CN102255844A - 一种正交频分复用系统中降低信号峰均比的方法 - Google Patents

Abstract

一种正交频分复用系统中降低信号峰均比的方法，联合星座图扩展法和空子载波来降低峰均比，数据子载波上按星座图扩展规律调整，空子载波上进行频域滤波。本发明对预限幅后的信号噪声按以下方式处理产生峰值抵消向量，即数据子载波上的数据按照星座图扩展规律进行调整，对于空子载波进行频域滤波操作，将空子载波部分的噪声保留，将数据子载波部分的噪声置为零，这样将噪声全部转移到空子载波和星座图扩展的区域，而不会对接收端星座图的判决产生影响，同时又降低了信号的峰均功率比。本发明可以有效地降低OFDM信号峰均比，并且可以减少迭代次数。

Description

一种正交频分复用系统中降低信号峰均比的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是在正交频分复用OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing)系统中降峰均功率比PAPR(Peak-to-Average RatioReduction)技术，为一种正交频分复用系统中降低信号峰均比的方法，用于OFDM中降峰均功率比设计，结合星座图扩展法(ACE)与OFDM中的空子载波来降低信号峰均比，加速ACE算法的迭代收敛速度，并且更有效地降低信号峰均功率比。

背景技术

随着移动通信和无线网络需求的不断增加，越来越需要更加先进的无线传输技术。高速无线通信系统设计的一个最直接的挑战是克服无线信道带来的严重的频率选择性衰落。OFDM技术可以很好地克服无线信道的频率选择性衰落，由于其高效的传输特点，OFDM已成为实现未来高速无线通信的核心技术之一。

OFDM系统最主要的缺点之一是具有较大的峰均比，它直接影响着整个系统的运行成本和效率。在某个时刻，若多个载波以同一个方向进行累加时就会产生很大的峰值功率，从而要求功率放大器具有很宽的线性放大区域。否则，当信号峰值落在功率放大器的非线性区域时，就会发生信号的畸变，从而产生子载波间的互相干扰和带外辐射，破坏了子载波的正交性，降低系统性能。为了避免这种情况，功率放大器应该工作在大功率补偿状态下。然而，这会导致非常低的功率放大效率，并且使得发射机的成本变得非常昂贵。另一方面，若OFDM技术应用在移动通信中，由于移动终端的能量很有限，从而要求高效的功率放大。因此，在OFDM多载波系统中，必须采用一定的技术来降低信号的峰均比值，使得发射机中的功率放大器能够高效工作并提高系统的整体性能。

近十几年很多学者对解决峰均比问题作了深入的研究，并提出了一系列有效的降PAPR的方法，主要有编码法，限幅法，限幅加滤波法，子载波预留法(TR)，子载波注入法(TI)，星座图映射法(ACE)，数字预失真法(DPD)，选择性射法(SLM)，部分传输序列法(PTS)等。编码法不会引起信号的失真但是其实现复杂度随着子载波数增加而急剧升高，只适合子载波数比较少的情况。限幅法，限幅加滤波，限幅的法会使信号失真，从而引起带内和带外噪声，限幅加滤波法通过滤波将带外噪声滤除，但无法消除带内噪声。子载波预留法通过预留的部分子载波用来产生抵消峰值的信号，这是一种无失真的传输方法，但需要多次迭代。星座图扩展法通过对限幅噪声的分析重新调整星座图使信号朝峰均比降低的方法改变，其主要不足是对不同的调制方式星座图扩展方法不同。SLM和PTS方法是两种无失真地降低信号峰均比的方法，但他们需要做多次IFFT，复杂度比较高，并且还需要传送有效的边带信息。DPD方法是一种功率放大器线性化方法，通过自适应地估计功率放大器的非线性模型，然后对输入功率放大器的信号进行预失真，从而实现线性化。

每种方法都有自己的特点，设计中根据系统需求，采用不同的方法，没有一种方法是无条件地适应于任何系统的。在以上的各种方法中，星座图扩展法是一种无需要传送边带信息的基于限幅的方法，通过对星座图的调整来优化限幅噪声，最终达到无失真传输的目的，但是为了达到较低的峰均比，需要做较多的迭代。

