专利名称：一种叠加训练序列的非线性压扩方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及正交频分复用(OrthogonalFrequency DivisionMultiplexing，简称 OFDM)移动通信系统中对OFDM信号进行改善的技术领域，特别是涉及一种有效的降低OFDM 系统峰均功率比的叠加训练序列的非线性压扩方法及其装置。
背景技术：
正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波调制技术，因其具有频谱利用率高和抗 多径衰落能力强等特点，因此在移动通信系统中得到了广泛的研究与发展。峰均功率比是 指信号的峰值功率与平均功率之比，简称为峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，简称 PAPR)。由于OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当各载波的相位相同时 会产生很大的峰值，高峰均功率比会对系统产生严重的影响。当过高的信号通过非线性设 备如功率放大器时，会增加带内失真从而增加误码率，同时产生的带外噪声也会引起相邻 信道干扰，降低频谱效率，也增加了系统发射机的设备成本。要解决OFDM通信系统中信号非线性失真问题，就要降低系统中的PAPRR。目前提 出的降低PAPR的方法主要可以归为三类信号预畸变技术、高速编码技术、分组编码技术。 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和部分传输序列PTS ；分组编码技术包括Reed-Muller编码和Golay互补序列等。其 中限幅是最简单有效降低PAPR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系统的误码率的增加。压扩变换法类似 于限幅法，也是通过改变信号幅度来达到降低系统PAPR的目的。在传统的扩张方法中，需 要把幅度比较小的符号进行放大，而大幅度信号保持不变，这样以增加整个系统的平均功 率为代价，来降低峰值平均功率比。这样做的弊端在于一方面增加了系统的平均发射功 率，另一方面会使得符号的功率值更加接近功率放大器的非线性变化区域，容易造成信号 失真。因此一般都对压缩扩张变换方法(C变换，CompandingTransform)进行了改进。目 前较流行的方法是把大信号压缩，而把小信号进行扩大，从而可以使得发射信号的平均功 率相对保持不变。但是目前的压扩法都是以增加系统的复杂度来换取峰均比的降低，虽然 PAPR能够降低，但是计算量太大，实用效果并不是很好。如何更有效地降低OFDM系统中的PAPR值，便于移动通信系统中实际运用是现有 的OFDM系统中遇到的必须要解决的问题，也是本领域的技术人员需要解决的问题。本专利 利用目前研究较少但具有对信号峰值平均功率比的抑制作用和降低线性功放效率的影响， 并且能进一步提高系统频带利用率等优点的叠加训练序列方法来改进，同时提出了一种计 算复杂度更低的压扩算法，以期更有效地降低系统PAPR。
发明内容
为更有效地克服OFDM系统中存在的上述缺陷，本发明目的是提供一种可以有效 降低OFDM系统中峰均功率比的效率，并能够更有效地应用于实际通信系统中的方法及其直ο按照本发明的一个方面，本发明提供了一种叠加训练序列的非线性压扩方法，该 方法步骤如下首先，在发送端对输入信号序列进行串并变换；其次，针对变换后的部分并 行信号，并对叠加训练序列和所叠加并行信号各自分配部分功率，将训练序列叠加到该并 行信号上；接着，对上述处理后的信号序列进行IFFT变换处理，之后将所有信号序列利用 改进非线性压扩函数进行处理；最后，发送端对各个并行信号经过上述处理后的变换输出 结果分别进行峰值功率与平均功率比的计算，并从中选出一个峰均比值最小的结果进行发 送。其中，对于本发明中采用的非线性压扩函数对信号进行处理的主要实现过程为 为了降低PAPR，将所有的信号都通过压缩器，假设发射端信号通过压缩器后信号为S' k，则对于第k 个 OFDM 符号 则有S' k= ln(Sk+a),k = 0,1, ... ,N-I其中，3彡a彡9，a为常实数，通过不同的a值改变函数的形状，获取不同压扩增假设信道估计和同步性能均是理想状态，于是在接收端信号可以表示为R(t)= h(t)*S' (t)+n(t)在接收端，接收信号经过扩张器，恢复出原来信号，有R' (t) = exp(R(t))-a按照本发明的另一个方面，本发明提供了一种降低OFDM系统中PAPR的方法的装 置，该装置包括叠加训练序列方法处理模块与非线性压扩方法处理装置。其中，采用叠加训练序列方法模块将训练序列按一定功率分配因子叠加在串并变 换后的部分信息序列上发送；采用非线性压扩方法处理装置对融合了叠加训练序列方法后 的所有并行信号序列进行压缩与扩张处理，以降低峰均功率比，达到相对较有效的降低系 统峰均功率比的目的。本发明的有益效果在于，首先，通过叠加训练序列方法将训练序列按一定功率分 配因子叠加到该部分并行信号序列上；其次，改变传统计算量较大的压扩函数选取方法，而 采用了一种计算复杂度较低的非线性压扩函数；最后，以改进的非线性压扩函数对融合了 叠加训练序列方法后的所有并行信号序列进行处理，同时将其中最小PAI^R值对应的信号 序列发送。这种方法能够达到相对原始方法更有效地降低系统中峰均功率比的目的。
