CN100502378C - 正交频分复用***中抑制峰平比的电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字通信技术领域，尤其涉及一种正交频分复用通信***中的抑制信号峰值功率、降低峰平比的电路和方法，包括下述按照顺序处理输入数据的操作：对输入数据进行过采样并进行IDFT变换；对变换之后的过采样数据先进行放大之后再进行限幅操作；将限幅之后的数据进行DFT变换之后去除带外噪声，还要再进行倍数缩小；和对数据进行OFDM调制(N点IDFT)后输出数据；所述限幅操作中放大的倍数和所述去噪操作中缩小的倍数相同。本发明误码率不大，可以使用一般的接收电路，易于实现。使用本发明的操作之后PAPR降低到7db左右。

Description

正交频分复用***中抑制峰平比的电路和方法

技术领域

本发明涉及数字通信技术领域，尤其涉及一种正交频分复用通信***中的抑制信号峰值功率、降低峰平比的电路和方法。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种信道利用率很高的调制方式，具有良好的抗衰落性能，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***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，叠加后信号的峰值与平均功率比的比值，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***中的功放具有较高的线性动态范围，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带宽，这样就增加了***成本和实现难度。

目前，用来降低PAPR的做法有很多，我们可以大致将这些技术划分成两类：一类是在OFDM复用器之前对输入码流进行适当处理。例如对OFDM的输入数据用分组编码的办法，可以减小复用器各路信号的独立性，从而降低信号峰峰值叠加的几率，进而降低PAPR；或者用部分传输序列的办法，通过减少叠加时信号的数目，从而减低PAPR；还有一种选择映射的办法，即通过映射，产生各路码流的所有可能的组合，然后在其中选择一种组合方案，使得经IFFT变换叠加后的信号的PAPR最小。通过以上介绍可见，这一类方法的最大缺点就是需要较大的计算量。

另一类是在OFDM复用器之后对信号进行处理。最直接、最有效的做法就是对模拟信号进行限幅。然而限幅是一个非线性过程，它将导致严重的带内干扰和带外噪声，从而降低整个***的误比特率性能和频谱效率。

在OFDM复用器之后对信号进行处理的一种现有方法是：Ochiai，H.，Imai，H.在文Performance analysis of deliberately clipped OFDMsignals(Communications，IEEE Transactions on，Volume：50，Issue：1，Jan.2002 Pages：89-101)谈到的一种过采样限幅滤波来降低PAPR的方法，其结构如图1所示，在输入的信号尾部填零，然后进行JN点的IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform离散傅立叶逆变换)变换(J为过采样因子)，输出的数据送入限幅器中进行限幅操作，从限幅器中的数据输出之后直接送入DFT(Discrete Fourier Transform离散傅立叶变换)模块进行JN点DFT变换，数据还原之后去除带外噪声变为N个数据进行N点IDFT变换，输出数据的PAPR较原来的得到改善。

我们发现这种通过过采样限幅滤波来降低PAPR的方法使得数据位宽 得到更有效地利用限幅产生的带外干扰大大降低，但是存在如下问题：以64_QAM(Quadrature Amplitude Modulation正交幅度调制)，A/D为8位为例：假设64_QAM编码中，最大幅度为127，要获得较小的PAPR，Amax最大为10左右，位宽没有得到更有效的利用，而且由于限幅值太小采用一般的接收电路，将产生严重的误码。

能否采用专门设计的接收电路解决误码问题呢？Hangjun Chen，Haimovich，A.在文中An iterative method to restore the performanceof clipped and filtered OFDM signals。(Communications，2003.ICC’03.IEEE International Conference on，Volume：5，11-15 May 2003Pages：3438-3442vol.5)中提出一种接收机，如图2所示，其中 $a=1-e^{{-\mathrm{\γ}}^2}+\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{2}\mathrm{erfc}\left(\mathrm{\γ}\right),$ 我们发现该接收机要求接收部分需含有发送部分的信息，不能完全适应多种发射***的要求而且接收电路也使用了和发送电路一样的结构，导致电路太复杂。

发明内容

本发明主要针对以上方法的不足，提供一种限幅滤波的峰平比抑制方法，能大大改善信号的PAPR值。

本发明公开的一种正交频分复用***中抑制峰平比的电路，包括下述顺序连接的、处理输入数据的模块：对输入数据进行过采样在数据之后添加0信息并进行IDFT变换(Inverse Discrete Fourier Transform离散傅立叶逆变换)的过采样模块；对变换之后的过采样数据进行限幅操作的限幅模块；将限幅之后的数据进行DFT变换(Discrete Fourier Transform离散傅立叶变换)之后去除带外噪声的去噪模块；和对数据进行IDFT变换后输出数据的输出模块；其特征在于，所述限幅模块的功能是对来自于所述过采样模块的数据先进行放大之后再进行限幅操作；同时所述去噪模块的功能是将来自于限幅模块的数据DFT变换之后去除带外噪声，还要再进行倍数缩小；所述限幅模块中放大的倍数和所述去噪模块中缩小的倍数相同。

