CN103152309B - 降低ofdm***的峰均功率比的频域自相关匹配***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***和方法，生成频域序列的自相关信号，然后按照传统的SLM方法对频域自相关信号进行处理与传输，接收机将接收信号与发射机旋转相位序列发生器中的M个旋转相位序列做点乘运算得到M个输出信号，对这M个输出信号分别进行自相关运算，将其中自相关值最大的信号经过自相关信号发生器逆变换模块恢复出频域序列，再经过解调与并/串变换就可以恢复出原始串行数据流。本发明将旋转相位序列的信息植入到频域自相关信号的自相关性当中，利用接收信号与旋转相位序列点乘所得到的输出信号的自相关性恢复原始信号，无需边带副信息的传输。

Description

降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***和方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***和方法。

背景技术

在现有的通信技术中，OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术以其很高的频谱利用率、良好的抗多径衰落和抗干扰性能，成为未来移动多媒体通信的主要候选技术之一。一个典型的OFDM信号可以表示如下：

$x\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(n\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{n}t\right),0\≤t\≤T$

其中，N为子载波的数目,X(n)为第n个子载波上传输的频域数据符号，f_n为第n个子载波的频率，T为一个OFDM符号的持续时间。

OFDM***的主要缺点之一是PAPR（Peak to Average Power Ratio，峰值平均功率比）偏高。OFDM符号由多个独立的经过调制的子载波信号叠加而成，可能产生较大的峰值功率，并由此带来较大的PAPR。OFDM信号的PAPR定义为：

$\mathrm{PAPR}=\frac{\max \left\{{\left|x\left(t\right)\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|x\left(t\right)\right|}^2\right\}}$

目前降低OFDM***峰均功率比PAPR的一种主流方法是SLM（SelectedMapping，选择性映射）方法。SLM方法的基本原理是：使输入的OFDM信号与U个模值为1的旋转相位序列相乘，得到U个表示相同信息的输出信号。然后将这U个信号分别进行IFFT变换，并从中选择出PAPR最小的那个信号进行发送。为了在接收端能够正确地对接收信号进行解调，在发送端必须发送边带副信息来表示具体发送的是哪个旋转相位序列。

图1是采用传统SLM方法降低OFDM***的峰均功率比的通信***框架图。如图1所示，基于传统SLM方法的通信***包括旋转相位序列发生器101和发射机、接收机三个部分，其中发射机包括：串/并转换模块102，数字调制模块103，IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，快速傅立叶逆变换）模块104，最佳PAPR选择器105，D/A（Digital/Analog,数字/模拟）转换模块106，射频发射模块107；接收机部分包括：射频接收模块108，A/D（Analog/Digital,模拟/数字）转换模块109，FFT（Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换）模块110，数字解调模块111，并/串转换单元112。

传统SLM方法的缺陷在于：为了获得较好的PAPR抑制性能，通常需要对多个备选信号进行IFFT变换，从中选择一个用来传输，算法的计算复杂度急剧增加；并且为了使得***可以在接收端恢复出原始信号，需要传输一定的边带副信息，边带副信息的传输降低了***的频谱利用效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***和方法，通过将频域序列转换成自相关信号把旋转相位序列的信息植入到频域自相关信号的自相关性中，无需传输边带副信息就可以将原始信号恢复出来，提高频谱利用效率。

