CN103051582B - 一种低计算复杂度的自适应带内处理约束限幅方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低计算复杂度的自适应带内处理约束限幅方法。本发明通过研究限幅方法中时域信号改变量和频域信号改变量之间的关系，并由时域信号幅度的概率分布，提出了一种在满足***EVM(error vector magnitude)门限要求的条件下，根据OFDM符号的时域信号中幅度超过某一门限的差值信号的能量来确定带内处理时所选参数的方法，实现了带内自适应约束处理。理论分析和仿真表明，本发明提出的方法可以比传统方法更好的降低PAPR，并极大的降低的方法的计算量。

Description

一种低计算复杂度的自适应带内处理约束限幅方法

技术领域

本发明涉及正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivisionMultiplexing，简称OFDM)移动通信***中对OFDM信号进行改善的技术领域，特别是涉及一种用于降低OFDM***PAPR的低计算复杂度的自适应带内约束限幅方法。

背景技术

然而，OFDM***高峰均功率比的缺点严重影响了***的性能。为了降低峰均功率比，人们已经提出了许多解决方案，大体分为三类方法：编码类方法、扰码类方法、预畸变类方法。每种方法都有自己的特色，但也都存在各自的缺陷。编码类方法为线性过程，但对信号编解码比较麻烦，信息速率较低。扰码类方法着眼于努力使信号峰值出现的概率降低，虽然其能有效的降低信号的PAPR，但是其计算复杂度非常大。预畸变类方法与以上两类方法相比，最直接最简单。约束限幅法是预畸变技术中的一种，具有简单高效等优点而被众多OFDM***所采纳。根据不同的OFDM符号自适应的采用不同的EVM对限幅后的信号进行带内处理，能够在满足***平均EVM要求的前提条件下有效地降低***的PAPR。文献“Li Qiang,“Research on the key technologies of PAR reduction for WIMAX(chineses)”MasterDissertation,University ofElectronic Science and Technoligy ofChina,July 2008”中提出的方法在限幅后调整部分OFDM符号的EVM，从而造成平均EVM达不到***要求，固定了迭代次数也导致了收敛速度很慢。文献“Wanzhi Ma,Shihai Shao,andYouxi Tang,“Adaptive Step SizeforOFDM CFRwith Cognitive Clipping,”IEEE Conferences,pp.1-4,2010”提出了一种自适应约束限幅方法，但是在带内处理时，不能一次直接选定最佳EVM值，需要在以后的迭代限幅中，根据每次的效果来不断改变EVM使其趋向最佳值。因此需要较多的迭代次数才能达到理想的效果，增加了***的计算量。

根据时域信号改变量和频域信号改变量的对应关系，本发明提出了一种根据不同OFDM符号的时域特征，直接确定在带内处理时所采用EVM值的方法。将此方法应用到约束限幅方法中，对限幅后的信号自适应的进行带内处理，与传统自适应约束限幅方法相比，能够使***在满足平均EVM门限的条件下，有效的降低PAPR，并降低计算量。

发明内容

为更有效地克服OFDM***中存在的上述缺陷，本发明目的是提供一种可以降低OFDM***中峰均功率比，并能更有效地应用于实际通信***中的方法。

本发明的创新之处在于根据时域信号和频域信号变化量之间的关系，提出在约束限幅方法的带内处理过程中所采用EVM值的确定方法。

本发明的创新之处在于确定EVM值的方法跟OFDM符号的时域信息有关，不同的OFDM符号之间算出的EVM值基本不同，从而实现了自适应带内处理。仿真结果证明，本发明提出的方法可以比传统方法更好的降低PAPR，并极大的降低的方法的计算量(只需极少的迭代次数)。