本发明公开的一种正交频分复用***中抑制峰平比的方法，包括下述顺序处理输入数据的步骤：第一步过采样，对输入数据进行过采样、在数据之后添加0、并进行IDFT变换；第二步限幅，对来自于第一步过采样的数据进行限幅操作；第三步去噪，将限幅之后的数据进行DFT变换之后去除带外噪声；第四步输出，对第三步去噪后输出的数据进行IDFT变换后输出数据；其特征在于，在所述第二步限幅中，对来自于所述第一步过采样的数据先进行放大之后再进行限幅操作；同时在所述第三步去噪中，将来自于限幅模块的数据DFT变换之后去除带外噪声，还要再进行倍数缩小；所述第二步限幅中的放大的倍数和所述第三步去噪中的缩小的倍数相同。

本发明公开的正交频分复用***中抑制峰平比的电路和方法在对输入数据做限幅操作之前将数据进行放大，参数为n1；在经过JN点DFT变换之后将数据还原，参数为1/n1，使平均功率增大，使得数据位宽得到更有效地利用的同时减小了误码率；限幅器中的峰值并不是***的峰值，而是经过仿真设定的值，限幅值的作用范围是分量(实部和虚部)，在误码率和抑制PAPR效果之间选取平衡值。在N点IDFT之后的数据输出之前进行放大，保证数据范围的最大利用。本发明误码率不大，可以使用一般的接收电路。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是过采样限幅滤波的原理框图。

图2是现有技术Hangjun Chen，Haimovich，A.在文中An iterativemethod to restore the performance of clipped and filtered OFDMsignals。(Communications，2003.ICC’03.IEEE InternationalConference on，Volume：5，11-15 May 2003 Pages：3438-3442 vol.5)中提出的一种接收机。

图3是本发明的功能框图。

图4是根据本发明的所进行的仿真效果。纵坐标是峰平比超过某一门限值z的概率(CCDF)，横坐标是PAPR值。

具体实施方式

本发明公开的技术方案是如图3所示，一种可实现的基于过采样限幅滤波的峰平比抑制方法，有以下特征：对于每个变换单元，在输入的信号尾部填零获得JN个数据，然后进行JN点的IDFT(Inverse DiscreteFourier Transform离散傅立叶逆变换)变换(J为过采样因子)，输出的数据根据仿真结果进行一定的倍数放大，设放大倍数为n1，然后送入限幅器中进行限幅操作，从限幅器中的数据输出之后直接送入DFT(DiscreteFourier Transform离散傅立叶变换)模块进行JN点DFT变换，并将输出的数据去除带外噪声，再放大(1/n1)倍数之后还原为N个数据，再进行N点IDFT变换，再放大n2倍，输出的数据较原来的PAPR有明显的改善。

对本发明的关键步骤及其实现电路详细描述如下：

1.过采样模块：对输入数据进行过采样并进行JN点IDFT变换

在信号按照Nyquist样率进行采样时，采样点之间相互独立分布，容易推出此时信号PAPR统计特性的理论公式，已成为很多PAPR抑制方法的理论基础。研究结果同时指出，当离散信号通过D/A恢复成连续信号时，会出现PAPR回升现象，尤其是按Nyquist采样率得到的离散信号，PAPR回升最为严重。因此，采用过采样信号进行PAPR抑制的效果将更加明显。我们的方法也是立足于这种思想。

我们对原有的数据流添加一些0信息(即为过采样)，可以在每个相邻的有效数据之间，也可以集中在数据之后添加0信息，并进行JN点的IDFT变换。以下描述以集中在数据之后添加0信息为例。

如图3所示，用A＝{A₀，A₁，A₂，...，A_N-1}表示OFDM***(子载波数为N)中用于传输的原始信号序列，其中A_k为子载波k上的复数据。经过采样、调制及相移之后(相移不包括在我们的方法之内，也不能起到降低PAPR的作用，这里只是为了后面的分析方便)，传输信号变为：

其中： $A_k^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_k& k<N\\ 0& k\&GreaterEqual;N\end{array}\right.,$

2.限幅模块：对变换之后的过采样数据进行放大之后进行限幅操作

如前面所述，如果直接对数据进行限幅操作会发现要获得较低的PAPR，则位宽的利用率较低，且由于限幅值过小使得大多数变换后的数据遭到破坏，使用一般的接收电路将会产生严重误码，所以我们需要对数据进行一定的处理。

