CN1169319C - 正交频分复用通信系统峰平比的幅值压扩抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种正交频分复用通信系统峰平比的幅值压扩抑制方法，在发送端经过OFDM调制的I、Q两路基带信号进行功率调整和时延补偿的同时，求出幅值进行压缩，压缩后的信号幅值除以压缩前的幅值得到压缩比率，分别乘以经过功率调整以及时延补偿的I、Q两路基带信号，从而完成压缩操作；在接收端接收到的I、Q两路基带信号进行功率调整和时延补偿的同时，求出幅值进行扩张后除以扩张前的幅值得到扩张比率，再乘以经过功率调整以及延时补偿后的I、Q两路基带信号，从而完成扩张操作。本发明使信号峰值功率与平均功率的比值降低，从而抑制了系统的峰平比，对信号几乎没有损伤，实现容易，可以用于各类采用了OFDM调制方式的通信系统中。

Description

正交频分复用通信系统峰平比的幅值压扩抑制方法

技术领域：

本发明涉及一种正交频分复用通信系统峰平比的幅值压扩抑制方法，是一种利用幅值压扩技术在正交频分复用通信系统中抑制信号峰值功率、降低峰平比的方法，属于数字通信技术领域。

背景技术：

正交频分复用调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种信道利用率很高的调制方式，具有良好的抗衰落能力，并可以实现数据的并行传送。随着数字信号处理技术的飞速发展及大规模集成电路的广泛应用，OFDM日益受到广泛的关注，尤其是在高速数字通信领域。

在OFDM通信系统中，使用在频率上具有同步关系的多个载波来调制信号，由于各载波的包络值统计独立，随着载波数的增加，叠加后信号的峰值功率与平均功率的比值，即峰平比(peak-to-average power ratio，PAPR)的数值较大。因此，调制信号的动态范围相当大，这就要求系统中的功放具有较高的线性放大范围，以避免传输信号的频谱扩散和非线性失真，同时也要求后继的D/A转换器具有较大的转换宽度，这样就增加了系统成本和实现难度。

目前，降低OFDM通信系统信号峰平比一般有如下几种方法：直接削波、加窗、部分传输序列等。直接削波即把高于门限的峰值功率直接削去，它是最简单实用的方法，但是它给系统引入了新的噪声，并且对频谱特性的影响较大，使带外扩散严重，影响相邻信道的信号。加窗的方法用一个窗函数对信号峰值功率进行限制，为了保证效果，需要在上采样以后的较高速率下对信号进行处理，因此实现起来比较困难，而且它也会影响信号的频谱特性，这一方法由Richard van和Arnout de Wild在文Reducing the Peak-to-Average Power Ratio of OFDM(IEEE VTC’98)中提出。部分传输序列的方法为，如果一组发送符号的时域信号幅度高于所要求的门限值，则通过一种收端已知的变换将这组符号进行变换，直到其时域信号幅度满足要求为止，同时以非常小的代价将变换的参数发送给对方，这种方法虽然降低峰平比的效果比较好，但是它在实现上有难度，而且在调制解调端都需要有附加模块，这种方法由Leonard J.Cimini和Nelson R.Sollenberger在文Peak-to-Average Power RatioReduction of an OFDM Signal Using Partial Transmit Sequences(IEEECOMMUNICATIONS LETTERS，VOL.4 NO.3，MARCH 2000)中提出。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种新的适用于正交频分复用通信系统峰平比的幅值压扩抑制方法，利用幅值压扩技术，在发送端对信号进行压缩处理，使信号峰平比降低，接收端进行与发送端相反的操作，恢复出原来的信号，从而做到在几乎不损伤信号的前提下，降低系统的峰平比。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，在发送端，将OFDM调制后的子载波基带信号送入压缩单元进行幅值压缩，降低信号峰平比，同时进行功率调整以补偿幅值压缩中造成的功率改变，在接收端进行相反的操作，对接收到的信号进行幅值扩张从而恢复出和发送端压缩之前一样的信号。本发明的具体操作按如下步骤进行：

1、发送端经过OFDM调制的I、Q两路基带信号送入功率调整单元以及时延补偿单元进行功率调整和时延补偿，具体做法为，首先根据压缩操作使信号平均功率改变的比率对信号功率值进行调整以补偿压缩操作对信号功率造成的影响，然后在时延补偿单元中调整信号通路的时延，使信号传输达到同步。

