CN102868656B - 采用混合信号扩频技术降低正交频分复用信号峰值的方法 - Google Patents

Abstract

采用混合信号扩频技术降低正交频分复用信号峰值的方法，本发明采用一种新的数字模拟混合信号分解方法，将原来的逆离散傅里叶变换器(3)输出的时域信号送入新增的信号分解和交织器(14)中，在这里将时域信号分解为若干段，其中有一段为连续信号，其余几段为离散信号，这些信号经交织后进入正常通道分块发送。在接收端，用新增的解交织和信号组合器(15)对接收信号重新组合，再进入正常通道，经离散傅里叶变换器(11)得到频域接收信号。本方法对信号的分解和组合利用了扩频通信技术的相关原理，从而在降低信号峰值功率和平均功率的同时可以获得扩频处理增益，改善系统的误码性能。

Description

采用混合信号扩频技术降低正交频分复用信号峰值的方法

技术领域

本发明将扩频(spread spectrum)技术应用于正交频分复用(orthogonal frequency divisionmultiplexing，OFDM)信号，采用一种新的数字模拟混合信号分解方法将OFDM发送信号进行分解，经过交织(interleaving)以后再送入功率放大器发送，从而降低信号的峰值功率和平均功率。属于无线通信技术领域。

背景技术

正交频分复用信号是一种多载波信号，因而峰值功率为平均功率的N倍，其中N为载波个数。这种信号对发射机功率放大器提出了很高的要求，随着OFDM信号越来越多地应用于现代通信系统，人们对在信号平均功率不变的情况下降低OFDM信号的峰值功率进行了大量研究。目前这类技术分为两大类，一类为信号预畸变技术，典型的方法为限幅法和压缩扩张法，另一类为非畸变技术，包括编码法，部分传输序列法(partial transmit sequence，PTS)和选择性映射法(selected mapping，SLM)。限幅方法虽然简单，但会引起系统误码性能的降低，尤其是在限幅电平接近平均功率时。编码法、PTS和SLM算法复杂而且要增加多余的比特以传送辅助信息，从而降低频带利用率。

发明内容

本发明目的在于采用简单的算法，结合扩频技术，有效降低OFDM信号峰值功率。

本发明采用一种新的数字模拟混合信号分解方法，这种方法将原来的OFDM发射信号，即经过逆离散傅里叶变换(IFFT)后的时域信号，分解为若干段，其中有一段为连续信号，其余几段为离散信号，这些信号经过交织以后分块发送。在接收端将信号重新组合，再进行离散傅里叶变换(FFT)得到频域接收信号。本方法对信号的分解和组合，利用了扩频通信技术的相关原理，从而在降低信号峰值功率和平均功率的同时可以获得扩频处理增益(processing gain)，改善系统的误码性能。

附图说明

图1为普通的OFDM系统框图。二进制数字信号d(k)经过串并变换器(1)和星座映射(2)变为N路并行信号s₀，s₁，...，s_N-1，信号经逆快速傅里叶变换(3)后成为N点复数时域信号x₀+jy₀，x₁+ju₁，...，x_N-1+jy_N-1，经并串变换器(4)后时域信号的实部成为I路信号，虚部成为Q路信号，I路信号和Q路信号分别经D/A转换器(5)成为时域信号，此信号和载波相乘器(6)相乘以后进入信道(传输媒介)(7)，在信道中信号受到噪声的干扰。在接收端，接收信号经正交解调器(8)以后成为I路和Q路信号，它们分别经A/D转换器(9)成为I路和Q路数字信号，经过串并变换器(10)成为并行的复数信号，经过快速傅里叶变换(11)成为N路并行的接收信号r₀，r₁，...，r_N-1，经过星座逆映射(12)和并串变换器(13)后成为二进制序列

图2为本发明的数模混合信号扩频OFDM系统框图。本系统将普通OFDM系统的并串变换器(4)用信号分解和交织器(14)替代，其输出的I路和Q路信号点数增加为原来信号点数的K倍，K为信号分解的段数；在接收端，将普通OFDM系统的串并变换器(10)用反交织和信号组合器(15)替代。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

