CN106230764A - 基于截尾压扩的ofdm信号峰平比抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于截尾压扩的OFDM信号峰平比抑制方法,首先对原始输入信号进行串并变换及正交振幅调制,得到正交振幅调制信号,对正交振幅调制信号进行OFDM调制与并串变换后,得到OFDM已调信号xn,利用压扩函数C(·)对OFDM已调信号模值的尾部分布进行压扩变换,获得压扩变换信号xn′,xn′=C(x);将压扩变换信号xn′进行发射;在接收端利用解压扩函数C‑1(·)对接收信号进行解压扩操作,得到解压扩信号xn″,xn″=C‑1(x);对解压扩信号进行OFDM解调,恢复出原始输入信号。本发明能以极低地带外频谱泄露与良好的接收端误码率性能,获得良好的OFDM系统峰平比抑制效果。
Description
【技术领域】
本发明属于无线通信技术领域,具体涉及基于截尾压扩的OFDM信号峰平比抑制方法。
【背景技术】
正交频分复用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)调制技术具有良好的抗多径能力、高效的频带利用率,已成为未来无线通信系统的关键技术之一。目前OFDM调制技术已广泛应用于欧洲和北美地区的第二类高性能局域网(High-PerformanceLAN type 2,HIPERLAN/2)、非对称数字用户环路(Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)、高清晰度电视(High Definition Television,HDTV)、及3GPP(The 3rd GenerationPartnership Project)长期演进(Long Term Evolution,LTE)等标准。
然而OFDM调制技术在其应用中仍然存在一些重要问题没有得到很好的解决,其中一个关键的技术难点就是其信号的高峰平比问题。由于OFDM发送信号是由多个子载波信号叠加而成,因此当多个子载波信号的相位相近时,所产生的信号瞬时功率就会远高于信号平均功率,从而出现较高的峰平比(peak-to-average power ratio,PAPR)。较高的峰平比要求发射端的功率放大器必须具有较大的线性范围。否则就会给放大后的信号带来较大的非线性畸变,从而使得系统性能急剧下降。因此,如何有效地降低OFDM信号的峰平比以提高传输效率,是目前无线OFDM系统应用中的一个主要难点。
迄今,国内外研究者已经提出了诸多降低OFDM信号峰平比的解决方案,包括:信号限幅、压扩、载波注入及部分传输序列等。但这些方法都因其固有的缺陷而在现有的OFDM系统中无法取得较好的性能。比如,信号限幅与压扩会产生较大的带外辐射与带内失真,因此无法获得良好的误码率性能;载波注入需要在发送端提升发射信号功率;部分传输序列必须占用一些子载波来发送专门的边带信息,因而也损失了传输效率。
为了提高信号峰平比抑制能力,西安电子科技大学提出的专利申请“基于分段分布优化的无线OFDM信号峰平比抑制方法”(申请日:2012年04月23日,申请号:201210118320.8,公开号:CN 102664853A)中公开了一种利用分段压扩限制信号峰平比的方法,该方法能够有效降低信号峰平比。但是,该方法中存在的不足是会对接收信号误码率产生较大的影响,而且会造成较大的带外频谱泄露,从而使得系统性能急剧下降。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提出一种基于截尾压扩的OFDM信号峰平比抑制方法,对发送信号进行压缩扩张变换从而抑制信号峰平比。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
包括以下步骤:
(1)对原始输入信号进行串并变换及正交振幅调制,得到正交振幅调制信号X=[X0,X1,...,Xk,...,XN-1],N表示OFDM系统的子载波个数;
(2)对正交振幅调制信号进行OFDM调制与并串变换后,得到OFDM已调信号xn;
(3)利用压扩函数C(·)对OFDM已调信号模值的尾部分布进行压扩变换,获得压扩变换信号xn′,xn′=C(x);
(4)将步骤(3)得到的压扩变换信号xn′进行发射;
(5)在接收端利用解压扩函数C-1(·)对接收信号进行解压扩操作,得到解压扩信号xn″,xn″=C-1(x);
(6)对解压扩信号进行OFDM解调,恢复出原始输入信号。
进一步地,步骤(2)中OFDM已调信号表示为:
其中Xk为正交振幅调制信号,j为虚数单位,J为过采样因子,0≤k≤N-1且k为实数;
|xn|为OFDM已调信号的模值且其概率密度函数fx(x)与累计分布函数Fx(x)分别为:
