專(zhuān)利名稱(chēng)：Ofdm通信系統(tǒng)及降低峰均功率比的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種降低正交頻分多路復(fù)用(OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing)通信系統(tǒng)中峰均功率比的方法，以改善和提高通信系統(tǒng)的性能。
背景技術(shù)：
早在1957年，OFDM就被用于多載波高頻調(diào)制解調(diào)器，1971年Weinstein和Ebert兩位學(xué)者提出了用快速傅里葉變換(FFTFast FourierTransform)來(lái)實(shí)現(xiàn)OFDM。OFDM的主要思想是將高速串行碼流轉(zhuǎn)變成并行的低速碼流，調(diào)制到等頻率間隔的一組相互正交的子載波上。其基本原理是將總的信道帶寬分成多個(gè)帶寬相等的子信道，每個(gè)子信道單獨(dú)通過(guò)各自子載波調(diào)制的信息符號(hào)。此外，OFDM符號(hào)中引入的保護(hù)間隔能有效地克服多徑信道的延時(shí)擴(kuò)展，消除碼間干擾，因此消除了采用復(fù)雜均衡器的必要。目前流行的高速數(shù)字用戶線HDSL、非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶線ADSL、超高速數(shù)字用戶線VHDSL都以O(shè)FDM為核心傳輸技術(shù)。同時(shí)OFDM也是歐洲數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)技術(shù)。另外，它還是無(wú)線局域網(wǎng)物理層的基礎(chǔ)，1999年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織通過(guò)了一個(gè)以O(shè)FDM為核心技術(shù)、可提供高達(dá)54Mbps傳輸速率的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11a。
采用OFDM技術(shù)的基本通信系統(tǒng)如圖1所示在OFDM的發(fā)送端，輸入為二進(jìn)制比特流、圖像，或隨機(jī)序列an，然后，采用正交幅度調(diào)制(QAMQuadrature Amplitude Modulation)或相移鍵控法(PSKPhase-Shift-Keying)對(duì)an進(jìn)行一次預(yù)調(diào)制，得到Xn，各子信道上的調(diào)制方式可以不同，也可以相同。比較平緩的子信道上加載較多的比特調(diào)制，衰落大的子信道上加載很少或者不加載比特，這個(gè)模塊可以增加系統(tǒng)的傳輸速率。Xn經(jīng)串并變換和快速傅立葉逆變換(IFFTInverse Fast FourierTransform)后得到時(shí)域信號(hào)xl，n，即第l個(gè)符號(hào)中第n個(gè)采樣值。在OFDM符號(hào)之間加入保護(hù)間隔，成為循環(huán)前綴CP，它可以消除多徑衰落引起的碼間干擾，這樣就得到信號(hào)sl，n。信號(hào)sl，n經(jīng)并串變換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，就可得到實(shí)際發(fā)送信號(hào)s(t)。在OFDM的接收端，實(shí)際上進(jìn)行的是上述發(fā)送端的逆過(guò)程。
雖然，采用OFDM技術(shù)的通信系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是具有較高的峰均功率比(PAPRPeak-to-Average Power Ratio)，該峰均功率比可用下式來(lái)計(jì)算PAPR=10log10[maxn(|xn|2)mean(|xn|2)]---(1)]]>其中， 表示OFDM符號(hào)的最大功率，mean(|xn|2)表示OFDM符號(hào)的平均功率。
通常OFDM信號(hào)可以看成是許多個(gè)獨(dú)立同分布信號(hào)的總和，當(dāng)相位相同時(shí)峰值功率是均值功率的N倍，其中N為子載波數(shù)。高的峰均功率比有很多不利的方面，例如，對(duì)放大器的線性提出了很高的要求，如果放大器線性部分的動(dòng)態(tài)范圍不能滿足信號(hào)的變化則接收信號(hào)會(huì)產(chǎn)生畸變，破壞OFDM信號(hào)各子載波的正交性，使系統(tǒng)性能惡化。
針對(duì)OFDM系統(tǒng)中峰均功率比的問(wèn)題國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，但是現(xiàn)有的方法都是以犧牲通信系統(tǒng)的其他性能指標(biāo)作無(wú)代價(jià)來(lái)?yè)Q取峰均功率比的降低，例如，誤碼率變大、系統(tǒng)的復(fù)雜性增加等。目前，已經(jīng)提出的降低OFDM通信系統(tǒng)中峰均功率比的方法主要有(1)信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)主要包括限幅，壓擴(kuò)變換技術(shù)等。
1)限幅技術(shù)限幅操作可以被看作是OFDM采樣信號(hào)與矩形窗函數(shù)相乘，如果OFDM信號(hào)的幅值小于門(mén)限值時(shí)，則該矩形窗函數(shù)的幅值為1，否則，該矩形窗函數(shù)的幅值小于1。在我們的討論中，我們將使用歸一化的限幅門(mén)限，即限幅率CR，而限幅門(mén)限A＝CR*σ，其中，σ為OFDM信號(hào)的平均功率。這表明，在載波數(shù)為N的OFDM信號(hào)的條件下，基帶信號(hào)平均功率為σ=N,]]>帶通信號(hào)的平均功率為σ=N/2.]]>根據(jù)時(shí)域相乘等于頻域相卷積原理，經(jīng)過(guò)限幅的OFDM信號(hào)的頻譜等于原始OFDM信號(hào)的頻譜與窗函數(shù)頻譜的卷積，因此其帶外頻譜特性主要由兩者之間頻譜寬度較大的信號(hào)來(lái)決定，也就是矩形窗函數(shù)的頻譜來(lái)決定2)壓擴(kuò)變換技術(shù)壓擴(kuò)變換可分為μ律和A律兩種。在壓擴(kuò)變換方法中，通過(guò)把大功率發(fā)射信號(hào)壓縮，把小功率發(fā)射信號(hào)進(jìn)行放大，從而使發(fā)射信號(hào)的平均功率相對(duì)保持不變。這樣不但可以降低系統(tǒng)的PAPR，而且可以使小信號(hào)抗干擾的能力增強(qiáng)。在本發(fā)明中，我們用的是μ律壓擴(kuò)變換，所以需要調(diào)節(jié)的參數(shù)也就是壓擴(kuò)系數(shù)μ。