发明内容

本发明要解决的问题是：OFDM系统中峰均功率比高，现有设计中根据系统需求，采用不同的方法，但没有一种方法是无条件地适应于任何系统的，受到的限制较多。

本发明的技术方案为：一种正交频分复用系统中降低信号峰均比的方法，联合星座图扩展法和空子载波，通过产生峰值抵消向量与原始向量相加来降低峰均比，包括以下步骤：

a)设定限幅门限值A，对输入信号的幅值超过A的部分进行限幅，将限幅引入的噪声c_clip作FFT变换到频域得到C_clip，并设定星座图扩展的迭代次数i，i的初始值为0；

b)将C_clip中空子载波位置的数据保留，数据子载波位置的数据置零，得到C_null；

c)将C_clip中空子载波位置的数据置零，数据子载波位置的数据根据星座图扩展的规律进行调整，即当对应数据子载波位置的C_clip值使星座点朝扩展区域扩展时，则保留该位置的值不变，当对应数据子载波位置的C_clip值使星座点朝星座图扩展相反的区域扩展时则将该位置的值置为零，得到C_ace；

d)对C_null和C_ace做FFT变换，得到峰值抵消向量c_null和c_ace，基于星座图扩展法，通过式xⁱ⁺¹＝xⁱ+μc_ace+βc_null更新OFDM的信号数据，降低信号的峰均比值，其中μ和β为峰值抵消向量的步长因子，i为迭代次数所对应的序号，

$\mathrm{\μ}=\underset{0\≤k\≤N-1}{\min }{\mathrm{\μ}}_k=\underset{0\≤k\≤N-1}{\min }\frac{E-\left|x_k^i\right|}{{\mathrm{Cproj}}_k-{\mathrm{Cproj}}_{n_{\max }}}$

其中 ${\mathrm{Cproj}}_k=\frac{\mathrm{Re}\left\{x_k^i{c}_k^{*}\right\}}{\left|x_k^i\right|},$ c＝c_ace

N为OFDM子载波数，n为每个子载波对应的时域序号，n∈[0，1，…，N-1]，k为每个子载波对应的频域序号，k∈[0，1，…，N-1]，E为

的最大值，n_max为

取最大值时对应的序号，上式只对Cproj_k＞0的部分进行操作，当不存在Cproj_k＞0时μ＝1，这里

N_null为OFDM系统中空子载波数；

e)如果达到了预期的峰均比或者达到了最大迭代次数，则停止并传送当前的信号，否则更新迭代次数i＝i+1，进行新一轮迭代。

进一步的，将输入信号幅值|x_k|与限幅门限A比较时，用实部和虚部的绝对值的和对幅值近似，对|x_k|＞A采用(|x_k，R|+|x_k，I|)＞A代替，其中x_k，R和x_k，I分别为信号的实部和虚部。

对步长因子μ，先通过对多组随机的OFDM符号统计，得到第一次迭代的步长因子μ取值的统计数据，进行统计分析，得出μ的统计平均值，将μ设置为常数步长因子。

本发明提出了一种联合星座图扩展和空子载波的降峰均功率比方法，数据子载波上按星座图扩展规律调整，空子载波上进行频域滤波。图1为QPSK和16QAM调制时星座图扩展规律。对预限幅后的信号噪声按以下方式处理产生峰值抵消向量，即数据子载波上的数据按照星座图扩展规律进行调整，对于空子载波进行频域滤波操作，将空子载波部分的噪声保留，将数据子载波部分的噪声置为零，这样将噪声全部转移到空子载波和星座图扩展的区域，而不会对接收端星座图的判决产生影响，同时又降低了信号的峰均功率比。

本发明联合星座图扩展(ACE)法和OFDM中的空子载波来降低峰均比，对数据子载波位置按照星座图的扩展规律对数据进行调整，对空子载波位置进行频域滤波从而产生峰值抵消向量，抵消原始信号的峰值，可以有效地降低OFDM信号峰均比，并且可以减少迭代次数。N＝128的OFDM信号用QPSK调制时，第一次迭代后在CCDF为10^-3时可以获得4.02dB的降PAPR性能，16QAM调制时可以降低3dB。本发明提出的方法在瑞利衰落信道下，用16QAM调制时误符号率性能与理想情况接近。

