CN102664858A - Ofdm***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法 - Google Patents

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缪竟鸿
李春雨
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Abstract

本发明针对以OFDM技术为核心的无线通信***,提出一种降低峰均比与载波频率跟踪的联合方法。发射机在频域选取固定子载波位置的信息数据,求其复共轭,并将所得共轭编码数据填入其它固定位置的子载波中,从而用频域数据的共轭来调制导频子载波以抵消相位,降低***的峰值功率。同时,接收机在频域提取每个符号相应子载波位置的信息数据与共轭编码数据,基于其共轭关系估计估计残余载波频偏引起的符号相位旋转,并在时域或频域对接收数据予以频偏补偿。该方法即可对载波频偏进行高精度跟踪,又能***具有更低的峰均比。

Description

OFDM***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法
技术领域
本发明涉及一种OFDM***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法,针对OFDM***峰值平均功率比高及对频偏敏感、正交性易被破坏的问题,提出对子载波进行共轭编码的方法使***同时克服两大缺陷。该项发明可广泛应用于以OFDM技术为核心的无线通信***中。
背景技术
正交频分复用(OFDM)***由于其频带利用率高、抗符号间串(ISI)扰能力强、抗频率选择性衰落能力强等诸多优点,被誉为下一代无线通信技术的核心,但同时也存在对载波频偏十分敏感和峰均比(PAPR)高等不足。载波频率偏移导致子载波间的正交性遭到破坏,从而产生子信道间干扰(ICI),大的峰均比造成信号非线性失真或对后续放大电路线性度要求极高而难以实现,这些都使***性能大大下降。
频率同步分捕获和跟踪两个阶段,同步性能好坏关键在于跟踪。已有的重发符号跟踪法,性能较好但占用额外频带。循环前缀跟踪法收敛较快但其性能受循环前缀长度影响,需要较长循环前缀。差分判决反馈法和相干判决反馈法,运算量较大,复杂度较高。在降低峰均比方面,经典的方法有部分传输序列法及选择映射法。
OFDM是一种特殊的多载波通信方案,其基本思想是将高速串行的数据码流转变为N路并行的低速数据码流,然后线性调制到等频率间隔的N个相互正交的子载波上同时进行传输。对于包含N个子载波的OFDM***来说,经过快速傅立叶逆变换(IFFT)得到的功率归一化复基带子信号为:
x ( n ) = 1 N Σ k = 0 N - 1 s ( k ) exp ( 2 πjnk N )
n=0,1,2,...,N-1,其中s(k)表示第k个子载波上的调制信号,对于MQAM-OFDM***其为QAM的映射值。与单载波***相比,由于OFDM符号由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成,这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率,由此会带来较大的峰值平均功率比,简称峰均比,定义为:
PAPR ( dB ) = 10 lg max { | x ( n ) | 2 } E { | x ( n ) | 2 }
其中x(n)表示经过IFFT运算之后所得到的输出信号。对于包含N个子信道的OFDM***来说,当N个子信号以相同的相位求和时,所得到的信号的峰值功率就会是平均功率的N倍,因而基带信号的最大峰均比可以为10lgN。
发端IFFT后,
x N ( m ) = 1 N Σ k = 0 N - 1 s ( k ) e j ( 2 π / N ) mk , m=0,1,...,N-1
加循环前缀后,X=[XL XN],经过信道后,
y(l)=x(l)ej(2π/N)/ε+n(l),l=0,1,...,N+L-1
其中ε为归一化频偏。收端去除CP后,
yN(m)=xN(m)ej(2π/N)(m+L)ε+n(m),m=0,1,...,N-1FFT后,
r ( i ) = 1 N Σ m = 0 N - 1 y N ( m ) e - j ( 2 π / N ) mi , i = 0,1 , . . . , N - 1
= 1 N e j ( 2 π / N ) Lϵ Σ k = 0 N - 1 Σ m = 0 N - 1 e j ( 2 π / N ) m ( k - i + ϵ ) + 1 N Σ m = 0 N - 1 n ( m ) e - j ( 2 π / N ) mi
= 1 N e j ( 2 π / N ) Lϵ s ( i ) Σ m = 0 N - 1 e j ( 2 π / N ) mϵ + 1 N e j ( 2 π / N ) Lϵ Σ k = 0 k ≠ i N - 1 s ( k ) Σ m = 0 N - 1 e j ( 2 π / N ) m ( k - i + ϵ ) + 1 N Σ m = 0 N - 1 n ( m ) e - j ( 2 π / N ) mi
= s ( i ) sin ( πϵ ) e jπϵ ( N + 2 L - 1 ) / N N sin ( πϵ / N ) + Σ k = 0 k ≠ i N - 1 s ( k ) sin ( π ( ϵ + k - i ) ) e jπ [ 2 Lϵ + ( N - 1 ) ( ϵ + k - i ) ] / N N sin ( π ( ϵ + k - i ) / N ) + 1 N Σ m = 0 N - 1 n ( m ) e - j ( 2 π / N ) mi
上式第一项为第i个子载波的有用信号,第二项为其他子载波的干扰,即ICI,第三项为高斯白噪声干扰。
