CN106059983A - 基于非对称窗函数的ofdm信号峰平比抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法，对原始输入信号依次进行调制与变换，得到OFDM已调信号x_n；计算x_n的峰平比，选取峰平比大于门限的信号作为峰值削减信号；通过计算相邻峰值削减信号之间的距离，确定第m个峰值削减信号的右半窗长度n_r(m)和第m+1个峰值削减信号的左半窗长度n_l(m+1)的大小；对当前峰值削减信号进行窗函数处理得到信号x′_n，用信号x′_n替换x_n中峰平比大于峰平比门限A的信号，将所得信号发射出去。本发明选出发送信号中的峰值消减信号，根据相邻峰值消减信号间的距离来确定窗函数的长度，并对该信号进行消减，将消减后的信号与原发送信号中峰平比在门限以下的信号合并，作为新的信号进行传输，降低OFDM传输信号峰平比。

Description

基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法

【技术领域】

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法。

【背景技术】

正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)调制技术具有良好的抗多径能力、高效的频带利用率，已成为未来无线通信***的关键技术之一。目前OFDM调制技术已广泛应用于高清晰度电视(High Definition Television,HDTV)、欧洲和北美地区的第二类高性能局域网(High-Performance LAN type 2,HIPERLAN/2)、非对称数字用户环路(Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)及3GPP(The 3rdGeneration Partnership Project)长期演进(Long Term Evolution,LTE)等标准。

然而OFDM调制技术在其应用中仍然存在一些重要问题没有得到很好的解决，其中一个关键的技术难点就是其信号的高峰平比问题。由于OFDM发送信号是由多个子载波信号叠加而成，因此当多个子载波信号的相位相近时，所产生的信号瞬时功率就会远高于信号平均功率，从而出现较高的峰平比(peak-to-average power ratio,PAPR)。较高的峰平比要求发射端的功率放大器必须具有较大的线性范围。否则就会给放大后的信号带来较大的非线性畸变，从而使得***性能急剧下降。因此，如何有效地降低OFDM信号的峰平比以提高传输效率，是目前无线OFDM***应用中的一个主要难点。

迄今，国内外研究者已经提出了诸多降低OFDM信号峰平比的解决方案，包括：信号限幅、压扩、载波预留、部分传输序列及选择映射等。但是它们都因其固有的缺陷而在现有的OFDM***中无法取得较好的性能。比如，信号限幅与压扩会产生较大的带外辐射与带内失真，因此无法获得良好的误码率性能；载波预留是预留了一部分子载波专门用于抑制信号峰平比，因此降低了频带效率；部分传输序列及选择映射必须占用一些子载波来发送专门的边带信息，因而也损失了传输效率。

为了提高信号峰平比抑制能力，西安电子科技大学提出的专利申请“基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法”(申请日：2011年09月19日，申请号：201110276782.8，公开号：CN 102325118A)与“基于分段分布优化的无线OFDM信号峰平比抑制方法”(申请日：2012年04月23日，申请号：201210118320.8，公开号：CN 102664853A)中公开了两种利用双曲压扩与分段压扩限制信号峰平比的方法，这两份专利申请的方法都能够有效降低信号峰平比。但是，它们方法中存在的不足是：这两种方法会对接收信号误码率产生较大的影响，而且会造成较大的带外频谱泄露，从而使得***性能急剧下降。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法，无需发送边带信息，也不会引入带内外失真，并抑制信号峰平比。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

包括以下步骤：

(1)初始化：设定峰平比门限A、最大迭代次数T、最大窗长L_max、凯撒窗参数β以及当前迭代次数t＝1；

(2)对原始输入信号进行串并变换及正交振幅调制，得到正交振幅调制信号X＝[X₀,X₁,...,X_k,...,X_N-1]，N表示OFDM***的子载波个数；

(3)对正交振幅调制信号进行OFDM调制与并串变换，得到OFDM已调信号x_n；

(4)计算OFDM已调信号x_n的峰平比，选取峰平比大于峰平比门限A的信号作为峰值削减信号，并求得其幅度a_m和个数M；

(5)通过计算当前峰值削减信号与下一峰值削减信号之间的距离，确定n_r(m)和n_l(m+1)的大小，其中n_r(m)表示第m个峰值削减信号的右半窗长度，n_l(m+1)表示第m+1个峰值削减信号的左半窗长度；