附图说明

图1为QPSK和16QAM星座图扩展规则。

图2为本发明的联合星座图扩展与空子载波降峰均比的流程图。

图3为本发明限幅门限A＝6dB时，对10⁶个OFDM符号中步长因子μ的统计分布图。

图4为本发明中方法与SGP-ACE方法在QPSK调制下前三次迭代后的PAPR。

图5为本发明中方法应用于QPSK和16QAM时前三次迭代后的PAPR。

图6为本发明中方法在瑞利衰落信道下用16QAM调制时前三次迭代后的误码率。

具体实施方式

下面首先对星座图扩展方法作简单介绍然后再具体说明本发明。

星座图扩展法

星座图扩展法ACE是一种非双射性星座图映射算法，它的基本原理是通过改变星座图上点的位置来降低峰均比。一般星座图映射为将某几个比特位映射成星座图上某几个固定的点，而星座图扩展法允许将某几个星座点映射到某一特定区域。图1为QPSK和16QAM的星座图映射方式，即将星座图外围的点向远离其他星座点的方向调整。对ACE算法的数学表示为

其中

$\stackrel{\‾}{x}\left[n\right]=x\left[n\right]+c\left[n\right]$

$=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(X_k+C_k)e^{j2\mathrm{\πkn}/N}$

其中N为OFDM子载波数，n为每个子载波对应的时域序号，n∈[0，1，…，N-1]，k为每个子载波对应的频域序号，k∈[0，1，…，N-1]。C表示扩展向量C_k的集合，

表示ACE可扩展的全部向量集合(SGP-ACE[B.S.Krongold and D.L.Jones，“PAR reduction inOFDM via active constellation extension，”IEEE Trans.Broadcast.，vol.49，no.3，pp.258-268，Sep.2003.])。ACE算法的基本思想是通过映射到星座图可扩展区域的限幅信号来产生峰值抵消向量来抵消峰值，这个过程重复多次即可将峰均比降到门限值，即

xⁱ⁺¹＝xⁱ+μcⁱ

其中i为迭代序号，μ是决定收敛速度的步长因子。cⁱ为第i次迭代时的峰值抵消向量，它为第i次迭代时可扩展星座向量C的时域形式，对给定的限幅门限A，对输入的信号xⁱ作软限幅操作得到在门限为A时的限幅噪声c_clip，即

$c_{\mathrm{clip}}^i=\left\{\begin{array}{cc}\left(\right|x_{n-}^{i}A\left|\right)e^{j{\mathrm{\θ}}_n},& \left|x_n^i\right|>A\\ 0,& \left|x_n^i\right|\≤A\end{array}\right.$

其中将限幅噪声

变换到频域，并将噪声在频域的分量按照星座图的调整规律进行调整，即得到可扩展星座向量C，对C变换域即可得到峰值抵消向量cⁱ。

下面说明本发明提出的星座图扩展联合空子载波方法。

本发明提出一种联合星座图扩展和空子载波来降峰均比的方法，数据子载波上按星座图扩展规律调整，空子载波上进行频域滤波。假设子载波数为N的OFDM系统中空子载波数为N_null，空子载波的序列集合为

其中 $0\&le;i_0<...<i_{N_{\mathrm{null}}-1}\&le;N-1,$ 如图2所示，本发明的实施过程为：

Step1：设定峰值幅门限A，对每一个输入的频域信号X＝[X₀，X₁，…X_k，…X_N-1]存储每个数据子载波中数据在星座图中的位置信息I。

Step2：对输入的频域数据符号X作IFFT得到时域数据x，设置迭代次数i＝0，x⁰＝x。

Step3：对时域数据x中任何

的数据限幅得到数据

${\stackrel{\&OverBar;}{x}}_k=\left\{\begin{array}{cc}{x}_k^i,& \left|x_k^i\right|\&le;A\\ {\mathrm{Ae}}^{j{\mathrm{\&theta;}}_k^i},& \left|x_k^i\right|>A\end{array}\right.$