本发明是一种低计算复杂度的自适应带内处理约束限幅方法。所述方法具体过程包括以下步骤：

步骤1输入比特流，对其进行调制、串并转换，再进行反傅里叶变换，将频域信号变换为时域信号

步骤2根据OFDM***的要求，设置平均EVM值为一个固定值T_h，利用式(1)求解CR_m：

$T_h=\sqrt{e^{-C{R}_m^2}-\sqrt{\mathrm{\π}}C{R}_m\×\mathrm{erfc}\left(C{R}_m\right)}---\left(1\right)$

步骤3再利用式(2)求解EVM门限T_m：

T_m＝σCR_m    (2)

其中σ²为OFDM信号的平均功率；

步骤4对于设定的门限T_m，利用式(3)计算出对该OFDM符号进行带内处理时采用的EVM值：

$\mathrm{EV}{\hat{M}}^i=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_n^i\right|}^2}{\mathrm{LN}{\mathrm{\σ}}^2}}---\left(3\right)$

其中可以表示为：

$a_n^i=\left\{\begin{array}{cc}0& ,\left|x_n^i\right|\≤T_m\\ \left|x_n^i\right|-T_m& ,\left|x_n^i\right|>T_m\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中式(4)中为OFDM***的时域信号，L为过采样系数，N为载波数；

步骤5设置迭代次数MaxIter，将其初始化；

步骤6对设定的限幅门限A_max，通过式(5)对OFDM时域信号进行限幅处理：

${\stackrel{\‾}{x}}_n^i=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n^i& \left|x_n^i\right|\≤A_{\max }\\ A_{\max }{e}^{j\∠x_n^i}& \left|x_n^i\right|>A_{\max }\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中表示的角度,|*|表示取绝对值；

步骤7对OFDM时域信号进行FFT得到频域信号利用步骤(4)中计算出的EVM值利用式(6)进行带内处理：

${\tilde{X}}_k^i={\stackrel{\‾}{X}}_k^i+\frac{\mathrm{EV}{\hat{M}}^i}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{EVM}}}^i}{E}_k^i---\left(6\right)$

其中表示OFDM***前i个符号的平均EVM值，第i个OFDM符号的EVM可表示为：

${\mathrm{EVM}}^i=\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k\∈R_f}{\mathrm{\Σ}}{|{\stackrel{\‾}{X}}_i^i-X_k^i|}^2}---\left(7\right)$

其中式(7)中S_max表示为调制星座的最大幅度，为限幅前后频域信号的差值；

步骤8参照文献“Robert J.Baxley,Chunming Zhao,and G.Tong Zhou,“Constrained Clippingfor Crest Factor Reduction in OFDM,”IEEE Transaction on broadcasting,Vol.52,No.4,pp.570-575,December 2006.”中提出的“spectral clipping”方法，根据式(8)对频域信号进行带外处理：

其中P_k表示频谱屏蔽，为带内处理后的频域信号；

步骤9通过IFFT将变换为时域信号判断Iter迭代次数是否等于最大迭代次数MaxIter,如果是，则将信号输出并读入下一个OFDM符号转入步骤2，否则令Iter＝Iter+1并转入步骤7。

本发明的有益效果在于提出了一种根据不同OFDM***时域信号来对限幅后的信号进行自适应带内处理的约束限幅方法。本方法相对传统自适应约束限幅滤波法，不需要经过迭代来反复调整带内处理时所用的EVM值，只需根据不同OFDM符号的时域信息直接结算得到带内处理时所用的EVM值，就可更好的降低PAPR，从而降低了计算量。

附图说明

图1 QPSK调制下不同限幅门限PAPR的互补累计概率分布曲线图；

图2 QPSK调制下不同限幅门限误比特率性能曲线图；

图3 不同限幅门限下的概率曲线图；

图4 不同限幅迭代次数下***PAPR的互补累积概率分布曲线图；

图5 OFDM***不同方法下PAPR的互补累积概率分布曲线图；

图6 OFDM***不同方法下误比特率性能曲线图。

具体实施方式

下面给出本专利的具体实施方法：

步骤1输入比特流，对其进行调制、串并转换，调制方式可选用QPSK或者16-QAM等方式，再进行反傅里叶变换，将频域信号变换为时域信号

步骤2根据OFDM***的要求，设置平均EVM值为一个固定值T_h，利用式(1)求解CR_m：

$T_h=\sqrt{e^{-C{R}_m^2}-\sqrt{\mathrm{\π}}C{R}_m\×\mathrm{erfc}\left(C{R}_m\right)}---\left(1\right)$

