先产生M个统计独立的随机辅助序列R1，R2，……，RM；然后用这M个序列分别与原序列做异或运算，异或运算得到M个不同的序列分别进行IFFT也就是OFDM调制；接下来计算每个IFFT输出序列的PAPR；最后选出PAPR最小的序列进入并串转换模块。这样发射端就需要增加额外的处理模块。在接收端，首先对接收到的序列进行FFT也就是OFDM解调；然后获取发射端采用了哪个辅助序列与原序列进行异或运算；最后用与发射端相同的辅助序列对接受到的序列做逆处理以恢复出原序列。这样接收端就需要额外的处理模块。PTS方法是将原序列分成若干组，属于同一组的原序列数据和相同的辅助序列数据作运算，因此，PTS方法可以看作是SLM方法的特殊情况。在PTS方法中接收端也需要知道发射端用什么样的辅助序列对原序列做了处理，进一步用同一个辅助序列对接受到的序列做逆处理以恢复出原始序列，因此同样需要接收端有额外的处理模块。
由此可见，在现有技术中，为了降低PAPR，除了需要在发射端增加额外的处理模块来对原序列进行处理以外，还需要在接收端增加相应的逆处理模块才能恢复出原序列，增加了接收端的复杂度。同时，如果关于辅助序列的信息在传输中出错的话，接收端就完全无法根据接收到的序列恢复出原始序列。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种降低OFDM系统峰均功率比的装置，一方面使得接收端无需获知发射端所用到的辅助信息就能恢复出原始序列，从而避免辅助信息的传送错误导致解调失败；另一方面使得接收端无需对接收到的序列做额外的处理，从而在降低PAPR的同时不增加接收端的复杂度。
本发明还提供一种降低OFDM系统峰均功率比的方法，一方面使得接收端无需获知发射端所用到的辅助信息就能恢复出原始序列，从而避免辅助信息的传送错误导致解调失败；另一方面使得接收端无需对接收到的序列做额外的处理，从而在降低PAPR的同时不增加接收端的复杂度。
为了达到上述目的，本发明提供了一种降低正交频分复用OFDM系统峰均功率比的装置，包括：
用于进行OFDM调制的快速傅立叶反变换模块和用于将快速傅立叶反变换的并行输出数据转变为串行OFDM数据的并串转换模块，该装置还包括：
子载波分配模块，用于将子载波分配为承载降低峰值数据的降低峰值子载波和承载有效数据的有效子载波，并接收峰均功率比PAPR优化模块的降低峰值数据和外部的有效数据，输出连接到快速傅立叶反变换模块；
PAPR计算模块，用于根据并串转换模块输出的OFDM信号的PAPR决定是否指示PAPR优化模块生成一组新的降低峰值数据；
PAPR优化模块，用于根据PAPR计算模块的指示生成新的降低峰值数据。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种降低OFDM系统峰均功率比的方法，包括：
步骤A，将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波；
步骤B，生成降低峰值数据；
步骤C，令降低峰值子载波承载步骤B生成的降低峰值数据，令有效子载波承载有效数据；
步骤D，将包括降低峰值数据和有效数据的OFDM信号输出做后续处理。
其中，步骤B所述生成降低峰值数据为：
步骤B1，设置降低峰值数据的初始值，计算OFDM信号的PAPR并判断是否低于预定的门限值，如果是则执行步骤C，否则执行步骤B2；
步骤B2，将降低峰值数据中的所有数据作为未优化数据，依次优化降低峰值数据中每一个数据的取值，执行步骤C。
其中，为降低峰值数据设置取值集合，步骤B2所述依次优化降低峰值数据中每一个数据的取值包括：
步骤B21，选取未优化的降低峰值数据中任意一个为当前进行优化的降低峰值数据；
步骤B22，对于当前要优化的降低峰值数据，将取值集合中除当前要优化的降低峰值数据的初始值外的其他值作为未取过的值；
步骤B23，将取值集合中未取过的任意值赋给当前要优化的降低峰值数据，同时固定除当前要优化的降低峰值数据外其他降低峰值数据的取值；
步骤B24，计算OFDM信号的PAPR并比较是否低于预定的门限值，如果是则执行步骤C，否则执行步骤B25；
步骤B25，判断当前要优化的降低峰值数据是否取遍了取值集合中的所有值，如果是则认为该降低峰值数据为已优化数据，执行步骤B26，否则执行步骤B23；
步骤B26，判断是否所有的降低峰值数据都为已优化数据，如果是则执行步骤C，否则返回执行步骤B21。
其中，所述将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波为随机分配。
其中，所述将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波为均匀分配。
