CN113225289A - 一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法 - Google Patents

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CN113225289A CN202110383766.2A CN202110383766A CN113225289A CN 113225289 A CN113225289 A CN 113225289A CN 202110383766 A CN202110383766 A CN 202110383766A CN 113225289 A CN113225289 A CN 113225289A
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黄静静
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Abstract

本发明提供了一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，包括设置初始限幅幅值A(1)、最大迭代次数Q、峰值再生抑制因子ξ、惩罚因子η和搜索步长ρ；对原始信号剪切；处理后的信号经过FBMC‑OQAM***处理后可以表示为Sn；令
Figure DDA0003014016500000011
Figure DDA0003014016500000012
且
Figure DDA0003014016500000013
则FBMC‑OQAM信号迭代限幅递推更新公式可表示为
Figure DDA0003014016500000014
将剪切噪声
Figure DDA0003014016500000015
转换为频域信号为
Figure DDA0003014016500000016
求解出最佳收敛因子μ；求解限幅阀值的最优值A(i)；令i＝i+1，重复上述步骤，进入下一轮的循环迭代，直至算法收敛。本发明构造FBMC‑OQAM***预留子载波的***模型，基于对FBMC‑OQAM本质原因着手，结合其信号结构特性，提出一种自适应预留子载波算法，通过对输入数据进行自适应学习，调节迭代阈值及限幅因子，以较小的迭代次数降低***的PAPR，且不引起信号失真。

Description

一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法
技术领域
本发明涉及通信技术的技术领域，具体地，涉及一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法。
背景技术
由于OFDM***采用的矩形滤波器，其频谱具有较大的旁瓣，从而引起较大的带外泄露，进一步导致OFDM***对频谱偏移比较敏感，难以在复杂的衰落信道中保持子载波正交，同时，由于CP的存在，在某种程度上降低了***的频谱利用率。
由于OFDM***的种种缺陷，因此，OFDM将不能很好适应未来通信的发展需要，针对OFDM的改进，欧洲的相关研究机构提出了一种新的多载波技术，即采用非矩形原型信号的滤波器组多载波技术。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法。
根据本发明提供的一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，包括如下步骤：
步骤1：设置初始限幅幅值A(1)、最大迭代次数Q、峰值再生抑制因子ξ、惩罚因子η和搜索步长ρ，且0ρ≤1，通过控制搜索步长ρ大小改变限幅阀值的收敛速度、FBMC-OQAM***载波数目N和设计保护子载波集合P；
步骤2：对原始信号剪切，剪切噪声为
Figure BDA0003014016480000011
步骤3：处理后的信号经过FBMC-OQAM***处理后表示为：
Figure BDA0003014016480000012
步骤4：令
Figure BDA0003014016480000013
且
Figure BDA0003014016480000014
Figure BDA0003014016480000015
则FBMC-OQAM信号迭代限幅递推更新公式表示为：
Figure BDA0003014016480000016
步骤5：将剪切噪声
Figure BDA0003014016480000021
转换为频域信号为：
Figure BDA0003014016480000022
步骤6：求解出最佳收敛因子μ；
步骤7：求解限幅阀值的最优值A(i)；
步骤8：令i＝i+1，重复步骤1-8，进入下一轮的循环迭代，直至算法收敛或达到迭代次数上限。
优选地，所述步骤2中的剪切噪声
Figure BDA0003014016480000023
其中
Figure BDA0003014016480000024
为FBMC-OQAM中第n点的信号，经过第i次迭代限幅之后的信号，
Figure BDA0003014016480000025
Figure BDA0003014016480000026
为
Figure BDA0003014016480000027
的相位，i表示迭代次数。
优选地，通过对切削噪声
Figure BDA0003014016480000028
的数据等效峰值抵消信号
Figure BDA0003014016480000029
切削噪声向量为0矢量，则发送S(i)结束本算法。
优选地，所述步骤3中令
Figure BDA00030140164800000210
为峰值抵消信号的时域部分，sn为原始信号的时域部分，则：
Figure BDA00030140164800000211
Figure BDA00030140164800000212
优选地，所述步骤5中取
Figure BDA00030140164800000213
上预留子载波上的数据，令数据部分载波上的值为0，得到预留子载波的信号
Figure BDA00030140164800000214
即：
Figure BDA00030140164800000215
FBMC-OQAM载波预留信号的频域表示为
Figure BDA00030140164800000216
