专利名称：一种降低ofdm系统papr的方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，涉及正交频分复用OFDM通信系统中的峰均功率比PAPR 问题，具体地说是一种有效的降低OFDM系统峰均功率比的非线性压扩方法。
背景技术：
正交频分复用OFDM技术以其高效的频谱利用率、良好的抗多径衰落性能而被认为是第四 代移动通信4G的核心技术之一，目前OFDM技术已经在非对称数字用户线ADSL、数字音频广 播DAB和数字电视广播DVB、 IEEE 802. 11、 IEEE 802. 16以及电力线宽带数据通信等领域得 到了广泛应用。OFDM的基本原理就是把高速的数据流通过串并转换，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的多 径延迟扩展的影响。并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的 最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径带来的符号间干扰ISI。而且， 一般都 采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰ICI。OFDM通信系统原理如图l所示。图1中在OFDM的发送端，输入为二进制比特流或 图像或随机序列an;然后，采用正交幅度调制QAM或相移键控调制PSK对an进行一次预调 制，得到频域信号X(n)，再经串并变换和快速傅立叶反变换IFFT后得到时域信号x(n)，该时 域信号经并串变换和数模转换和低通滤波器后得到实际发送信号s(t)。在OFDM的接收端， 实际上进行的是上述发送端的逆过程。对图1的OFDM通信系统中的时域信号x(n)进行功率归一化，得到OFDM通信系统的时域抽样序列^ }如下<formula>formula see original document page 4</formula>其中W为子载波数，X;t表示第A:个子载波上的调制数据，j表示V^T。 与单载波系统相比，由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的， 这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，由此会带来较大的峰均功率比PAPR。 该峰均功率比可以定义为<formula>formula see original document page 5</formula>峰均功率比PAPR对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，当OFDM系统内变化较 大的信号通过非线性部件，例如进入放大器的非线性区域时，信号会产生非线性失真和谐波， 造成较明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变，导致整个系统性能的下降；同时还会增加A/D 和D/A转换器的复杂度，降低转换器的准确性。为了避免所述的非线性失真，传统的方法是采用大动态范围的线性放大器，或者对非线 性放大器工作点进行补偿，但这样使功率放大器的效率大大降低，并且整个系统的成本大大 增高。要解决OFDM通信系统中信号非线性失真问题，就要降低系统中信号的PAPR，目前 提出的降低PAPR的方法主要有信号预畸变技术、高速编码技术、分组编码技术三种，其 中信号预畸变技术包括限幅、压扩变换和预留子载波等；高速编码技术，包括选择性映射 SLM和部分传送序列PTS;分组编码技术，包括Golay互补序列和Reed-Muller编码等。其 中限幅是最简单有效的方法，它是通过消减峰值信号来降低PAPR，但是这种方法由于引入了 带内噪声和带外辐射，因而将导致OFDM系统误码率的增加。压扩变换类似于限幅，也是通 过改变信号幅度来达到降低峰均功率比的目的。以C("表示压扩变换，该压扩变换应满足如 下两个条件(1) 当lxlSw时，|C{x}>|x|;否则，|C(:c)|—jc|，其中m表示压扩变换的转折点；(2) 当满足￡{|《} 五{|(^1}|2}，即可保证变换前后平均功率大致相等。为满足上述条件，压扩变换可以采用如下/Z律压扩公式来描述<formula>formula see original document page 5</formula>(3)其中^表示压扩后信号，K 表示OFDM符号&的平均幅值，也就是压扩变换的转折点, //为压扩系数。在接收端可以对接收信号实施压扩变换的逆变换，艮P:<formula>formula see original document page 5</formula> 其中h表示压扩变换后信号，^表示接收信号，K'是接收信号的平均幅值。