一種低復雜度的ofdm信號受限壓擴方法

專利名稱：一種低復雜度的ofdm信號受限壓擴方法
技術領域：
本發明涉及一種低復雜度的OFDM信號受限壓擴方法 相關的現有技術
正交步員分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 是一種多載波寬帶數字調制技術，與傳統的單載波傳輸系統相比具有明顯的 抗多徑干擾能力，因此被廣泛應用于寬帶通信。但是，由于OFDM信號是多 個子信道信號的疊加，當多個信號的相位一致時，所得到的和信號的瞬時功 率會遠遠大于信號的平均功率，導致出現較高的峰值平均功率比(簡稱為峰 均比，Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)。這種具有較高瞬時峰值的信
號通過傳輸系統中線性動態范圍有限的放大器時，就會造成非線性失真，從 而引起系統性能下降。因此，必須采取措施來降低OFDM信號的峰均比。
目前降低OFDM信號峰均比的方法主要有如下幾種 1.非線性壓擴
在通信系統的發射端，通過數值變換降低大幅值信號的幅值和增強小幅 值信號的幅值；而在接收端進行逆變換以恢復原始信號。在實際應用中，根 據所采用的具體壓擴函數的不同，存在多種不同的壓擴方法。
如圖1所示，在我們以前所做的研究工作中，通過對各種壓擴方法的比 較和分析，提出了一種較為完善的降低OFDM信號峰均比的新壓擴方法。該 新壓擴方案將OFDM信號幅值的統計特性從瑞利分布變換為概率密度函數為 線性函數的形式，能夠在保持原信號平均功率不變的情況下使峰均功率比降 低到7. 8dB以下，并且系統具有較好的誤比特率性能。
但是，進一步的研究發現，雖然我們提出的新壓擴方案與他人的相關研究相比具有更好的系統性能，但是該方案在加性高斯信道中的誤比特率仍然 偏大，因而離實際應用尚有一段距離。
2.剪波
最簡單的剪波是指設定一個限幅門限，把高于該門限的大幅值信號直接 削去。這種方法能適用于任何數目的子載波構成的系統。但是該方法會引起 信號畸變，造成系統的誤比特率性能下降和帶外輻射功率的增大。
如圖2所示，最近，國外有文獻提出了一種降低OFDM信號峰均比的受 限剪波(Constrained Clipping)方法，其基本思想是將簡單剪波后的OFDM 信號變換到頻域，然后進行帶內和帶外處理，最后再變換成時域信號傳輸。 仿真結果表明，該方案在保證系統具有較小的誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)和帶外輻射的前提下能夠獲得較好的峰均比性能。該方案
的主要缺陷在于系統最終獲得的峰均比性能與剪波幅度4^密切相關，《》的 取值既不能太大，又不能太小；同時，峰均比性能與4^之間沒有明確的理 論關系表達式，對于某組給定的系統參數，為了得到較優的A^值，只能憑
借經驗進行大量的仿真和嘗試；另外，信號的一部分功率會因為被限幅而損 失。
此外還有其它幾種降低OFDM信號峰均比的方法，因其與本發明專利的 相關度不高，因此僅做簡單敘述如下
1. 編碼
利用不同編碼所產生不同的碼組而選擇峰均比較小的碼組進行數據信 息的傳輸。缺點如下 一是受編碼調制方式的限制；二是受限于子載波數目， 隨著子載波數目的增加，計算復雜度顯著增大；三是編碼后的數據速率有所 降低。
2. 選擇性映射用M個不同的隨機相位序列矢量分別與IFFT的輸入序列點乘，然后再 實施IFFT運算，選擇其中具有最小峰均比的輸出序列來傳輸。缺點如下
一是計算復雜度大，需要計算額外(M-l)組IFFT運算；二是需要安全地傳送
相關的輔助信息。 3.部分傳輸序列
將輸入的數據符號劃分為若干個子組，每個子組的長度仍等于全部子 載波的個數，然后對各個子組分別乘以某個加權系數，最后再合并這些子組， 從而達到降低整個系統峰均比的目的。這種方法的缺點與選擇性映射相似， 一是計算復雜度大，二是需要安全地傳送輔助信息。
發明技術方案
本發明的目的是為了克服現有技術的不足而提出一種進一步降低系統的 誤比特率，大大簡化接收端的處理過程，使之更接近實用化的低復雜度的 OFDM信號受限壓擴新方案。
為了達到上述目的，本發明是這樣實現的，其是一種低復雜度的OFDM 信號受限壓擴方法，在發送端首先通過移相鍵控(PSK， Phase Shift Keying) 或者正交幅度調制(QAM， Quadrature Amplitude Modulation)方式對原始 的數據比特進行基帶映射，然后進行串/并轉換和快速傅里葉反變換(IFFT)， 以形成多個相互正交的子載波；接著對^倍過采樣(A為過采樣因子，通常 有Q4)后的時域OFDM信號進行非線性壓擴，采用的壓擴函數為
式中《為信號的平均功率；然后對壓擴后的信號進行快速傅里葉變換 (FFT)運算，將其變換成頻域數據;^("，其特征在于其還對A/"分別進行
6帶內處理和帶外處理；
將頻域數據處理算法分為如下三個步驟:
