CN112422468B - 一种正交频分复用系统中papr的降低方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种正交频分复用系统中PAPR的降低方法及系统，包括：获取随机二进制位；对所述二进制位进行正交相移键控QPSK调制，输出QPSK信号；对所述输出的QPSK信号进行离散哈特莱变换，输出离散哈特莱信号；对所述输出的离散哈特莱信号进行快速傅里叶变换，输出正交频分复用信号；将所述正交频分复用信号输入至自适应限幅模块，采用自适应限幅算法进行限幅；限幅过程中统计限幅成功次数，基于统计特性输出负反馈到自适应限幅模块。本发明中的上述方法在计算复杂度与PAPR性能之间能够取得良好平衡。
Description
技术领域
本发明涉及正交频分复用领域，特别是涉及一种正交频分复用系统中PAPR的降低方法及系统。
背景技术
正交频分复用OFDM作为一种多载波调制技术，由于具有较高的频谱利用率和优秀的抗符号间干扰性能，广泛用于各种数字传输和通信中。OFDM系统中存在峰值平均功率比(PeaktoAverage PowerRatio,PAPR)的问题，高PAPR的信号在发送时对系统功率放大器的性能要求很高，容易发生信号失真，并且会直接影响整个系统的运行成本和效率。
OFDM系统中传统的PAPR降低方法可以分为3大类：信号预畸变类方法、编码类方法以及概率类方法。不同方法间往往具有不同的折衷侧重，良好的PAPR性能往往是通过牺牲计算复杂度、误码率等性能实现的。
预畸变类方法是在OFDM信号被送入HPA发射前，对OFDM信号进行预畸变处理，从而避免出现过高的峰值，进而达到PAPR降低的目的。常见的预畸变类方法有削峰滤波(Clipping andFiltering)，压缩变换，峰值加窗，以及峰值取消方法等。该方法计算复杂度低但会引入带内带外失真。
编码类方法是通过牺牲信息传输效率，以较高的计算复杂度换取一定的PAPR降低效果以及较好的误码率性能，是一种自带检错纠错能力的PAPR降低方法。常见的方法有线性块编码、次块编码、WHT变换、DHT变换等。
概率类方法是通过改变原有的信号发送概率，减少峰值叠加，从而降低PAPR。概率类方法主要可以分成两类，一类是通过生成重复的OFDM信号分别进行处理，选择最小峰均比的信号进行传输，如选择性映射(SLM)。另一类是通过引入相位改变，加入峰值功率抑制信号或是改变频域星座点的方式降低信号的PAPR。该方案以随着载波数呈几何增长的计算复杂度为代价，换取较好的PAPR降低效果。
考虑到上述方法的劣势，本发明提出了一种基于统计特性的自适应限幅算法与离散哈特莱(Discrete Hartley Transform,DHT)变换的PAPR降低方法，能在计算复杂度与PAPR性能之间取得良好平衡。
发明内容
本发明的目的是提供一种正交频分复用系统中PAPR的降低方法及系统，在计算复杂度与PAPR性能之间取得良好平衡。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种正交频分复用系统中PAPR的降低方法，所述方法包括：
获取随机二进制位；
对所述二进制位进行正交相移键控QPSK调制，输出QPSK信号；
对所述输出的QPSK信号进行离散哈特莱变换，输出离散哈特莱信号；
对所述输出的离散哈特莱信号进行快速傅里叶变换，输出正交频分复用信号；
将所述正交频分复用信号输入至自适应限幅模块，采用自适应限幅算法进行限幅；
限幅过程中统计限幅成功次数，基于统计特性输出负反馈到自适应限幅模块。
可选的，将所述正交频分复用信号输入至自适应限幅模块，采用自适应限幅算法进行限幅具体包括：
S1：确定正交频分复用信号的平均功率mean_power；
S2：确定限幅因子CR；
S3：基于所述正交频分复用信号的平均功率和所述限幅因子确定初始限幅门限A；
S4：确定当前超出限幅门限的点数count和当前遍历过的总点数total；
S5：判断是否遍历完所有正交频分复用子载波，若是，则退出自适应限幅模块，遍历结束，若否，则继续遍历；
S6：判断count与total的比值是否小于低水位，若是，则减小当前及后续遍历过程中的限幅门限A，并执行步骤S8，若否，执行下一步骤；
S7：判断count与total的比值是否大于高水位，若是，则增大当前及后续遍历过程中的限幅门限A，执行下一步骤；
