CN103812817A - 正交频分复用ofdm信号的峰平比抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交频分复用OFDM信号的峰平比抑制方法，主要解决现有技术参数选择固定，信号峰平比抑制性能低的问题，其实现步骤为：1)将OFDM调制信号经上采样得到原始OFDM信号；2)选择压扩函数并设置迭代参数初始值；3)用压扩函数对原始OFDM信号进行压扩变换；4)将压扩后的信号变换到频域，进行频域滤波后再变换到时域，得到传输信号，并计算传输信号的峰平比；5)根据迭代参数判断迭代是否结束，若结束，即获得满足系统峰平比PAPR要求的传输信号，否则，继续迭代。本发明能在对系统误码率BER影响很小的情况下显著降低OFDM信号的峰平比，可用于各类新一代宽带OFDM无线通信系统。

Description

正交频分复用OFDM信号的峰平比抑制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及无线正交频分复用OFDM调制传输信号的峰平比PAPR抑制方法，可广泛应用于各类新一代宽带OFDM无线通信系统。

背景技术

正交频分复用OFDM调制技术具有高的频谱效率以及有效抑制多径衰落、符号间干扰等优点，可以在有效利用频谱资源的同时，解决无线移动环境中的许多问题，因此成为无线通信应用中的热门技术。OFDM调制将信号序列分成N个并行的序列，每个并行序列调制1个子载波，每个子载波所占用的带宽小于信道的相关带宽，因此，信号经历一个频率非选择性信道。但是，由于OFDM信号由多个独立的子载波信号相加而成，这就造成了OFDM系统有一个很严重的缺点：当多个子载波信号相位相同时，通过相互叠加就会产生较高的峰平比PAPR。若传输信号的峰平比很高，为了保证信号能够获得线性放大，必然要求发射机功率放大器具有宽的线性动态范围，并且对D/A数模变换器的精度也有较高要求，从而导致OFDM发射机的构造成本大大增加；反之，具有窄线性动态范围的功率放大器虽然可以降低发射机的构造成本，但将导致发射信号出现严重的失真，使得OFDM系统性能急剧下降。

现有降低OFDM信号峰平比的方法有很多，例如，迭代滤波法和信号压扩变换法等。目前众多压扩变换方法的主要思路是：利用压扩函数对信号进行畸变处理。例如X.Huang在“Companding transform for reduction in peak-to-average power ratio of OFDMsignals”中提出了一种线性压扩变换方法，利用一个分段函数分别对小信号和大信号进行压扩处理，该方法在对系统性能影响较小的情况下可以有效降低信号峰平比。但该方法仅针对信号峰平比进行优化，却不能同时对系统的误码率BER性能及带外频谱扩展性能进行控制；并且该方法中压扩参数为固定值，不能依据实际信号进行实时的自适应调整。现代的迭代滤波法则采用迭代结构，通过多次限幅滤波来减小信号的峰平比，利用迭代过程，可以对多个系统性能进行联合优化控制，但是需要的迭代次数较大，会大大增加系统的计算复杂度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种将迭代滤波与压扩变换相结合的正交频分复用OFDM信号的峰平比抑制方法，以在显著降低OFDM信号的峰平比PAPR的同时对系统误码率BER性能和带外频谱扩展性能进行控制，降低系统的计算复杂度，提高系统的整体性能。

实现本发明的基本思想是：将迭代滤波法的迭代思想运用到压扩变换方法中，通过迭代实现信号的峰平比PAPR性能、带外频谱扩展性能及系统误码率BER性能的控制及对参数的实时调整，其技术方案包括如下步骤：

1.一种正交频分复用OFDM信号的峰平比抑制方法，包括以下步骤：

(1)对正交频分复用OFDM调制信号进行上采样得到原始OFDM信号x_n，其中，n=0,1,…,JN-1，J表示上采样因子，N表示OFDM调制包含的子载波个数，JN表示上采样后OFDM系统包含的子载波个数；

(2)选择线性分段压扩函数f(x):

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{k}x,0<\left|x\right|\&le;v\\ \mathrm{kx},\left|x\right|>v\end{array}\right.,$

其中，x表示线性函数的输入信号，f(x)表示线性函数的输出信号，

为第一段函数

x的斜率，0<k<1为第二段函数kx的斜率，0<v≤max{|x|}为拐点，|·|是求模运算符，0<|x|≤v表示满足该条件的输入信号为小信号，|x|>v表示满足该条件的输入信号为大信号；

(3)令迭代次数m=1，并根据系统要求的峰平比PAPR及系统误码率BER设置最大迭代次数M及衰减因子α，开始迭代过程；

(4)根据α的值，按照以下公式求解出第二段函数kx的斜率k、拐点v，并求出第一段函数

x的斜率

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{1}{k}+(k-\frac{1}{k}){(1+\frac{5}{3}k)e}^{(-\frac{5}{3}k)},$