其中
Figure BDA00030140164800000217
Figure BDA00030140164800000218
优选地，所述步骤6中最佳收敛因子
Figure BDA00030140164800000219
其中，
Figure BDA00030140164800000220
表示所有的经过切削限幅的下标的集合，
Figure BDA00030140164800000221
Figure BDA00030140164800000222
表示所有的未经过切削限幅的下标的集合。
优选地，所述步骤7中的限幅阀值的最优值A(i)为：
Figure BDA0003014016480000031
优选地，所述FBMC-OQAM***中有M个复数输入信号数据块需要通过N个子载波传输：
Figure BDA0003014016480000032
其中，
Figure BDA0003014016480000033
和
Figure BDA0003014016480000034
分别表示为第m个数据块通过第n个子载波传输信号的实部与虚部；第m个数据块的复数输入信号定义为向量Cm：
Figure BDA0003014016480000035
其中，(·)T定义为矩阵的转置运算。
优选地，所述M个复数原始信号块分成2M个实数信号块经过OQAM处理后分开传输，映射规则为：
Figure BDA0003014016480000036
定义
Figure BDA0003014016480000037
表示为第m个数据块上的实数信号，其中，m＝0,1，…，2M-1；
将处理完的信号发送至综合滤波器组，经过正交处理后得到最终的FBMC-OQAM信号：
Figure BDA0003014016480000038
其中h(t)为原型滤波器，mod(m,2表示m除以2的余数，Sm(t)表示第m个数据块上的发送信号。
优选地，所述原型滤波器的设计采用频谱抽样技术，子载波的数量为N，重叠因子为k，滚降因子为α，在未经过上采样时，滤波器的长度L＝kN-1,则：
Figure BDA0003014016480000039
Figure BDA00030140164800000310
则滤波器的脉冲响应设计如下：
Figure BDA00030140164800000311
其中A为标准化常量，且k＝4，
Figure BDA00030140164800000312
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明构造FBMC-OQAM***预留子载波的***模型，基于对FBMC-OQAM本质原因着手，结合其信号结构特性，提出一种自适应预留子载波算法，本专利能通过对输入数据进行自适应学习，调节迭代阈值及限幅因子，以较小的迭代次数降低***的PAPR，且不引起信号失真。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明连续FBMC-OQAM***发送端框图；
图2为本发明FBMC-OQAM信号结构图；
图3为本发明FBMC-OQAM信号图形图；
图4为本发明切削滤波-预留子载波算法原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
假设在FBMC-OQAM***中，有M个复数输入信号数据块需要通过N个子载波传输：
Figure BDA0003014016480000041
其中，
Figure BDA0003014016480000042
和
Figure BDA0003014016480000043
分别表示为第m个数据块通过第n个子载波传输信号的实部与虚部。第m个数据块的复数输入信号定义为向量Cm：
Figure BDA0003014016480000044
其中，(·)T定义为矩阵的转置运算。
FBMC-OQAM技术虽然仍然是多载波技术，但是其跟传统的OFDM技术差别很大。FBMC-OQAM技术在时域上将复数信号分成实部和虚部分开传输，并且实部与虚部相差半个周期。通过设计恰当的发送滤波器，同时在接收端使用匹配的滤波器，能在广义上令FBMC-OQAM各个子载波之间保持正交，从而在接收端能正确的恢复出原始发送信号。图1为FBMC-OQAM***发送端的原理框图。
FBMC-OQAM***的周期为T,首先会将复数信号分成实部和虚部分开传输，且实部信号与虚部信号之间传输时在时域上相差T/2，这种处理发生在每两个相邻的子载波之间。
因此可以将M个复数原始信号块分成2M个实数信号块经过OQAM处理后分开传输，其映射规则为：
Figure BDA0003014016480000051
定义
Figure BDA0003014016480000052
表示为第m个数据块上的实数信号。其中，m＝0,1,…,2M-1，因此可以将原始M个复数信号块处理成2M个实数信号块进行传输。
然后将处理完的信号发送至综合滤波器组，经过正交处理后得到最终的FBMC-OQAM信号：
Figure BDA0003014016480000053
其中h(t)为原型滤波器，mod(m,2表示m除以2的余数。Sm(t)表示第m个数据块上的发送信号。
这里原型滤波器的设计采用频谱抽样技术，子载波的数量为N，重叠因子为k，滚降因子为α，在未经过上采样时，滤波器的长度L＝kN-1,则：
Figure BDA0003014016480000054
则滤波器的脉冲响应设计如下：
Figure BDA0003014016480000055
其中A为标准化常量，且k＝4；
Figure BDA0003014016480000056
显然，FBMC-OQAM的原型滤波器的脉冲响应的长度大于T，且输入信号的实部与虚部之间还有T/2的时延，故FBMC-OQAM的相邻数据块是重叠的，相邻之间的数据块会相互影响其的峰均值大小的。FBMC-OQAM信号结构如图2所示。
目前已有的降低PAPR的方法只适用于离散信号，为了更加的逼近真实的信号，FBMC-OQAM信号S(t)采用T/K的采样率进行采样，其中K＝λN，其中λ为过采样系数，当λ≥4时，采样后的信号的PAPR可以非常的接近连续信号的PAPR。本文采用λ＝4。
于是，复信号通过采样后的原型滤波器h[n]即可得到：
Figure BDA0003014016480000057
