專利名稱：一種低復雜度的ofdm信號受限壓擴方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低復雜度的OFDM信號受限壓擴方法 相關的現(xiàn)有技術
正交步員分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 是一種多載波寬帶數(shù)字調(diào)制技術，與傳統(tǒng)的單載波傳輸系統(tǒng)相比具有明顯的 抗多徑干擾能力，因此被廣泛應用于寬帶通信。但是，由于OFDM信號是多 個子信道信號的疊加，當多個信號的相位一致時，所得到的和信號的瞬時功 率會遠遠大于信號的平均功率，導致出現(xiàn)較高的峰值平均功率比(簡稱為峰 均比，Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)。這種具有較高瞬時峰值的信
號通過傳輸系統(tǒng)中線性動態(tài)范圍有限的放大器時，就會造成非線性失真，從 而引起系統(tǒng)性能下降。因此，必須采取措施來降低OFDM信號的峰均比。
目前降低OFDM信號峰均比的方法主要有如下幾種 1.非線性壓擴
在通信系統(tǒng)的發(fā)射端，通過數(shù)值變換降低大幅值信號的幅值和增強小幅 值信號的幅值；而在接收端進行逆變換以恢復原始信號。在實際應用中，根 據(jù)所采用的具體壓擴函數(shù)的不同，存在多種不同的壓擴方法。
如圖1所示，在我們以前所做的研究工作中，通過對各種壓擴方法的比 較和分析，提出了一種較為完善的降低OFDM信號峰均比的新壓擴方法。該 新壓擴方案將OFDM信號幅值的統(tǒng)計特性從瑞利分布變換為概率密度函數(shù)為 線性函數(shù)的形式，能夠在保持原信號平均功率不變的情況下使峰均功率比降 低到7. 8dB以下，并且系統(tǒng)具有較好的誤比特率性能。
但是，進一步的研究發(fā)現(xiàn)，雖然我們提出的新壓擴方案與他人的相關研究相比具有更好的系統(tǒng)性能，但是該方案在加性高斯信道中的誤比特率仍然 偏大，因而離實際應用尚有一段距離。
2.剪波
最簡單的剪波是指設定一個限幅門限，把高于該門限的大幅值信號直接 削去。這種方法能適用于任何數(shù)目的子載波構成的系統(tǒng)。但是該方法會引起 信號畸變，造成系統(tǒng)的誤比特率性能下降和帶外輻射功率的增大。
如圖2所示，最近，國外有文獻提出了一種降低OFDM信號峰均比的受 限剪波(Constrained Clipping)方法，其基本思想是將簡單剪波后的OFDM 信號變換到頻域，然后進行帶內(nèi)和帶外處理，最后再變換成時域信號傳輸。 仿真結果表明，該方案在保證系統(tǒng)具有較小的誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)和帶外輻射的前提下能夠獲得較好的峰均比性能。該方案
的主要缺陷在于系統(tǒng)最終獲得的峰均比性能與剪波幅度4^密切相關，《》的 取值既不能太大，又不能太小；同時，峰均比性能與4^之間沒有明確的理 論關系表達式，對于某組給定的系統(tǒng)參數(shù)，為了得到較優(yōu)的A^值，只能憑
借經(jīng)驗進行大量的仿真和嘗試；另外，信號的一部分功率會因為被限幅而損 失。
此外還有其它幾種降低OFDM信號峰均比的方法，因其與本發(fā)明專利的 相關度不高，因此僅做簡單敘述如下
1. 編碼
利用不同編碼所產(chǎn)生不同的碼組而選擇峰均比較小的碼組進行數(shù)據(jù)信 息的傳輸。缺點如下 一是受編碼調(diào)制方式的限制；二是受限于子載波數(shù)目， 隨著子載波數(shù)目的增加，計算復雜度顯著增大；三是編碼后的數(shù)據(jù)速率有所 降低。
2. 選擇性映射用M個不同的隨機相位序列矢量分別與IFFT的輸入序列點乘，然后再 實施IFFT運算，選擇其中具有最小峰均比的輸出序列來傳輸。缺點如下
一是計算復雜度大，需要計算額外(M-l)組IFFT運算；二是需要安全地傳送
相關的輔助信息。 3.部分傳輸序列
將輸入的數(shù)據(jù)符號劃分為若干個子組，每個子組的長度仍等于全部子 載波的個數(shù)，然后對各個子組分別乘以某個加權系數(shù)，最后再合并這些子組， 從而達到降低整個系統(tǒng)峰均比的目的。這種方法的缺點與選擇性映射相似， 一是計算復雜度大，二是需要安全地傳送輔助信息。