在OFDM系统中，二进制信号d(k)经串并变换器(1)和星座映射(2)后变为N路并行信号s₀，s₁，...，s_N-1，这些信号为二进制移相键控(BPSK)信号或正交幅度调制(QAM)信号，本发明对于星座图上信号可能位置数，即信号集的大小没有限定，例如，可以是BPSK、4QAM或16QAM信号等。

1、数模混合信号分解

图2IFFT模块(3)输出的信号x_i+jy_i(i＝0，1，2，...，N-1)为分辨率很高的数字信号，将此信号的实部和虚部分别分解为若干段，不失一般性，以下以分解为两段和四段为例说明。

$x_{i_1}=a,$ $x_{i_2}=a.$ 若x_i＞2a

$x_{i_1}=a,$ $x_{i_2}=x_i-a.$ 若a＜x_i≤2a

$x_{i_1}=0,$ $x_{i_2}=x_i.$ 若-a≤x_i≤a    (1)

$x_{i_1}=-a,$ $x_{i_2}=x_i+a.$ 若-2a≤x_i＜-a

$x_{i_1}=-a,$ $x_{i_2}=-a.$ 若x_i＜-2a

$x_{i_1}=b,$ $x_{i_2}=b,$ $x_{i_3}=b,$ $x_{i_4}=b.$ 若x_i＞4b

$x_{i_1}=b,$ $x_{i_2}=b,$ $x_{i_3}=b,$ $x_{i_4}=x_i-3b.$ 若3b＜x_i≤4b

$x_{i_1}=b,$ $x_{i_2}=b,$ $x_{i_3}=0,$ $x_{i_4}=x_i-2b.$ 若2b＜x_i≤3b

$x_{i_1}=b,$ $x_{i_2}=0,$ $x_{i_3}=0,$ $x_{i_4}=x_i-b.$ 若b＜x_i≤2b

$x_{i_1}=0,$ $x_{i_2}=0,$ $x_{i_3}=0,$ $x_{i_4}=x_i.$ 若-b≤x_i≤b    (2)

$x_{i_1}=-b,$ $x_{i_2}=0,$ $x_{i_3}=0,$ $x_{i_4}=x_i+b.$ 若-2b≤x_i＜-b

$x_{i_1}=-b,$ $x_{i_2}=-b,$ $x_{i_3}=0,$ $x_{i_4}=x_i+2b.$ 若-3b≤x_i＜-2b

$x_{i_1}=-b,$ $x_{i_2}=-b,$ $x_{i_3}=-b,$ $x_{i_4}=x_i+3b.$ 若-4b≤x_i＜-3b

$x_{i_1}=-b,$ $x_{i_2}=-b,$ $x_{i_3}=-b,$ $x_{i_4}=-b.$ 若x_i＜-4b

式(1)为x_i的两段分解，式中a为某一确定的正数，式(2)为x_i的四段分解，式中b为某一确定的正数，虚部y_i的分解方法相同。a和b的取值与x_i的平均功率有关，不失一般性，若用σ²表示x_i的平均功率，两段分解时，可以取a＝σ，四段分解时，可以取b＝0.5σ。因为y_i和x_i具有相同的平均功率，故y_i分解时a和b的取值与x_i相同。

从式(1)和式(2)可以看出，当信号幅度大于2a或4b时，分解将对信号进行限幅，这种限幅将产生一定的过载噪声，影响系统的误码性能，但在这里限幅不会产生x_i对x_i-1或x_i+1的信号间干扰。

显而易见，当信号分解为两段时，前一段信号取值为离散值，来自离散集合{a，0，-a}，后一段信号为分辨率很高的数字量，可以视为连续值，因而是模拟量；当信号分解为四段时，前三段信号取值为离散值，来自离散集合{b，0，-b}，最后一段信号取值为[-b，b]区间内的某个数，因而也是模拟量，故信号的这种分解方法称为数模混合分解法。