图1是现有含压扩算法的基带OFDM通信系统框图；图2是根据本发明的叠加训练序列的非线性压扩方法的主要过程示意图；图3是根据本发明图2中T2步对部分信号序列进行叠加训练序列处理的主要实 现过程示意图；图4是根据本发明的叠加训练序列的非线性压扩方法的主要工作流程图；图5是根据本发明的对于不同的a值，叠加训练序列的非线性压扩方法的PAHH方 真曲线图；其中叠加训练序列的功率分配因子b取值为0. 1。
5
图6是根据本发明的叠加训练序列的非线性压扩方法的PATO仿真曲线图；该图中 3- — 3 ο图7是根据本发明的叠加训练序列的非线性压扩方法的不同功率分配因子下叠 加复巴克码序列的PAI3R仿真曲线图；图中b为叠加训练序列的功率分配因子，该图中a = 3。图8是根据本发明的叠加训练序列的非线性压扩方法的不同功率分配因子下叠 加复巴克码序列的不同信噪比、误码率仿真曲线图；图中b为叠加训练序列的功率分配因 子，该图中a = 3。
具体实施例方式下面将结合各个参考附图对本发明的技术方案的主要实现原理具体实施方式
等 进行详细描述。请参照图2，该图是本发明提出的一种利用叠加训练序列的非线性压扩方法处理 发送信号的主要过程示意图，针对本发明重点是降低系统峰均功率比问题，就其主要实现 过程如下步骤Al，发送端将输入信号序列进行串并处理；步骤A2，针对串并变换后的并行 传输信号序列，选取其中部分信号序列进行如下步骤处理步骤Tl，将叠加训练序列r[N]按 一定功率分配因子b叠加到选取出的部分信号序列上；步骤T2，其中的叠加训练序列所占 功率比因子b的设置，参考图7的仿真平台、仿真参数以及仿真结果，为保证叠加训练序列 对系统性能的影响较小，一般地我们在0 0. 1之间取功率分配因子值b ；步骤A3，将经过 上述处理后的所有并行信号序列进行IFFT变换处理；步骤A4，将所有信号序列利用改进非 线性压扩函数进行处理；步骤A5，发送端对各个并行信号经过上述处理后的变换输出结果 分别进行峰值功率与平均功率比的计算，并根据计算结果选出一个峰均比最小的结果进行 发送。请参照图3，该图是本发明提出的叠加训练序列的非线性压扩方法中实现叠加训 练序列处理的主要实现过程示意图，主要实现过程如下步骤1，设置b为叠加训练序列所 占功率比因子；步骤2，将叠加训练序列r[N]分配一定功率b叠加到选取出的部分信号序列 上，对应提取出的部分信号序列所占功率大小则为l_b ；步骤3，将上述处理后的信号序列 仍在原并行位置上传输。请参照图4，该图是本发明提出的用叠加训练序列的非线性压扩方法针对降低系 统PAPR的主要实现原理流程图，其主要实现过程如下步骤S0，发送端将输入信号序列进 行串并变换；步骤Si，从变换后信号序列中提取部分并行信号序列执行步骤Tl，假设先取 叠加训练序列功率因子为0. 1，将该并行信号序列和叠加训练序列一一对应进行相加；步 骤T2，并将相加结果和提取后剩余并行信号序列进行并行处理；步骤S2，对上述处理后的 所有并行信号序列执行IFFT变换；步骤S3，将所有信号序列利用改进非线性压扩函数进行 处理；步骤S4，发送端对经上述处理后的变换输出结果分别进行峰值功率与平均功率比的 计算，并根据计算结果选择出一个峰均比最小的结果进行发送。请参照图5，该图是本发明提出的用叠加训练序列的非线性压扩方法中所采用的 非线性函数中a值的选取依据。由于不同的a值可改变函数的形状，获取不同压扩增益。我 们通过仿真本发明所提出的方法在不同a值时的PAPR曲线，可得出其中，3 < a < 9，a为常实数，系统能获得较好PAPR性能。另一方面，本发明中对图2所述的步骤A2，将叠加训练序列叠加到选取出的部分 传输序列上，其中的叠加训练序列的功率分配因子b的处理方法如下利用功率分配因子 单元，设置叠加训练序列所占的功率分配因子大小b ；在利用改进非线性压扩函数进行处 理过程中，适当改变b值，本发明通过仿真选取叠加训练序列的功率分配因子b分别为0. 1、 0. 3,0. 5,0. 