CN101534282A - 一种低复杂度的ofdm信号受限压扩方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低复杂度的OFDM信号受限压扩方法，在发送端通过移相键控或者正交幅度调制方式对原始的数据比特进行基带映射，再进行串/并转换和快速傅里叶反变换；接着对L倍过采样后的时域OFDM信号进行非线性压扩；再对压扩后的信号进行快速傅里叶变换运算将其变换成频域数据X_kc ^(L)，特征是还对X_kc ^(L)分别进行带内、外处理后；再对

进行LN点进行傅里叶反变换运算得到待发送的时域数据；该时域数据再经并/串转换、数/模变换和上变频后，即得到发射所需的传输信号；在接收端对信号进行下变频和模/数变换、串/并转换，并经傅里叶变换运算解调出各个子载波上的数据，再进行并/串转换、PSK或QAM基带解调，即可恢复出原始的数据。本发明具有能够降低系统的误比特率及系统实施的复杂度，结构简单等优点。

Description

一种低复杂度的OFDM信号受限压扩方法

技术领域

本发明涉及一种低复杂度的OFDM信号受限压扩方法

相关的现有技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种多载波宽带数字调制技术，与传统的单载波传输系统相比具有明显的抗多径干扰能力，因此被广泛应用于宽带通信。但是，由于OFDM信号是多个子信道信号的叠加，当多个信号的相位一致时，所得到的和信号的瞬时功率会远远大于信号的平均功率，导致出现较高的峰值平均功率比(简称为峰均比，Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)。这种具有较高瞬时峰值的信号通过传输系统中线性动态范围有限的放大器时，就会造成非线性失真，从而引起系统性能下降。因此，必须采取措施来降低OFDM信号的峰均比。

目前降低OFDM信号峰均比的方法主要有如下几种：

1.非线性压扩

在通信系统的发射端，通过数值变换降低大幅值信号的幅值和增强小幅值信号的幅值；而在接收端进行逆变换以恢复原始信号。在实际应用中，根据所采用的具体压扩函数的不同，存在多种不同的压扩方法。

如图1所示，在我们以前所做的研究工作中，通过对各种压扩方法的比较和分析，提出了一种较为完善的降低OFDM信号峰均比的新压扩方法。该新压扩方案将OFDM信号幅值的统计特性从瑞利分布变换为概率密度函数为线性函数的形式，能够在保持原信号平均功率不变的情况下使峰均功率比降低到7.8dB以下，并且系统具有较好的误比特率性能。

但是，进一步的研究发现，虽然我们提出的新压扩方案与他人的相关研究相比具有更好的系统性能，但是该方案在加性高斯信道中的误比特率仍然偏大，因而离实际应用尚有一段距离。

2.剪波

最简单的剪波是指设定一个限幅门限，把高于该门限的大幅值信号直接削去。这种方法能适用于任何数目的子载波构成的系统。但是该方法会引起信号畸变，造成系统的误比特率性能下降和带外辐射功率的增大。

如图2所示，最近，国外有文献提出了一种降低OFDM信号峰均比的受限剪波(Constrained Clipping)方法，其基本思想是将简单剪波后的OFDM信号变换到频域，然后进行带内和带外处理，最后再变换成时域信号传输。仿真结果表明，该方案在保证系统具有较小的误差向量幅度(Error VectorMagnitude，EVM)和带外辐射的前提下能够获得较好的峰均比性能。该方案的主要缺陷在于系统最终获得的峰均比性能与剪波幅度A_max密切相关，A_max的取值既不能太大，又不能太小；同时，峰均比性能与A_max之间没有明确的理论关系表达式，对于某组给定的系统参数，为了得到较优的A_max值，只能凭借经验进行大量的仿真和尝试；另外，信号的一部分功率会因为被限幅而损失。

此外还有其它几种降低OFDM信号峰均比的方法，因其与本发明专利的相关度不高，因此仅做简单叙述如下：

1.编码

利用不同编码所产生不同的码组而选择峰均比较小的码组进行数据信息的传输。缺点如下：一是受编码调制方式的限制；二是受限于子载波数目，随着子载波数目的增加，计算复杂度显著增大；三是编码后的数据速率有所降低。