$v=\sqrt{\frac{5}{3}{\mathrm{k\&sigma;}}^2},$

其中是原始OFDM信号x_n的标准方差，m表示原始OFDM信号x_n的平均值；

(5)用压扩函数f(x)对原始OFDM信号x_n进行压扩变换，得到压扩变换信号y_n：

$y_n=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{k}\&CenterDot;x_n,& 0<\left|x_n\right|\&le;v\\ k\&CenterDot;x_n,& \left|x_n\right|>v\end{array}\right.,$ n=0,1,…,JN-1；

(6)对压扩变换信号y_n进行FFT变换，得到频域信号C_n；

(7)用频域滤波器对FFT变换后的频域信号C_n进行滤波，得到滤波后的信号

再对滤波后的信号

进行IFFT变换，得到一个新的传输信号

(8)根据峰平比定义计算传输信号

的当前峰平比PAPR值，并根据迭代结果输出传输信号：

若m<M，则令迭代次数m=m+1，用传输信号

代替原始OFDM信号x_n，并根据当前峰平比PAPR值设置衰减因子α，返回（4）继续执行；

若m=M，则迭代结束，输出传输信号

本发明由于将限幅滤波法的迭代思想运用到压扩变换方法中，通过迭代实现信号的峰平比PAPR性能与系统误码率BER性能联合优化，并且在优化过程中加入了频域信号的处理，在显著降低OFDM信号峰平比PAPR的同时，又获得良好的系统误码率BER和功率谱密度PSD性能。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是压扩变换过程的系统框图；

图3是本发明中线性分段函数的参数v_n与k的关系表示图；

图4是本发明与现有三种方法的峰平比抑制性能的仿真效果图；

图5是本发明与现有三种方法的频谱性能仿真效果图；

图6是本发明与现有三种方法在加性高斯白噪声信道下的误码率仿真效果图；

图7是本发明与现有三种方法在莱斯衰落信道下的误码率仿真效果图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤一：对经过正交频分复用OFDM调制的信号进行上采样得到原始OFDM信号x_n，其中，n=0,1,…,JN-1，J表示上采样因子，N表示OFDM系统包含的子载波个数，JN表示上采样后OFDM系统包含的子载波个数。

步骤二：选择线性分段压扩函数f(x)。

根据将输入信号中的大信号缩小而小信号放大的基本思想，选择线性分段压扩函数f(x):

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{k}x,0<\left|x\right|\&le;v\\ \mathrm{kx},\left|x\right|>v\end{array}\right.,$

其中，x表示线性分段压扩函数的输入信号，f(x)表示线性分段压扩函数的输出信号，

x表示第一段函数，

表示第一段函数

x的斜率，kx为第二段函数，k为第二段函数kx的斜率，0<k<1，v为拐点，0<v≤max{|x|}，|·|是求模运算符，满足0<|x|≤v条件的输入信号为小信号，满足|x|>v条件的输入信号为大信号；

步骤三：设置初始值：

令迭代次数m=1，并根据系统要求的峰平比PAPR及系统误码率BER设置最大迭代次数M及衰减因子α，开始进行迭代，本实例分别设置M=2、α=0.92,M=3、α=0.92，M=2、α=0.95以及M=3、α=0.95。

步骤四：根据α的值确定线性分段压扩函数中第二段函数kx的斜率k、拐点v及第一段函数

x的斜率

4.1）根据压扩函数的输入信号x与输出信号f(x)的平均功率相等的特性，构建第二段函数kx的斜率k与拐点v的一个近似关系：

$\begin{array}{c}E\left[{\left|x\right|}^2\right]E\left[{\left|f\left(x\right)\right|}^2\right]\\ \&DoubleRightArrow;{\&Integral;}_0^{\&infin;}{\left|x\right|}^2\frac{2\left|x\right|}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\exp (-\frac{{\left|x\right|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})d\left(\right|x\left|\right)={\&Integral;}_0^v{\left|\frac{1}{k}x\right|}^2\frac{2\left|x\right|}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\exp (-\frac{{\left|x\right|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})d\left(\right|x\left|\right)+{\&Integral;}_v^{\&infin;}{\left|\mathrm{kx}\right|}^2\frac{2\left|x\right|}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\exp {}^{}(-\frac{{\left|x\right|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})d\left(\right|x\left|\right)\\ \&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&sigma;}}^2=\frac{1}{k^2}({\mathrm{\&sigma;}}^2-({\mathrm{\&sigma;}}^2+v^2)e^{-\frac{v^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}})+k^2({\mathrm{\&sigma;}}^2+v^2)e^{-\frac{v^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}}\\ \&DoubleRightArrow;1=\frac{1}{k^2}+(k^2-\frac{1}{k^2})(1+\frac{v^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})e^{-\frac{v^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}}\\ \&DoubleRightArrow;1=\frac{1}{k^2}+(k^2-\frac{1}{k^2})(1+v_n)e^{-v_n}\end{array}$