相对原始OFDM符号，由于压扩变换对原始OFDM符号中的大幅度信号进行了压縮，对小 幅度信号进行了扩大，所以经过压扩变换后的数据符号的分布更加的紧密，出现较大幅值的 符号数量有所减少，即降低了PAPR。随着//的增加，这种改善也越来越明显，但是由于传统 压扩变换函数的压扩曲线特性，它对特大信号压縮和特小信号扩展不够，因此经过压扩变换 后的数据符号不能呈现均匀紧密的分布。虽然压扩变换逆变换也基本可以还原接收信号，但 由于OFDM符号的平均功率会稍有差异，因而压扩变换逆变换后的信号和原始信号也会存在一 些差异，即压扩变换会造成一定的误码率。可见，虽然压扩变换比限幅更具灵活性，但是压扩变换在降低PAPR、改善OFDM符号分 布和改善误码率方面还有待进一步改进。发明的内容本发明的目的在于避免已有技术的不足，通过分析OFDM系统PAPR问题产生的根本原因， 从压縮时域中大信号，扩展时域中小信号入手，结合限幅和压扩的优点，提出了一种降低PAPR 的方法，以有效降低PAPR和改善误码率。实现本发明目的的技术方案是利用双曲正切函数代替传统的/z律压扩函数，使得原信号的数据在压扩后得到的值处于一定的范围之内。具体过程如下 A.在发送端降低OFDM系统PAPR的方法，包括如下过程(1) 对OFDM通信系统的时域抽样序列f;cj进行计算得出其平均幅值r ;(2) 根据OFDM系统的要求，确定压扩系数左和调幅系数a的值；(3) 根据平均幅值r和压扩系数A:、调幅系数"的值，对OFDM信号以 双曲正切压扩公式进行压扩变换，该双曲正切压扩函数式为；& =-^——tanh(…X")其中，压扩系数;t用于控制对信号压扩的程度，调幅系数"用于维持信号在压扩变换前后平均功率不变；(4)将压扩后的信号进行并串转换和滤波后发送到信道。 B.在接收端降低OFDM系统PAPR的方法，包括如下过程(1)对接收到的OFDM信号进行计算得出接收信号的平均幅值F'; (2)将接收到的OFDM信号通过设定门限进行限幅，即对幅值大于axF'的信号进行限幅，确保接收到的OFDM信号的幅值小于axK';(3)根据平均幅值F'和调幅系数"、压扩系数A:的值对OFDM信号以双曲正切压扩 逆变换公式进行压扩逆变换，该双曲正切压扩逆变换函数式为；<formula>formula see original document page 7</formula>其中A'表示接收信号， (4)还原出原始信号。本发明与现有技术方法相比，具有以下优点1、 由于本发明的双曲正切压扩函数为渐近双曲线，它对峰值信号的压縮效果和对小信号的扩展效果都要优于传统的压扩变换，因此它能更有效地把OFDM信号限制在一定的 范围之内，从而更好地降低PAPR。2、 由于本发明釆用双曲正切压扩函数对小信号进行了扩大，增强了小信号对噪声的抵抗 力。3、 由于本发明设定门限对超出限定范围的信号进行限幅，在一定程度上限制了大噪声对 信号的影响，因此本发明的系统的误码率稍微优于传统的压扩变换。4、 由于本发明的双曲正切压扩函数采用了调幅系数"和压扩系数t两个系数，分别用于 调整平均幅值和压扩程度，使得在对压扩函数调整时更具灵活性。5、 仿真结果表明，本发明对峰值信号和小信号可进行更有效的压縮和扩展，并且使OFDM 信号幅度更集中地分布在一定的范围之内，降低了信号对放大器线性范围的要求，提 高了线性放大器的效率。
图1是现有OFDM通信系统的原理框图； 图2是本发明方法的流程图； 图3是实现本发明系统框图； 图4是本发明的仿真结果图；图5是本发明中不同压扩系数A:的互补累计分布函数CCDF对比图； 图6是本发明中不同压扩系数A:的误码率Ber对比图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明作进一步详细描述。 参照图3，本发明降低OFDM系统PAPR过程如下 用于在OFDM系统中的本发明压扩变换方法，按进行 第一步，用计算OFDM信号在时域的平均幅值r;用常规方法对OFDM通信系统的时域抽样序列{x }取模值后求平均，即可得到时域的平均幅值F。第二步，构造OFDM系统中的双曲正切压扩函数式；以双曲正切函数代替传统的^律压扩函数，使得原信号的数据在压扩后得到的值处于 一定的范围之内。l.双曲正切函数公式为<formula>formula see original document page 8</formula>
2.对(5)式扩展，定义双曲正切压扩函数式为
<formula>formula see original document page 8</formula> (6)