我们的处理方法是对数据进行一定的放大，使平均功率增大，这样我们可以适当的提高限幅值，以便获得较好的抑制PAPR的效果，为了避免在硬件电路实现时候引入开方，我们的限幅值的对象是输出值的实部和虚部。

如图3所示，我们对信号进行如下操作：

假设其第n个输出样点为 ${\tilde{s}}_n=\mathrm{Re}\left({\tilde{s}}_n\right)+\mathrm{jIm}\left({\tilde{s}}_n\right),$ 则有：

$\mathrm{Re}\left({\tilde{s}}_n\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(s_n^{\&prime;}\right),\mathrm{Re}\left(s_n^{\&prime;}\right)\&le;A_{\max }\\ A_{\max },\mathrm{Re}\left(s_n^{\&prime;}\right)>A_{\max }\end{array}\right.,$ $\mathrm{Im}\left({\tilde{s}}_n\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Im}\left(s_n^{\&prime;}\right),\mathrm{Im}\left(s_n^{\&prime;}\right)\&le;A_{\max }\\ A_{\max },\mathrm{Im}\left(s_n^{\&prime;}\right)>A_{\max }\end{array}\right.$

其中A_max为信号幅度的最大值。

定义限幅率 $\mathrm{\&gamma;}=\frac{A_{\max }}{\sqrt{P_{\mathrm{in}}}},$ $\sqrt{P_{\mathrm{in}}}=\sqrt{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|x\left(n\right)\right|}^2}$

我们发现：1)将JN点IDFT后的信号放大n1倍，可以提高信号的Pin值，进而降低限幅率γ值，从而有效降低PAPR值。因此，从降低PAPR值角度考虑，希望n1值越大越好。2)Amax值选取的原则是，保证经过限幅操作之后，大部分的数据不会丢失，这样有利于数据的正确传输，因此希望n1值越小越好。综合以上因素，可以看出n1值的选取是矛盾的，因此在实际应用中，我们需要采取折中的方案。

3.去噪模块：将限幅之后的数据进行JN点DFT变换之后去除带外噪声，再进行倍数缩小

一般的抑制PAPR的限幅滤波方法是一个非线性过程，它的一个缺点是引入严重的带外噪声，从而降低整个***的误比特率性能和频谱效率。

我们经过前面的过采样、JN点IDFT变换、倍数放大、限幅、JN点DFT操作之后，已经达到了抑制PAPR的作用，这一步是去将限幅引入的带外噪声除去。如图3所示，实施的方法如下过程所示：

经过JN点DFT处理，产生失真的JN点数据序列为：

$\tilde{A}\&prime;=\{{\tilde{A}}_0^{\&prime;},{\tilde{A}}_1^{\&prime;},...,{\tilde{A}}_{N-1}^{\&prime;},{\tilde{A}}_N^{\&prime;},...,{\tilde{A}}_{\mathrm{JN}-1}^{\&prime;}\}$

舍去带外干扰，则原始数据失真后的长为N的序列为：

$\tilde{A}\&prime;=\{{\tilde{A}}_0^{\&prime;},{\tilde{A}}_1^{\&prime;},...,{\tilde{A}}_{N-1}^{\&prime;}\}$

4.输出模块：对数据进行OFDM调制(N点IDFT)并进行适当放大输出数据

经过前面的处理，此时的数据的PAPR值已经大大降低，我们对数据进行真正的OFDM调制，如图2所示，该序列用N点IDFT进行普通的OFDM调制后放大n2输出，

最后输出数据乘以一个系数n2是为了保证数据范围的最大利用。

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***，这一***采用64QAM调制方式。数据位宽为8位，过采样因子J＝2，JN点IFFT变换后放缩的倍数为n1＝8，限幅值为70，N点IDFT之后放大的倍数是n2＝4倍。为了观察我们PAPR的改善结果，我们以峰平比超过某一门限值z的概率(CCDF)-PAPR值的曲线来作为我们方法的测试效果。具体实施方法如下：

1.过采样模块：对输入数据进行过采样并进行JN点IDFT变换

经过我们分析，对于过采样的因子，J＝2与J＝16对抑制PAPR效果相同，但选择后者硬件的实现(16×64点IDFT变换)困难较大，所以我们选择过采样因子为2，即在每个IDFT变换单元(64个)之后添加64个0之后送入128点IDFT变换单元中。

2.限幅模块：对变换之后的过采样数据进行放大之后进行限幅操作我们经过建立模型仿真之后确定几组参数

第一组：n1＝8   n2＝4   Amax＝70；

第二组：n1＝8   n2＝4  Amax＝127；

第三组：n1＝16  n2＝4  Amax＝127；

第四组：n1＝8   n2＝4  Amax＝40；

第四组参数的抑制PAPR的效果最好，但是我们发现其误码率较高，且不可恢复。在第一组和第三组的比较中，虽然第一组的抑制PAPR效果较第三组较差，但是其接收的64QAM星座图效果明显好于第三组，最后我们选定第一组参数为我们的最佳参数组合。其仿真结果如图4所示。