为实现上述发明目的，本发明降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***，其特征在于包括：

旋转相位序列发生器，用于产生M个长度为N的旋转相位序列P_m,m＝1,2,…,M，并将这M个旋转相位序列传送给发射机的乘法器与接收机的乘法器；

串/并转换模块，用于将原始串行数据流转换为包含N个子载波的并行数据流；

数字调制模块，用于对并行数据流进行数字调制，得到频域序列S；

自相关信号发生器，用于对频域序列S进行自相关运算，产生频域自相关信号X；

乘法器，用于将频域自相关信号X分别与M个旋转相位序列P_m进行点乘，得到M个备选传输频域序列X_m；

IFFT模块，用于将M个备选传输频域序列X_m转换成备选传输时域序列x_m；

最佳PAPR选择器，用于从M个备选传输时域序列x_m中选择出PAPR最小的时域序列

D/A转换模块，用于将时域序列转换成模拟信号；

射频发射模块，用于将模拟信号发射至信道进行传输；

射频接收模块，用于接收从信道传输过来的模拟信号；

A/D转换模块，用于将接收的模拟信号转换成时域序列y；

FFT模块，用于将时域序列y转换成频域序列Y；

乘法器，用于计算频域序列Y与发射机中旋转相位序列发生器传送过来的M个旋转相位序列P_m的点乘输出信号Y_m；

自相关信号匹配器，用于计算M个输出信号Y_m的自相关性，选择出自相关值最大的输出信号

自相关信号发生器逆变换模块，用于对输出信号进行自相关逆变换，恢复出频域序列；

数字解调模块，用于对恢复出的频域序列进行解调得到并行数据流；

并/串转换模块，用于将并行数据流转换成串行数据信号。

其中，数字调制模块为QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）调制模块，数字解调模块为QAM解调模块。

其中，数字调制模块为PSK（Phase Shift Keying，相位调制）调制模块，数字解调模块为PSK解调模块。

其中，自相关信号发生器的K维传输函数G(z)为：

G(z)＝a₀+a₁z^-1+...+a_K-1z^-(K-1)

其中，a_k,0≤k≤K-1表示自相关信号发生器的第k维系数，z^-k表示向后转移操作。

为实现上述发明目的，本发明降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）、在发射机与接收机初始安装时，采用旋转相位序列发生器生成M个旋转相位序列P_m＝[P_m1,P_m2,…,P_mN],m＝1,2,…,M，M由用户设置，并将这M个旋转相位序列传输给发射机和接收机进行存储；

（2）、发射机将原始串行数据信号经过串/并转换得到并行数据流，并行数据流包含N个子载波，对并行数据流进行数字调制得到频域序列S＝[S₁,S₂,…,S_N]；

（3）、生成频域序列S的频域自相关信号X＝[X₁,X₂,…,X_N]；

（4）、分别计算频域自相关信号X与M个旋转相位序列P_m的点乘，得到M个备选传输频域序列X_m：

X_m＝X⊙P_m＝[X₁P_m1,X₂P_m2,…,X_NP_mN]

将M个备选传输频域序列X_m通过IFFT变换得到备选传输频域序列x_m：

x_m＝IFFT(X_m)＝IFFT(X⊙P_m)；

（5）、计算M个备选传输频域序列的PAPR，选择PAPR最小的频域序列将其转换为模拟信号并经过射频信道进行传输；

（6）、接收机接收经信道传输过来的信号并转化为数字信号y：

$y=x_m^{*}+n;$

其中，n为信道噪声；

对数字信号y进行FFT变换，得到频域序列Y：

$Y=\mathrm{FFT}\left(y\right)=X_m^{*}+\mathrm{FFT}\left(n\right);$

（7）、分别计算频域序列Y与M个旋转相位序列P_m的点乘，得到M个输出信号Y_m：

Y_m＝Y⊙P_m

计算每个输出信号Y_m的自相关值，其中自相关值最大的即为需要恢复的频域自相关信号X；

（8）、将恢复出的频域自相关信号X进行自相关信号逆变换，得到频域序列S；

（9）、对恢复出的频域序列S进行数字解调得到并行数据流，将并行数据流进行并/串变换恢复出原始串行数据流。

其中，步骤（2）中的数字调制为QAM调制，步骤（9）中的数字解调为QAM解调。

其中，步骤（2）中的数字调制为PSK调制，步骤（9）中的数字解调为PSK解调。

其中，步骤（3）中频域自相关信号产生X的生成采用K维传输函数G(z)＝a₀+a₁z^-1+...+a_K-1z^-(K-1)，其中，a_k,0≤k≤K-1表示自相关信号发生器的第k维系数，z^-k表示向后转移操作。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***和方法，发射机生成频域序列的自相关信号，然后按照传统的SLM方法对频域自相关信号进行处理与传输，接收机将接收信号与发射机旋转相位序列发生器中的M个旋转相位序列做点乘运算得到M个输出信号，对这M个输出信号分别进行自相关运算，将其中自相关值最大的信号经过自相关信号发生器逆变换模块恢复出频域序列，再经过解调与并/串变换就可以恢复出原始串行数据流。