(6)确定对当前峰值削减信号进行处理的窗函数长度L_m；

(7)对当前峰值削减信号进行窗函数峰值消减操作；

(8)令m＝m+1，如果m＝M，则转到步骤(9)；否则回到步骤(5)，继续循环；

(9)令t＝t+1，若t＝T，则循环结束，得到信号x′_n，转到步骤(10)；否则回到步骤(4)，继续循环；

(10)将OFDM已调信号x_n中峰平比大于峰平比门限A的信号替换为步骤(9)循环结束得到的信号x′_n，连同x_n中的其余信号一起发射出去。

进一步地，步骤(3)中，

其中X_k为正交振幅调制信号，j为虚数单位，J为过采样因子，0≤k≤N-1且k为实数。

进一步地，步骤(4)中还包括：同时初始化峰值削减信号遍历参数m＝1，n_l(1)＝(L_max-1)/2，其中n_l(1)表示第一个峰值削减信号的左半窗长度。

进一步地，步骤(5)中：

$n_r\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{L_{max}-1}{2}& d(m,m+1)\&GreaterEqual;L_{max}\\ \frac{d(m,m+1)}{2}& \frac{L_{max}-1}{2}\&le;d(m,m+1)<L_{max}\\ \frac{a_m}{a_m+a_{m+1}}d(m,m+1)& d(m,m+1)<\frac{L_{max}-1}{2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$n_l(m+1)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{L_{\max }-1}{2}& d(m,m+1)\&GreaterEqual;L_{\max }\\ \frac{d(m,m+1)}{2}& \frac{L_{\max }-1}{2}\&le;d(m,m+1)<L_{\max }\\ \frac{a_{m+1}}{a_m+a_{m+1}}d(m,m+1)& d(m,m+1)<\frac{L_{\max }-1}{2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，d(m,m+1)表示第m个峰值削减信号和第m+1个峰值削减信号之间的距离。

进一步地，步骤(6)中，窗函数长度L_m＝n_l(m)+n_r(m)+1。

进一步地，步骤(7)中具体按照如下公式进行：

x′_n＝c_n·x_n (4)

公式(4)中，

其中，a_i是第i个峰值削减信号的幅度，1≤i≤M；w_n-i为窗函数。

进一步地，窗函数为凯撒窗函数、高斯窗函数或汉明窗函数，其中凯撒窗函数的表达式为：I₀(·)为0阶贝塞尔函数。

进一步地，步骤(10)中的信号依次经过D/A转换和射频放大后由天线发射出去。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在OFDM***进行离散傅立叶反变换之后嵌入峰值信号窗函数平滑模块，取发送信号中峰平比大于预设门限的信号作为峰值消减信号，根据相邻峰值消减信号间的距离来确定窗函数的长度，并由所选窗函数对该信号进行平滑，并将平滑后的信号与原始发送信号中峰平比在门限以下的信号合并作为新的OFDM信号进行传输，从而降低OFDM传输信号峰平比。本发明还具有以下优点：

第一，本发明能以较低的计算复杂度获得良好的峰平比改善，因此可以降低信号对功率放大器的线性度要求，从而有效提升放大器的工作效率；

第二，本发明处理所得的信号不会产生带外辐射，也不会影响OFDM***接收端的误码率性能；

第三，本发明的实现与接收端正常工作无关，所以不需要额外发送边带信息给接收端，因此应用本发明的无线OFDM***可与现有的标准直接兼容。

第四，与其他方法相比，本发明无需发送边带信息，也不会引入带内外失真，因此本方法能够满足现代通信***的需求。且仿真结果表明，本发明能够以极低地复杂度获得良好的峰平比抑制效果，同时本发明能够获得良好的***接收端误码率性能。

第五，本发明是一种正交频分复用调制无线传输信号的峰平比抑制方法，可广泛应用于各类宽带OFDM无线通信***中的信号峰平比抑制。

【附图说明】

图1是本发明的实现流程框图；

图2是本发明与现有方法的峰平比性能比较图；

图3是本发明与现有方法的误码率性能比较图。

【具体实施方式】

参照附图1，本发明的具体实现步骤如下：

(1)初始化：设定峰平比门限A、最大迭代次数T、最大窗长L_max、凯撒窗参数β以及当前迭代次数t＝1；

(2)对原始输入信号进行串并变换及正交振幅调制，将输入数据映射为正交振幅调制信号X＝[X₀,X₁,...,X_k,...,X_N-1]，其中N表示OFDM***的子载波个数；

(3)对正交振幅调制信号进行OFDM调制与并串变换，得到OFDM已调信号x_n，按照如下公式进行：

$x_n=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{X}_k{e}^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{JN}nk}---\left(1\right)$