(2)高速編碼技術(shù)高速編碼技術(shù)主要包括選擇性映射SLM和部分傳送序列PTS。
1)選擇性映射(SLMSelective Mapping)OFDM系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)內(nèi)的信號(hào)可以表示為xk＝IFFT[Xn]，(n，k＝0，1，…，N-1)，假設(shè)存在M個(gè)不同的、長(zhǎng)度為N的隨機(jī)相位序列矢量P(μ)=(P0(μ),P0(μ),,PN-1(μ)),]]>其中(μ＝1，2，…，M)， i(μ)在
]>最后在給定PAPR門(mén)限值的條件下，從這M個(gè)時(shí)域信號(hào)序列內(nèi)選擇PAPR性能最好的用于傳輸。
2)部分傳送序列(PTSPartial Transmit Sequences)首先利用向量來(lái)定義數(shù)據(jù)符號(hào)X＝[X0，X1，…，XN-1]；然后把向量X分成V組，分別由{Xv，v＝1，2，…，V}來(lái)表示，其分割方法可以有多種如相鄰分割法、交織分割法、隨機(jī)分割法，假設(shè)每個(gè)分組中所包括的子載波數(shù)量是相同的，然后將這M個(gè)分組按如下方式組合起來(lái)X′=Σv=1VbvXv.]]>其中{bv，v＝1，2，…，V}是加權(quán)系數(shù)，而且滿足bv＝exp(jv)以及v∈
，這被稱(chēng)為輔助信息；然后對(duì)X′進(jìn)行快速傅立葉反變換IFFT，得到x′＝IFFT{X′}。根據(jù)IFFT的線性，可以利用V個(gè)單獨(dú)的離散傅立葉反變換IDFT，對(duì)各個(gè)分組進(jìn)行計(jì)算得x′=Σv=1Vbv·IFFT{Xv}=Σv=1Vbv·Xv,]]>其中引入了V個(gè)部分發(fā)送序列PTS，Xv＝IFFT{Xv}。通過(guò)使用優(yōu)化算法選擇輔助加權(quán)系數(shù)bv，使得峰值信號(hào)達(dá)到最佳化。
(3)分組編碼技術(shù)常用的編碼技術(shù)主要有戈雷Golay互補(bǔ)序列和Reed-Muller編碼。Reed-Muller編碼是一種高效的編碼方案，它可以擴(kuò)展到二進(jìn)制、四進(jìn)制、八進(jìn)制甚至更高進(jìn)制。它從理論上保證了很小的PAPR，也提供了很好糾錯(cuò)性能，同時(shí)也可以通過(guò)對(duì)碼速率、PAPR和糾錯(cuò)性能的簡(jiǎn)單改變來(lái)處理不同信道的情況。Golay互補(bǔ)序列和二階Reed-Muller碼之間有非常緊密的關(guān)系，通過(guò)把二階Reed-Muller碼分成若干陪集來(lái)把對(duì)應(yīng)于大PAPR的碼字分開(kāi)，從而起到降低PAPR的目的。
上述這些降低PAPR的方法都有其自身的局限性，主要存在以下不足之處(1)采用限幅技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅會(huì)引入限幅噪聲，當(dāng)采用濾波器消除這些噪聲時(shí)又會(huì)引起峰值再生，從而不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求；采用壓擴(kuò)變換技術(shù)雖然可以有效的降低系統(tǒng)的PAPR，但它又會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。
(2)采用選擇性映射、部分傳送序列和編碼技術(shù)是以增加冗余度為代價(jià)換來(lái)了PAPR的降低，當(dāng)子載波數(shù)較大時(shí)，這幾種方法都需要較大的計(jì)算量和復(fù)雜度，而在目前實(shí)用的OFDM通信系統(tǒng)中，子載波數(shù)一般都較大，所以其計(jì)算量和復(fù)雜度是難以接受的。
(3)無(wú)論采用以前的哪知方法，在降低峰均功率比的同時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能的惡化，所以如何在峰均功率比和系統(tǒng)性能之間尋求最佳的折衷是目前需要解決的一個(gè)問(wèn)題。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的之一是提供一種能夠根據(jù)實(shí)際通信環(huán)境和指標(biāo)自動(dòng)調(diào)節(jié)降低峰均功率比的OFDM通信系統(tǒng)；目的之二提供一種降低OFDM通信系統(tǒng)峰均功率比的方法，以改善因降低PAPR而對(duì)OFDM通信系統(tǒng)性能造成的不良影響。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案采用預(yù)判斷技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化和峰均功率比與系統(tǒng)性能之間的自動(dòng)折衷，提高OFDM通信系統(tǒng)的靈活性和自適應(yīng)性。