9时，计算此时系统PAI3R值以及系统误码率性能，从而寻找出不仅能降低系统 PAI^R值，并且能满足系统性能要求的功率分配因子，此时所对应的功率分配因子即为该系 统所选的相对最佳功率分配因子；最后将上述处理后的输出结果进行PAPR计算。加法单元，用于将叠加训练序列叠加到串并变换后的部分并行信号上，处理后仍 在这部分并行信号原来位置上发送；图4为利用叠加训练序列的非线性压扩方法对于降低系统PAPR的主要实现原理 流程图，我们在其基础上搭建好的一个OFDM系统平台上进行仿真以验证本发明提出的方 法的性能。算法仿真参数为■叠加训练序列采用长度为32的复巴克码序列■每个OFDM信号包含128个子载波■采用QSPK调制方法■在20条多径瑞利衰落信道下仿真图形参见附图中图6、图7和图8。注附图6中的叠加训练功率分配因子取b = 0. 1。以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本发明的权利保护 范围。可以理解，根据本发明所附权利要求书中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于 本发明所涵盖的范围。
权利要求
一种叠加训练序列的非线性压扩方法及其装置，该方法包括如下步骤步骤1发送端对输入信号序列进行串并变换；步骤2针对变换后的部分并行信号，利用叠加训练序列方法将训练序列按一定功率分配叠加到该并行信号上；步骤3对上述处理后的信号序列进行IFFT变换处理；步骤4将所有信号序列利用非线性压扩函数进行压缩处理；步骤5发送端对各个并行信号经过上述处理后的变换输出结果分别进行峰值功率与平均功率比的计算，并从中选出一个峰均比值最小的结果进行发送。
2.根据权利要求1所述的叠加训练序列的非线性压扩方法及其装置，其特征在于改变传统的压缩扩张变换函数，利用一种计算复杂度更低的压扩方法，这是一种采用 了非线性压扩函数的数值变换的预失真方法，能有效减小目前压扩法中计算复杂度大的缺占.其中利用改进的非线性压扩函数进行压扩处理的主要实现过程为为了降低PAPRJf 所有的信号都通过压缩器，假设发射端信号通过压缩器后信号为S' k，则对于第 k 个 OFDM 符号: 则有 S' k= ln(Sk+a)，k = 0，1，...，N-1其中，3 < a < 9，a为常实数，通过不同的a值改变函数的形状，获取不同压扩增益； 假设信道估计和同步性能均是理想状态，于是在接收端信号可以表示为R(t)= h(t)*S' (t)+n(t)在接收端，接收信号经过扩张器，恢复出原来信号，有 R' (t) = exp(R(t))-a 式中，exp (χ) = ex。
3.根据权利要求1所述的叠加训练序列的非线性压扩方法及其装置，其特征在于针对串并变换后的部分并行信号利用叠加训练序列方法处理，设置相应的叠加训练序 列所占功率分配因子b ；其中叠加训练序列所占功率分配因子b的选取取决于叠加训练序 列对系统性能的影响以及实际对系统性能的要求而定，一般在0 0. 1之间取值。
4.根据权利要求1所述的叠加训练序列的非线性压扩方法及其装置，其特征在于，该 装置包括如下单元串并变换单元，用于发送端将输入信号序列进行串并变换处理； 功率分配因子单元，用于设置叠加训练序列与信号序列功率分配所占比例大小； 乘法单元，用于叠加训练序列方法处理时，序列与其所占功率分配因子进行相乘运算；提出单元，用于提取串并变换后的部分信号序列；加法单元，用于将叠加训练序列叠加到串并变换后的部分并行信号上，处理后仍在这 部分并行信号位置上发送；并行单元，用于将叠加训练序列处理后的部分并行信号序列与未处理并行信号序列并 行合并处理；逆向快速傅立叶变换单元，用于对经过叠加训练序列方法处理后的信号序列执行逆向快速傅立叶变换；非线性函数单元，用于对信号序列进行压缩与扩张运算；选择单元，用于对上述逆向快速傅立叶变换单元变换后的信号进行PAPR计算，选择出 一个PAH 值最小的并行信号变换输出结果进行发送。
全文摘要
本发明披露了一种叠加训练序列的非线性压扩方法及装置，该方法针对降低系统峰均功率比部分包括发送端将输入信号序列进行串并变换，从变换后信号序列中提取部分并行信号序列执行；考虑功率分配，将该并行信号序列和叠加训练序列一一对应进行相加；并将相加结果和提取后剩余并行信号序列进行并行处理；将所有并行信号执行逆向快速傅立叶变换；利用提出的非线性压扩函数对所有变换信号进行压缩处理；发送端对各个并行信号经过上述处理后的变换输出结果分别进行峰值功率与平均功率比的计算，并从中选出一个峰均比值最小的结果进行发送。
文档编号H04L27/26GK101883065SQ20091013893
公开日2010年11月10日 申请日期2009年5月9日 优先权日2009年5月9日
发明者伍晓琼, 刘盈, 罗仁泽, 高頔, 黄家盛 申请人:电子科技大学中山学院