其中，|x|表示输入信号幅度，|f(x)|表示输出信号幅度，E[|x|²]表示输入信号x的平均功率，E[|f(x)|²]表示输出信号f(x)的平均功率，E[·]表示期望运算符，

是原始OFDM信号x_n的标准方差，

为归一化门限值；

对上式进行仿真，得到v_n与k的关系表示图，即图3，根据图3可得到v_n与k近似线性关系式：

$v_n=\frac{5}{3}k,$

根据v_n的定义和上述v_n与k近似线性关系式，得到斜率k与拐点v的近似关系为：

$\frac{v^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}=\frac{5}{3}k\&DoubleRightArrow;v=\sqrt{\frac{5}{3}{\mathrm{k\&sigma;}}^2};$

4.2）根据衰减因子α的定义求解出第二段函数kx的斜率k及第一段函数x的斜率

求解过程如下：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{\&Integral;}_0^{\&infin;}\left|x\right|\left|f\left(x\right)\right|f_{\left|x\right|}\left(x\right)d\left|x\right|=\frac{1}{4}+(k-\frac{1}{k})(1+\frac{5}{3}k)e^{(-\frac{5}{3}k)},$

其中，表示压扩函数输入信号幅度|x|的概率密度函数，表1给出了α与k的对应关系；

表1衰减因子α与压扩函数中参数k的对应值列表

步骤五：根据原始OFDM信号x_n的幅值|x_n|的大小，对原始OFDM信号x_n进行压扩变换，得到压扩变换信号y_n：

若0<|x_n|≤v，则原始OFDM信号x_n乘以得到压扩变换信号 $y_n=\frac{1}{k}\&CenterDot;x_n,$ n=0,1,…,JN-1；

若|x_n|>v，则原始OFDM信号x_n乘以k，得到压扩变换信号y_n=k·x_n,n=0,1,…,JN-1。

步骤六：根据快速傅里叶变换FFT的定义，对压扩变换信号y_n进行JN点FFT变换，得到频域信号C_n。

步骤七：根据频域信号C_n获得传输信号

并计算其峰平比PAPR。

7a)用频域滤波器对频域信号C_n进行滤波，即将频域信号C_n与频域滤波器的响应函数H_n进行点乘，得到滤波后的信号

${\hat{C}}_n=C_n\&CenterDot;H_n,$ n=0,1,…,JN-1，

其中，频域滤波器的响应函数H_n为：

$H_n=\left\{\begin{array}{cc}1,& 1\&le;n\&le;N\\ 0,& N+1\&le;n\&le;\mathrm{JN}\end{array}\right.,$

7b)根据快速傅里叶逆变换IFFT的定义，对滤波后的信号

进行JN点IFFT变换，得到传输信号

7c)根据峰平比PAPR定义计算传输信号的峰平比PAPR：

$\mathrm{PAPR}=\frac{\max \left\{{\left|{\hat{y}}_n\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|{\hat{y}}_n\right|}^2\right\}},$

其中，max{·}表示取最大值运算符。

步骤八：根据峰平比PAPR设置衰减因子α，获得满足系统峰平比PAPR性能要求的传输信号。

8a)如果m<M，则令迭代次数m=m+1，并根据峰平比PAPR的值设置衰减因子α：

若传输信号

的峰平比PAPR大于5dB时，则用传输信号

代替原始OFDM信号x_n，并令α=α-0.01，返回步骤四；

若传输信号

的峰平比PAPR小于等于5dB时，则用传输信号

代替原始OFDM信号x_n，保持不变α，返回步骤四，

8b)如果m=M，即迭代结束，步骤七所得的传输信号

即为满足系统峰平比PAPR性能要求的信号，并输出。

本发明的效果可通过仿真作进一步说明。

1)仿真条件：在正交频分复用OFDM调制中，选择OFDM信号符号数为1000，子载波个数为N=1024，信号星座为正交相移编码QPSK方式，调制系统未做其它任何信道编码处理。

2)仿真内容与结果：

仿真1，用本发明与现有的限幅滤波方法、指数压扩方法以及传统线性压扩方法对原始OFDM信号进行压扩变换，其获得的峰平比PAPR抑制性能如图4所示。

仿真2，用本发明与现有的限幅滤波方法、指数压扩方法以及传统线性压扩方法对原始OFDM信号进行压扩变换，其获得的带外频谱性能如图5所示。

仿真3，在加性高斯白噪声信道下，用本发明与现有的限幅滤波方法、指数压扩方法以及传统线性压扩方法对原始OFDM信号进行压扩变换，其获得的误码率BER性能如图6所示。