其中，x"表示原始OFDM符号序列的第n个符号，F表示计算OFDM信号在时域的平 均幅值，A:为压扩系数，"为调幅系数；该压扩系数A:用于控制对信号压扩的程度，该调幅 系数a用于维持信号在压扩变换前后平均功率不变。从(6)式可以看出hl小于"xF，且由于双曲正切压扩函数为渐近双曲线，因此它对峰 值信号的压縮效果和对小信号的扩展效果都要优于传统的压扩变换。第三步，根据OFDM系统线性放大范围的要求，确定压扩系数A和调幅系数"的值； 对于压扩系数A;是根据功率放大器的线性范围，预定出最大可以接受的信号峰值功率 Pmax，要求压扩后的信号功率小于或等于Pmax，即&用于控制信号的PAPR。当A选定后，"的 取值是为了保持压扩变换前后OFDM符号的平均功率不变。而保持信号的平均功率可以提高 发射机线性放大器的效率，同时可以避免高斯噪声AWGN在接收端的扩大，从而增大接收端 信号的信噪比SNR。在这里保持信号的平均功率须满足下式
其中五(s/)表示压扩后的信号的功率，其公式如下:<formula>formula see original document page 9</formula>(7)
<formula>formula see original document page 9</formula>(8)其中人(&)是原信号的概率密度函数，而原信号的实部和虚部服从高斯分布。根据(7)式和(8)式地限制，当A被选定时，a也可以同时被确定。比如在1024子载波的OFDM系统中当A:被选为0.4时，a近似等于2.733。第四步，根据发送信号的平均幅值r和a、 A:的值，对OFDM信号以双曲正切压扩函数公式(6)进行压扩变换；第五步，将压扩后的信号进行并串转换和滤波后发送到信道；第六步，对信道接收到的OFDM信号^'z进行计算，得出接收信号的平均幅值F'; 第七步，对接收信号进行限幅；由于理论上li "'l小于axr'，本发明为接收信号设一门限为0.99xax^，对幅值大于 axF'的信号进行限幅，确保接收到的OFDM信号的幅值小于axF'，从而减小高斯噪声对 接收信号的影响。第八步，得出对应发送端压扩函数的逆变换公式；对双曲正切压扩函数求逆函数&，可得出接收信号的逆变换公式为<formula>formula see original document page 9</formula>(9)其中A'表示接收信号，F'表示接收信号的平均幅值。第九步，根据接收信号的平均幅值F'和"、A的值，对OFDM信号以双曲正切压扩变换 的逆变换公式(9)进行压扩逆变换，还原出原始信号。参照图3，本发明所应用的OFDM通信系统包括发射和接收。其中发射部分包括调制 器3、串并转换器5、 IFFT单元7、平均幅值计算单元9、压扩变换单元13、并串转换器ll、 数模转换器16和低通滤波器18。该压扩变换单元13用于对OFDM信号以双曲正切压扩函数 (6)式进行压扩变换；该发射部分的其他单元均为常规连接。接收部分包括低通滤波器 22、模数转换器24、串并转换器26、压扩逆变换单元30、 FFT单元32、平均幅值计算单元 41、并串转换器34和解调器36。该压扩逆变换单元30用于对OFDM信号以双曲正切压扩逆 变换函数(9)式进行压扩逆变换；该串并转换器26和压扩逆变换单元30之间连接有比较限 幅单元28，用于将接收到的OFDM信号通过门限，对幅值大于"xK'的信号进行限幅处理， 确保接收到的OFDM信号的幅值小于"xF';接收部分的其他单元为常规连接。 整个OFDM系统的工作过程如下一、 OFDM通信系统的发送端信源l产生的随机数据符号流2作为OFDM信号，经过基带调制器3调制，调制可以采 用QAM或QPSK，将OFDM信号映射为复数形式的信号4;然后经过串并转换器5把OFDM 调制信号转化为并行输入信号6，即分配到传输速率相对较低的iV个信道中进行传输；经过 IFFT单元7变换，将频域信号转变为时域信号8和12，该信号12通过平均幅值计算单元13 计算得到平均幅值14，将平均幅值14和时域信号8送入压扩变换单元9;压扩变换单元根据 压扩系数和平均幅值14对时域信号8进行压扩变换得到处理后的信号10;信号10经过串并 变换器11、数模转换器16和低通滤波器18的处理后送入信道。二、 OFDM通信系统的接收端信道输出的信号21经低通滤波器22和模数转换器24处理后得到信号25，信号25经串 并变换器26处理得到信号39和27，其中27送入比较限幅单元28，比较限幅单元对幅值大 于"xF'的信号进行限幅，确保接收到的OFDM信号的幅值小于axl/';信号39送入平均幅 值计算单元40计算得到平均幅值，该平均值分为两路41和42，分别送入比较限幅单元28 和压扩逆变换单元30;比较限幅单元28输出的信号29经压扩逆变换单元30处理得到信号 31，信号31经FFT单元32的处理得到频域信号33，信号33经并串变换单元34和解调器 36的处理后送信宿38，恢复出原信号。 本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明。 