2、求出基带信号幅值后送入幅值压缩器，在其中对信号的幅值进行压缩操作，具体操作为：将幅值乘以 其中m为事先确定好的参数，V为基带信号幅值的最大值，在系统中通过实测得到，然后将上一步的结果加1取自然对数，取得的对数值与 相乘，即得到了压缩后的幅值。

3、经过压缩后的信号幅值除以压缩前的幅值得到压缩比率，将这一比率分别乘以经过功率调整以及时延补偿的I、Q两路基带信号，从而完成发送端的压缩操作，经过压缩操作的信号的峰平比得到了较大的抑制。

4、在接收端将接收到的I、Q两路基带信号送入功率调整单元以及时延补偿单元，功率调整单元的调整参数是发送端功率调整参数的倒数。

5、接收到的I、Q两路基带信号求出幅值后送入幅值扩张器，在其中对信号的幅值进行扩张操作，具体操作为：首先将幅值乘以 将结果进行以e为底的指数计算后减1，最后取得的对数值与

相乘，相乘的结果即为扩张后的幅值。

6、经过扩张操作后的信号幅值除以扩张前的幅值得到扩张比率，将这一比率分别乘以经过延时补偿以及功率调整后的I、Q两路基带信号，从而完成扩张操作。

上述操作步骤中所使用的m为压扩参数，m值越大，降低峰平比越多，但是这一参值过大会使信号间的区分度降低但抑制峰平比的性能提升不高，因此一般取m为3到6即可得到较好的抑制峰平比效果同时保证信号区分度，如果系统对抑制峰平比要求很高，可以再适当增大m的取值。

本发明在OFDM通信系统的发送端通过压缩使幅值较大的峰值信号基本不变，但提高了幅值较小信号的幅度，因此使信号峰值功率与平均功率的比值降低，从而抑制了系统的峰平比，另外，由于压扩的操作过程是可逆的，因此在接收端进行与发送端相反的扩张操作后，可以恢复出发送端原有的信号，这样就可以做到对信号几乎没有损伤。在本发明中并没有像部分传输序列等降低峰平比方法那样在发送的信号中加入额外的信息，所以实现的复杂程度也是比较低的。

经过在OFDM通信系统链路仿真中加入幅值压扩单元进行验证，得到的结果显示，本发明的方法对降低系统峰平比的效果是明显的，而且对信号的损伤非常小。与直接削波与加窗的方法相比，本发明的方法对信号的损伤要小得多，但是一样可以达到很好的降低峰平比效果；与部分传输序列的方法相比，本发明不必在发送的信号中加入有关抑制峰平比的额外信息但是同样可以做到对信号几乎没有损伤，因此，本发明幅值压扩的方法具有降低峰平比效果好，而且实现难度低的特点，是降低OFDM通信系统峰平比的一个比较理想的方法。

本发明可以用于单载波OFDM通信系统、多载波OFDM通信系统，也可以应用于无线局域网如802.11系列协议以及高清晰数字电视广播如DVB协议等采用了OFDM调制方式的通信系统中。

附图说明：

图1为通过幅值压扩技术抑制OFDM通信系统峰平比的功能框图

如图所示，  在发送端加入幅值压缩单元的位置为OFDM调制以及IFFT之后，上采样与成型滤波之前；在接收端加入幅值扩张单元的位置为下采样与成型滤波之后，FFT与OFDM解调之前。

图2为发送端的幅值压缩单元结构。

如图所示，经过OFDM调制的I、Q两路基带信号送入功率调整单元以及时延补偿单元进行功率调整和时延补偿的同时，求出幅值送入压缩器，在压缩器中对信号的幅值进行压缩操作，首先将幅值乘以 所得结果加1后取自然对数，取得的对数值与 相乘，即得到了压缩后的幅值。经过压缩后的信号幅值除以压缩前的幅值得到压缩比率，将这一比率分别乘以经过功率调整以及时延补偿的I、Q两路基带信号，从而完成发送端的压缩操作。

图3为接收端的幅值扩张单元结构。

如图所示，接收到的I、Q两路基带信号送入功率调整单元以及时延补偿单元的同时，求出幅值送入扩张器，在扩张器中对信号的幅值进行扩张操作，首先将幅值乘以

将结果进行以e为底的指数计算后减1，然后与 相乘，即得到了扩张后的幅值。经过扩张操作后的信号幅值除以扩张前的幅值得到扩张比率，将这一比率分别乘以经过延时补偿以及功率调整后的I、Q两路基带信号，从而完成接收端的扩张操作。