發(fā)明技術方案
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術的不足而提出一種進一步降低系統(tǒng)的 誤比特率，大大簡化接收端的處理過程，使之更接近實用化的低復雜度的 OFDM信號受限壓擴新方案。
為了達到上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，其是一種低復雜度的OFDM 信號受限壓擴方法，在發(fā)送端首先通過移相鍵控(PSK， Phase Shift Keying) 或者正交幅度調(diào)制(QAM， Quadrature Amplitude Modulation)方式對原始 的數(shù)據(jù)比特進行基帶映射，然后進行串/并轉換和快速傅里葉反變換(IFFT)， 以形成多個相互正交的子載波；接著對^倍過采樣(A為過采樣因子，通常 有Q4)后的時域OFDM信號進行非線性壓擴，采用的壓擴函數(shù)為
式中《為信號的平均功率；然后對壓擴后的信號進行快速傅里葉變換 (FFT)運算，將其變換成頻域數(shù)據(jù);^("，其特征在于其還對A/"分別進行
6帶內(nèi)處理和帶外處理；
將頻域數(shù)據(jù)處理算法分為如下三個步驟:
(1)定義集合/ =<formula>formula see original document page 7</formula>
為原始OFDM信號對應的頻域序列，其中W為子載波個數(shù)，定義誤差向:
(2)
根據(jù)上式計算出^IOU/);
(2)對l^^e/)按升序排列，找到滿足下列條件的最大集合M(M^/)
<formula>formula see original document page 7</formula>
(3)
式中s^為星座圖的最大幅度，J/為M中的元素個數(shù)，r力為預先設定的系統(tǒng)
EVM性能門限；
(3)令處理后的通帶內(nèi)頻域數(shù)據(jù)為
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(4)
令處理后的通帶外頻域數(shù)據(jù)為
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(5)
式中A為要求系統(tǒng)達到的帶外功率譜包絡值。
最后，再對？^進行^V點IFFT運算，即可得到待發(fā)送的時域數(shù)據(jù)；該
數(shù)據(jù)經(jīng)過快速反傅里葉變換(IFFT)運算后再經(jīng)并/串轉換、數(shù)/模變換和上 變頻后，即可發(fā)射到無線信道中進行傳輸；
在接收端對信號進行下變頻和模/數(shù)變換、串/并轉換，并經(jīng)FFT解調(diào)出 各個子載波上的數(shù)據(jù)，然后進行并/串轉換、PSK或QAM基帶解調(diào)，即可恢復出原始的數(shù)據(jù)比特。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點和效果如下
1、與原有的壓擴方案相比，本發(fā)明提出的受限壓擴新方案能夠大大降 低系統(tǒng)的誤比特率，減小信號的帶外輻射功率，從而有效地改善了系統(tǒng)性能。 另外，在原有的壓擴方案中，接收端需要進行相應的逆壓擴變換，因而系統(tǒng) 結構較為復雜。但是，在本發(fā)明提出的新方案中，接收端的處理過程比較簡
單，只需要對所接收到的時域信號進行IFFT運算和基帶解調(diào)即可，對于發(fā)
送端采取的壓擴變換和帶內(nèi)帶外處理則不需要做任何逆變換，從而簡化了接 收端的處理流程。
2、與國外提出的受限剪波方案相比，本發(fā)明提出的受限壓擴新方案能夠 避免參數(shù)優(yōu)化所需的大量嘗試和運算，從而降低了系統(tǒng)實施的復雜度。 總之，本發(fā)明提出的受限壓擴新方案結構簡單，易于實施，實用性強。