从式(1)和式(2)还可以看出两种情况下对应的原信号x_i或y_i的限幅值均为2σ，相当于I路信号或Q路信号的峰值功率为4σ²，采用分解法后，峰值功率降为σ²，等于信号的平均功率。如果情况允许还可以适当加大限幅电平，例如在进行两段分解时，可按下式进行：

$x_{i_1}=a,$ $x_{i_2}=1.2a.$ 若x_i＞2.2a

$x_{i_1}=a,$ $x_{i_2}=x_i-a.$ 若a＜x_i≤2.2a

$x_{i_1}=0,$ $x_{i_2}=x_i.$ 若-a≤x_i≤a    (3)

$x_{i_1}=-a,$ $x_{i_2}=x_i+a.$ 若-2.2a≤x_i＜-a

$x_{i_1}=-a,$ $x_{i_2}=-1.2a.$ 若x_i＜-2.2a

式(3)中，原信号x_i或y_i的I路信号或Q路信号的峰值功率为4.84σ²，采用分解法后，峰值功率降为1.44σ²。

2、交织方案

各x_i和y_i经分解后再进行交织，信号分解为两段时，交织后I路信号为{x₀₁，x₁₁，...，x_N-1，1，x₀₂，x₁₂，...，x_N-1，2}，Q路信号为{y₀₁，y₁₁，...，y_N-1，1，y₀₂，y₁₂，...，y_N-1，2}；信号分解为四段时，交织后I路信号为{x₀₁，x₁₁，...，x_N-1，1，x₀₂，x₁₂，...，x_N-1，2，x₀₃，x₁₃，...，x_N-1，3，x₀₄，x₁₄，...，x_N-1，4}，Q路信号为{y₀₁，y₁₁，...，y_N-1，1，y₀₂，y₁₂，...，y_N-1，2，y₀₃，y₁₃，...，y_N-1，3，y₀₄，y₁₄，...，y_N-1，4}，I路和Q路信号一一对应，同时进入各自的D/A转换器(5)。

以上交织方案目的是让形成的新的发送信号接近具有KN个子载波的OFDM信号，K为信号分段数。

3、接收方法

相应于以上技术方案，有多种接收信号的方法，本发明公布两种常用的方法。

方法一：将接收信号解交织后，各分段值相加，再将对应的实部和虚部组成N个复数，进行FFT运算。

方法二：部分信号恢复法。对前面的几段与离散信号对应的混有噪声的接收信号进行判决，将它们恢复成离散的值，再将恢复出的离散值和对应的最后一段接收信号相加，将对应的实部和虚部组成N个复数，进行FFT运算。

方法二在恢复离散值时，由于信道噪声干扰会引起误码，从而产生误码噪声，但是，恢复离散值后信道噪声将被去除，信道噪声将不再对后面的信号处理产生影响，故在信道噪声干扰较小时适合采用此方法。

4、扩频处理增益

采用此扩频方法后处理增益可按下式计算：

例如：当分段数k＝2，a＝σ时，得到处理增益为2dB。

Claims (4)

1.一种OFDM系统，其特征在于：在发送端IFFT模块(3)以后增加了信号分解和交织模块(14)，在接收端FFT模块(11)前增加了解交织和信号组合模块(15)。

2.根据权利要求1所述的OFDM系统，其特征在于：在信号分解和交织模块(14)中，采用数模混合信号分解的方法，将IFFT变换后的N点信号分别分解成若干段，其中有一段取值于连续的有限区间，其余几段取值于离散的有限点集。

3.根据权利要求1所述的OFDM系统，其特征在于：在信号分解和交织模块(14)中，经数模混合信号分解后的分段信号采用如下的顺序发送，先依次发送N点第1段的分解信号，再依次发送N点第2段的分解信号，……，最后依次发送N点最后一段的分解信号。

4.根据权利要求1所述的OFDM系统，其特征在于：信号组合和解交织模块(15)中可采用部分信号恢复法，将接收到的原先取值为离散的混有信道噪声的分段信号先进行判决，恢复为与原先值相对应的离散值，然后再将恢复出的值和对应于原先取值为连续的分段的接收信号相加，相加后的数据进入FFT模块(11)。