本发明将旋转相位序列的信息植入到频域自相关信号的自相关性当中，利用接收信号与旋转相位序列点乘所得到的输出信号的自相关性来恢复原始信号，无需边带副信息的传输。

附图说明

图1是基于传统SLM方法降低OFDM***的峰均功率比的通信***框架图；

图2是本发明降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***一种具体实施方式***框架图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图2是本发明降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***一种具体实施方式***框架图。如图2所示，本发明降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***包括旋转相位序列发生器、发射机与接收机三部分，其中：

旋转相位序列发生器201，用于产生M个长度为N的旋转相位序列P_m,m＝1,2,…,M，并将这M个旋转相位序列传送给乘法器205与乘法器213。

发射机包括：

串/并转换模块202，用于将原始串行数据流转换为包含N个子载波的并行数据流。

数字调制模块203，用于对并行数据流进行数字调制，得到频域序列S＝[S₁,S₂,…,S_N]。

自相关信号发生器204，用于对频域序列S进行自相关运算，产生频域自相关信号X＝[X₁,X₂,…,X_N]。

乘法器205，用于将频域自相关信号X分别与M个旋转相位序列P_m进行点乘，得到M个备选传输频域序列X_m。

IFFT模块206，用于将M个备选传输频域序列X_m转换成备选传输时域序列x_m。

最佳PAPR选择器207，用于从M个备选传输时域序列x_m中选择出PAPR最小的时域序列

D/A转换模块208，用于将时域序列转换成模拟信号。

射频发射模块209，用于将模拟信号发射至信道进行传输。

接收机包括：

射频接收模块210，用于接收从信道传输过来的模拟信号。

A/D转换模块211，用于将接收的模拟信号转换成时域序列y。

FFT模块212，用于将时域序列y转换成频域序列Y。

乘法器213，用于计算频域序列Y与发射机中旋转相位序列发生器204传送过来的M个旋转相位序列P_m的点乘输出信号Y_m。

自相关信号匹配器214，用于计算M个输出信号Y_m的自相关性，选择出自相关值最大的输出信号

自相关信号发生器的K维传输函数G(z)可以表示为：

G(z)＝a₀+a₁z^-1+...+a_K-1z^-(K-1)

其中，a_k,0≤k≤K-1表示自相关信号发生器的第k维系数，z^-k表示向后转移操作。

自相关信号发生器逆变换模块215，用于对输出信号进行自相关逆变换，恢复出频域序列。

数字解调模块216，用于对恢复出的频域序列进行解调得到并行数据流。

并/串转换模块217，用于将并行数据流转换成串行数据信号。

在实际应用中，数字调制模块可以选择QAM调制模块、PSK调制模块，相应地，数字解调模块为QAM解调模块、PSK解调模块。

本发明降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***包括以下步骤：

步骤1：采用旋转相位序列发生器生成M个旋转相位序列P_m＝[P_m1,P_m2,…,P_mN],m＝1,2,…,M，M由用户设置，并将这M个旋转相位序列传输给发射机和接收机进行存储；

旋转相位序列的生成仅在发射机和接收机初始安装时进行，发射机与接收机将M个时域随机序列q_i进行存储，在正常信号发射与接收时直接使用。

步骤2：发射机将原始串行数据信号经过串/并转换得到并行数据流，并行数据流包含N个子载波。

步骤3：对并行数据流进行数字调制得到频域序列S＝[S₁,S₂,…,S_N]。

步骤4：生成频域序列S的频域自相关信号X＝[X₁,X₂,…,X_N]。

步骤5：分别计算频域自相关信号X与M个旋转相位序列P_m的点乘，得到M个备选传输频域序列X_m：

X_m＝X⊙P_m＝[X₁P_m1,X₂P_m2,…,X_NP_mN]