圖1是現(xiàn)有技術中非線性壓擴方案的系統(tǒng)框圖2是現(xiàn)有技術中受限剪波方案的系統(tǒng)框圖3是本發(fā)明受限壓擴新方案的系統(tǒng)框圖4是誤比特率曲線； 圖5是功率譜密度。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳述 如圖3所示， 一種低復雜度的OFDM信號受限壓擴方法，在發(fā)送端首先通 過移相鍵控(PSK， Phase Shift Keying)或者正交幅度調(diào)制(QAM， Quadrature Amplitude Modulation)方式對原始的數(shù)據(jù)比特進行基帶映射，然后進行串 /并轉換和快速傅里葉反變換(IFFT)，以形成多個相互正交的子載波；接著對A倍過采樣a為過采樣因子，通常有丄24)后的時域OFDM信號進行非線 性壓擴，采用的壓擴函數(shù)為
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式中《為信號的平均功率；然后對壓擴后的信號進行快速傅里葉變換 (FFT)運算，將其變換成頻域數(shù)據(jù)J^("，本發(fā)明的特點是，其還對XJ"分
別進行帶內(nèi)處理和帶外處理；
將頻域數(shù)據(jù)處理算法分為如下三個步驟
(1)定義集合<formula>formula see original document page 9</formula>為原始OFDM信號對應的頻域序列，其中7V為子載波個數(shù)，定義誤差向:<formula>formula see original document page 9</formula> 根據(jù)上式計算出l^l("/);
(2)對^一e/)按升序排列，找到滿足下列條件的最大集合M(M^/)<formula>formula see original document page 9</formula>
式中S^為星座圖的最大幅度，i/為M中的元素個數(shù)，M為預先設定的系統(tǒng)
EVM性能門限;
(3)令處理后的通帶內(nèi)頻域數(shù)據(jù)為<formula>formula see original document page 9</formula>
令處理后的通帶外頻域數(shù)據(jù)為
<formula>formula see original document page 9</formula>式中A為要求系統(tǒng)達到的帶外功率譜包絡值。
最后，再對3^)進行ZA^點IFFT運算，即可得到待發(fā)送的時域數(shù)據(jù)；該數(shù)
據(jù)經(jīng)過快速反傅里葉變換(IFFT)運算后再經(jīng)并/串轉換、數(shù)/模變換和上變 頻后，即可發(fā)射到無線信道中進行傳輸；
在接收端對信號進行下變頻和模/數(shù)變換、串/并轉換，并經(jīng)FFT解調(diào)出 各個子載波上的數(shù)據(jù)，然后進行并/串轉換、PSK或QAM基帶解調(diào)，即可恢復 出原始的數(shù)據(jù)比特。
在發(fā)送端第一次IFFT之后加入幅值非線性壓擴模塊，然后經(jīng)過FFT (將
時域信號變換為頻域信號)、帶內(nèi)和帶外處理(對通帶內(nèi)外的信號進行頻域 處理)、IFFT (將頻域信號變換為時域信號)，得到待發(fā)送的信號，再經(jīng)過并 /串轉換、數(shù)/模變換和下變頻，送入無線信道傳輸；接收端的處理過程與圖 2給出的受限剪波方案接收端相同，而與圖1給出的非線性壓擴方案接收端 相比，省去了幅值逆壓擴的步驟，其流程較為簡單。
圖4給出了系統(tǒng)的誤比特率曲線。從中可以看出，在信噪比相同的情況 下，受限壓擴新方案的誤比特率遠遠低于非線性壓擴方案，而接近于QPSK 信號在加性高斯白噪聲信道中的理論誤比特率。這是因為在本發(fā)明提出的受 限壓擴新方案中，接收端不需要進行與發(fā)送端對應的逆壓擴運算，從而避免 了逆壓擴引入的誤碼，而且使得接收端結構非常簡單。
圖5比較了分別采用上述幾種方案進行處理后信號的功率譜密度取值情 況。顯然，非線性壓擴方案使得信號的帶外功率比原始OFDM信號更大，說 明信號的帶外輻射更強，這是我們不希望看到的情況；而受限壓擴新方案所 對應的信號功率譜密度則與系統(tǒng)要求達到的功率譜包絡值(Spectral Mask) 緊密契合。因此，新方案有效地克服了非線性壓擴方案的缺陷。