所說(shuō)的預(yù)判斷技術(shù)，是根據(jù)中心極限定理，峰均功率比的分布隨著子載波數(shù)的增加逐漸趨于高斯分布。即當(dāng)OFDM滿足子載波數(shù)大于時(shí)，其分布已十分接近高斯分布，因而其PAPR較大。但由于通常OFDM通信系統(tǒng)處于大峰值功率的概率很低，一般OFDM信號(hào)功率超過(guò)平均功率的三倍，即當(dāng)PAPR為9.6dB的概率約為0.1％，超過(guò)其四倍平均功率；當(dāng)PAPR為12dB的概率小于0.01％，為了滿足出現(xiàn)概率較低的大峰值功率而對(duì)信號(hào)一律進(jìn)行降低峰均功率比的處理，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能造成很大的影響。因此，本發(fā)明的預(yù)判斷技術(shù)只對(duì)大峰值功率的信號(hào)進(jìn)行處理，即先根據(jù)功率放大器的線性范圍，確定出可以接受的峰均功率比PAPR0，然后再判斷系統(tǒng)的峰均功率比是否滿足要求，如果滿足要求，則不對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行處理而直接發(fā)送出去；如果不滿足要求，則采用自適應(yīng)技術(shù)，直到滿足要求為止。
所說(shuō)的自適應(yīng)技術(shù)，主要指根據(jù)預(yù)定的性能指標(biāo)和實(shí)際的通信情況，按照自適應(yīng)算法自動(dòng)的調(diào)整參數(shù)，在PAPR和通信系統(tǒng)的性能這一對(duì)矛盾之間尋求最優(yōu)化并最終自動(dòng)實(shí)現(xiàn)折衷。由于通信環(huán)境的千變?nèi)f化，特別是在無(wú)線移動(dòng)通信中，電波傳播的主要方式是直射波、折射波、反射波以及它們的合成波，再加上移動(dòng)臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)，使得移動(dòng)臺(tái)與基站之間的無(wú)線信道多變且難以控制，信號(hào)通過(guò)信道時(shí)會(huì)遭受各種衰落的影響，如果采用固定參數(shù)的降低PAPR的方法，就不能適應(yīng)多變信道的實(shí)際。自適應(yīng)技術(shù)的采用主要是考慮到要適應(yīng)多變信道的實(shí)際，以增加通信系統(tǒng)的靈活性和自適應(yīng)性。
本發(fā)明的OFDM通信系統(tǒng)，包括發(fā)送單元、預(yù)判斷單元、自適應(yīng)降低峰均功率比單元、降低峰均功率比的逆過(guò)程單元、接收單元。其中發(fā)送單元，用于接收4-QAM調(diào)制和串并變換后的信號(hào)，并經(jīng)過(guò)快速傅立葉逆變換、加循環(huán)前綴和并串變換，形成OFDM發(fā)送信號(hào)，送入預(yù)判斷單元；預(yù)判斷單元，用于對(duì)OFDM發(fā)送信號(hào)進(jìn)行預(yù)判斷處理，分別通過(guò)兩路輸出，即一路將無(wú)需降低峰均功率比的信號(hào)直接送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，另一路將需要降低峰均功率比的信號(hào)，送到自適應(yīng)降低峰均功率比單元；自適應(yīng)降低峰均功率比單元，用于對(duì)預(yù)判斷單元輸出的信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)降低峰均功率比方法的參數(shù)，得到滿足要求的峰均功率比和系統(tǒng)性能的信號(hào)，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元；降低峰均功率比的逆過(guò)程單元，用于將預(yù)判斷后采用了降低峰均功率比方法的信號(hào)進(jìn)行逆過(guò)程恢復(fù)，然后送入串并變換單元；接收單元，用于接收經(jīng)過(guò)串并變換的信號(hào)，并通過(guò)去循環(huán)前綴、快速傅立葉變換，輸出到并串變換單元，經(jīng)過(guò)4-QAM解調(diào)后得到需要的信號(hào)。
本發(fā)明采用所述的預(yù)判斷技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)，降低OFDM通信系統(tǒng)中峰均功率比的方法步驟如下首先，根據(jù)功率放大器的線性范圍，預(yù)定出通信系統(tǒng)可以接受的峰均功率比PAPR0和允許誤差a；然后，對(duì)經(jīng)過(guò)快速傅里葉逆變換和并串變換后的信號(hào)，進(jìn)行預(yù)判斷也就是如果系統(tǒng)中的峰均功率比PAPR滿足預(yù)定的PAPR0要求，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)；如果系統(tǒng)的PAPR不滿足預(yù)定的PAPR0要求，則對(duì)降低PAPR方法的參數(shù)進(jìn)行如下過(guò)程的自適應(yīng)處理后，再發(fā)送數(shù)據(jù)(1)確定OFDM信號(hào)最初的參數(shù)，例如壓擴(kuò)系數(shù)μ或限幅率CR、循環(huán)系數(shù)λ、總循環(huán)次數(shù)n、允許誤差a；(2)先對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行處理，例如壓擴(kuò)變換或限幅，再通過(guò)通用公式PAPR1=10log10[maxn(|xn|2)mean(|xn|2)]]]>計(jì)算出當(dāng)時(shí)的峰均功率比PAPR1式中， 表示OFDM符號(hào)的最大功率，mean(|xn|2)表示OFDM符號(hào)的平均功率；(3)將當(dāng)時(shí)的峰均功率比PAPR1與預(yù)定的峰均功率比PAPR0進(jìn)行比較，如果滿足要求，則直接將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；(4)如果當(dāng)時(shí)的峰均功率比PAPR1大于預(yù)定的峰均功率PAPR0，則根據(jù)二者的差值來(lái)增大壓擴(kuò)系數(shù)μ或減小限幅率CR，返回自適應(yīng)步驟(2)；(5)如果當(dāng)時(shí)的峰均功率比PAPR1小于預(yù)定的峰均功率比PAPR0，則再判斷二者的差值是否在允許誤差a的范圍之內(nèi)，如果該差值在允許誤差a的范圍內(nèi)，則循環(huán)結(jié)束，發(fā)送數(shù)據(jù)；如果該差值不在允許誤差a的范圍內(nèi)，則減小壓擴(kuò)系數(shù)μ或增大限幅率CR，并返回自適應(yīng)步驟(2)。