S8：判断该点信号功率是否大于限幅门限A，若是，则执行下一步骤，若否，则执行步骤S12；
S9：判断count与total的比值是否小于局部性门限，若是，则执行下一步骤，若否，则执行步骤S11；
S10：基于所述局部性门限和压缩因子，对该点信号功率进行压缩，执行下一步骤；
S11：将信号限幅到限幅门限A，将高于限幅门限A的信号剪裁，count＝count+1；
S12：total＝total+1；
S13：返回步骤S5，直到所有符号均从自适应限幅模块输出。
可选的，基于所述正交频分复用信号的平均功率和所述限幅因子确定初始限幅门限A具体采用以下公式：
A＝CR*sqrt(mean_power)，其中，CR∈(0,1)表示限幅因子，mean_power表示正交频分复用信号的平均功率。
可选的，所述低水位属于区间[0,1]，所述高水位属于区间[0,1]，所述局部性门限属于区间[0,1]，所述局部门限为所述高水位和所述低水位之间的值。
可选的，基于所述局部性门限和压缩因子，对该点信号功率进行压缩具体采用以下公式：
Y(n)＝X(n)*CF，其中，X(n)为原信号，CF为压缩因子，Y(n)为压缩后的信号。
本发明另外提供一种正交频分复用系统中PAPR的降低系统，所述系统包括：
随机二进制位获取模块，用于获取随机二进制位；
QPSK调制模块，用于对所述二进制位进行正交相移键控QPSK调制，输出QPSK信号；
离散哈特莱变换模块，用于对所述输出的QPSK信号进行离散哈特莱变换，输出离散哈特莱信号；
快速傅里叶变换模块，用于对所述输出的离散哈特莱信号进行快速傅里叶变换，输出正交频分复用信号；
限幅模块，用于将所述正交频分复用信号输入至自适应限幅模块，采用自适应限幅算法进行限幅；
负反馈模块，用于限幅过程中统计限幅成功次数，基于统计特性输出负反馈到自适应限幅模块。
可选的，所述限幅模块具体包括：
平均功率确定单元，用于确定正交频分复用信号的平均功率mean_power；
限幅因子确定单元，用于确定限幅因子CR；
初始限幅门限确定单元，用于基于所述正交频分复用信号的平均功率和所述限幅因子确定初始限幅门限A；
超出限幅门限点数及总点数确定单元，用于确定当前超出限幅门限的点数count和当前遍历过的总点数total；
第一判断单元，用于判断是否遍历完所有正交频分复用子载波，若是，则退出自适应限幅模块，遍历结束，若否，则继续遍历；
第二判断单元，用于判断count与total的比值是否小于低水位，若是，则减小当前及后续遍历过程中的限幅门限A，并执行第四判断单元，若否，执行下一单元；
第三判断单元，用于判断count与total的比值是否大于高水位，若是，则增大当前及后续遍历过程中的限幅门限A，执行下一单元；
第四判断单元，用于判断该点信号功率是否大于限幅门限A，若是，则执行下一单元，若否，则执行计数单元；
第五判断单元，用于判断count与total的比值是否小于局部性门限，若是，则执行下一单元，若否，则执行限幅及剪裁单元；
压缩单元，基于所述局部性门限和压缩因子，对该点信号功率进行压缩，执行下一单元；
限幅及剪裁单元，用于将信号限幅到限幅门限A，将高于限幅门限A的信号剪裁，count＝count+1；
计数单元，用于total＝total+1；
循环单元，用于返回第一判断单元，直到所有符号均从自适应限幅模块输出。
可选的，所述初始限幅门限确定单元具体采用以下公式：
A＝CR*sqrt(mean_power)，其中，CR∈(0,1)表示限幅因子，mean_power表示正交频分复用信号的平均功率。
可选的，所述低水位属于区间[0,1]，所述高水位属于区间[0,1]，所述局部性门限属于区间[0,1]，所述局部门限为所述高水位和所述低水位之间的值。
可选的，所述压缩单元具体采用以下公式：