仿真l本0FDM系统仿真条件如下0F函信号由随机信号源产生，16Q認调制，子载波数为1024，采用4096点IFFT，即4 倍过采样。根据该条件下的平均幅值F和压扩系数&、调幅系数a的值对OFDM信号以双曲 正切压扩公式进行压扩变换，并将该压扩的曲线与传统的压扩曲线进行对比，如图4所示。 从图4可见，在信号原始幅度较大时，本发明压扩后的幅度较小，因此它能更有效地把OFDM 信号限制在一定的范围之内，从而更好地降低PAPR，提高了线性放大器的利用率；同时对 小信号的有效放大和对大信号有效扩展也降低了系统对信号的线性放大器的线性范围要求， 也提高了线性放大器的利用率。仿真2为了说明本发明基于双曲正切压扩函数的压扩变换比传统的压扩方案具有更好的降低 OFDM系统信号PAPR的效果，图5给出了这两种方案互补累积分布函数CCDF仿真曲线的对比 图。该互补累积分布函数，即计算峰均功率比超过某一门限值的概率，其数学表达式为Pr{iWi > W尸圳=1 — (1 - e-謂0尸v4， > 0其中，PAPRO表示峰均功率比的门限值，PAPR表示OFDM信号的实际峰均功率。从图5可以看出，随着A的值的增加，本发明降低PAPR的效果越来越好；另外两种压 扩方法相对于原始OFDM信号，其PAPR都有较大改善；而本发明的压扩方法在A;取0.3、0.4 和0.45时，与传统压扩变换//取0.3、 0.8和1.0相比，当两种方法的CCDF曲线初始下降点 相同时，在CCDF为10—4的位置，本发明的压扩变换方法有0.5dB左右的PAPR改善，可见 本发明的压扩方法对抑制PAPR的效果更好。仿真3该仿真条件如下OFDM信号由随机信号源产生，16QAM调制，AWGN信道，子载波数为1024，采用4096点 IFFT，即4倍过采样；本发明的压扩方法在A:取0.3、 0.4禾卩0.45，传统压扩变换//取0.3、 0.8 和1.0。用本发明的压扩方法和传统压扩变换方法仿真的误码率曲线如图6。从图6可见，在相 同的SNR下，BER越小越好；虽然两种压扩方法都造成了一定程度的误码率性能下降，但是 本发明的压扩方法比传统压扩方法在误码率性能上有些微的改进。
权利要求
1.一种在发送端降低OFDM系统PAPR的方法，包括如下过程(1)对OFDM通信系统的时域抽样序列{xn}进行计算，得出发送信号的平均幅值V；(2)根据OFDM系统的要求，确定压扩系数k和调幅系数α的值；(3)根据平均幅值V和压扩系数k、调幅系数α的值对OFDM信号以双曲正切压扩公式进行压扩变换，该双曲正切压扩函数式为；
2.其中，压扩系数A用于控制对信号压扩的程度，调幅系数"用于维持信 号在压扩变换前后平均功率不变； (4)对压扩后的信号进行并串转换和滤波后发送到信道。 一种在接收端降低OFDM系统PAPR的方法，包括如下过程(1) 对接收到的OFDM信号进行计算，得出接收信号的平均幅值F';(2) 将接收到的OFDM信号通过设定门限进行限幅，即对幅值大于axF'的 信号进行限幅，确保接收到的OFDM信号的幅值小于"xF';(3) 根据接收信号的平均幅值F'和调幅系数a、压扩系数A的值对OFDM信 号，以双曲正切压扩逆变换公式进行压扩逆变换，该双曲正切压扩逆变 换函数式为；<formula>formula see original document page 2</formula>其中A'表示接收信号，(4)还原出原始信号。
3.、根据权利要求l、 2所述的方法，其特征在于压扩系数A是根据功率放大器的线性范围，预定出最大可以接受的信号峰值功率Pmax，要求压扩后的信号功率小于或 等于Pmax。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于设定门限的取值为0.99倍的a x F'， 艮口0.99xaxF'。
全文摘要
本发明公开了一种降低OFDM系统PAPR的方法。该方法利用双曲正切函数代替传统的μ律压扩函数，使得原信号的数据在压扩后得到的值处于一定的范围之内，具体过程为在发送端对IFFT后的时域OFDM信号进行计算得出其平均幅值，并根据OFDM系统的要求，确定压扩系数k和调幅系数α的值；根据平均幅值和α、k的值，对OFDM信号以双曲正切压扩函数式进行压扩变换，之后通过并串转换和滤波后发送到信道；在接收端对接收到的OFDM信号进行计算得出接收信号的平均幅值，并将接收到的OFDM信号通过门限进行限幅；根据平均幅值和α、k的值对OFDM信号以双曲正切压扩逆变换函数式进行压扩逆变换，还原出原始信号。本发明具有更好地降低PAPR的优点，可用于第四代OFDM无线通信系统中对PAPR的处理。
文档编号H04L27/26GK101155168SQ200710018859
公开日2008年4月2日 申请日期2007年10月12日 优先权日2007年10月12日
发明者周云峰, 刚 杨, 杨铮杰 申请人:西安电子科技大学