上述預(yù)定的峰均功率比PAPR0主要由功率放大器的線性動(dòng)態(tài)范圍來(lái)確定，峰值功率不大于功率放大器允許的輸入功率。
上述預(yù)定預(yù)定通信系統(tǒng)的允許誤差a，根據(jù)通信系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度要求來(lái)確定，調(diào)節(jié)精度越高，a的取值越小。
上述循環(huán)的原則是使系統(tǒng)的PAPR盡可能的接近預(yù)定值，所以總循環(huán)次數(shù)在理論上是越大越好，這樣才可達(dá)到對(duì)系統(tǒng)性能的影響最小，同時(shí)又能滿足PAPR的要求。但如果取得過(guò)大又會(huì)影響傳輸效率，故在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選取，在本發(fā)明的仿真中，取總循環(huán)次數(shù)為5，即可達(dá)到預(yù)定要求，如表1和表2所示。
本發(fā)明與現(xiàn)有的降低峰均功率比的方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1.由于本發(fā)明基于在實(shí)際通信中高的峰均功率比出現(xiàn)的概率較小的事實(shí)，所以采用預(yù)判斷技術(shù)是很有用的，通過(guò)采用預(yù)判斷技術(shù)可以只對(duì)小概率的高PAPR的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，因而避免了對(duì)所有信號(hào)都要進(jìn)行不必要的處理，提高了傳輸效率，且對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)性能的影響不是很大，提高了通信系統(tǒng)的靈活性；2.由于本發(fā)明采用基于自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)預(yù)期指標(biāo)和實(shí)際通信信道環(huán)境，自動(dòng)的調(diào)節(jié)通信參數(shù)，使其盡可能的滿足預(yù)期要求，因此，可以使峰均功率比盡可能的滿足我們的要求，并且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了PAPR和系統(tǒng)性能之間的折衷，提高了通信系統(tǒng)的自適應(yīng)性和智能性。


圖1是現(xiàn)有OFDM通信系統(tǒng)的原理框2是采用本發(fā)明方法的OFDM通信系統(tǒng)原理框3是本發(fā)明的第一實(shí)施例原理流程4是本發(fā)明的第二實(shí)施例原理流程5是本發(fā)明的第一實(shí)施例的互補(bǔ)累積分布函數(shù)CCDF對(duì)比6是本發(fā)明的第一實(shí)施例的誤碼率對(duì)比圖和壓擴(kuò)系數(shù)μ的變化7是本發(fā)明的第二實(shí)施例的互補(bǔ)累積分布函數(shù)CCDF對(duì)比8是本發(fā)明的第二實(shí)施例的誤碼率對(duì)比圖和限幅率CR的變化圖具體實(shí)施方式
以下參照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
參照?qǐng)D2，OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)射部分主要包括4-QAM調(diào)制器、快速傅立葉逆變換IFFT數(shù)字信號(hào)處理器6、并串變換8、自適應(yīng)降低峰均功率比單元13、數(shù)模轉(zhuǎn)換器15、低通濾波器16，接收部分實(shí)際上是發(fā)送部分的逆過(guò)程，主要包括低通濾波器20、模數(shù)轉(zhuǎn)換22、快速傅立葉變換FFT數(shù)字信號(hào)處理器29、4-QAM解調(diào)器32。
OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)送、接收過(guò)程分別如下發(fā)送時(shí)，信源1產(chǎn)生的攜帶信息的數(shù)據(jù)符號(hào)流2送到調(diào)制器3，進(jìn)行第一次正交幅度調(diào)制，這里采用4-QAM調(diào)制。二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)4-QAM調(diào)制后，也就是將各個(gè)并行信道上二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射為信號(hào)星座圖上的點(diǎn)，即形成復(fù)數(shù)形式的數(shù)據(jù)序列。該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串并變換4后的數(shù)據(jù)5送到OFDM的發(fā)送端。由快速傅立葉逆變換IFFT數(shù)字信號(hào)處理器6對(duì)該復(fù)數(shù)并行序列進(jìn)行第二次調(diào)制，即用一組彼此正交的正弦和余弦信號(hào)對(duì)原來(lái)的信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制，得到調(diào)制后的并行復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，為了保持同步在復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)里加上循環(huán)前綴7。該復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)并串變換8，將各通道的數(shù)據(jù)流合并為串行數(shù)據(jù)流9，即OFDM符號(hào)，被送到預(yù)判斷單元10。