步骤3再利用式(2)求解EVM门限T_m：

T_m＝σCR_m    (2)

其中σ²为OFDM信号的平均功率；

步骤4对于设定的门限T_m，利用式(3)计算出对该OFDM符号进行带内处理时采用的EVM值：

$\mathrm{EV}{\hat{M}}^i=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_n^i\right|}^2}{\mathrm{LN}{\mathrm{\σ}}^2}}---\left(3\right)$

其中可以表示为：

$a_n^i=\left\{\begin{array}{cc}0& ,\left|x_n^i\right|\≤T_m\\ \left|x_n^i\right|-T_m& ,\left|x_n^i\right|>T_m\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中式(4)中为OFDM***的时域信号，L为过采样系数，N为载波数；

步骤5设置迭代次数MaxIter，将其初始化；

步骤6对设定的限幅门限A_max，通过式(5)对OFDM时域信号进行限幅处理：

${\stackrel{\‾}{x}}_n^i=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n^i& \left|x_n^i\right|\≤A_{\max }\\ A_{\max }{e}^{j\∠x_n^i}& \left|x_n^i\right|>A_{\max }\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中表示的角度,|*|表示取绝对值；

步骤7对OFDM时域信号进行FFT得到频域信号利用步骤(4)中计算出的EVM值利用式(6)进行带内处理：

${\tilde{X}}_k^i={\stackrel{\‾}{X}}_k^i+\frac{\mathrm{EV}{\hat{M}}^i}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{EVM}}}^i}{E}_k^i---\left(6\right)$

其中表示OFDM***前i个符号的平均EVM值，第i个OFDM符号的EVM可表示为：

${\mathrm{EVM}}^i=\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k\∈R_f}{\mathrm{\Σ}}{|{\stackrel{\‾}{X}}_i^i-X_k^i|}^2}---\left(7\right)$

其中式(7)中S_max表示为调制星座的最大幅度，为限幅前后频域信号的差值；

步骤8参照文献“Robert J.Baxley,Chunming Zhao,and G.Tong Zhou,“Constrained Clippingfor Crest Factor Reduction in OFDM,”IEEE Transaction on broadcasting,Vol.52,No.4,pp.570-575,December 2006.”中提出的“spectral clipping”方法，根据式(8)对频域信号进行带外处理：

其中P_k表示频谱屏蔽，为带内处理后的频域信号；

步骤9通过IFFT将变换为时域信号判断Iter迭代次数是否等于最大迭代次数MaxIter,如果是，则将信号输出并读入下一个OFDM符号转入步骤2，否则令Iter＝Iter+1并转入步骤7。

图1设置仿真参数为T_h＝0.06时，不同限幅门限下PAPR的互补累计概率分布曲线显示限幅门限A_max影响着OFDM***的PAPR性能，从图中可以观察到当A_max＝4.8db时性能要比其他值(不管是大于A_max或者是小于A_max)时要好，这说明存在最佳限幅门限。

图2QPSK调制下不同限幅门限误比特率性能曲线图显示了不同限幅门线下误码率的性能对比，从这个图中可以看到由于在不用限幅门限下都控制了***EVM在门限范围内，因此对应的误码率性能曲线几乎重合。

图3不同限幅门限下的概率曲线图显示了三种不同的门限γ下PAPR>γ的概率分布。从图中可以看出，当A_max＝4.8dB时PAPR>γ(γ＝5.4dB,5.5dB,5.6dB，间隔为0.1dB的门限)的概率最低，因此***最佳限幅门限为4.8dB。(此过程只有在仿真时用到，用于确定最佳限幅门限A_max)