其中，所述将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波为相邻分配。
其中，所述将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波为信道分配。
采用本发明提供的降低OFDM系统峰均功率比的装置和方法，由于发射端和接收端已经事先约定哪些子载波用于承载有效数据，因此接收端只要按照典型OFDM系统接收端的工作流程对接收到的序列进行FFT即OFDM解调，然后取对应子载波的数据作为有效数据进入导频抽取模块即可。这样接收端就可以不需要知道任何额外的信息，也不需要增加任何额外的模块，就可以把有效信号完全分离出来。从而在不增加接收端复杂度的情况下实现降低PAPR的目的，并且提高了通信的可靠性。
附图说明
图1是典型的OFDM系统框图。
图2是本发明提供的降低PAPR的装置的方框图。
图3是包含本发明提供的降低PAPR的装置的OFDM发射端方框图。
图4是本发明提供的降低PAPR的方法的流程图。
图5是本发明提供的降低PAPR的装置和方法的效果示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于，在OFDM系统的发射端，子载波中仅有一部分承载的数据为有效数据；另一部分承载的数据根据有效数据的PAPR调整，以使得两部分子载波所承载的数据的总PAPR低于预先设定的门限值，从而达到降低OFDM发射信号PAPR的目的，并且使得OFDM系统的接收端无需做任何改变即可恢复出有效数据。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
请参考图2，图2是本发明提供的降低PAPR的装置的方框图。
本发明提供的降低PAPR的装置包括以下组成部分。
子载波位置分配模块201，用于根据与接收端预先约定的规则将N个子载波的一部分，假设L个子载波，作为降低峰值子载波(Peak ReductionSub-Carriers，PRSC)承载降低峰值数据；子载波的剩余部分，N-L个子载波，作为有效数据子载波用于承载有效数据。子载波位置分配模块201的输入有两路，一路输入为并行的L个降低峰值数据，该路输入连接到图1的插入导频模块108；另一路为并行的N-L个有效数据，该路输入连接到PRSC优化模块209。子载波位置分配模块201输出为N个并行的数据，连接到IFFT模块110。所述子载波分配指的是安排L个降低峰值数据和N-L个有效数据在输出数据中的位置。
IFFT模块110，用于将子载波位置分配单元的结果对由降低峰值数据和有效数据组成的序列进行快速傅立叶反变换，完成对该序列的OFDM调制。该模块输入为N个并行数据，输出为输入数据经过IFFT变换后得到的N个并行数据。
并串转换模块112，用于将并行数据转换为串行数据，其输入为IFFT输出的N个并行数据，输出为串行的OFDM信号数据。
PAPR计算模块207，用于计算OFDM信号的PAPR，并判断计算结果是否低于预设的门限值，如果是，则将OFDM信号数据输出给图1中OFDM系统发射装置的插入保护间隔模块，否则指示PRSC优化模块重新生成降低峰值数据。
PRSC优化模块209，用于生成承载于PRSC的降低峰值数据，并输出给子载波位置分配模块201。
本发明所提供的降低PAPR装置位于图1中OFDM系统发射端的插入导频模块108之后和插入保护间隔模块114之前。采用本发明所提供的降低PAPR装置的OFDM系统发射端完整框图如图3所示。
请参考图4，图4是本发明所提供的降低PAPR方法的流程图。假设OFDM系统中所采用的N个子载波中的L个作为降低峰值子载波，这L个子载波为P1、P2……PL；其他N-L个作为有效子载波。降低峰值数据的幅度为有限集合A中的值，A中的元素数目为NA，A中的元素类型为非负整数；降低峰值数据的相位为有限集合P中的值，P中的元素数目为NP，且P＝{2πn/NP，n＝0、1、2……NP-1}，其中π为圆周率。
步骤401，将N个子载波按照与接收端约定的方式分配为降低峰值子载波和有效子载波两部分。
将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波的方法有四种：一种是伪随机分配，即在频域上每两个降低峰值子载波之间的有效子载波数目是随机的；一种是均匀分配，即在频域上每隔固定数目的有效子载波分配一个降低峰值子载波；一种是相邻分配，即选取N个子载波中在频域上连续的L个作为降低峰值子载波；一种是信道分配，即选取信道条件比较差的子载波作为降低峰值子载波。例如，如果所有子载波数目N为20，按照从1到20编号；降低峰值子载波数目L为5；有效子载波数目N-L为15，这时伪随机分配的一种情况为：降低峰值子载波编号3、5、9、17、20，其余编号的子载波为有效子载波。均匀分配的一种情况为：降低峰值子载波编号2、6、10、14、18，即降低峰值子载波的编号间隔为3，其余编号的子载波为有效子载波。相邻分配的一种情况为：降低峰值子载波编号9、10、11、12、13，其余编号的子载波为有效子载波。
