CN103825855A - 基于限幅技术降低ofdm***中峰值平均功率比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法，涉及正交频分复用通信领域，用于解决传统限幅法中误码率过高的问题。本发明在发送信号的同时，通过传输一组边带信息，使接收端能够正确解调并恢复原始OFDM信号，实现了在有效降低PAPR的同时，保证***的误码率性能不会恶化的目的。另外，在对信号进行压缩限幅后加入了滤波的操作，极大减小频谱的带外弥散。本发明具有实现简单、计算复杂度低的特点。

Description

基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法

技术领域

本发明涉及正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)通信领域，尤其涉及一种基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法。

背景技术

正交频分复用技术OFDM作为多载波技术中的一种，是目前应用最广泛的信号调制和解调技术。OFDM基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于串并变换后每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对***造成的影响。此外，通过在OFDM符号之间***保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，可最大限度的消除由于多径带来的符号间干扰，如果采用循环前缀作为保护间隔，还可避免由多径带来的信道间干扰。因此，由于OFDM***良好的抗多径衰落性能、高的频谱利用率以及通信容量大等特点，成为了第三代或准***无线移动通信***的核心技术之一。

虽然OFDM技术具有以上提到的诸多优势，但由于其输入信号在时域内表现为多个正交子载上信号的波叠加，因此合成后信号的峰值功率与平均功率的比值，即峰值平均功率比（Peak to Average Power Ratio,PAPR）会非常高。如果输入信号的PAPR超过通信***中功率放大器的线性范围，将会引起严重的信道带内干扰和带外辐射。基于此，如何降低OFDM***中的PAPR成为目前业内研究的一个热点问题。

目前国内外已提出利用信号畸变类技术来降低PAPR，该技术是在信号经过放大之前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变，这类方法主要包括信号限幅、峰值加窗和压扩变换等。信号畸变类技术应用简单，不会产生冗余信息，但非线性操作会带来带内噪声和带外干扰，从而降低***的误比特性能和频谱效率，导致误码率较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法，以解决传统限幅法中误码率过高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法，在该方法实行之前，预先设置幅值门限值及在发送端和接收端设置压缩系数m，m为小于1的正数；

该方法包括：

步骤一：发送端对输入信号进行串并转换，将串行的数据变换为N路并行传输的数据，其中N为OFDM***子载波数；

步骤二：对上一步骤得到的并行数据进行N点的IFFT变换，实现对输入信号的多载波调制；

步骤三：将多载波调制后的峰值大于预先设置的幅值门限值的信号乘以压缩系数m，得到限幅后的输入信号；同时根据多载波调制后信号峰值与所述幅值门限值的大小关系，生成一组长度为N的标记序列，所述标记序列中用不同的标记分别表示多载波调制后峰值大于幅值门限值的信号和多载波调制后峰值小于等于幅值门限值的信号；

步骤四：对限幅后的输入信号进行滤波操作，清除非线性操作产生的带外频谱弥散；

步骤五：将步骤四限幅滤波后的信号和步骤三得到的标记序列通过无线信道发送到接收端；

步骤六：接收端通过接收到的标记序列对收到的限幅滤波后的信号进行恢复。

优选地，步骤三中所述根据多载波调制后信号峰值与所述幅值门限值的大小关系，生成一组长度为N的标记序列的方法为：

检测第k路输入信号是否大于预先设置的幅值门限值，是则设置第k路输入信号对应的标记值C_k为1，否则设置C_k为0；其中k为大于等于1小于N的整数；

根据各路输入信号的标记值，生成长度为N的标记序列为C=[C₁,C₂,...,C_k,…,C_N]。

优选地，所述步骤六包括：检测接收到的第n路信号在所述标记序列中对应的标记值C_n是否为1，是则将第n路信号除以压缩系数m，否则第n路信号不变；其中，n为大于等于1小于N的整数。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明提供的方法在发送信号的同时，通过传输一组边带信息（即利用了一组标记序列对实施了限幅操作的信号做标记），使接收端能够正确解调并恢复原始OFDM信号，实现了在有效降低PAPR的同时，显著的降低了OFDM***的误码率。另外，在对信号进行压缩限幅后加入了滤波的操作，极大减小频谱的带外弥散。本发明提供的方法具有实现简单、计算复杂度低的特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法原理图；

图3为OFDM信号的互补累积概率分布函数CCDF仿真曲线图；

图4为OFDM***误码率仿真曲线图；

图5为OFDM信号功率谱密度仿真曲线图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法，在该方法执行之前，预先设置幅值门限值及在发送端和接收端设置压缩系数m，m为小于1的正数；

该方法包括步骤：

S11：发送端对输入信号进行串并转换，将串行的数据变换为N路并行传输的数据，其中N为OFDM***子载波数。

S12：对上一步骤得到的并行数据进行N点的IFFT变换，实现对输入信号的多载波调制，此时OFDM时域采样信号可表示为：

$x_k=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n{e}^{j2\mathrm{\π}\left(\frac{n}{\mathrm{NT}}\right)k},(k=\mathrm{0,1},...,N-1)---\left(1\right)$

S13：将多载波调制后的峰值大于预先设置的幅值门限值的信号乘以压缩系数m，得到限幅后的输入信号；如预先设置的幅值门限值为A，则信号x_k经过限幅后的信号如下：

${\hat{x}}_k=\left\{\begin{array}{c}{x}_k,\left|x_k\right|\≤A\\ m\·x_k,\left|x_k\right|>A\end{array}\right.---\left(2\right)$