Y(n)＝X(n)*CF，其中，X(n)为原信号，CF为压缩因子，Y(n)为压缩后的信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提出了一种基于统计特性的自适应限幅算法与离散哈特莱(DiscreteHartleyTransform,DHT)变换的PAPR降低方案，通过获取随机二进制位；对所述二进制位进行正交相移键控QPSK调制，输出QPSK信号；对所述输出的QPSK信号进行离散哈特莱变换，输出离散哈特莱信号；对所述输出的离散哈特莱信号进行快速傅里叶变换，输出正交频分复用信号；将所述正交频分复用信号输入至自适应限幅模块，采用自适应限幅算法进行限幅；限幅过程中统计限幅成功次数，基于统计特性输出负反馈到自适应限幅模块，上述方法在计算复杂度与PAPR性能之间能够取得良好平衡能在计算复杂度与PAPR性能之间取得良好平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种正交频分复用系统中PAPR的降低方法流程图；
图2为本发明实施例自适应限幅算法流程图；
图3为本发明实施例一种正交频分复用系统中PAPR的降低系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种正交频分复用系统中PAPR的降低方法及系统，在计算复杂度与PAPR性能之间取得良好平衡。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明以QPSK-OFDM系统为例，由于传统限幅方案采取固定门限，门限过低会引入过多的带外噪声，门限过高则PAPR性能差。
为了改进以上缺点，对传统限幅方案的门限迭代进行改进，提出了一种基于统计特性的自适应限幅算法与离散哈特莱变换(Discrete Hartley Transform,DHT)的PAPR降低方案(ACA-DHT)。该方案包括：根据输入的二进制位生成QPSK信号；对QPSK信号进行离散哈特莱逆变换(Inverse Discrete Hartley Transform,IDHT)得到IDHT信号；对IDHT信号进行快速傅里叶逆变换(Inverse FastFourierTransform,IFFT)，得到OFDM信号；根据OFDM信号的平均功率及限幅因子生成初始限幅门限；将OFDM信号输入到自适应限幅模块，根据载波遍历过程中的统计特性进行负反馈限幅优化，从而完成自适应限幅。
图1为本发明实施例一种正交频分复用系统中PAPR的降低方法流程图，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：获取随机二进制位。
步骤102：对所述二进制位进行正交相移键控QPSK调制，输出QPSK信号。
步骤103：对所述输出的QPSK信号进行离散哈特莱变换，输出离散哈特莱信号。
其中，离散哈特莱变换与离散哈特莱逆变换具有对称性，易于数字信号处理芯片的调制和解调，且其不需要厄米特对称算法就可以保证输出信号的实值性，可以有效节省系统空间。
步骤104：对所述输出的离散哈特莱信号进行快速傅里叶变换，输出正交频分复用信号。
步骤105：将所述正交频分复用信号输入至自适应限幅模块，采用自适应限幅算法进行限幅。
如图2所示，具体包括以下步骤：
S1：确定正交频分复用信号的平均功率mean_power。
S2：确定限幅因子CR(ClippingRatio)，取值范围一般在(0,1)。
S3：基于所述正交频分复用信号的平均功率和所述限幅因子确定初始限幅门限A。
具体的，A＝CR*sqrt(mean_power)，其中，CR∈(0,1)表示限幅因子，mean_power表示正交频分复用信号的平均功率。
S4：确定当前超出限幅门限的点数count和当前遍历过的总点数total。
其初始值为0。
S5：判断是否遍历完所有正交频分复用子载波，若是，则退出自适应限幅模块，遍历结束，若否，则继续遍历。
S6：判断count与total的比值是否小于低水位，若是，则减小当前及后续遍历过程中的限幅门限A，并执行步骤S8，若否，执行下一步骤。
其中，低水位属于区间[0,1]。
S7：判断count与total的比值是否大于高水位，若是，则增大当前及后续遍历过程中的限幅门限A，执行下一步骤。
其中，高水位属于区间[0,1]。
S8：判断该点信号功率是否大于限幅门限A，若是，则执行下一步骤，若否，则执行步骤S12。
其中，局部性门限属于区间[0,1]，局部性门限通常设置为高水位与低水位之间的值，这是为了避免以下不符合负反馈机制的情况发生：若将局部性门限设置为低于低水位的值，则可能在S6判断为是且减小限幅门限之后，在S10再次压缩信号；若将局部性门限设置为高于high的值，则使得本就限幅过度(过度与否通过count与total的比值及低水位界定)且本次也期望将受到限幅的信号再次压缩。