預(yù)判斷單元10有兩路數(shù)據(jù)輸出線11和12，預(yù)判斷單元進(jìn)行預(yù)判斷的過(guò)程是先求出OFDM符號(hào)9的峰均功率比PAPR1，然后和可以接受的PAPR0進(jìn)行比較，如果此時(shí)的PAPR1滿足PAPR0的要求，則符號(hào)9通過(guò)輸出線11直接進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器15；如果此時(shí)的PAPR1大于PAPR0，則符號(hào)9通過(guò)輸出線12進(jìn)入自適應(yīng)降低峰均功率比單元13來(lái)降低PAPR1。
自適應(yīng)降低峰均功率比單元13的主要作用是通過(guò)采用自適應(yīng)算法，自動(dòng)的調(diào)節(jié)壓擴(kuò)系數(shù)μ或限幅率CR，以使通信系統(tǒng)的峰均功率比盡可能的滿足要求。其工作過(guò)程為對(duì)預(yù)判斷后的數(shù)據(jù)通過(guò)降低峰均功率比處理后，再通過(guò)采用自適應(yīng)算法部分，通過(guò)迭代循環(huán)過(guò)程后得到最優(yōu)的參數(shù)值，對(duì)于壓擴(kuò)變換就是壓擴(kuò)系數(shù)μ，對(duì)于限幅方法則是限幅率CR，這時(shí)就得到了盡可能滿足要求的的峰均功率比。
通過(guò)自適應(yīng)壓縮變換后的數(shù)據(jù)再加上輔助信息得到串行復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)14，被送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器15，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后送到低通濾波器16進(jìn)行濾波，濾波后得到的數(shù)據(jù)17被送到信道18發(fā)射出去。這里的低通濾波器也被稱(chēng)為成型濾波器，可以是升余弦濾波器、FIR濾波器、IIR濾波器，也可以是其他類(lèi)型的低通濾波器，它的主要作用是限制發(fā)送信號(hào)的帶寬，改善信號(hào)的邊帶、頻譜特性，使具有較好的衰減，以便減少混疊效應(yīng)。所以這時(shí)低通濾波器16的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮數(shù)據(jù)傳輸速率、帶寬、信道特性等諸多因素。這里的信道可以是各種信道，既可以是有線信道也可以是無(wú)線信道，如果是無(wú)線信道的話，還需對(duì)數(shù)據(jù)17進(jìn)行上邊頻處理，這里為簡(jiǎn)單起見(jiàn)采用加性高斯白噪聲(AWGNAdditive White GaussianNoise)信道。
接收時(shí)，通過(guò)信道18的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)低通濾波器20得到模擬信號(hào)21，這個(gè)濾波器也被稱(chēng)為匹配濾波器。該模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器22后變成數(shù)字信號(hào)。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器22有兩路數(shù)字信號(hào)輸出線，分別對(duì)應(yīng)發(fā)送過(guò)程中的預(yù)判斷情況，如果預(yù)判斷后沒(méi)有采用降低峰均功率比的方法，則對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換22后的信號(hào)不進(jìn)行任何處理，通過(guò)傳輸線23直接進(jìn)入串并變換器27；如果預(yù)判斷后采用降低峰均功率比的方法，則模數(shù)轉(zhuǎn)換器22輸出的數(shù)字信號(hào)通過(guò)傳輸線24進(jìn)入相應(yīng)的降低峰均功率比的逆過(guò)程25，然后再送入串并變換27；在對(duì)串并變換后的并行復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行解調(diào)前還需要去除循環(huán)前綴28，然后由快速傅立葉變換FFT數(shù)字信號(hào)處理器29對(duì)該數(shù)據(jù)流進(jìn)行解調(diào)后得到信號(hào)30，該信號(hào)再經(jīng)過(guò)并串變換31和4-QAM解調(diào)32后恢復(fù)出與原始信息2基本相同的接收信息33，以滿足信宿34的要求。
由于通信環(huán)境的千變?nèi)f化，特別是在無(wú)線移動(dòng)通信中，電波傳播的主要方式是空間波，即直射波、折射波、反射波以及它們的合成波。再加上移動(dòng)臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)，使得移動(dòng)臺(tái)與基站之間的無(wú)線信道多變且難以控制，信號(hào)通過(guò)信道時(shí)會(huì)遭受各種衰落的影響，所以如果采用固定參數(shù)的降低PAPR的方法，就不能適應(yīng)多變信道的實(shí)際。所以本發(fā)明引入了自適應(yīng)技術(shù)，這里的自適應(yīng)技術(shù)主要指根據(jù)預(yù)定的性能指標(biāo)和實(shí)際的通信情況，按照自適應(yīng)算法，自動(dòng)的調(diào)整參數(shù)，在降低PAPR和通信系統(tǒng)的性能這一對(duì)矛盾之間尋求最優(yōu)化并最終自動(dòng)實(shí)現(xiàn)折中。因此在OFDM通信系統(tǒng)工作時(shí)，經(jīng)預(yù)判斷之后的信號(hào)，如果需要采用自適應(yīng)技術(shù)，就要利用自適應(yīng)壓縮變換進(jìn)行參數(shù)的循環(huán)。對(duì)于自適應(yīng)壓縮變換可以采用不同的方法，例如壓擴(kuò)、限幅、部分傳送序列、選擇性映射、編碼等。本發(fā)明給出了兩種實(shí)施例。