其次，
Figure BDA0003014016480000058
和N个正交子载波正交调制之后得到离散信号为
Figure BDA0003014016480000059
即：
Figure BDA0003014016480000061
其中h[n]是由连续原型滤波器h(t)经过采样之后得到的离散滤波器，其中
Figure BDA0003014016480000062
Figure BDA0003014016480000063
Lh表示h[n]的长度，且Lh＝λkN-1，其中λ是过采样系数，k是重叠因子，N是子载波的个数。
则FBMC-OQAM信号的长度为LF，即：
Figure BDA0003014016480000064
最终发送的FBMC-OQAM信号S[n]为：
Figure BDA0003014016480000065
FBMC-OQAM***的时域信号图如图3所示。
如果信道是无失真信道，则接受信号r[n]等于发送信号S[n]。第m个数据块上第k路信号经过解调后可以得到：
Figure BDA0003014016480000066
设预留子载波的编号集合为P＝{r0,r1,...,rR-1}，R为预留子载波的个数。假设FBMC-OQAM***共有N个子载波，其中选择R个子载波作为产生峰值抵消信号
Figure BDA0003014016480000067
Figure BDA0003014016480000068
其中
Figure BDA0003014016480000069
剩余的N-R个子载波用于传输数据信号D＝[D0,D1,...,D2M-1]，其原理框图如图4所示。
因此，在FBMC-OQAM***中预留子载波算法中，第m个数据块是由两部分构成：峰值消除载波上的峰值消除信号以及未预留子载波上的有效数据信号，为了使有用信号在接收端能无差错接收，显然
Figure BDA00030140164800000610
与
Figure BDA00030140164800000611
满足一下条件：
Figure BDA00030140164800000612
在接收端，峰值消除信号被舍弃，只对未预留子载波上的有效数据信号进行处理，因此能够做到无失真传输。
步骤1：设置初始限幅幅值A(1)，最大迭代次数Q，峰值再生抑制因子ξ，惩罚因子η，ρ为搜索步长，且0ρ≤1，通过控制其大小可改变限幅阀值的收敛速度，FBMC-OQAM***载波数目N，以及设计保护子载波集合P。
步骤2：对原始信号剪切，剪切噪声为
Figure BDA00030140164800000613
则：
Figure BDA0003014016480000071
其中
Figure BDA0003014016480000072
为FBMC-OQAM中第n点的信号，经过第i次迭代限幅之后的信号，
Figure BDA0003014016480000073
Figure BDA0003014016480000074
Figure BDA0003014016480000075
为
Figure BDA0003014016480000076
的相位，i表示迭代次数。我们可以通过对切削噪声
Figure BDA0003014016480000077
的数据来近似等效峰值抵消信号
Figure BDA0003014016480000078
若切削噪声向量为0矢量，则发送S(i)结束本算法。
步骤3：处理后的信号经过FBMC-OQAM***处理后可以表示为：
Figure BDA0003014016480000079
令
Figure BDA00030140164800000710
为峰值抵消信号的时域部分，sn为原始信号的时域部分，则：
Figure BDA00030140164800000711
Figure BDA00030140164800000712
步骤4：令
Figure BDA00030140164800000713
且
Figure BDA00030140164800000714
Figure BDA00030140164800000715
则FBMC-OQAM信号迭代限幅递推更新公式可表示为：
Figure BDA00030140164800000716
步骤5：将剪切噪声
Figure BDA00030140164800000717
转换为频域信号为：
Figure BDA00030140164800000718
仅取
Figure BDA00030140164800000719
上预留子载波上的数据，令数据部分载波上的值为0，从而得到预留子载波的信号
Figure BDA00030140164800000720
即：
Figure BDA00030140164800000721
故，FBMC-OQAM载波预留信号的频域可以表示为
Figure BDA00030140164800000722
其中
Figure BDA00030140164800000723
步骤6：求解出最佳收敛因子μ：
Figure BDA00030140164800000724
其中，
Figure BDA00030140164800000725
表示所有的经过切削限幅的下标的集合，
Figure BDA00030140164800000726
Figure BDA00030140164800000727
表示所有的未经过切削限幅的下标的集合。
步骤7：求解限幅阀值的最优值A(i)：
Figure BDA0003014016480000081
步骤8：令i＝i+1，重复步骤1～8，进入下一轮的循环迭代，直至算法收敛或达到迭代次数上限。
本发明构造FBMC-OQAM***预留子载波的***模型，基于对FBMC-OQAM本质原因着手，结合其信号结构特性，提出一种自适应预留子载波算法，本专利能通过对输入数据进行自适应学习，调节迭代阈值及限幅因子，以较小的迭代次数降低***的PAPR，且不引起信号失真。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的***及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设置初始限幅幅值A(1)、最大迭代次数Q、峰值再生抑制因子ξ、惩罚因子η和搜索步长ρ，且0＜ρ≤1，通过控制搜索步长ρ大小改变限幅阀值的收敛速度、FBMC-OQAM***载波数目N和设计保护子载波集合P；