2.选择性映射

用M个不同的随机相位序列矢量分别与IFFT的输入序列点乘，然后再实施IFFT运算，选择其中具有最小峰均比的输出序列来传输。缺点如下：一是计算复杂度大，需要计算额外(M-1)组IFFT运算；二是需要安全地传送相关的辅助信息。

3.部分传输序列

将输入的数据符号划分为若干个子组，每个子组的长度仍等于全部子载波的个数，然后对各个子组分别乘以某个加权系数，最后再合并这些子组，从而达到降低整个系统峰均比的目的。这种方法的缺点与选择性映射相似，一是计算复杂度大，二是需要安全地传送辅助信息。

发明技术方案

本发明的目的是为了克服现有技术的不足而提出一种进一步降低系统的误比特率，大大简化接收端的处理过程，使之更接近实用化的低复杂度的OFDM信号受限压扩新方案。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种低复杂度的OFDM信号受限压扩方法，在发送端首先通过移相键控(PSK，Phase Shift Keying)或者正交幅度调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)方式对原始的数据比特进行基带映射，然后进行串/并转换和快速傅里叶反变换(IFFT)，以形成多个相互正交的子载波；接着对L倍过采样(L为过采样因子，通常有L≥4)后的时域OFDM信号进行非线性压扩，采用的压扩函数为

$y=h\left(x\right)=\sqrt{6}{\mathrm{\σ}}_s(1-\exp (-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}_s^2}))---\left(1\right)$

式中

为信号的平均功率；然后对压扩后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)运算，将其变换成频域数据X_kc ^(L)，其特征在于其还对X_kc ^(L)分别进行带内处理和带外处理；

将频域数据处理算法分为如下三个步骤：

(1)定义集合 $I=[-\frac{N}{2},\frac{N}{2}-1],$ $O=[-\frac{\mathrm{LN}}{2},-\frac{N}{2}-1]\∪[\frac{N}{2},\frac{\mathrm{LN}}{2}-1],$ 设X_k(k∈I)为原始OFDM信号对应的频域序列，其中N为子载波个数，定义误差向量

$E_k=X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}-X_k^{\left(L\right)}(k\∈I)=X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}-X_k(k\∈I)---\left(2\right)$

根据上式计算出|E_k|(k∈I)；

(2)对|E_k|(k∈I)按升序排列，找到满足下列条件的最大集合

$\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{M}\underset{k\∈M}{\mathrm{\Σ}}{\left|E_k\right|}^2}\≤\mathrm{Th}---\left(13\right)$

式中S_max为星座图的最大幅度，M为M中的元素个数，Th为预先设定的系统EVM性能门限；

(3)令处理后的通带内频域数据为

令处理后的通带外频域数据为

${\widetilde{X_{\mathrm{kc}}}}^{\left(L\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}& {\left|X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}\right|}^2\text{\≤}{P}_k,k\∈O\\ \sqrt{P_k}{e}^{j\∠x_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}}& {\left|X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}\right|}^2>P_k,k\∈O\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中P_k为要求系统达到的带外功率谱包络值。

最后，再对

进行LN点IFFT运算，即可得到待发送的时域数据；该数据经过快速反傅里叶变换(IFFT)运算后再经并/串转换、数/模变换和上变频后，即可发射到无线信道中进行传输；

在接收端对信号进行下变频和模/数变换、串/并转换，并经FFT解调出各个子载波上的数据，然后进行并/串转换、PSK或QAM基带解调，即可恢复出原始的数据比特。

本发明与现有技术相比的优点和效果如下：

1、与原有的压扩方案相比，本发明提出的受限压扩新方案能够大大降低系统的误比特率，减小信号的带外辐射功率，从而有效地改善了系统性能。另外，在原有的压扩方案中，接收端需要进行相应的逆压扩变换，因而系统结构较为复杂。但是，在本发明提出的新方案中，接收端的处理过程比较简单，只需要对所接收到的时域信号进行IFFT运算和基带解调即可，对于发送端采取的压扩变换和带内带外处理则不需要做任何逆变换，从而简化了接收端的处理流程。