3.去噪模块：将限幅之后的数据进行JN点DFT变换之后进行倍数还原并去除带外噪声

对于每128个数据的IDFT单元，直接去掉后面的64个点，每个处理单元变为64个数据。

4.输出：对数据进行OFDM调制(N点IDFT)并进行适当放大输出数据

将去除带外噪声的每64个数据进行64点IDFT变换，放大4倍之后输出数据。

未进行抑制PAPR处理的***峰平比大约为11db左右，经过上述方法之后PAPR降低到7db左右，如图4所示，是根据本发明的所进行的仿真效果。纵坐标是峰平比超过某一门限值z的概率(CCDF)，横坐标是PAPR值。可见本发明不但有效的抑制PAPR，对于接收电路也不需要特定的信息，易于实现。

Claims (8)

1、一种正交频分复用***中抑制峰平比的电路，包括下述顺序连接的、处理输入数据的模块：对输入数据进行过采样在数据之后添加0信息并进行IDFT变换(Inverse DiscreteFourier Transform离散傅立叶逆变换)的过采样模块；对变换之后的过采样数据进行限幅操作的限幅模块；将限幅之后的数据进行DFT变换(DiscreteFourier Transform离散傅立叶变换)之后去除带外噪声的去噪模块；和对数据进行IDFT变换后输出数据的输出模块；其特征在于，所述限幅模块的功能是对来自于所述过采样模块的数据先进行放大之后再进行限幅操作；同时所述去噪模块的功能是将来自于限幅模块的数据DFT变换之后去除带外噪声，还要再进行倍数缩小；所述限幅模块中放大的倍数和所述去噪模块中缩小的倍数相同。

2、根据权利要求1所述的正交频分复用***中抑制峰平比的电路，其特征在于，所述限幅模块中放大的倍数和所述去噪模块中缩小的倍数都等于8，所述输出模块对数据进行IDFT变换后，再进行4倍放大后输出数据。

3、根据权利要求1或2所述的正交频分复用***中抑制峰平比的电路，其特征在于，所述限幅模块的限幅运算为：所述限幅模块输出的第n个样点为 ${\tilde{s}}_n=\mathrm{Re}\left({\tilde{s}}_n\right)+\mathrm{j\; Im}\left({\tilde{s}}_n\right),$ 限幅运算以前该样点为Sn’＝Re(Sn’)+jIm(Sn’)，则有：

$\mathrm{Re}\left({\tilde{s}}_n\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(s_n^{\&prime;}\right),\mathrm{Re}\left(s_n^{\&prime;}\right)\&le;A_{\max }\\ A_{\max },\mathrm{Re}\left(s_n^{\&prime;}\right)>A_{\max }\end{array}\right.$

$\mathrm{Im}\left({\tilde{s}}_n\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Im}\left(s_n^{\&prime;}\right),\mathrm{Im}\left(s_n^{\&prime;}\right)\&le;A_{\max }\\ A_{\max },\mathrm{Im}\left(s_n^{\&prime;}\right)>A_{\max }\end{array}\right.$

其中A_max为信号幅度的最大值。

4、根据权利要求3所述的正交频分复用***中抑制峰平比的电路，其特征在于，所述限幅模块的限制信号幅度的最大值A_max等于70。

5、一种正交频分复用***中抑制峰平比的方法，包括下述顺序处理输入数据的步骤：第一步过采样，对输入数据进行过采样、在数据之后添加0、并进行IDFT变换；第二步限幅，对来自于第一步过采样的数据进行限幅操作：第三步去噪，将限幅之后的数据进行DFT变换之后去除带外噪声；第四步输出，对第三步去噪后输出的数据进行IDFT变换后输出数据；其特征在于，在所述第二步限幅中，对来自于所述第一步过采样的数据先进行放大之后再进行限幅操作；同时在所述第三步去噪中，将来自于限幅模块的数据DFT变换之后去除带外噪声，还要再进行倍数缩小；所述第二步限幅中的放大的倍数和所述第三步去噪中的缩小的倍数相同。

6、根据权利要求5所述的正交频分复用***中抑制峰平比的方法，其特征在于，所述第二步限幅中的放大的倍数和所述第三步去噪中的缩小的倍数等于8，所述第四步输出中对数据进行工IDFT变换后还要再进行4倍放大后输出数据。

7、根据权利要求5或6所述的正交频分复用***中抑制峰平比的方法，其特征在于，所述第二步限幅中的限幅运算为：所述限幅模块输出的

8、根据权利要求7所述的正交频分复用***中抑制峰平比的方法其特征在于，所述第二步限幅中信号幅度的最大值A_max等于70。

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