S9：判断count与total的比值是否小于局部性门限，若是，则执行下一步骤，若否，则执行步骤S11。
S10：基于所述局部性门限和压缩因子，对该点信号功率进行压缩(不改变限幅门限A)，执行下一步骤。
压缩具体采用以下公式：
Y(n)＝X(n)*CF，其中，X(n)为原信号，CF为压缩因子，Y(n)为压缩后的信号。
S11：将信号限幅到限幅门限A，将高于限幅门限A的信号剪裁，count＝count+1。
S12：total＝total+1。
S13：返回步骤S5，直到所有符号均从自适应限幅模块输出。
步骤106：限幅过程中统计限幅成功次数，基于统计特性输出负反馈到自适应限幅模块。
图3为本发明实施例一种正交频分复用系统中PAPR的降低系统结构示意图，如图3所示，所述系统包括：
随机二进制位获取模块201，用于获取随机二进制位；
QPSK调制模块202，用于对所述二进制位进行正交相移键控QPSK调制，输出QPSK信号；
离散哈特莱变换模块203，用于对所述输出的QPSK信号进行离散哈特莱变换，输出离散哈特莱信号；
快速傅里叶变换模块204，用于对所述输出的离散哈特莱信号进行快速傅里叶变换，输出正交频分复用信号；
限幅模块205，用于将所述正交频分复用信号输入至自适应限幅模块，采用自适应限幅算法进行限幅；
负反馈模块206，用于限幅过程中统计限幅成功次数，基于统计特性输出负反馈到自适应限幅模块。
其中，所述限幅模块205具体包括：
平均功率确定单元，用于确定正交频分复用信号的平均功率mean_power；
限幅因子确定单元，用于确定限幅因子CR；
初始限幅门限确定单元，用于基于所述正交频分复用信号的平均功率和所述限幅因子确定初始限幅门限A；
超出限幅门限点数及总点数确定单元，用于确定当前超出限幅门限的点数count和当前遍历过的总点数total；
第一判断单元，用于判断是否遍历完所有正交频分复用子载波，若是，则退出自适应限幅模块，遍历结束，若否，则继续遍历；
第二判断单元，用于判断count与total的比值是否小于低水位，若是，则减小当前及后续遍历过程中的限幅门限A，并执行第四判断单元，若否，执行下一单元；
第三判断单元，用于判断count与total的比值是否大于高水位，若是，则增大当前及后续遍历过程中的限幅门限A，执行下一单元；
第四判断单元，用于判断该点信号功率是否大于限幅门限A，若是，则执行下一单元，若否，则执行计数单元；
第五判断单元，用于判断count与total的比值是否小于局部性门限，若是，则执行下一单元，若否，则执行限幅及剪裁单元；
压缩单元，基于所述局部性门限和压缩因子，对该点信号功率进行压缩，执行下一单元；
限幅及剪裁单元，用于将信号限幅到限幅门限A，将高于限幅门限A的信号剪裁，count＝count+1；
计数单元，用于total＝total+1；
循环单元，用于返回第一判断单元，直到所有符号均从自适应限幅模块输出。
其中，所述初始限幅门限确定单元具体采用以下公式：
A＝CR*sqrt(mean_power)，其中，CR∈(0,1)表示限幅因子，mean_power表示正交频分复用信号的平均功率。
所述压缩单元具体采用以下公式：
Y(n)＝X(n)*CF，其中，X(n)为原信号，CF为压缩因子，Y(n)为压缩后的信号。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种正交频分复用系统中PAPR的降低方法，其特征在于，所述方法包括：
获取随机二进制位；
对所述二进制位进行正交相移键控QPSK调制，输出QPSK信号；
对所述输出的QPSK信号进行离散哈特莱变换，输出离散哈特莱信号；
对所述输出的离散哈特莱信号进行快速傅里叶变换，输出正交频分复用信号；
将所述正交频分复用信号输入至自适应限幅模块，采用自适应限幅算法进行限幅，具体包括：
S1：确定正交频分复用信号的平均功率mean-power；
S2：确定限幅因子CR；
S3：基于所述正交频分复用信号的平均功率和所述限幅因子确定初始限幅门限A；具体的，A＝CR*sqrt(mean-power)，其中，CR∈(0,1)表示限幅因子，mean-power表示正交频分复用信号的平均功率；