Figure BSA00000720769300025
当频偏很小时,幅度衰减近似为1,信干比近似无穷大,此时可以忽略幅度衰减和ICI;当频偏较大时,幅度衰减和ICI都较为严重,需对其进行补偿。
发明内容
本发明目的是针对OFDM***存在的峰均比高及对频偏敏感两大缺陷,提出基于共轭码降低峰均比与载波频偏跟踪联合方法,用一种技术同时弥补***两大不足,降低***峰值功率从而降低***峰均比,并补偿跟踪阶段细小的载波频率偏差,克服收发机振荡器的不同步,可适用于所有基于OFDM技术的无线通信***。
本发明的技术方案:
本发明提出一种适用于OFDM***的基于共轭码的频率跟踪方法。在频域将MQAM映射值取共轭并***其中组成一个符号进行IFFT,通过相位抵消有效的减小***峰值功率来降低峰均比。同时利用符号共轭关系估计相位偏移从而得到归一化频偏并在时域或频域对频偏进行跟踪。
本发明的有益效果:
本发明设计了一种OFDM***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法。该方法既能对载波频率偏差进行有效的跟踪,又使***具有较低的峰均比,从而用一种技术同时补偿了OFDM***的两大缺陷。另外,该联合方法同时具有运算量小、复杂度低的特点。
附图说明
图1是MQAM-OFDM基带***简略模型
图2是加入共轭码的N个子载波数据
图3(a)是传统导频***的时域信号能量图
图3(b)是共轭编码***的时域信号能量图
图4是反映***峰均比的CCDF曲线
图5是基于共轭编码的载波频率跟踪环框图
图6(a)是未加入频率跟踪的***接收端星座图
图6(b)是加入频率跟踪后的***接收端星座图
图7是跟踪环路收敛抖动情况
图8是跟踪后残余频偏的均方误差曲线
具体实施方式
以下结合附图和通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明:
本发明设计了一种OFDM***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法,其特征在于:本方案包括以下步骤:
a.发射机在频域选取固定子载波位置的信息数据,求其复共轭,并将所得共轭编码数据填入其它固定位置的子载波中;
b.接收机在频域提取每个符号相应子载波位置的信息数据与共轭编码数据,基于其共轭关系估计载波频偏引起的符号相位偏差,并在频域或时域对接收数据予以频偏补偿。
步骤a所述的信息数据为QAM调制后的数据。
步骤a所述的信息数据的数目等于共轭编码数据的数目,且小于***子载波数的一半。
步骤a所述的信息数据的位置及共轭编码数据的位置均可在所有子载波位置中任意选择,其降低***峰均比的效果相同。
步骤b所述符号相位偏差的估计公式为
Δθ = 1 2 angle ( Σ i = 0 M - 1 r ( i ) q ( i ) )
其中r(i)、q(i)分别为每个符号的第i个信息数据和对应的第i个共轭编码数据,M为一个符号内的共轭编码数目,N为***子载波数目。
步骤b中对每个符号估计一次相位偏差,将估计值送入环路滤波器进行平滑噪声处理,其结果分cos与sin两路补偿前向路径中的数据。
实施例
设OFDM***子载波数为N,N个子载波上传输的数据为S=[s(0),s(1),...,s(N-1)],其中的P个为共轭符号,P<N/2,另N-P个为QAM映射后的有用数据。从N-P个有用数据中选P个并分别取共轭即形成P个共轭码。此方法中P个有用QAM值的选取与其共轭码在子载波中的位置可根据需要来设计,其对于降峰均比效果是一样的。图2所示为把共轭码都加在符号末尾的一种构成情况,其中
s ( i ) = s ( i ) , 0 ≤ i ≤ N - P - 1 conj ( s ( i - N + P ) ) , N - P ≤ i ≤ N - 1
频偏捕获阶段已经把频偏控制在很小的范围内,跟踪时可以近似认为没有幅度衰减及子载波间干扰或把它们当做噪声处理。传统的跟踪方法常利用承载已知常数信息的导频子载波,这里用所设计的共轭码作导频来进行频率跟踪,从而达到既降峰均比又有效进行频率跟踪的目的。图5所示为基于共轭编码的时频跟踪环路。对一个符号内的P对共轭码进行相位估计,得
Figure BSA00000720769300033
利用上式对每个符号估计一次相位偏差,然后依次进入环路滤波器进行平滑噪声处理,其结果分cos与sin两路构成exp(-jΔθ)在频域与接收数据相乘来对其进行反馈纠正。频域补偿仅适用于归一化频偏很小的情况。若归一化频偏较大,时域补偿是比较好的方法,可以只在时域进行纠正或者时域加频域联合纠正。
为检验算法的性能,设计一个正交频分复用基带***:100个有用信息子载波,12个导频子载波,32QAM和128点FFT,信道编码是RS(31,27)码。一帧包括为64个OFDM符号,前导符号由一个空符号和一个PN序列组成,循环前缀长度为37。图4所示为本***12个导频选用未知共轭码及传统已知固定数据的OFDM信号功率累积分布曲线(CCDF),它反映了信号峰均比大于一定门限的概率。从图中可看出使用共轭子载波对降低***峰均比有一定效果,在大于一定门限概率为10-4时,可将峰均功率比降低约3dB。
为减小***复杂度,这里采用只在时域纠正来进行跟踪,仿真时适当设置环路滤波器增益因子。图6(a)(b)所示为25dB、归一化频偏0.02条件下跟踪前后星座图。从图中可以看出未采用频率跟踪算法时,OFDM符号的子载波受到ICI影响,星座点产生弥散,且所有符号受频偏影响其相位偏差随符号序号线性增加,从而弥散的星座点不断旋转,形成圆环。经过频率跟踪,消除了频偏的影响,弥散的圆环恢复成正确的32QAM星座点。图7所示为归一化频偏0.02,不同信噪比下,本跟踪法收敛抖动情况比较。可以看到,在5dB的低信噪比下,环路稳定后收敛抖动仍比较小,跟踪稳定性较好。图8所示为不同归一化频偏下,跟踪后剩余频偏的均方误差曲线。可以看出,无论频偏较大还是较小,跟踪精度都比较高。20dB频偏0.02时,MSE可达10-7量级。