其中 $x_k^i=\left|x_k^i\right|e^{j{\mathrm{\&theta;}}_k^i}$

Step4：计算限幅部分

$c_{\mathrm{clip}}=x^i-\stackrel{\&OverBar;}{x}$

Step5：对c_clip作FFT变换得到C_clip。

Step6：对C_clip仅保留空子载波上位置

上的数据，其他位置上的数据为零，得到空子载波峰值消除向量C_null。根据X中数据在星座图中位置信息I，调整分别调整C_clip中数据的实部和虚部，当C_clip使对应子载波位置数据朝星座图扩展方向调整时将其保留，否则将C_clip对应子载波位置的值设为零，并且

上相应的C_clip值也设为零，得到C_ace。对C_null和C_ace分别作IFFT得到c_null和c_ace。

Step7：计算

xⁱ⁺¹＝xⁱ+μc_ace+βc_null

$\mathrm{\&mu;}=\underset{0\&le;k\&le;N-1}{\min }{\mathrm{\&mu;}}_k=\underset{0\&le;k\&le;N-1}{\min }\frac{E-\left|x_k^i\right|}{{\mathrm{Cproj}}_k-{\mathrm{Cproj}}_{n_{\max }}}$

其中 ${\mathrm{Cproj}}_k=\frac{\mathrm{Re}\left\{x_k^i{c}_k^{*}\right\}}{\left|x_k^i\right|},$ c＝c_ace

E为的最大值，n_max为

取最大值时对应的时域序号，k和n_max为Cproj的标号，上式只对Cproj_k＞0的部分进行操作，当不存在Cproj_k＞0时μ＝1，这里 $\mathrm{\&beta;}=\sqrt{N/N_{\mathrm{null}}.}$

Step8：如果达到了预期的PAPR或者达到了最大迭代次数，则停止并传送x，否则更新i＝i+1并返回step3。

上述方法充分利用空子载波来降低信号峰均比，可以加快迭代的收敛速度和降峰均比性能，但需要计算空子载波峰值抵消向量，仍有一定的计算复杂度，本发明进一步进行了改进，通过适当的近似实现低复杂度。

近似处理

信号幅值近似：信号的幅值与限幅门限A比较时需要计算信号的幅值|x_k|，这个在实现时需要分别计算实部和虚部的平方并对他们的和开方，开方运算的实现复杂度比较高，对|x_k|＞A采用如下的近似代替

(|x_k，R|+|x_k，I|)＞A

其中x_k，R和x_k，I分别为信号的实部和虚部，这种方法也可以运用到其他近似计算中。

步长因子μ近似：对步长因子μ的计算是一个很复杂的过程，对每组数据都要计算一次，并且根据输入数据的不同，步长因子数值的变化范围也很大，这对电路实现时，数据的位数考虑带来非常大的不便，因此本文通过对多组数据进行统计分析，得出μ的统计值。这样在电路实现时使用常数步长因子，大大简化了实现复杂度。

设定限幅门限值A＝6dB，子载波数N＝128对10⁶组随机的OFDM符号统计，得到第一次迭代的步长因子μ取值的统计分布如图3，从图中可以看出μ主要分布在μ＜25部分，另外还有一些取值比较大的μ，图中没有显示。这样在实现时可以根据图3选取合适的值，本发明的仿真中取μ＝10仿真。

仿真及分析

仿真中使用子载波数N＝128的OFDM系统，空子载波位置为[1，…，6，50，…，80，124，…，128]，重点对QPSK和16QAM调制方式进行仿真，对随机生成的10⁶组OFDM符号分析，并且与ACE-SGP算法比较。

图4为SGP-ACE算法与本发明提出的算法在限幅门限值A＝6dB，QPSK调制下降PAPR性能随着迭代次数增加的变化曲线，从图中可以看到两种方法降PAPR效果都很明显，在CCDF为10^-3时，SGP-ACE算法中第一次迭代PAPR由10.57dB下降到6.75dB，本发明提出的方法可以下降到6.55dB，第一次迭代PAPR在原信号基础上下降了4.02dB，本发明提出的方法与SGP-ACE方法相比在第一次迭代时降PAPR性能更优，并且有更快的迭代收敛速度，在第二次迭代时即达到了与SGP-ACE方法三次迭代的性能，以更快的速度达到目标限幅门限。