實(shí)施例1本發(fā)明的第一實(shí)施例是結(jié)合壓擴(kuò)變換來(lái)討論的，其實(shí)施流程圖如圖3所示第一步，首先確定可以接受的峰均功率比PAPR0；第二步，計(jì)算出原始信號(hào)的峰均功率比PAPR，并進(jìn)行預(yù)判斷，以決定是否需要采用壓擴(kuò)變換來(lái)降低峰均功率比；如果原始信號(hào)的峰均功率比PAPR大于PAPR0，則需要進(jìn)行第三步過(guò)程進(jìn)行自適應(yīng)降低峰均功率比；如果原始信號(hào)的峰均功率比PAPR小于PAPR0，則跳轉(zhuǎn)到第四步；第三步，自適應(yīng)降低峰均功率比過(guò)程(1)確定出壓擴(kuò)系數(shù)μ、迭代系數(shù)λ、總迭代次數(shù)n、允許誤差a；(2)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行壓擴(kuò)系數(shù)為μ的μ律壓擴(kuò)變換，并計(jì)算出壓擴(kuò)變換之后的峰均功率比PAPR1；即PAPR1=10log10[maxn(|xn|2)mean(|xn|2)]]]>
式中， 表示OFDM符號(hào)的最大功率，mean(|xn|2)表示OFDM符號(hào)的平均功率；(3)對(duì)壓擴(kuò)系數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化處理，即先判斷迭代次數(shù)是否到了，如果迭代次數(shù)已到則迭代結(jié)束；如果迭代次數(shù)未到，再判斷PAPR1是否大于PAPR0，如果PAPR1大于PAPR0，則根據(jù)二者的差值來(lái)加大壓擴(kuò)系數(shù)μ，即按照μ＝(1+α)μ，其中α＝(PAPR1-PAPR0)*λ來(lái)調(diào)整參數(shù)μ，然后返回第三步的開(kāi)始；如果PAPR1小于PAPR0，這時(shí)還需要判斷二者的差值是否在允許的范圍內(nèi)，如果在允許范圍內(nèi)，則迭代結(jié)束，回到第四步；如果不在允許范圍內(nèi)，則根據(jù)二者的差值來(lái)減小壓擴(kuò)系數(shù)μ，即按照μ＝(1+α)μ，其中α＝(PAPR1-PAPR0)*λ，來(lái)調(diào)整參數(shù)μ，然后返回第三步的開(kāi)始，直到迭代滿足要求為止。
第四步，迭代過(guò)程結(jié)束，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
可見(jiàn)，本發(fā)明循環(huán)的原則是使系統(tǒng)的峰均功率比盡可能的接近預(yù)定值，以實(shí)現(xiàn)既對(duì)系統(tǒng)性能的影響最小，同時(shí)又能滿足峰均功率比的要求。
實(shí)施例2本發(fā)明的第二實(shí)施例是結(jié)合限幅來(lái)討論的，其實(shí)施過(guò)程如圖4第一步，首先確定可以接受的峰均功率比PAPR0；第二步，計(jì)算出原始信號(hào)的峰均功率比PAPR，并進(jìn)行預(yù)判斷，以決定是否需要采用限幅方法來(lái)降低峰均功率比；如果原始信號(hào)的峰均功率比PAPR大于PAPR0，則需要進(jìn)行第三步過(guò)程進(jìn)行自適應(yīng)降低峰均功率比；如果原始信號(hào)的峰均功率比PAPR小于PAPR0，則跳轉(zhuǎn)到第四步；第三步，自適應(yīng)降低峰均功率比過(guò)程(1)定出限幅率CR、迭代系數(shù)λ、總迭代次數(shù)n、允許誤差a；(2)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅率為CR的限幅，并通過(guò)通用公式計(jì)算出采用限幅方法之后的峰均功率比PAPR1，即PAPR1=10log10[maxn(|xn|2)mean(|xn|2)]]]>式中， 表示OFDM符號(hào)的最大功率，mean(|xn|2)表示OFDM符號(hào)的平均功率；(3)對(duì)限幅率CR進(jìn)行迭代優(yōu)化處理，即先判斷迭代次數(shù)是否到了，如果迭代次數(shù)已到則迭代結(jié)束；如果迭代次數(shù)未到，再判斷PAPR1是否大于PAPR0，如果PAPR1大于PAPR0，則根據(jù)二者的差值來(lái)減小限幅率CR，即按照CR＝(1-α)CR，其中α＝(PAPR1-PAPR0)*λ來(lái)調(diào)整限幅率CR，然后返回第三步的開(kāi)始；如果PAPR1小于PAPR0，這時(shí)還需要判斷二者的差值是否在允許的范圍內(nèi)，如果在允許范圍內(nèi)，則迭代結(jié)束，回到第四步；如果不在允許范圍內(nèi)，則根據(jù)二者的差值來(lái)加大限幅率CR，即按照CR＝(1-α)CR，其中α＝(PAPR1-PAPR0)*λ，來(lái)調(diào)整參數(shù)限幅率CR，然后返回第三步的開(kāi)始，直到迭代滿足要求為止；第四步，迭代過(guò)程結(jié)束，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
本發(fā)明降低PAPR的方法與目前已經(jīng)提出的降低PAPR的方法相比，其突出的優(yōu)點(diǎn)就是通過(guò)采用預(yù)判斷技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)，增加了OFDM通信系統(tǒng)的靈活性和自適應(yīng)性，并且可以使通信系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)都能盡可能的滿足要求，而且也不會(huì)增加太大的系統(tǒng)復(fù)雜度。
本發(fā)明的效果可以通過(guò)以下仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，在仿真中用到的互補(bǔ)累積分布函數(shù)CCDF是指PAPR超過(guò)某一值(例如，PAPRc)的概率，用數(shù)學(xué)式子可表示為Prob{PAPR＞PAPRc|。
仿真實(shí)驗(yàn)1取總迭代次數(shù)n為5、允許誤差a為0.1dB、PAPR0為6.8dB；取1024個(gè)子載波并采用4-QAM調(diào)制方式，采用加性高斯白噪聲信道，對(duì)自適應(yīng)壓擴(kuò)方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。