2、与国外提出的受限剪波方案相比，本发明提出的受限压扩新方案能够避免参数优化所需的大量尝试和运算，从而降低了系统实施的复杂度。

总之，本发明提出的受限压扩新方案结构简单，易于实施，实用性强。

附图说明

图1是现有技术中非线性压扩方案的系统框图；

图2是现有技术中受限剪波方案的系统框图；

图3是本发明受限压扩新方案的系统框图；

图4是误比特率曲线；

图5是功率谱密度。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详述：

如图3所示，一种低复杂度的OFDM信号受限压扩方法，在发送端首先通过移相键控(PSK，Phase Shift Keying)或者正交幅度调制(QAM，QuadratureAmplitude Modulation)方式对原始的数据比特进行基带映射，然后进行串/并转换和快速傅里叶反变换(IFFT)，以形成多个相互正交的子载波；接着对L倍过采样(L为过采样因子，通常有L≥4)后的时域OFDM信号进行非线性压扩，采用的压扩函数为

$y=h\left(x\right)=\sqrt{6}{\mathrm{\σ}}_s(1-\exp (-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}_s^2}))---\left(1\right)$

式中

为信号的平均功率；然后对压扩后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)运算，将其变换成频域数据X_kc ^(L)，本发明的特点是，其还对X_kc ^(L)分别进行带内处理和带外处理；

将频域数据处理算法分为如下三个步骤：

(1)定义集合 $I=[-\frac{N}{2},\frac{N}{2}-1],$ $O=[-\frac{\mathrm{LN}}{2},-\frac{N}{2}-1]\∪[\frac{N}{2},\frac{\mathrm{LN}}{2}-1],$ 设_Xk(k∈I)为原始OFDM信号对应的频域序列，其中N为子载波个数，定义误差向量

$E_k=X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}-X_k^{\left(L\right)}(k\∈I)=X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}-X_k(k\∈I)---\left(2\right)$

根据上式计算出|E_k|(k∈I)；

(2)对|E_k|(k∈I)按升序排列，找到满足下列条件的最大集合

$\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{M}\underset{k\∈M}{\mathrm{\Σ}}{\left|E_k\right|}^2}\≤\mathrm{Th}---\left(13\right)$

式中S_max为星座图的最大幅度，M为M中的元素个数，Th为预先设定的系统EVM性能门限；

(3)令处理后的通带内频域数据为

令处理后的通带外频域数据为

${\widetilde{X_{\mathrm{kc}}}}^{\left(L\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}& {\left|X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}\right|}^2\text{\≤}{P}_k,k\∈O\\ \sqrt{P_k}{e}^{j\∠x_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}}& {\left|X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}\right|}^2>P_k,k\∈O\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中P_k为要求系统达到的带外功率谱包络值。

最后，再对

进行LN点IFFT运算，即可得到待发送的时域数据；该数据经过快速反傅里叶变换(IFFT)运算后再经并/串转换、数/模变换和上变频后，即可发射到无线信道中进行传输；

在接收端对信号进行下变频和模/数变换、串/并转换，并经FFT解调出各个子载波上的数据，然后进行并/串转换、PSK或QAM基带解调，即可恢复出原始的数据比特。

在发送端第一次IFFT之后加入幅值非线性压扩模块，然后经过FFT(将时域信号变换为频域信号)、带内和带外处理(对通带内外的信号进行频域处理)、IFFT(将频域信号变换为时域信号)，得到待发送的信号，再经过并/串转换、数/模变换和下变频，送入无线信道传输；接收端的处理过程与图2给出的受限剪波方案接收端相同，而与图1给出的非线性压扩方案接收端相比，省去了幅值逆压扩的步骤，其流程较为简单。

图4给出了系统的误比特率曲线。从中可以看出，在信噪比相同的情况下，受限压扩新方案的误比特率远远低于非线性压扩方案，而接近于QPSK信号在加性高斯白噪声信道中的理论误比特率。这是因为在本发明提出的受限压扩新方案中，接收端不需要进行与发送端对应的逆压扩运算，从而避免了逆压扩引入的误码，而且使得接收端结构非常简单。