星座图扩展只对星座图外面的点调整，因此，星座图扩展法降峰均比的性能与采用的调制方式有关，从图1可知，调制阶数越低，可调整星座点比例越大，因此降PAPR效果也越明显，图5为本发明提出的方法在N＝128的OFDM系统中，采用QPSK和16QAM调制时前三次迭代的降PAPR结果，从图中看出本发明提出方法应用于QPSK降PAPR性能优于16QAM，即低阶调制方式性能优于高阶调制方式。

图6为本发明提出的算法用16QAM调制时在瑞利衰落信道下的误符号率曲线，在瑞利衰落信道下当信噪比上升到一定程度时，衰落和多径的影响成为主要因素，因此误符号率曲线趋于平缓。从图中可以看出本发明提出的方法在信噪比比较低的时候与理想情况下的误符号率曲线接近。

Claims (3)

1.一种正交频分复用系统中降低信号峰均比的方法，其特征是联合星座图扩展法和空子载波，通过产生峰值抵消向量与原始向量相加来降低峰均比，包括以下步骤：

a)设定限幅门限值A，对输入信号的幅值超过A的部分进行限幅，将限幅引入的噪声c_clip作FFT变换到频域得到C_clip，并设定星座图扩展的迭代次数i，i的初始值为0；

b)将C_clip中空子载波位置的数据保留，数据子载波位置的数据置零，得到C_null；

c)将C_clip中空子载波位置的数据置零，数据子载波位置的数据根据星座图扩展的规律进行调整，即当对应数据子载波位置的C_clip值使星座点朝扩展区域扩展时，则保留该位置的值不变，当对应数据子载波位置的C_clip值使星座点朝星座图扩展相反的区域扩展时则将该位置的值置为零，得到C_ace；

d)对C_null和C_ace做FFT变换，得到峰值抵消向量c_null和c_ace，基于星座图扩展法，通过式xⁱ⁺¹＝xⁱ+μc_ace+βc_null更新OFDM的信号数据，降低信号的峰均比值，其中μ和β为峰值抵消向量的步长因子，i为迭代次数所对应的序号，

$\mathrm{\&mu;}=\underset{0\&le;k\&le;N-1}{\min }{\mathrm{\&mu;}}_k=\underset{0\&le;k\&le;N-1}{\min }\frac{E-\left|x_k^i\right|}{{\mathrm{Cproj}}_k-{\mathrm{Cproj}}_{n_{\max }}}$

其中 ${\mathrm{Cproj}}_k=\frac{\mathrm{Re}\left\{x_k^i{c}_k^{*}\right\}}{\left|x_k^i\right|},$ c＝c_ace

N为OFDM子载波数，n为每个子载波对应的时域序号，n∈[0，1，…，N-1]，k为每个子载波对应的频域序号，k∈[0，1，…，N-1]，E为

的最大值，n_max为取最大值时对应的序号，上式只对Cproj_k＞0的部分进行操作，当不存在Cproj_k＞0时μ＝1，这里

N_null为OFDM系统中空子载波数；

e)如果达到了预期的峰均比或者达到了最大迭代次数，则停止并传送当前的信号，否则更新迭代次数i＝i+1，进行新一轮迭代。

2.根据权利要求1所述的频分复用系统中降低信号峰均比的方法，其特征是将输入信号幅值|x_k|与限幅门限A比较时，用实部和虚部的绝对值的和对幅值近似，对|x_k|＞A，采用(|x_k，R|+|x_k，I|)＞A代替，其中x_k，R和x_k，I分别为输入信号的实部和虚部。

3.根据权利要求1或2所述的频分复用系统中降低信号峰均比的方法，其特征是对步长因子μ，先通过对多组随机的OFDM符号统计，得到第一次迭代的步长因子μ取值的统计数据，进行统计分析，得出μ的统计平均值，将μ设置为常数步长因子。

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