仿真實驗的流程為，信源端隨機產(chǎn)生640000個比特，經(jīng)QPSK調(diào)制后，逐個分配給64個子載波，然后經(jīng)IFFT實現(xiàn)正交調(diào)制，得到原始的OFDM信 號。在進行IFFT運算時取過采樣因子丄=4。接著對信號進行非線性壓擴變 換、FFT運算和帶內(nèi)帶外處理，對頻域信號處理時采用的EVM性能門限為6%， 功率譜密度包絡取值采用Wimax標準中的有關規(guī)定。然后對處理后的信號進 行IFFT運算，并將信號從并行轉換為串行，經(jīng)過數(shù)/模變換和上變頻后送入 加性高斯白噪聲信道。
接收端接收到的信號經(jīng)下變頻、模/數(shù)變換后，將信號從串行轉換為并 行，并進行FFT運算，然后將信號從并行變換為串行，并經(jīng)QPSK解調(diào)，統(tǒng) 計出信號的誤比特率。經(jīng)比較可知，在相同的信噪比條件下，采用本發(fā)明提 出的受限壓擴新方案后系統(tǒng)的誤比特率比原來采用非線性壓擴方案時的誤 比特率低得多。
權利要求
1、一種低復雜度的OFDM信號受限壓擴方法，在發(fā)送端首先通過移相鍵控(PSK，Phase Shift Keying)或者正交幅度調(diào)制(QAM，Quadrature AmplitudeModulation)方式對原始的數(shù)據(jù)比特進行基帶映射，然后進行串/并轉換和快速傅里葉反變換(IFFT)，以形成多個相互正交的子載波；接著對L倍過采樣(L為過采樣因子，通常有L≥4)后的時域OFDM信號進行非線性壓擴，采用的壓擴函數(shù)為式中為信號的平均功率；然后對壓擴后的信號進行快速傅里葉變換(FFT)運算，將其變換成頻域數(shù)據(jù)Xkc(L)，其特征在于其還對Xkc(L)分別進行帶內(nèi)處理和帶外處理；將頻域數(shù)據(jù)處理算法分為如下三個步驟(1)定義集合設Xk(k∈I)為原始OFDM信號對應的頻域序列，其中N為子載波個數(shù)，定義誤差向量根據(jù)上式計算出|Ek|(k∈I)；(2)對|Ek|(k∈I)按升序排列，找到滿足下列條件的最大集合式中Smax為星座圖的最大幅度，M為M中的元素個數(shù)，Th為預先設定的系統(tǒng)誤差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)性能門限；(3)令處理后的通帶內(nèi)頻域數(shù)據(jù)為令處理后的通帶外頻域數(shù)據(jù)為式中Pk為要求系統(tǒng)達到的帶外功率譜包絡值。最后，再對進行LN點IFFT運算，即可得到待發(fā)送的時域數(shù)據(jù)；該數(shù)據(jù)經(jīng)過快速反傅里葉變換(IFFT)運算后再經(jīng)并/串轉換、數(shù)/模變換和上變頻后，即可發(fā)射到無線信道中進行傳輸；在接收端對信號進行下變頻和模/數(shù)變換、串/并轉換，并經(jīng)FFT解調(diào)出各個子載波上的數(shù)據(jù)，然后進行并/串轉換、PSK或QAM基帶解調(diào)，即可恢復出原始的數(shù)據(jù)比特。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低復雜度的OFDM信號受限壓擴方法，在發(fā)送端通過移相鍵控或者正交幅度調(diào)制方式對原始的數(shù)據(jù)比特進行基帶映射，再進行串/并轉換和快速傅里葉反變換；接著對L倍過采樣后的時域OFDM信號進行非線性壓擴；再對壓擴后的信號進行快速傅里葉變換運算將其變換成頻域數(shù)據(jù)X_kc^(L)，特征是還對X_kc^(L)分別進行帶內(nèi)、外處理后；再對X_kc^(L)進行LN點進行傅里葉反變換運算得到待發(fā)送的時域數(shù)據(jù)；該時域數(shù)據(jù)再經(jīng)并/串轉換、數(shù)/模變換和上變頻后，即得到發(fā)射所需的傳輸信號；在接收端對信號進行下變頻和模/數(shù)變換、串/并轉換，并經(jīng)傅里葉變換運算解調(diào)出各個子載波上的數(shù)據(jù)，再進行并/串轉換、PSK或QAM基帶解調(diào)，即可恢復出原始的數(shù)據(jù)。本發(fā)明具有能夠降低系統(tǒng)的誤比特率及系統(tǒng)實施的復雜度，結構簡單等優(yōu)點。
文檔編號H04L27/26GK101534282SQ20091011504
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月5日 優(yōu)先權日2009年3月5日
發(fā)明者曹若云 申請人:順德職業(yè)技術學院