图5比较了分别采用上述几种方案进行处理后信号的功率谱密度取值情况。显然，非线性压扩方案使得信号的带外功率比原始OFDM信号更大，说明信号的带外辐射更强，这是我们不希望看到的情况；而受限压扩新方案所对应的信号功率谱密度则与系统要求达到的功率谱包络值(Spectral Mask)紧密契合。因此，新方案有效地克服了非线性压扩方案的缺陷。

仿真实验的流程为，信源端随机产生640000个比特，经QPSK调制后，逐个分配给64个子载波，然后经IFFT实现正交调制，得到原始的OFDM信号。在进行IFFT运算时取过采样因子L＝4。接着对信号进行非线性压扩变换、FFT运算和带内带外处理，对频域信号处理时采用的EVM性能门限为6％，功率谱密度包络取值采用Wimax标准中的有关规定。然后对处理后的信号进行IFFT运算，并将信号从并行转换为串行，经过数/模变换和上变频后送入加性高斯白噪声信道。

接收端接收到的信号经下变频、模/数变换后，将信号从串行转换为并行，并进行FFT运算，然后将信号从并行变换为串行，并经QPSK解调，统计出信号的误比特率。经比较可知，在相同的信噪比条件下，采用本发明提出的受限压扩新方案后系统的误比特率比原来采用非线性压扩方案时的误比特率低得多。

Claims (1)

1、一种低复杂度的OFDM信号受限压扩方法，在发送端首先通过移相键控(PSK，Phase Shift Keying)或者正交幅度调制(QAM，Quadrature AmplitudeModulation)方式对原始的数据比特进行基带映射，然后进行串/并转换和快速傅里叶反变换(IFFT)，以形成多个相互正交的子载波；接着对L倍过采样(L为过采样因子，通常有L≥4)后的时域OFDM信号进行非线性压扩，采用的压扩函数为

$y=h\left(x\right)=\sqrt{6}{\mathrm{\σ}}_s(1-\exp (-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}_s^2}))---\left(1\right)$

式中为信号的平均功率；然后对压扩后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)运算，将其变换成频域数据X_kc ^(L)，其特征在于其还对X_kc ^(L)分别进行带内处理和带外处理；

将频域数据处理算法分为如下三个步骤：

(1)定义集合 $I=[-\frac{N}{2},\frac{N}{2}-1],$ $O=[-\frac{\mathrm{LN}}{2},-\frac{N}{2}-1]\∪[\frac{N}{2},\frac{\mathrm{LN}}{2}-1],$ 设X_k(k∈I)为原始OFDM信号对应的频域序列，其中N为子载波个数，定义误差向量

$E_k=X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}-X_k^{\left(L\right)}(k\∈I)=X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}-X_k(k\∈I)---\left(2\right)$

根据上式计算出|E_k|(k∈I)；

(2)对|E_k|(k∈I)按升序排列，找到满足下列条件的最大集合

$\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{M}\underset{k\∈M}{\mathrm{\Σ}}{\left|E_k\right|}^2}\≤\mathrm{Th}---\left(3\right)$

式中S_max为星座图的最大幅度，M为M中的元素个数，Th为预先设定的系统误差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)性能门限；

(3)令处理后的通带内频域数据为

令处理后的通带外频域数据为

${{\tilde{X}}_{\mathrm{kc}}}^{\left(L\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}& {\left|X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}\right|}^2\≤P_k,k\∈O\\ \sqrt{P_k}{e}^{j\∠X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}}& {\left|X_{\mathrm{kc}}^{\left(L\right)}\right|}^2>P_k,k\∈O\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中P_k为要求系统达到的带外功率谱包络值。

最后，再对

进行LN点IFFT运算，即可得到待发送的时域数据；该数据经过快速反傅里叶变换(IFFT)运算后再经并/串转换、数/模变换和上变频后，即可发射到无线信道中进行传输；

在接收端对信号进行下变频和模/数变换、串/并转换，并经FFT解调出各个子载波上的数据，然后进行并/串转换、PSK或QAM基带解调，即可恢复出原始的数据比特。

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