具体实施方式：

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。实施例为应用了本发明的无线局域网802.11a协议系统。这一系统采用了QPSK的调制方式。m值取为3，经过在系统链路中的测量统计，信号最大幅值V＝0.2，为了保证压扩前后信号平均功率不变，在发送与接收端的功率调整单元的调整参数为0.65，为了评价预测削波对信号的损伤程度，把工程上常用的矢量误差平均值，即EVM(Error Vector Mean)作为测评标准。本发明应用于802.11a协议系统的具体步骤为：

1、发送端经过OFDM调制的I、Q两路基带信号送入功率调整单元以及时延补偿单元进行功率调整和时延补偿，具体做法为，在功率调整单元中使信号功率降低为原来的65％，然后在时延补偿单元中调整信号通路的时延，使信号传输达到同步。

2、求出基带信号幅值后送入幅值压缩器在其中对信号的幅值进行压缩操作，分为以下三步：首先将幅值乘以 $\frac{m}{V}=15,$ 其中m＝3，V＝.02。然后将上一步的结果加1，取自然对数。最后把取得的对数值与 $\frac{V}{l_n(1+m)}=0.1443$ 相乘，即得到了压缩后的幅值。

3、经过压缩后的信号幅值除以压缩前的幅值得到压缩比率，将这一比率分别乘以经过功率调整以及时延补偿的I、Q两路基带信号，从而完成发送端的压缩操作。

4、接收到的I、Q两路基带信号送入功率调整单元以及时延补偿单元，在功率调整单元中使信号的功率增大为原来的1.538倍。

5、接收到的I、Q两路基带信号求出幅值后送入幅值扩张器，在其中对信号的幅值进行扩张操作，分为以下三步：首先将幅值乘以 $\frac{l_n(1+m)}{V}=6.931.$ 然后将上一步的结果进行以e为底的指数计算后减1。最后与 $\frac{V}{m}=0.0667$ 相乘，即得到了扩张后的幅值。

6、经过扩张操作后的信号幅值除以扩张前的幅值得到扩张比率，将这一比率分别乘以经过延时补偿以及功率调整后的I、Q两路基带信号，从而完成扩张操作。

未进行幅值压扩操作时，802.11a无线局域网系统的峰平比为10dB左右，经过上述压扩操作后，系统峰平比降至7.2dB，同时系统的EVM值为-18，802.11a协议中规定在QPSK调制方式下最高EVM值为-13，考虑到为后面数模转换及射频等模块留出余量为3，即EVM值要低于-16，而-18的性能是满足这一要求的，因此，在应用了本发明后，在保证系统性能的前提下，降低峰平比达到2.8dB，取得了很好的效果。

Claims (3)

1、一种正交频分复用通信系统峰平比的幅值压扩抑制方法，其特征在于在发送端经过正交频分复用调制的I、Q两路基带信号送入功率调整单元以及时延补偿单元进行功率调整和时延补偿的同时，求出幅值送入压缩器，在其中对信号的幅值进行压缩操作，经过压缩后的信号幅值除以压缩前的幅值得到压缩比率，将这一比率分别乘以经过功率调整以及时延补偿的I、Q两路基带信号，从而完成压缩操作；在接收端将接收到的I、Q两路基带信号送入功率调整单元以及时延补偿单元的同时，求出幅值送入扩张器，在其中对信号的幅值进行扩张操作，经过扩张后的信号幅值除以扩张前的幅值得到扩张比率，将这一比率分别乘以经过延时补偿以及功率调整后的I、Q两路基带信号，从而完成扩张操作。

2、如权利要求1所说的正交频分复用通信系统峰平比的幅值压扩抑制方法，其特征在于对信号的幅值进行压缩操作时，将幅值乘以 然后将结果加1取自然对数，取得的对数值与 相乘，得到压缩后的信号幅值，对信号的幅值进行扩张操作时，将幅值乘以

将结果进行以e为底的指数计算后减1，最后取得的对数值与

相乘，得到扩张后的信号幅值，其中，压扩参数m取值为3到6，V为基带信号幅值的最大值。

3、如权利要求1所说的正交频分复用通信系统的峰平比幅值压扩抑制方法，其特征在于应用于单载波、多载波以及无线局域网802.11系列协议和高清晰数字电视广播DVB协议等OFDM通信系统中。

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