仿真4，在莱斯衰落信道下，用本发明与现有的限幅滤波方法、指数压扩方法以及传统线性压扩方法对原始OFDM信号进行压扩变换，其获得的误码率BER性能图7所示。

由图4可见，本发明的峰平比PAPR性能明显优于传统线性压扩方法，而与指数压扩方法和限幅滤波方法相比稍微差一些。

由图5可见，本发明可以获得与原始OFDM几乎一样的功率谱密度PSD图，明显优于指数压扩方法与传统线性压扩方法。

由图6可见，在加性高斯白噪声信道下，本发明的误码率BER性能明显优于指数压扩方法与限幅滤波方法，而与传统线性压扩方法相比，可以获得一样好的误码率BER性能。

由图7可见，在莱斯衰落信道下，本发明的误码率BER性能优于限幅滤波方法、指数压扩方法以及传统线性压扩方法。

结合图4、图5和图6可见，在加性高斯白噪声信道下，本发明可以获得优于传统线性压扩方法的峰平比PAPR性能，以及优于指数压扩方法与限幅滤波方法的误码率BER性能，并可以获得几乎与原始OFDM信号一样的频谱性能，整体性能优于限幅滤波法及现有的几种压扩方法。

结合图4、图5和图7可见，在莱斯衰落信道下，本发明的误码率BER性能优于现有的几种方法，并可以获得优于传统线性压扩方法的峰平比PAPR性能和几乎与原始OFDM信号一样的频谱性能，整体性能优于现有的限幅滤波方法、指数压扩方法以及传统线性压扩方法。

Claims (2)

1.一种正交频分复用OFDM信号的峰平比抑制方法，包括以下步骤：

(1)对正交频分复用OFDM调制信号进行上采样得到原始OFDM信号x_n，其中，n=0,1,…,JN-1，J表示上采样因子，N表示OFDM调制包含的子载波个数，JN表示上采样后OFDM系统包含的子载波个数；

(2)选择线性分段压扩函数f(x):

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{k}x,0<\left|x\right|\&le;v\\ \mathrm{kx},\left|x\right|>v\end{array}\right.,$

其中，x表示线性函数的输入信号，f(x)表示线性函数的输出信号，

为第一段函数

x的斜率，0<k<1为第二段函数kx的斜率，0<v≤max{|x|}为拐点，|·|是求模运算符，0<|x|≤v表示满足该条件的输入信号为小信号，|x|>v表示满足该条件的输入信号为大信号；

(3)令迭代次数m=1，并根据系统要求的峰平比PAPR及系统误码率BER设置最大迭代次数M及衰减因子α，开始迭代过程；

(4)根据α的值，按照以下公式求解出第二段函数kx的斜率k、拐点v，并求出第一段函数

x的斜率

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{1}{k}+(k-\frac{1}{k}){(1+\frac{5}{3}k)e}^{(-\frac{5}{3}k)},$

$v=\sqrt{\frac{5}{3}{\mathrm{k\&sigma;}}^2},$

其中

是原始OFDM信号x_n的标准方差，μ表示原始OFDM信号x_n的平均值；

(5)用压扩函数f(x)对原始OFDM信号x_n进行压扩变换，得到压扩变换信号y_n：

$y_n=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{k}\&CenterDot;x_n,& 0<\left|x_n\right|\&le;v\\ k\&CenterDot;x_n,& \left|x_n\right|>v\end{array}\right.,$ n=0,1,…,JN-1；

(6)对压扩变换信号y_n进行FFT变换，得到频域信号C_n；

(7)用频域滤波器对FFT变换后的频域信号C_n进行滤波，得到滤波后的信号

再对滤波后的信号

进行IFFT变换，得到一个新的传输信号

(8)根据峰平比定义计算传输信号

的当前峰平比PAPR值，并根据迭代结果输出传输信号：

若m<M，则令迭代次数m=m+1，用传输信号代替原始OFDM信号x_n，并根据当前峰平比PAPR值设置衰减因子α，返回（4）继续执行；

若m=M，则迭代结束，输出传输信号

2.根据权利要求1所述的正交频分复用OFDM信号的峰平比抑制方法，其中所述步骤（7）中的频域滤波器，其响应函数H_n为：

$H_n=\left\{\begin{array}{cc}1,& 1\&le;n\&le;N\\ 0,& N+1\&le;n\&le;\mathrm{JN}\end{array}\right.,$

其中，n=0,1,…,JN-1，J表示上采样因子，N表示OFDM调制包含的子载波个数。

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