S4：确定当前超出限幅门限的点数count和当前遍历过的总点数total；
S5：判断是否遍历完所有正交频分复用子载波，若是，则退出自适应限幅模块，遍历结束，若否，则继续遍历；
S6：判断count与total的比值是否小于低水位，若是，则减小当前及后续遍历过程中的限幅门限A，并执行步骤S8，若否，执行下一步骤；
S7：判断count与total的比值是否大于高水位，若是，则增大当前及后续遍历过程中的限幅门限A，执行下一步骤；
S8：判断该点信号功率是否大于限幅门限A，若是，则执行下一步骤，若否，则执行步骤S12；
S9：判断count与total的比值是否小于局部性门限，若是，则执行下一步骤，若否，则执行步骤S11；
S10：基于所述局部性门限和压缩因子，对该点信号功率进行压缩，执行下一步骤，压缩具体采用以下公式：
Y(n)＝X(n)*CF，其中，X(n)为原信号，CF为压缩因子，Y(n)为压缩后的信号；
S11：将信号限幅到限幅门限A，将高于限幅门限A的信号剪裁，count＝count+1；
S12：total＝total+1；
S13：返回步骤S5，直到所有符号均从自适应限幅模块输出；
限幅过程中统计限幅成功次数，基于统计特性输出负反馈到自适应限幅模块。
2.根据权利要求1所述的一种正交频分复用系统中PAPR的降低方法，其特征在于，所述低水位属于区间[0,1]，所述高水位属于区间[0,1]，所述局部性门限属于区间[0,1]，所述局部性门限为所述高水位和所述低水位之间的值。
3.一种正交频分复用系统中PAPR的降低系统，其特征在于，所述系统包括：
随机二进制位获取模块，用于获取随机二进制位；
QPSK调制模块，用于对所述二进制位进行正交相移键控QPSK调制，输出QPSK信号；
离散哈特莱变换模块，用于对所述输出的QPSK信号进行离散哈特莱变换，输出离散哈特莱信号；
快速傅里叶变换模块，用于对所述输出的离散哈特莱信号进行快速傅里叶变换，输出正交频分复用信号；
限幅模块，用于将所述正交频分复用信号输入至自适应限幅模块，采用自适应限幅算法进行限幅；所述限幅模块具体包括：
平均功率确定单元，用于确定正交频分复用信号的平均功率mean-power；
限幅因子确定单元，用于确定限幅因子CR；
初始限幅门限确定单元，用于基于所述正交频分复用信号的平均功率和所述限幅因子确定初始限幅门限A，具体的，A＝CR*sqrt(mean-power)，其中，CR∈(0,1)表示限幅因子，mean-power表示正交频分复用信号的平均功率；
超出限幅门限点数及总点数确定单元，用于确定当前超出限幅门限的点数count和当前遍历过的总点数total；
第一判断单元，用于判断是否遍历完所有正交频分复用子载波，若是，则退出自适应限幅模块，遍历结束，若否，则继续遍历；
第二判断单元，用于判断count与total的比值是否小于低水位，若是，则减小当前及后续遍历过程中的限幅门限A，并执行第四判断单元，若否，执行下一单元；
第三判断单元，用于判断count与total的比值是否大于高水位，若是，则增大当前及后续遍历过程中的限幅门限A，执行下一单元；
第四判断单元，用于判断该点信号功率是否大于限幅门限A，若是，则执行下一单元，若否，则执行计数单元；
第五判断单元，用于判断count与total的比值是否小于局部性门限，若是，则执行下一单元，若否，则执行限幅及剪裁单元；
压缩单元，基于所述局部性门限和压缩因子，对该点信号功率进行压缩，执行下一单元；压缩具体采用以下公式：
Y(n)＝X(n)*CF，其中，X(n)为原信号，CF为压缩因子，Y(n)为压缩后的信号；
限幅及剪裁单元，用于将信号限幅到限幅门限A，将高于限幅门限A的信号剪裁，count＝count+1；
计数单元，用于total＝total+1；
循环单元，用于返回第一判断单元，直到所有符号均从自适应限幅模块输出；
负反馈模块，用于限幅过程中统计限幅成功次数，基于统计特性输出负反馈到自适应限幅模块。
4.根据权利要求3所述的一种正交频分复用系统中PAPR的降低系统，其特征在于，所述低水位属于区间[0,1]，所述高水位属于区间[0,1]，所述局部性门限属于区间[0,1]，所述局部性门限为所述高水位和所述低水位之间的值。
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