Claims (6)

1.OFDM***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法,其特征在于:本方案包括以下步骤:
a.发射机在频域选取固定子载波位置的信息数据,求其复共轭,并将所得共轭编码数据填入其它固定位置的子载波中;
b.接收机在频域提取每个符号相应子载波位置的信息数据与共轭编码数据,基于其共轭关系估计载波频偏引起的符号相位偏差,并在频域或时域对接收数据予以频偏补偿。
2.根据权利要求1所述的OFDM***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法,其特征在于:步骤a所述的信息数据为QAM调制后的数据。
3.根据权利要求1所述的OFDM***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法,其特征在于:步骤a所述的信息数据的数目等于共轭编码数据的数目,且小于***子载波数的一半。
4.根据权利要求1所述的OFDM***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法,其特征在于:步骤a所述的信息数据的位置及共轭编码数据的位置均可在所有子载波位置中任意选择,其降低***峰均比的效果相同。
5.根据权利要求1所述的OFDM***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法,其特征在于:步骤b所述符号相位偏差的估计公式为
Δθ = 1 2 angle ( Σ i = 0 M - 1 r ( i ) q ( i ) )
其中r(i)、q(i)分别为每个符号的第i个信息数据和对应的第i个共轭编码数据,M为一个符号内的共轭编码数目,N为***子载波数目。
6.根据权利要求1所述的OFDM***降低峰均比与载波频率跟踪联合方法,其特征在于:步骤b中对每个符号估计一次相位偏差,将估计值送入环路滤波器进行平滑噪声处理,其结果分cos与sin两路补偿前向路径中的数据。
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