M个备选传输频域序列X_m中包含的信号信息相同。

步骤6：将M个备选传输频域序列X_m通过IFFT变换得到备选传输频域序列x_m：

x_m＝IFFT(X_m)＝IFFT(X⊙P_m)。

步骤7：计算M个备选传输时域序列x_m的PAPR，选择出PAPR最小的时域序列

步骤8：将时域序列转换为模拟信号并经过射频信道进行传输。

步骤9：接收机接收经信道传输过来的信号并转换为数字信号y：

$y=x_m^{*}+n;$

其中，n为信道噪声。

步骤10：对数字信号y进行FFT变换，得到频域序列Y：

$Y=\mathrm{FFT}\left(y\right)=X_m^{*}+\mathrm{FFT}\left(n\right).$

步骤11：分别计算频域序列Y与M个旋转相位序列P_m的点乘，得到M个输出信号Y_m：

对输出信号Y_m进行自相关分析：

由于信道噪声n具有随机性，FFT变换属于线性变换，n'＝FFT(n)的自相关性满足：

$r_{n^{\′}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{\τ}=0\\ 0,\mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.$

其中，τ表示信号的延迟时间；

自相关信号发生器的K维传输函数G(z)可以表示为：

G(z)＝a₀+a₁z^-1+...+a_K-1z^-(K-1)

其中，a_k,0≤k≤K-1表示自相关信号发生器的第k维系数，z^-k表示向后转移操作，例如：z^-1s(t)＝s(t-1)。

由于旋转相位序列P_m具有伪随机性，因此X_m＝X⊙P_m的自相关峰值不会很大，其自相关值理论上满足：

其中，K表示自相关信号发生器的维数，a_k表示自相关信号发生器的第K维系数。

接收机可根据接收到的频域信号的自相关值的大小来判断和恢复自相关信号X。如果接收到的频域信号Y的自相关值为0，可知其对应的并不是发送端的自相关信号X。在实际情况下，由于数据长度不可能为无限长，接收信号的自相关峰值会有一定偏差。但仍然可以通过接收信号的自相关峰值来判断和恢复发送端的自相关信号X。

计算频域序列Y与M个旋转相位序列P_m的点乘输出信号Y_m：

可知当且仅当发送信号对应的相位序列与输出信号Y_m中所乘的相位序列P^m相同时，Y_m可以在τ＝0,1,…,K时取得最大的自相关值。

步骤12：计算M个输出信号Y_m的自相关值，其中自相关值最大的即为需要恢复的频域自相关信号X。

步骤13：将恢复出的频域自相关信号X进行自相关信号逆变换，得到频域序列S。

步骤14：对恢复出的频域序列S进行数字解调得到并行数据流。

步骤15：将恢复出的并行数据流进行并/串转换，恢复出原始串行数据流。

在实际应用中，数字调制可以选择QAM调制、PSK调制，相应地，数字解调采用QAM解调、PSK解调。

本发明降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***和方法，将旋转相位序列的信息植入到频域自相关信号的自相关性当中，根据接收信号与旋转相位序列点乘得到的输出信号的自相关值的峰值判别出需恢复的自相关信号，从而进行信号恢复，无需占用额外频带进行边带副信息的传输。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***，其特征在于包括：

旋转相位序列发生器(201)，用于产生M个长度为N的旋转相位序列P_m,m＝1,2,…,M，并将这M个旋转相位序列分别传送给第一乘法器(205)与第二乘法器(213)；