(1)定義集合/ =<formula>formula see original document page 7</formula>
為原始OFDM信號對應的頻域序列，其中W為子載波個數，定義誤差向:
(2)
根據上式計算出^IOU/);
(2)對l^^e/)按升序排列，找到滿足下列條件的最大集合M(M^/)
<formula>formula see original document page 7</formula>
(3)
式中s^為星座圖的最大幅度，J/為M中的元素個數，r力為預先設定的系統
EVM性能門限；
(3)令處理后的通帶內頻域數據為
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(4)
令處理后的通帶外頻域數據為
<formula>formula see original document page 7</formula>
(5)
式中A為要求系統達到的帶外功率譜包絡值。
最后，再對？^進行^V點IFFT運算，即可得到待發送的時域數據；該
數據經過快速反傅里葉變換(IFFT)運算后再經并/串轉換、數/模變換和上 變頻后，即可發射到無線信道中進行傳輸；
在接收端對信號進行下變頻和模/數變換、串/并轉換，并經FFT解調出 各個子載波上的數據，然后進行并/串轉換、PSK或QAM基帶解調，即可恢復出原始的數據比特。
本發明與現有技術相比的優點和效果如下
1、與原有的壓擴方案相比，本發明提出的受限壓擴新方案能夠大大降 低系統的誤比特率，減小信號的帶外輻射功率，從而有效地改善了系統性能。 另外，在原有的壓擴方案中，接收端需要進行相應的逆壓擴變換，因而系統 結構較為復雜。但是，在本發明提出的新方案中，接收端的處理過程比較簡
單，只需要對所接收到的時域信號進行IFFT運算和基帶解調即可，對于發
送端采取的壓擴變換和帶內帶外處理則不需要做任何逆變換，從而簡化了接 收端的處理流程。
2、與國外提出的受限剪波方案相比，本發明提出的受限壓擴新方案能夠 避免參數優化所需的大量嘗試和運算，從而降低了系統實施的復雜度。 總之，本發明提出的受限壓擴新方案結構簡單，易于實施，實用性強。


圖1是現有技術中非線性壓擴方案的系統框圖2是現有技術中受限剪波方案的系統框圖3是本發明受限壓擴新方案的系統框圖4是誤比特率曲線； 圖5是功率譜密度。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳述 如圖3所示， 一種低復雜度的OFDM信號受限壓擴方法，在發送端首先通 過移相鍵控(PSK， Phase Shift Keying)或者正交幅度調制(QAM， Quadrature Amplitude Modulation)方式對原始的數據比特進行基帶映射，然后進行串 /并轉換和快速傅里葉反變換(IFFT)，以形成多個相互正交的子載波；接著對A倍過采樣a為過采樣因子，通常有丄24)后的時域OFDM信號進行非線 性壓擴，采用的壓擴函數為
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中《為信號的平均功率；然后對壓擴后的信號進行快速傅里葉變換 (FFT)運算，將其變換成頻域數據J^("，本發明的特點是，其還對XJ"分
別進行帶內處理和帶外處理；
將頻域數據處理算法分為如下三個步驟
(1)定義集合<formula>formula see original document page 9</formula>為原始OFDM信號對應的頻域序列，其中7V為子載波個數，定義誤差向:<formula>formula see original document page 9</formula> 根據上式計算出l^l("/);
(2)對^一e/)按升序排列，找到滿足下列條件的最大集合M(M^/)<formula>formula see original document page 9</formula>
式中S^為星座圖的最大幅度，i/為M中的元素個數，M為預先設定的系統
EVM性能門限;
(3)令處理后的通帶內頻域數據為<formula>formula see original document page 9</formula>
令處理后的通帶外頻域數據為
<formula>formula see original document page 9</formula>式中A為要求系統達到的帶外功率譜包絡值。
最后，再對3^)進行ZA^點IFFT運算，即可得到待發送的時域數據；該數
據經過快速反傅里葉變換(IFFT)運算后再經并/串轉換、數/模變換和上變 頻后，即可發射到無線信道中進行傳輸；
在接收端對信號進行下變頻和模/數變換、串/并轉換，并經FFT解調出 各個子載波上的數據，然后進行并/串轉換、PSK或QAM基帶解調，即可恢復 出原始的數據比特。
在發送端第一次IFFT之后加入幅值非線性壓擴模塊，然后經過FFT (將