當(dāng)SNR＝14dB時(shí)，其峰均功率比的CCDF對(duì)比如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，原始OFDM符號(hào)的峰均功率比最高，采用預(yù)判斷技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)的峰均功率比最低，而采用原始?jí)簲U(kuò)變換方法(μ＝1)的峰均功率比在二者之間。
當(dāng)SNR＝14時(shí)，誤碼率對(duì)比圖和壓擴(kuò)系數(shù)μ的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如圖6所示。
當(dāng)SNR＝14時(shí)，壓擴(kuò)系數(shù)μ的變化情況如表1。
表1SNR＝14dB的壓擴(kuò)系數(shù)μ變化情況

由表1可以看出壓擴(kuò)系數(shù)μ是可以自動(dòng)調(diào)節(jié)的，對(duì)于第一次仿真，壓擴(kuò)系數(shù)μ由最初的1.0變到0.7149，在調(diào)節(jié)到0.6141，最后當(dāng)調(diào)節(jié)到0.6248的時(shí)候，這時(shí)的PAPR滿足我們的要求，所以迭代結(jié)束；對(duì)于第二次仿真和以后的仿真，變化情況類(lèi)似。
由圖6可見(jiàn)不對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的誤碼率最小，但它的PAPR過(guò)大，最大值可為12.2845dB；而采用自適應(yīng)技術(shù)的誤碼率要比壓擴(kuò)系數(shù)μ固定的傳統(tǒng)壓擴(kuò)變換的誤碼率小。這里仿真10000次，采用自適應(yīng)技術(shù)的誤碼率的均值為2.613×10-4，傳統(tǒng)壓擴(kuò)變換(壓擴(kuò)系數(shù)μ固定)的誤碼率為4.318×10-4；并且采用自適應(yīng)技術(shù)的PAPR也是最小的，這時(shí)它的PAPR最大值為6.8dB，而壓擴(kuò)系數(shù)μ固定的傳統(tǒng)壓擴(kuò)變換的PAPR最大值為7.7563dB?？梢?jiàn)，采用本發(fā)明的方法的性能最好，并且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了PAPR和誤碼率之間的折衷。另外從圖6還可看出，通過(guò)采用預(yù)判斷技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)在降低PAPR的同時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響也較小。
仿真實(shí)驗(yàn)2取總迭代次數(shù)n為5、允許誤差a為0.1dB、PAPR0為6.9dB，取1024個(gè)子載波并采用4-QAM調(diào)制方式，采用加性高斯白噪聲信道，對(duì)自適應(yīng)限幅方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。
當(dāng)SNR＝14dB時(shí)，峰均功率比的互補(bǔ)累積分布函數(shù)對(duì)比如圖7。由圖7可見(jiàn)原始OFDM符號(hào)的峰均功率比最高，采用預(yù)判斷技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)的峰均功率比最低，而采用原始限幅方法(CR＝2.2)的峰均功率比在二者之間。
當(dāng)SNR＝14dB時(shí)，誤碼率對(duì)比和門(mén)限系數(shù)CR的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如圖8。
當(dāng)SNR＝14dB時(shí)，限幅門(mén)限值CR的變化情況如表2。
表2SNR＝14dB的限幅門(mén)限值CR變化情況

表2表明限幅率CR可以按照自適應(yīng)算法自動(dòng)的調(diào)節(jié)，直到PAPR滿足的要求。
從圖7和圖8同樣可以看出采用自適應(yīng)技術(shù)的限幅方法比傳統(tǒng)的限幅方法要好。另外從圖8還可看出，通過(guò)采用預(yù)判斷技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)在降低PAPR的同時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響也較小。
以上是本發(fā)明仿真了SNR＝14dB時(shí)，采用壓擴(kuò)變換和限幅方法的情況。對(duì)于其它減低PAPR方法和其它信噪比情況的分析和仿真與此類(lèi)似。
盡管本發(fā)明中降低PAPR的方法是針對(duì)多載波中的OFDM通信系統(tǒng)來(lái)討論和仿真的，但它同樣適用于其它具有較高PAPR的多載波通信系統(tǒng)，例如，移動(dòng)通信、數(shù)字廣播、數(shù)字電視及光纖通信等領(lǐng)域。另外本發(fā)明是結(jié)合壓擴(kuò)變換和限幅來(lái)說(shuō)明預(yù)判斷技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)的，但本發(fā)明同樣還適用于其它降低PAPR的方法，例如選擇性映射、部分傳送序列、編碼方法等。