图4不同限幅迭代次数下***PAPR的互补累积概率分布曲线图表示限幅滤波处理时采用不同的迭代次数时对***PAPR性能的影响。可以看出提高迭代次数是可以进一步降低***PAPR，但是迭代次数增加，PAPR性能改善并不明显了。

图5和图6OFDM***不同方法下PAPR的互补累积概率分布曲线和误比特率性能曲线图显示了本方法、固定EVM约束限幅方法、传统自适应约束限幅方法和Armstrong限幅滤波方法(其限幅门限设为5.4dB)的PAPR性能及***误比特率性能的对比曲线。从中可以看出，本方法和传统自适应约束限幅方法均能在很好的控制OFDM***PAPR和BER，但传统方法平均迭代次数要在三次以上，因此本方法提出的方法极大的降低的计算量。

Claims (1)

1.一种低计算复杂度的自适应带内处理约束限幅方法，其特征在于：

步骤1输入比特流，对其进行调制、串并转换，再进行反傅里叶变换，将频域信号变换为时域信号

步骤2根据OFDM***的要求，设置平均EVM值为一个固定值T_h，利用式(1)求解CR_m：

$T_h=\sqrt{e^{-{\mathrm{CR}}_m^2}-\sqrt{\mathrm{\π}}{\mathrm{CR}}_m\×\mathrm{erfc}\left({\mathrm{CR}}_m\right)}---\left(1\right)$

步骤3再利用式(2)求解EVM门限T_m：

T_m＝σCR_m   (2)

其中σ²为OFDM信号的平均功率；

步骤4对于设定的门限T_m，利用式(3)计算出对该OFDM符号进行带内处理时采用的EVM值：

$\mathrm{EV}{\hat{M}}^i=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_n^i\right|}^2}{{\mathrm{LN\σ}}^2}}---\left(3\right)$

其中可以表示为：

$a_n^i=\left\{\begin{array}{cc}0& ,\left|x_n^i\right|\≤T_m\\ \left|x_n^i\right|-T_m& ,\left|x_n^i\right|>T_m\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中式(4)中为OFDM***的时域信号，L为过采样系数，N为载波数；

步骤5设置迭代次数MaxIter，将其初始化；

步骤6对设定的限幅门限A_max，通过式(5)对OFDM时域信号进行限幅处理：

${\stackrel{\‾}{x}}_n^i=\left\{\begin{array}{cc}{x}_n^i& \left|x_n^i\right|\≤A_{\max }\\ A_{\max }{e}^{j\∠x_n^i}& \left|x_n^i\right|>A_{\max }\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中表示的角度,|*|表示取绝对值；

步骤7对OFDM时域信号进行FFT得到频域信号利用步骤(4)中计算出的EVM值利用式(6)进行带内处理：

${\tilde{X}}_k^i={\stackrel{\‾}{X}}_k^i+\frac{\mathrm{EV}{\hat{M}}^i}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{EVM}}}^i}{E}_k^i---\left(6\right)$

其中表示OFDM***前i个符号的平均EVM值，第i个OFDM符号的EVM可表示为：

${\mathrm{EVM}}^i=\frac{1}{S_{\max }}\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k\∈R_f}{\mathrm{\Σ}}{|{\stackrel{\‾}{X}}_k^i-X_k^i|}^2}---\left(7\right)$

其中式(7)中S_max表示为调制星座的最大幅度，为限幅前后频域信号的差值；

步骤8根据式(8)对频域信号进行带外处理：

其中P_k表示频谱屏蔽，为带内处理后的频域信号；

步骤9通过IFFT将变换为时域信号判断Iter迭代次数是否等于最大迭代次数MaxIter,如果是，则将信号输出并读入下一个OFDM符号转入步骤2，否则令Iter＝Iter+1并转入步骤7。