串/并转换模块(202)，用于将原始串行数据流转换为并行数据流；

数字调制模块(203)，用于对并行数据流进行数字调制，得到频域序列S；

自相关信号发生器(204)，用于对频域序列S进行自相关运算，产生频域自相关信号X；

第一乘法器(205)，用于将频域自相关信号X分别与M个旋转相位序列P_m进行点乘，得到M个备选传输频域序列X_m；

IFFT模块(206)，用于将M个备选传输频域序列X_m转换成备选传输时域序列x_m；

最佳PAPR选择器(207)，用于从M个备选传输时域序列x_m中选择出PAPR最小的时域序列

D/A转换模块(208)，用于将时域序列转换成模拟信号；

射频发射模块(209)，用于将模拟信号发射至信道进行传输；

射频接收模块(210)，用于接收从信道传输过来的模拟信号；

A/D转换模块(211)，用于将接收的模拟信号转换成时域序列y；

FFT模块(212)，用于将时域序列y转换成频域序列Y；

第二乘法器(213)，用于计算频域序列Y与旋转相位序列发生器(201)传送过来的M个旋转相位序列P_m的点乘输出信号Y_m；

自相关信号匹配器(214)，用于计算M个输出信号Y_m的自相关性，选择出自相关值最大的输出信号

自相关信号发生器逆变换模块(215)，用于对输出信号进行自相关逆变换，恢复出频域序列；

数字解调模块(216)，用于对恢复出的频域序列进行解调得到并行数据流；

并/串转换模块(217)，用于将并行数据流转换成串行数据信号。

2.根据权利要求1所述的降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***，其特征在于，所述的数字调制模块为QAM调制模块，所述的数字解调模块为QAM解调模块。

3.根据权利要求1所述的降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***，其特征在于，所述的数字调制模块为PSK调制模块，所述的数字解调模块为PSK解调模块。

4.根据权利要求1所述的降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配***，其特征在于所述的自相关信号发生器的K维传输函数G(z)为：G(z)＝a₀+a₁z^-1+...+a_K-1z^-(K-1)，其中，a_k,0≤k≤K-1，表示自相关信号发生器的第k维系数，z^-k表示向后转移操作。

5.一种降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在发射机与接收机初始安装时，采用旋转相位序列发生器生成M个旋转相位序列P_m＝[P_m1,P_m2,…,P_mN],m＝1,2,…,M，M由用户设置，并将这M个旋转相位序列传输给发射机和接收机进行存储；

(2)、发射机将原始串行数据信号经过串/并转换得到并行数据流，并行数据流包含N个子载波，对并行数据流进行数字调制得到频域序列S＝[S₁,S₂,…,S_N]；

(3)、生成频域序列S的频域自相关信号X＝[X₁,X₂,…,X_N]；

(4)、分别计算频域自相关信号X与M个旋转相位序列P_m的点乘，得到M个备选传输频域序列X_m：

X_m＝X⊙P_m＝[X₁P_m1,X₂P_m2,…,X_NP_mN] 

将M个备选传输频域序列X_m通过IFFT变换得到备选传输频域序列x_m：

x_m＝IFFT(X_m)＝IFFT(X⊙P_m)；

(5)、计算M个备选传输频域序列的PAPR，选择PAPR最小的频域序列将其转换为模拟信号并经过射频信道进行传输；

(6)、接收机接收经信道传输过来的信号并转化为数字信号y：

其中，n为信道噪声；

对数字信号y进行FFT变换，得到频域序列Y：

(7)、分别计算频域序列Y与M个旋转相位序列P_m的点乘，得到M个输出信号Y_m：

Y_m＝Y⊙P_m；

计算每个输出信号Y_m的自相关值，其中自相关值最大的即为需要恢复的频域自相关信号X；

(8)、将恢复出的频域自相关信号X进行自相关信号逆变换，得到频域序列S；

(9)、对恢复出的频域序列S进行数字解调得到并行数据流，将并行数据流进行并/串变换恢复出原始串行数据流。

6.根据权利要求5所述的降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的数字调制为QAM调制，所述的步骤(9)中的数字解调为QAM解调。

7.根据权利要求5所述的降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的数字调制为PSK调制，所述的步骤(9)中的数字解调为PSK解调。

8.根据权利要求5所述的降低OFDM***的峰均功率比的频域自相关匹配方法，其特征在于所述的频域自相关信号产生X的生成采用K维传输函数G(z)＝a₀+a₁z^-1+...+a_K-1z^-(K-1)，其中，a_k,0≤k≤K-1，表示自相关信号发生器的第k维系数，z^-k表示向后转移操作。