不同的方法其參數(shù)不同，例如，對(duì)于壓擴(kuò)變換方法，其參數(shù)就是指壓擴(kuò)系數(shù)μ；對(duì)于限幅方法，其參數(shù)是指限幅率CR；對(duì)于PTS方法，其參數(shù)則是指分組數(shù)V；對(duì)于SLM方法，其參數(shù)則指隨機(jī)相位序列矢量的個(gè)數(shù)M，采用本發(fā)明的方法中就可確定這些不同的參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種OFDM通信系統(tǒng)，包括發(fā)送單元，用于接收4-QAM調(diào)制和串并變換后的信號(hào)，并經(jīng)過(guò)快速傅立葉逆變換、加循環(huán)前綴和并串變換，形成OFDM發(fā)送信號(hào)，送入預(yù)判斷單元；預(yù)判斷單元，用于對(duì)OFDM發(fā)送信號(hào)進(jìn)行預(yù)判斷處理，分別通過(guò)兩路輸出，即一路將無(wú)需降低峰均功率比的信號(hào)直接送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，另一路將需要降低峰均功率比的信號(hào)，送到自適應(yīng)降低峰均功率比單元；自適應(yīng)降低峰均功率比單元，用于對(duì)預(yù)判斷單元輸出的信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)降低峰均功率比方法的參數(shù)，得到滿足要求的峰均功率比和系統(tǒng)性能的信號(hào)，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元；降低峰均功率比的逆過(guò)程單元，用于將預(yù)判斷后采用了降低峰均功率比方法的信號(hào)進(jìn)行逆過(guò)程恢復(fù)，然后送入串并變換單元；接收單元，用于接收經(jīng)過(guò)串并變換的信號(hào)，并通過(guò)去循環(huán)前綴、快速傅立葉變換，輸出到并串變換單元，經(jīng)過(guò)4-QAM解調(diào)后得到需要的信號(hào)。
2.一種降低OFDM通信系統(tǒng)中的峰均功率比方法，步驟如下首先，預(yù)定出通信系統(tǒng)可以接受的峰均功率比PAPR0和允許誤差a；然后，對(duì)經(jīng)過(guò)快速傅里葉逆變換IFFT和并串變換后的信號(hào)進(jìn)行預(yù)判斷；如果系統(tǒng)中的峰均功率比PAPR滿足預(yù)定的PAPR0要求，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)；如果系統(tǒng)的比PAPR不滿足預(yù)定的PAPR0要求，則對(duì)PAPR的參數(shù)進(jìn)行如下過(guò)程的自適應(yīng)處理后，再發(fā)送數(shù)據(jù)(1)確定OFDM信號(hào)的壓擴(kuò)系數(shù)μ或限幅率CR、循環(huán)系數(shù)λ及總循環(huán)次數(shù)n；(2)根據(jù)(1)對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行壓擴(kuò)變換或限幅，再利用通用公式計(jì)算出當(dāng)時(shí)的峰均功率比PAPR1，即PAPR1=10log10[manx(|xn|2)/mean(|xn|2)]]]>式中， 表示OFDM符號(hào)的最大功率， 表示OFDM符號(hào)的平均功率；(3)將當(dāng)時(shí)峰均功率比PAPR1與預(yù)定的峰均功率比PAPR0進(jìn)行比較，如果滿足要求，則直接將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；(4)如果當(dāng)時(shí)的峰均功率比PAPR1大于預(yù)定的峰均功率PAPR0，則根據(jù)二者的差值來(lái)增大壓擴(kuò)系數(shù)μ或減小限幅率CR，返回自適應(yīng)步驟(2)；(5)如果當(dāng)時(shí)的峰均功率比PAPR1小于預(yù)定的峰均功率比PAPR0，則先判斷二者的差值是否在允許誤差a的范圍之內(nèi)，如果該差值在允許誤差a的范圍內(nèi)，則循環(huán)結(jié)束，發(fā)送數(shù)據(jù)；如果該差值不在允許誤差a的范圍內(nèi)，則減小壓擴(kuò)系數(shù)μ或增大限幅率CR，并返回自適應(yīng)步驟(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中預(yù)定通信系統(tǒng)可以接受的峰均功率比PAPR0主要根據(jù)通信系統(tǒng)功率放大器的線性動(dòng)態(tài)范圍來(lái)確定，即峰值功率小于或者等于功率放大器允許的輸入功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中預(yù)定通信系統(tǒng)的允許誤差a，根據(jù)通信系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度要求來(lái)確定，調(diào)節(jié)精度越高，a的取值越小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種降低正交頻分多路復(fù)用OFDM通信系統(tǒng)峰均功率比PAPR的方法，以減小通信系統(tǒng)的成本，提高其效率。其過(guò)程是首先定出通信系統(tǒng)可以接受的峰均功率比及其允許誤差；然后進(jìn)行預(yù)判斷；如果系統(tǒng)中的PAPR滿足預(yù)定的要求，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)；如果系統(tǒng)的PAPR不滿足預(yù)定要求，則采取自適應(yīng)技術(shù)自動(dòng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，即根據(jù)PAPR和預(yù)定峰均功率比的差值來(lái)調(diào)節(jié)參數(shù)值，完成一次循環(huán)；再計(jì)算改變參數(shù)后的PAPR，依次重復(fù)該判斷過(guò)程，直到PAPR滿足要求為止。本方法計(jì)算簡(jiǎn)單、能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)降低PAPR和保證系統(tǒng)性能之間的折衷，使整個(gè)通信系統(tǒng)具有較高的靈活性和自適應(yīng)性，可用于移動(dòng)通信、數(shù)字廣播、數(shù)字電視及光纖通信等領(lǐng)域?qū)APR的降低。
文檔編號(hào)H04L27/26GK1588938SQ20041007308
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者楊剛, 孫景濤 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)