時域信號變換為頻域信號)、帶內和帶外處理(對通帶內外的信號進行頻域 處理)、IFFT (將頻域信號變換為時域信號)，得到待發送的信號，再經過并 /串轉換、數/模變換和下變頻，送入無線信道傳輸；接收端的處理過程與圖 2給出的受限剪波方案接收端相同，而與圖1給出的非線性壓擴方案接收端 相比，省去了幅值逆壓擴的步驟，其流程較為簡單。
圖4給出了系統的誤比特率曲線。從中可以看出，在信噪比相同的情況 下，受限壓擴新方案的誤比特率遠遠低于非線性壓擴方案，而接近于QPSK 信號在加性高斯白噪聲信道中的理論誤比特率。這是因為在本發明提出的受 限壓擴新方案中，接收端不需要進行與發送端對應的逆壓擴運算，從而避免 了逆壓擴引入的誤碼，而且使得接收端結構非常簡單。
圖5比較了分別采用上述幾種方案進行處理后信號的功率譜密度取值情 況。顯然，非線性壓擴方案使得信號的帶外功率比原始OFDM信號更大，說 明信號的帶外輻射更強，這是我們不希望看到的情況；而受限壓擴新方案所 對應的信號功率譜密度則與系統要求達到的功率譜包絡值(Spectral Mask) 緊密契合。因此，新方案有效地克服了非線性壓擴方案的缺陷。
仿真實驗的流程為，信源端隨機產生640000個比特，經QPSK調制后，逐個分配給64個子載波，然后經IFFT實現正交調制，得到原始的OFDM信 號。在進行IFFT運算時取過采樣因子丄=4。接著對信號進行非線性壓擴變 換、FFT運算和帶內帶外處理，對頻域信號處理時采用的EVM性能門限為6%， 功率譜密度包絡取值采用Wimax標準中的有關規定。然后對處理后的信號進 行IFFT運算，并將信號從并行轉換為串行，經過數/模變換和上變頻后送入 加性高斯白噪聲信道。
接收端接收到的信號經下變頻、模/數變換后，將信號從串行轉換為并 行，并進行FFT運算，然后將信號從并行變換為串行，并經QPSK解調，統 計出信號的誤比特率。經比較可知，在相同的信噪比條件下，采用本發明提 出的受限壓擴新方案后系統的誤比特率比原來采用非線性壓擴方案時的誤 比特率低得多。
權利要求
1、一種低復雜度的OFDM信號受限壓擴方法，在發送端首先通過移相鍵控(PSK，Phase Shift Keying)或者正交幅度調制(QAM，Quadrature AmplitudeModulation)方式對原始的數據比特進行基帶映射，然后進行串/并轉換和快速傅里葉反變換(IFFT)，以形成多個相互正交的子載波；接著對L倍過采樣(L為過采樣因子，通常有L≥4)后的時域OFDM信號進行非線性壓擴，采用的壓擴函數為式中為信號的平均功率；然后對壓擴后的信號進行快速傅里葉變換(FFT)運算，將其變換成頻域數據Xkc(L)，其特征在于其還對Xkc(L)分別進行帶內處理和帶外處理；將頻域數據處理算法分為如下三個步驟(1)定義集合設Xk(k∈I)為原始OFDM信號對應的頻域序列，其中N為子載波個數，定義誤差向量根據上式計算出|Ek|(k∈I)；(2)對|Ek|(k∈I)按升序排列，找到滿足下列條件的最大集合式中Smax為星座圖的最大幅度，M為M中的元素個數，Th為預先設定的系統誤差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)性能門限；(3)令處理后的通帶內頻域數據為令處理后的通帶外頻域數據為式中Pk為要求系統達到的帶外功率譜包絡值。最后，再對進行LN點IFFT運算，即可得到待發送的時域數據；該數據經過快速反傅里葉變換(IFFT)運算后再經并/串轉換、數/模變換和上變頻后，即可發射到無線信道中進行傳輸；在接收端對信號進行下變頻和模/數變換、串/并轉換，并經FFT解調出各個子載波上的數據，然后進行并/串轉換、PSK或QAM基帶解調，即可恢復出原始的數據比特。
全文摘要
本發明涉及一種低復雜度的OFDM信號受限壓擴方法，在發送端通過移相鍵控或者正交幅度調制方式對原始的數據比特進行基帶映射，再進行串/并轉換和快速傅里葉反變換；接著對L倍過采樣后的時域OFDM信號進行非線性壓擴；再對壓擴后的信號進行快速傅里葉變換運算將其變換成頻域數據X_kc^(L)，特征是還對X_kc^(L)分別進行帶內、外處理后；再對X_kc^(L)進行LN點進行傅里葉反變換運算得到待發送的時域數據；該時域數據再經并/串轉換、數/模變換和上變頻后，即得到發射所需的傳輸信號；在接收端對信號進行下變頻和模/數變換、串/并轉換，并經傅里葉變換運算解調出各個子載波上的數據，再進行并/串轉換、PSK或QAM基帶解調，即可恢復出原始的數據。本發明具有能夠降低系統的誤比特率及系統實施的復雜度，結構簡單等優點。
文檔編號H04L27/26GK101534282SQ20091011504
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月5日 優先權日2009年3月5日
發明者曹若云 申請人:順德職業技術學院