同时根据多载波调制后信号峰值与幅值门限值的大小关系，生成一组长度为N的标记序列，标记序列中用不同的标记分别表示多载波调制后峰值大于幅值门限值的信号和多载波调制后峰值小于等于幅值门限值的信号。

S14：对限幅后的输入信号进行滤波操作，清除非线性操作产生的带外频谱弥散。

S15：将步骤四中限幅滤波后的信号和步骤三得到的标记序列通过无线信道发送到接收端。

S16：接收端通过接收到的标记序列对收到的限幅滤波后的信号进行恢复。

优选地，步骤三中根据多载波调制后信号峰值与幅值门限值的大小关系，生成一组长度为N的标记序列的方法包括如下步骤：

S31：检测第k路输入信号是否大于预先设置的幅值门限值，是则设置第k路输入信号对应的标记值C_k为1，否则设置C_k为0；其中k为大于等于1小于N的整数；具体如下公式表达所示：

$C_k=\left\{\begin{array}{c}0,\left|x_k\right|\≤A\\ 1,\left|x_k\right|>A\end{array}\right.---\left(3\right)$

S32：根据各路输入信号的标记值，生成长度为N的标记序列为C=[C₁,C₂,...,C_k,…,C_N]。

优选地，图1所示方法中，步骤S16的具体实施方法为：检测接收到的第n路信号在标记序列中对应的标记值C_n是否为1，是则将第n路信号除以压缩系数m，否则第n路信号不变；其中，n为大于等于1小于N的整数。如第n路的信号为y_n，则恢复后的信号如下：

${\hat{y}}_k=\left\{\begin{array}{c}{y}_k,C_k=0\\ y_k/m,C_k=1\end{array}\right.---\left(4\right)$

图2为本发明实施例提供的基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法中限幅滤波后信号获取的原理图，从左至右，输入信号经过L倍过采样后，转化为并行数据；接着对并行数据进行N点的IFFT变换；然后对信号进行限幅操作，最后对限幅后的输入信号进行滤波操作后输出限幅滤波后的信号。

为验证本发明实施例提供的方法实施效果，本发明搭建了一个OFDM***的仿真平台。采用的仿真参数为：OFDM子载波数为256、输入的OFDM符号个数为2000、采用16QAM调制方式、过采样系数L=4、门限值A=4dB、限幅率m=0.6。

图3所示为采用本发明提供的放大所得到的OFDM信号的互补累积概率分布函数CCDF仿真曲线图，由该仿真曲线图可看出，本发明提出的方法能够显著降低OFDM***的PAPR，其效果与传统限幅滤波法的效果接近。

图4所示为采用本发明提供的方法所得到的OFDM***误码率仿真曲线图，由该图可看出，本发明提供的方法的误码率性能与原始未经处理的OFDM信号相似，在信噪比为11dB时的误码率仅为0.001，相比于传统限幅法提高了近4dB，显然，本发明提出的基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法能够显著改善***的误码率性能。

如图5所示为采用本发明提供的方法所得到的OFDM信号功率谱密度仿真曲线图，由该图可看出采用可恢复限幅法产生的带外弥散非常严重，本发明提供的方法中对限幅后的信号进行滤波操作后，带外频谱弥散得到了明显抑制，与传统限幅法相比，本发明提供的方法的带外辐射提升了7dB。

综上，本发明提供的方法在发送信号的同时，通过传输一组边带信息（即利用了一组标记序列对实施了限幅操作的信号做标记），使接收端能够正确解调并恢复原始OFDM信号，实现了在有效降低PAPR的同时，显著的降低了OFDM***的误码率。另外，在对信号进行压缩限幅后加入了滤波的操作，极大减小频谱的带外弥散。本发明提供的方法具有实现简单、计算复杂度低的特点。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法，其特征在于，预先设置幅值门限值及在发送端和接收端设置压缩系数m，m为小于1的正数；

该方法包括：

步骤一：发送端对输入信号进行串并转换，将串行的数据变换为N路并行传输的数据，其中N为OFDM***子载波数；

步骤二：对上一步骤得到的并行数据进行N点的IFFT变换，实现对输入信号的多载波调制；

步骤三：将多载波调制后的峰值大于预先设置的幅值门限值的信号乘以压缩系数m，得到限幅后的输入信号；同时根据多载波调制后信号峰值与所述幅值门限值的大小关系，生成一组长度为N的标记序列，所述标记序列中用不同的标记分别表示多载波调制后峰值大于幅值门限值的信号和多载波调制后峰值小于等于幅值门限值的信号；

步骤四：对限幅后的输入信号进行滤波操作，清除非线性操作产生的带外频谱弥散；

步骤五：将步骤四限幅滤波后的信号和步骤三得到的标记序列通过无线信道发送到接收端；

步骤六：接收端通过接收到的标记序列对收到的限幅滤波后的信号进行恢复。

2.根据权利要求1所述的基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法，其特征在于，步骤三中所述根据多载波调制后信号峰值与所述幅值门限值的大小关系，生成一组长度为N的标记序列的方法为：

检测第k路输入信号是否大于预先设置的幅值门限值，是则设置第k路输入信号对应的标记值C_k为1，否则设置C_k为0；其中k为大于等于1小于N的整数；

根据各路输入信号的标记值，生成长度为N的标记序列为C=[C₁,C₂,...,C_k,…,C_N]。

3.根据权利要求2所述的基于限幅技术降低OFDM***中峰值平均功率比的方法，其特征在于，所述步骤六包括：

检测接收到的第n路信号在所述标记序列中对应的标记值C_n是否为1，是则将第n路信号除以压缩系数m，否则第n路信号不变；其中，n为大于等于1小于N的整数。

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