步骤2：对原始信号剪切，剪切噪声为
Figure FDA0003014016470000011
步骤3：处理后的信号经过FBMC-OQAM***处理后表示为：
Figure FDA0003014016470000012
步骤4：令
Figure FDA0003014016470000013
且
Figure FDA0003014016470000014
Figure FDA0003014016470000015
则FBMC-OQAM信号迭代限幅递推更新公式表示为：
Figure FDA0003014016470000016
步骤5：将剪切噪声
Figure FDA0003014016470000017
转换为频域信号为：
Figure FDA0003014016470000018
步骤6：求解出最佳收敛因子μ；
步骤7：求解限幅阀值的最优值A(i)；
步骤8：令i＝i+1，重复步骤1-8，进入下一轮的循环迭代，直至算法收敛或达到迭代次数上限。
2.根据权利要求1所述的一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤2中的剪切噪声
Figure FDA0003014016470000019
其中
Figure FDA00030140164700000110
为FBMC-OQAM中第n点的信号，经过第i次迭代限幅之后的信号，
Figure FDA00030140164700000111
Figure FDA00030140164700000112
为
Figure FDA00030140164700000113
的相位，i表示迭代次数。
3.根据权利要求2所述的一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，其特征在于，通过对切削噪声
Figure FDA00030140164700000114
的数据等效峰值抵消信号
Figure FDA00030140164700000115
切削噪声向量为0矢量，则发送S(i)结束本算法。
4.根据权利要求1所述的一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤3中令
Figure FDA0003014016470000021
为峰值抵消信号的时域部分，sn为原始信号的时域部分，则：
Figure FDA0003014016470000022
5.根据权利要求1所述的一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤5中取
Figure FDA0003014016470000023
上预留子载波上的数据，令数据部分载波上的值为0，得到预留子载波的信号
Figure FDA0003014016470000024
即：
Figure FDA0003014016470000025
FBMC-OQAM载波预留信号的频域表示为
Figure FDA0003014016470000026
其中
Figure FDA0003014016470000027
Figure FDA0003014016470000028
6.根据权利要求1所述的一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤6中最佳收敛因子
Figure FDA0003014016470000029
其中，
Figure FDA00030140164700000210
表示所有的经过切削限幅的下标的集合，
Figure FDA00030140164700000211
Figure FDA00030140164700000212
表示所有的未经过切削限幅的下标的集合。
7.根据权利要求1所述的一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤7中的限幅阀值的最优值A(i)为：
Figure FDA00030140164700000213
8.根据权利要求1所述的一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，其特征在于，所述FBMC-OQAM***中有M个复数输入信号数据块需要通过N个子载波传输：
Figure FDA00030140164700000214
其中，
Figure FDA00030140164700000215
和
Figure FDA00030140164700000216
分别表示为第m个数据块通过第n个子载波传输信号的实部与虚部；第m个数据块的复数输入信号定义为向量Cm：
Figure FDA00030140164700000217
其中，(·)T定义为矩阵的转置运算。
9.根据权利要求1所述的一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，其特征在于，所述M个复数原始信号块分成2M个实数信号块经过OQAM处理后分开传输，映射规则为：
Figure FDA0003014016470000031
定义
Figure FDA0003014016470000032
表示为第m个数据块上的实数信号，其中，m＝0,1，…，2M-1；
将处理完的信号发送至综合滤波器组，经过正交处理后得到最终的FBMC-OQAM信号：
Figure FDA0003014016470000033
其中h(t)为原型滤波器，mod(m,2)表示m除以2的余数，Sm(t)表示第m个数据块上的发送信号。
10.根据权利要求1所述的一种降低滤波器组多载波***峰均功率比的方法，其特征在于，所述原型滤波器的设计采用频谱抽样技术，子载波的数量为N，重叠因子为k，滚降因子为α，在未经过上采样时，滤波器的长度L＝kN-1,则：
Figure FDA0003014016470000034
则滤波器的脉冲响应设计如下：
Figure FDA0003014016470000035
其中A为标准化常量，且k＝4，
Figure FDA0003014016470000036
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