其中σ为OFDM已调信号方差,exp(·)为指数函数。
进一步地,步骤(3)具体包括:
(3a)令压扩后压扩变换信号模值|xn′|的概率分布满足在区间[0,γσ]内保持原始分布fx(x),而在区间[γσ,G]内服从平均分布,则|xn′|的概率密度函数fC(x)为:
其中p为压扩函数平均分布值,G为信号概率分布的截止点,而γσ为信号概率分布的变换点,参数γ为调节参数;
(3b)由步骤(3a)的概率密度函数fC(x)得到|xn′|的累计分布函数FC(x)为
(3c)考虑到压扩函数的唯一性,则C(x)应为单调函数,则:
结合公式(4)、公式(5)与公式(6)求得C(x)表达式:
其中sgn(·)为符号函数。
进一步地,考虑到压扩前后信号的等功率原则,E[|xn|2]=E[|C(xn)|2],该公式可扩展为
化简得到压扩函数平均分布值p的表达式为
进一步地,调节参数γ的取值范围在[0,∞)。
进一步地,步骤(4)中信号经过D/A转换器与射频放大器后经由天线发射。
进一步地,步骤(5)中解压扩函数C-1(·)为压扩函数的逆函数,其中:
为OFDM已调信号方差,γ为调节参数,p为压扩函数平均分布值,ln(·)为自然对数函数,sgn(·)为符号函数。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明在原始输入信号进行OFDM调制后,加入本发明所提出的压缩扩张函数,通过对发送信号进行压缩扩张变换从而达到信号峰平比抑制的目的,而后在接收端相应位置对接收信号进行压缩扩张反变换从而恢复出OFDM已调信号,本发明还具有以下优点:
第一,本发明能以极低的实现复杂度获得较好的峰平比性能,因此可以降低信号对射频功率放大器的线性度要求,从而有效提升射频功率放大器的工作效率,仿真实验结果也证明了这一点;
第二,本发明采用γ可变的压缩扩张函数,在满足系统需求情况下,通过调节γ可以使系统性能达到最佳;同时本发明仅对高峰值信号的模值进行处理而保持其相位不变,因此与其他方法相比,本发明能以极低地带外频谱泄露与良好的接收端误码率性能,获得良好的OFDM系统峰平比抑制效果;
第三,本发明不需要发送边带信息,也无需迭代处理,因此本方法能够满足现代通信系统的需求;
第四,本发明是一种LTE系统中正交频分复用调制无线传输信号的峰平比抑制方法,可广泛应用于各类LTE系统中宽带OFDM无线通信系统中的信号峰平比抑制。
【附图说明】
图1是本发明的实现流程框图;
图2是本发明与现有方法的峰平比性能比较图;
图3(a)是原始OFDM曲线图,图3(b)是现有的指数压扩法的发送端频谱性能图,图3(c)是现有的分段优化法的发送端频谱性能图,图3(d)是本发明的发送端频谱性能图;
图4是本发明与现有方法的接收端误码性能比较图。
【具体实施方式】
参照附图1,本发明的具体实现步骤如下:
(1)对原始输入信号进行串并变换及正交振幅调制,将输入数据映射为正交振幅调制信号X=[X0,X1,...,Xk,...,XN-1],其中,N表示OFDM系统包含的子载波个数;
(2)对正交振幅调制信号进行OFDM调制与并串变换,得到OFDM已调信号,按照如下公式进行:
其中xn为OFDM已调信号,Xk为正交振幅调制信号,j为虚数单位,J为过采样因子,0≤k≤N-1且k为实数;
相应地,|xn|为OFDM已调信号的模值且其概率密度函数fx(x)与累计分布函数Fx(x)可表示为
其中σ为OFDM已调信号方差,exp(·)为指数函数;
(3)利用本发明提出的可变峰平比的压缩扩张函数C(·)对符合公式(3)瑞利分布的OFDM已调信号模值进行压扩变换,来控制峰平比,获得压扩变换后信号xn′,xn′=C(x),按照如下步骤进行:
(3a)令压扩后信号模值|xn′|的概率分布满足在区间前段[0,γσ]内保持原始分布fx(x),而在区间后半段[γσ,G](即尾部)内服从平均分布,|xn′|相应地概率密度函数fC(x)为:
其中γσ表示信号概率分布的变换点,G表示信号概率分布的截止点,而p为压扩函数的平均分布值,参数γ为取值范围在[0,∞)的可调节参数;
(3b)由(3a)的概率密度函数可得压扩后信号模值|xn′|的累计分布函数FC(x)为
(3c)考虑到压扩函数的唯一性,则C(x)应为单调函数,即:
结合公式(4)、(5)与(6)可求得C(x)表达式:
其中sgn(·)为符号函数;
本发明仅对高峰值信号的模值进行处理而保持其相位不变,因此与其他方法相比,本发明能以极低地带外频谱泄露,获得良好的OFDM系统性能。
(3d)考虑到压扩前后信号的等功率原则,压扩前功率E[|xn|2]应与压扩后功率E[|C(xn)|2]相等,即E[|xn|2]=E[|C(xn)|2],该公式可扩展为