需要说明的是，无论采用哪一种分配方式，都是由发射端和接收端约定好后固定下来的，或者至少在每次通信过程中是固定的。
步骤402，令降低峰值子载波上承载的降低峰值数据为预先设置的一组初始值，例如所有降低峰值数据的幅度为1且相位为0，令有效子载波上承载的数据为当前需要传输的有效数据。
步骤403，计算包括降低峰值子载波和有效子载波的OFDM信号的PAPR。
步骤404，比较计算出的PAPR是否低于根据OFDM系统发射端的数模混合器件和模拟器件的线性范围预先设定的门限PAPRmax，如果低于门限则执行步骤409否则执行步骤405。
步骤405，令降低峰值子载波索引变量k为1。
步骤406，计算降低峰值数据。
对于L个降低峰值子载波，固定除降低峰值子载波Pk以外其余降低峰值子载波所承载的降低峰值数据的值，依次计算当降低峰值子载波Pk所承载的降低峰值数据为不同幅度和不同相位值时OFDM信号的PAPR值，其中k为上述降低峰值子载波索引变量，降低峰值数据幅度取值为上述集合A中的元素，降低峰值数据相位取值为上述集合P中的元素。
在计算过程中可能出现两种情况：一种情况是当降低峰值子载波Pk所承载的数据为某个幅度和相位的组合时，OFDM信号的PAPR小于PAPRmax，这时不再考虑降低峰值子载波Pk所承载的数据取其他幅度和相位时的情况，执行步骤409；另一种情况是降低峰值子载波Pk所承载的数据取所有可能的幅度和相位组合的任意一个时，都不能使OFDM信号的PAPR小于PAPRmax，这时则选取OFDM信号的PAPR最小时对应的幅度和相位组合作为Pk所承载的降低峰值数据，执行步骤407。
步骤407，如果降低峰值子载波索引变量k等于降低峰值子载波的个数L，则执行步骤409；否则执行步骤408。
步骤408，令降低峰值子载波索引变量k的值为当前值加1，返回执行步骤406。
步骤409，将包括降低峰值子载波和有效子载波的OFDM信号输出作为实际待发射的信号做后续处理。
在以上过程中，降低峰值数据和有效数据在频域上是分离的，即分别承载于不同的子载波上。这样就可以看作是分别对降低峰值数据和有效数据进行IFFT产生两路OFDM信号；然后分别进行并串转换；接下来分别插入保护间隔；最后两路数字OFDM信号相加进入数模转换模块。如果有效数据的峰均功率比大，有效数据的OFDM信号在某些时刻的幅度就会超过数模转换模块线性范围；在这些时刻，经过优化后的降低峰值数据的OFDM信号的幅度值和有效数据的OFDM信号的幅度值符号相反，从而在与有效数据的OFDM信号相加后起到降低峰均功率比的作用。例如，假设数模转换模块的线性范围是±15mV，某时刻有效数据的OFDM信号幅度为18mV，这时如果降低峰值数据的OFDM信号幅度为-4mV，则降低峰值数据的OFDM信号与有效数据的OFDM信号相加后的信号幅度为14mV，没有超过数模转换模块的线性范围。以上mV表示毫伏。
请参考图5，图5是本发明提供的降低PAPR的装置和方法的效果示意图。
在图5中，横坐标是PAPR门限值，单位是分贝(dB)；纵坐标是实际的PAPR值超过某一门限值的概率，称为互补累计分布函数(ComplementaryCumulative Distribution Function，CCDF)。显然，对于一个固定的系统来说，门限值越高，超过这个门限值的概率就越低，因此图中的三条曲线都是单调递减的曲线。对于固定的门限值来说，在不同的系统中，超过该门限值的概率不同，概率越大说明该系统的PAPR波动越大，概率越小说明该系统的PAPR波动越小。
在图5中，所仿真的OFDM系统的子载波数N为1024，则IFFT模块的处理点数也为1024；星座映射模块中，采用的映射方式为四相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)；在插入保护间隔模块中，保护间隔的长度是IFFT模块处理点数的四分之一，即256；在步骤406中，对每个降低峰值子载波进行一次迭代。图中由细点线所代表的理想曲线表示根据公式计算出来的理论值；由实线所代表的原始曲线表示实际仿真出来的没有经过本发明所提供的技术方案进行处理的OFDM信号的CCDF；由粗点线所代表的PRSC 5％曲线表示经过本发明所提供的技术方案进行处理后的OFDM信号的CCDF，并且降低峰值子载波的数目为子载波总数的5％，即51。