其中x_n为OFDM已调信号，X_k为正交振幅调制信号，j为虚数单位，J为过采样因子，0≤k≤N-1且k为实数；

(4)计算信号x_n的峰平比PARP，选取PARP大于峰平比门限A的信号作为峰值削减信号并求得其幅度a_m和个数M，同时初始化峰值削减信号遍历参数m＝1，n_l(1)＝(L_max-1)/2，其中n_l(1)表示第一个峰值削减信号的左半窗长度；

(5)通过计算当前峰值削减信号与下一峰值削减信号之间的距离，确定n_r(m)和n_l(m+1)的大小，其中n_r(m)和n_l(m+1)分别表示第m个峰值削减信号的右半窗长度和第m+1个峰值削减信号的左半窗长度。为避免当前峰值削减信号的右半窗和下一峰值削减信号的左半窗相互重叠，给出如下定义：

$n_r\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{L_{max}-1}{2}& d(m,m+1)\&GreaterEqual;L_{max}\\ \frac{d(m,m+1)}{2}& \frac{L_{max}-1}{2}\&le;d(m,m+1)<L_{max}\\ \frac{a_m}{a_m+a_{m+1}}d(m,m+1)& d(m,m+1)<\frac{L_{max}-1}{2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$n_l(m+1)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{L_{\max }-1}{2}& d(m,m+1)\&GreaterEqual;L_{\max }\\ \frac{d(m,m+1)}{2}& \frac{L_{\max }-1}{2}\&le;d(m,m+1)<L_{\max }\\ \frac{a_{m+1}}{a_m+a_{m+1}}d(m,m+1)& d(m,m+1)<\frac{L_{\max }-1}{2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，d(m,m+1)表示第m个峰值削减信号和第m+1个峰值削减信号之间的距离；假设第m个峰值削减信号为x_a，第m+1个峰值削减信号为x_b，则该相邻的峰值削减信号x_b与x_a之间的距离是b-a。

(6)根据步骤(5)中的结果确定对当前峰值削减信号进行处理的窗函数长度L_m＝n_l(m)+n_r(m)+1；

(7)对当前峰值削减信号进行窗函数峰值消减操作，按照如下公式进行：

x′_n＝c_n·x_n (4)

式中，

$c_n=1-\underset{i=-\mathrm{\&infin;}}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}{a}_i\&CenterDot;w_{n-i}---\left(5\right)$

式中a_i是第i个峰值削减信号的幅度，1≤i≤M。而

$w_{n-i}=\frac{I_0\left(\mathrm{\&beta;}\sqrt{1-{(\frac{2(n-i)}{L_m+1}-1)}^2}\right)}{I_0\left(\mathrm{\&beta;}\right)}---\left(6\right)$

I₀(·)为0阶贝塞尔函数，w_n-i为凯撒窗函数，这里的窗函数不仅可选取凯撒窗函数，也可由其它任意同类型的窗函数如高斯窗函数或汉明窗函数等来替换。

(8)令m＝m+1，如果m＝M，则转到步骤(9)；否则回到步骤(5)，继续循环；

(9)令t＝t+1，若t＝T，则循环结束，得到信号x′_n，转到步骤(10)；否则回到步骤(4)，继续循环。

(10)将OFDM已调信号x_n中峰平比大于峰平比门限A的信号替换为步骤(9)循环结束得到的x′_n，x_n中的其余信号不变，然后一起依次经过D/A转换和射频放大后由天线发射出去。

本发明的效果可通过下面的仿真实例进一步说明。

一、仿真条件：

仿真中OFDM***子载波个数为256，调制方式为正交振幅64QAM调制，未编码***；信道为加性高斯白噪声信道。仿真信号在发送端通过固态功率放大器后经由天线发送，固态功率放大器的幅度失真表达式为

$SSPA\left(x\right)=\frac{x}{{(1+{\left(\frac{\left|x\right|}{C}\right)}^{2p})}^{\frac{1}{2p}}}---\left(10\right)$

其中C＝6dB为饱和门限，p＝3为功率放大器平滑度参数。

二、仿真内容与结果：

图2给出了本发明与现有方法的峰平比性能曲线，本发明方法对峰平比性能的改善效果具有较大的提升，经过部分传输序列与选择映射序列后信号的峰平比为6.5dB与7.5dB，而本方法峰平比仅为5dB，抑制效果提高了1.5dB与2.5dB；图3给出了多种方法的误码性能曲线，与其他方法相比，本发明所提的方法误码性能要优于其他算法，在误码达到10^-3平台时，本发明优于部分传输序列与选择映射序列1dB与2dB。