化简可得压扩函数平均分布值p的表达式为
(4)将步骤(3)得到的压扩变换信号xn′经过D/A转换器与射频放大器后经由天线发射;
(5)在接收端利用解压扩函数C-1(·)对接收信号进行解压扩操作,获得解压扩信号xn″,xn″=C-1(x);按照如下公式进行,根据压扩函数求得相应解压扩函数为:
其中ln(·)为自然对数函数;
(6)对解压扩信号进行OFDM解调从而恢复出原始发送信号。
本发明的效果可通过下面的仿真实例进一步说明。
一、仿真条件:
OFDM系统包含的子载波个数为64,调制方式为正交振幅4QAM调制,未编码系统;选取加性高斯白噪声信道作为传输信道。仿真信号在发送端通过固态功率放大器后经由射频天线发送。其中,固态功率放大器模值失真表达式为
其中R=6dB为饱和门限,η=3为功率放大器平滑度参数。
二、仿真内容与结果:
图2给出了本发明与现有方法的峰平比性能曲线,与其他方法相比,本发明基于截断OFDM信号尾部分布的峰平比抑制方法,在对峰平比性能改善效果方面有提升:经过指数压扩后信号的峰平比为4.8dB,而本方法峰平比最低可达4.2dB;图3给出了本方法与现有方法的发送端频谱性能比较曲线,与其他方法相比,本发明所提的方法具有最好的频谱性能,相应的带外谱扩展为-44dB。而且在误码性能方面,如图4所示,本方案也比其他方法有较大的提升,如在误码在10-3时,本发明优于其他两种方法2.5dB以上。不同系统有不同的需求,可以根据γ来调节,根据图2和图4可知,如果要求误码率较好,则可以在1.0~1.6内按需选择,而γ在0.8~1.2之间能够有效降低峰平比,因此本发明最优γ取值在1.0~1.2。因此本发明方法极大地改善了传输系统的可靠性,并能选取不同的γ值在峰平比与误码之间得到折衷,以满足不同系统下的性能需求。
Claims (7)
1.基于截尾压扩的OFDM信号峰平比抑制方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)对原始输入信号进行串并变换及正交振幅调制,得到正交振幅调制信号X=[X0,X1,...,Xk,...,XN-1],N表示OFDM系统的子载波个数;
(2)对正交振幅调制信号进行OFDM调制与并串变换后,得到OFDM已调信号xn;
(3)利用压扩函数C(·)对OFDM已调信号模值的尾部分布进行压扩变换,获得压扩变换信号xn′,xn′=C(x);
(4)将步骤(3)得到的压扩变换信号xn′进行发射;
(5)在接收端利用解压扩函数C-1(·)对接收信号进行解压扩操作,得到解压扩信号xn″,xn″=C-1(x);
(6)对解压扩信号进行OFDM解调,恢复出原始输入信号。
2.根据权利要求1所述的基于截尾压扩的OFDM信号峰平比抑制方法,其特征在于,步骤(2)中OFDM已调信号表示为:
其中Xk为正交振幅调制信号,j为虚数单位,J为过采样因子,0≤k≤N-1且k为实数;
|xn|为OFDM已调信号的模值且其概率密度函数fx(x)与累计分布函数Fx(x)分别为:
其中σ为OFDM已调信号方差,exp(·)为指数函数。
3.根据权利要求2所述的基于截尾压扩的OFDM信号峰平比抑制方法,其特征在于,步骤(3)具体包括:
(3a)令压扩后压扩变换信号模值|xn′|的概率分布满足在区间[0,γσ]内保持原始分布fx(x),而在区间[γσ,G]内服从平均分布,则|xn′|的概率密度函数fC(x)为:
其中p为压扩函数平均分布值,G为信号概率分布的截止点,而γσ为信号概率分布的变换点,参数γ为调节参数;
(3b)由步骤(3a)的概率密度函数fC(x)得到|xn′|的累计分布函数FC(x)为
(3c)考虑到压扩函数的唯一性,则C(x)应为单调函数,则:
结合公式(4)、公式(5)与公式(6)求得C(x)表达式:
其中sgn(·)为符号函数。
4.根据权利要求3所述的基于截尾压扩的OFDM信号峰平比抑制方法,其特征在于,考虑到压扩前后信号的等功率原则,E[|xn|2]=E[|C(xn)|2],该公式可扩展为
化简得到压扩函数平均分布值p的表达式为
5.根据权利要求3所述的基于截尾压扩的OFDM信号峰平比抑制方法,其特征在于,调节参数γ的取值范围在[0,∞)。
6.根据权利要求1所述的基于截尾压扩的OFDM信号峰平比抑制方法,其特征在于,步骤(4)中信号经过D/A转换器与射频放大器后经由天线发射。
7.根据权利要求1所述的基于截尾压扩的OFDM信号峰平比抑制方法,其特征在于,步骤(5)中解压扩函数C-1(·)为压扩函数的逆函数,其中:
σ为OFDM已调信号方差,γ为调节参数,p为压扩函数平均分布值,ln(·)为自然对数函数,sgn(·)为符号函数。
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