从图5可以看出，采用本发明所提供的技术方案的确达到了降低OFDM系统PAPR的目的。事实上，如上所述，图5仅仅给出了在步骤406中对每个降低峰值子载波进行一次迭代的效果图。也就是在步骤406中，规定每个降低峰值子载波上承载的数据只能取两个值，选择这两个值中使PAPR较小的一个作为输出给后续处理模块时该降低峰值子载波上实际承载的数据。如果不做这一限定，对每个降低峰值子载波进行更多次迭代，也就是在步骤406中规定每个降低峰值子载波上承载的数据有更多的选择，可以得到更好的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种降低正交频分复用OFDM系统峰均功率比的装置，包括用于进行OFDM调制的快速傅立叶反变换模块和用于将快速傅立叶反变换的并行输出数据转变为串行OFDM数据的并串转换模块，其特征在于，该装置还包括：
子载波分配模块，用于将子载波分配为承载降低峰值数据的降低峰值子载波和承载有效数据的有效子载波，并接收峰均功率比PAPR优化模块的降低峰值数据和外部的有效数据，输出连接到快速傅立叶反变换模块；
PAPR计算模块，用于根据并串转换模块输出的OFDM信号的PAPR决定是否指示PAPR优化模块生成一组新的降低峰值数据；
PAPR优化模块，用于根据PAPR计算模块的指示生成新的降低峰值数据。
2、一种降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤A，将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波；
步骤B，生成降低峰值数据；
步骤C，令降低峰值子载波承载步骤B生成的降低峰值数据，令有效子载波承载有效数据；
步骤D，将包括降低峰值数据和有效数据的OFDM信号输出做后续处理。
3、根据权利要求2所述的降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，步骤B所述生成降低峰值数据为：
步骤B1，设置降低峰值数据的初始值，计算OFDM信号的PAPR并判断是否低于预定的门限值，如果是则执行步骤C，否则执行步骤B2；
步骤B2，将降低峰值数据中的所有数据作为未优化数据，依次优化降低峰值数据中每一个数据的取值，执行步骤C。
4、根据权利要求3所述的降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，为降低峰值数据设置取值集合，步骤B2所述依次优化降低峰值数据中每一个数据的取值包括：
步骤B21，选取未优化的降低峰值数据中任意一个为当前进行优化的降低峰值数据；
步骤B22，对于当前要优化的降低峰值数据，将取值集合中除当前要优化的降低峰值数据的初始值外的其他值作为未取过的值；
步骤B23，将取值集合中未取过的任意值赋给当前要优化的降低峰值数据，同时固定除当前要优化的降低峰值数据外其他降低峰值数据的取值；
步骤B24，计算OFDM信号的PAPR并比较是否低于预定的门限值，如果是则执行步骤C，否则执行步骤B25；
步骤B25，判断当前要优化的降低峰值数据是否取遍了取值集合中的所有值，如果是则认为该降低峰值数据为已优化数据，执行步骤B26，否则执行步骤B23；
步骤B26，判断是否所有的降低峰值数据都为已优化数据，如果是则执行步骤C，否则返回执行步骤B21。
5、根据权利要求2所述的降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，所述将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波为随机分配。
6、根据权利要求2所述的降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，所述将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波为均匀分配。
7、根据权利要求2所述的降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，所述将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波为相邻分配。
8、根据权利要求2所述的降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，所述将子载波分配为降低峰值子载波和有效子载波为信道分配。
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