本发明通过以下主要实现步骤：(1)对输入比特流进行正交振幅调制；(2)对正交振幅调制符号进行OFDM调制；(3)取出发送信号峰平比大于预设门限的信号作为峰值消减信号；(4)通过计算当前峰值消减信号与下一峰值消减信号之间的距离，确定窗函数的长度；(5)基于所选窗长，对当前峰值消减信号进行窗函数处理操作；(5)将满足峰平比限制的输出信号送入D/A转换器与射频放大器后，经由天线发射出去。本发明能以较低的计算复杂度获得良好的峰平比改善性能，而且本发明不需要额外发送边带信息给接收端，因此应用本发明的无线OFDM***可与现有的标准直接兼容，本发明对信号峰平比的抑制能力强，能够有效降低误码率。

Claims (8)

1.基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化：设定峰平比门限A、最大迭代次数T、最大窗长L_max、凯撒窗参数β以及当前迭代次数t＝1；

(2)对原始输入信号进行串并变换及正交振幅调制，得到正交振幅调制信号X＝[X₀,X₁,...,X_k,...,X_N-1]，N表示OFDM***的子载波个数；

(3)对正交振幅调制信号进行OFDM调制与并串变换，得到OFDM已调信号x_n；

(4)计算OFDM已调信号x_n的峰平比，选取峰平比大于峰平比门限A的信号作为峰值削减信号，并求得其幅度a_m和个数M；

(5)通过计算当前峰值削减信号与下一峰值削减信号之间的距离，确定n_r(m)和n_l(m+1)的大小，其中n_r(m)表示第m个峰值削减信号的右半窗长度，n_l(m+1)表示第m+1个峰值削减信号的左半窗长度；

(6)确定对当前峰值削减信号进行处理的窗函数长度L_m；

(7)对当前峰值削减信号进行窗函数峰值消减操作；

(8)令m＝m+1，如果m＝M，则转到步骤(9)；否则回到步骤(5)，继续循环；

(9)令t＝t+1，若t＝T，则循环结束，得到信号x′_n，转到步骤(10)；否则回到步骤(4)，继续循环；

(10)将OFDM已调信号x_n中峰平比大于峰平比门限A的信号替换为步骤(9)循环结束得到的信号x′_n，连同x_n中的其余信号一起发射出去。

2.根据权利要求1所述的基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法，其特征在于，步骤(3)中，

其中X_k为正交振幅调制信号，j为虚数单位，J为过采样因子，0≤k≤N-1且k为实数。

3.根据权利要求1所述的基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法，其特征在于，步骤(4)中还包括：同时初始化峰值削减信号遍历参数m＝1，n_l(1)＝(L_max-1)/2，其中n_l(1)表示第一个峰值削减信号的左半窗长度。

4.根据权利要求1所述的基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法，其特征在于，步骤(5)中：

$n_r\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{L_{\max }-1}{2}& d\left(m,m+1\right)\&GreaterEqual;L_{\max }\\ \frac{d\left(m,m+1\right)}{2}& \frac{L_{\max }-1}{2}\&le;d\left(m,m+1\right)<L_{\max }\\ \frac{a_m}{a_m+a_{m+1}}d\left(m,m+1\right)& d\left(m,m+1\right)<\frac{L_{\max }-1}{2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$n_l\left(m+1\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{L_{\max }-1}{2}& d\left(m,m+1\right)\&GreaterEqual;L_{\max }\\ \frac{d\left(m,m+1\right)}{2}& \frac{L_{\max }-1}{2}\&le;d\left(m,m+1\right)<L_{\max }\\ \frac{a_{m+1}}{a_m+a_{m+1}}d\left(m,m+1\right)& d\left(m,m+1\right)<\frac{L_{\max }-1}{2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，d(m,m+1)表示第m个峰值削减信号和第m+1个峰值削减信号之间的距离。

5.根据权利要求1所述的基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法，其特征在于，步骤(6)中，窗函数长度L_m＝n_l(m)+n_r(m)+1。

6.根据权利要求1所述的基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法，其特征在于，步骤(7)中具体按照如下公式进行：

x′_n＝c_n·x_n (4)

公式(4)中，

其中，a_i是第i个峰值削减信号的幅度，1≤i≤M；w_n-i为窗函数。

7.根据权利要求6所述的基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法，其特征在于，窗函数为凯撒窗函数、高斯窗函数或汉明窗函数，其中凯撒窗函数的表达式为：

I₀(·)为0阶贝塞尔函数。

8.根据权利要求1所述的基于非对称窗函数的OFDM信号峰平比抑制方法，其特征在于，步骤(10)中的信号依次经过D/A转换和射频放大后由天线发射出去。