专利名称：：一种峰值平均功率比抑制方法及系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及通信
技术领域：
，尤其涉及一种峰值平均功率比抑制方法。OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交频分复用)是——禾中特殊的多载波传输方案。OF匿可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OF匿具有许多其它无线通信技术所无法比拟的优越性。其中一个主要原因就是在于OFDM能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。同时，OFDM也是一种并行技术，可以将一个高速的数据流分割成许多低速数据流的子载波来实现一个数据速率的高速传输。OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间互相正交就可以从混迭的子载波上分离出数据信息，因而频谱效率大大提高，因而对本来无线资源就十分匮乏的无线通信来说是一种高效的传输技术。基于OF匿技术的无线通信系统具有许多其它技术所无法超越的优越性，主要体现在以下几点(1)抗衰落能力强可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输，因为当信道中因多径传输而出现频率选择性衰落时只有落在频带凹陷处的子载波及其携带的信息受到影响，而其它子载波不会受到干扰，因此系统总的误码率性能要好得多；另外，还可以通过各子载波的信源信道联合编码使得系统性能能得到进一步提高；(2)频谱利用率高OFDM技术基本思路就是利用多个子载波的频谱相互重叠的频分复用子信道并行地传输数据，因而与匿T技术相比具有很高的频谱利用效率，这对频谱资源非常稀缺的蜂窝无线通信系统而言，是非常宝贵的；(3)由于可以用傅立叶变换对来完成系统基带的调制与解调，因而不仅简化了均衡器的设计或根本就不需要均衡，这样使系统的复杂度和设计更为简单、灵活和方便；(4)可调的数据传输速率和能提供内部频率分集，这就是COFDM(CodeOFDM)主要研究的内容。OF匿技术也存在着许多不足之处，主要有下列两点(1)高的峰均功率比(Peak-to-AveragePowerRatio,PAPR)问题一直是OFDM技术的难点和关键问题所在，也是OF匿技术走向实用化的主要障碍。因为OF匿信号是非恒定的包络，任何非线性的RF放大都会导致产生互调成分，从而影响邻近带宽的信号和系统的性能。为了提高传输效率和系统性能，在发送端必须考虑到信号的峰值和均值因子。若将功放输入信号的最大幅度控制在功放的线性范围内，则对于输入信号的平均幅度，功放级就不能输出较高功率，这对传输是非常不利的；(2)对相位噪声、定时和频率漂移特别敏感。精确定时，除去噪声和减少频偏对OFDM尤为重要，因为OFDM做不到这点，就无法正确保证OFDM各子载波之间的正交性，从而
背景技术：
：4就会不可避免的引起各子载波之间的ICI和ISI。与单载波系统相比，由于OF匿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值平均功率比(也称峰均比)。PAPR(PeakPower,峰值功率)与平均功率值(AveragePower)之比。较高的PAPR使得0F匿发射机输出信号的瞬时幅值有较大变化(波动)，这样对系统的一些部件，如HPA(HighPowerAmplifier,功率放大器)、数模转换器等要具有较大的线形动态范围。同时，这些硬件的非线性特性反过来又降低0F匿系统的性能。可以说，峰值平均功率比问题一直以来是困扰0F匿技术走向实用化的一道屏障。峰值平均功率比可以定义为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，Xn表示经过IFFT运算之后所得到的输出OF匿基带信号，即[酬X"=*§VXk为第k个子载波调制符号值。对于包含N个子信道的0F匿系统来说，当N个子信号都以相同的相位求和时，所得到信号的峰值功率就会时平均功率的N倍，因此基带信号的峰均比可以为PAPR=101ogl。N。例如N=256的情况下，0FDM系统的PAPR=24dB。当然这是一种非常极端的情况。当前学术界讨论的较多的降低0F匿峰均比的方法有限幅、编码、压扩法、选择性映射(SLM)及部分传输序列(PTS)方法。限幅方法是一种比较简单的降低PAPR的方法，即信号在经过非线性部件之前进行限幅，这样可以使得峰值信号的功率降低，但是这种方法是对OF匿信号进行非线性畸变，这样会增加系统噪声，从而使得系统的性能下降。其次OF匿信号的非线性畸变会导致带外辐射功率值的增加。编码方法只选择能够使PAPR最小的码本进行编码，所以算法复杂度高且产生很多冗余数据，特别是当子载波数较大时编码效率非常低。编码类技术的基本思想是只传输峰平比低的码字，这可以说是最理想的方法，因为可以基本上排除非线性失真同时提高放大器的效率。由于高峰平比发生的可能性极小，因此从理论上说只需要引入适当的冗余就可以通过编码来降低峰平比，但是算法复杂度高且产生很多冗余数据，特别是当子载波数较大时编码效率非常低。压扩法(CompressingandExpandingTransform)，又禾尔C变换(CompandingTransform)，具体做法是在通信系统的发射端，通过数值变换将信号的功率进行再次分配，即利用压扩器中的压縮变换和扩张变换分别降低大幅值信号的幅值和增强小幅值信号的幅值。而在通信系统的接收端则进行一个类似的逆变换，以恢复原始信号。常见的压縮扩张变换是借用语音处理中基于P律非均匀量化的一种非线性变换函数。这种压縮扩展方法实现起来非常简单，而且计算复杂度也不会随着子载波数的增加而增加，与限幅方法等一些会产生信号畸变的方法相比较，在同样的系统性能增益的条件下，压縮扩张技术所降低PAPR的效果也要明显地好于剪波法等。部分传输序列(PTS)方法是将发送信息序列分割成U个独立的分组，每一个分组单独进行IFFT，然后，各个分组再利用U个辅助信息进行相位反转，经过优化后各分组组合成PAPR较低的0F匿信号发送，同时U个辅助信息也要作为边带信息被发送，这就降低了频带利用率，而且计算量比较大，所以单独使用PTS方法降低PAPR的能力有限。选择性映射(SLM)是一种非畸变的方法来降低PAPR，基本思想是用U个统计独立的向量去代表相同数据，然后再让这U个向量同时进行IFFT，得到OF匿符号的在时域的离散采样，分别计算这U个向量的PAPR，从这些序列中选出具有最小PAPR的向量进行传输。选择性映射法的优点是不受调制方式和载波数量的限制，且不会发生信号畸变，但是同样单独采用SLM降低PAPR的能力有限。综上所述，现有每一种降低PAPR的方法都存在一定的不足，为此，如何提供一种峰值平均功率比抑制方法，克服现有技术的缺陷是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容本发明在研究了以上各种降低PAPR方法的基础上，提出了一种峰值平均功率比抑制方法，适用于多天线的LTE系统，且降低PAPR的能力远远好于单独的SLM方法和压扩法。基于空时格型码的选择映射算法和压扩法相结合的降低PAPR的方法。针对以上缺点，本发明的目的是1.采用基于空时格码的并行选择映射(SLM)算法和压扩法相结合的方式，解决了SLM方法降低PAPR能力有限的问题；2.在压扩器的设计上，不采用传统的P律压扩，改变压扩函数，采用误差特征函数的方法，改善了BER性能恶化的问题，而且两者结合，两次降低PAPR，仿真表明要远远好于单独的SLM方法和压扩法。本发明提供一种峰值平均功率比抑制方法，所述方法包括A、在第一个符号周期，信号序列&和&分别乘以同一个随机向量，分别计算PAPR，记为PAPR[XJ和PAPR[X2]，随机向量从集合中依次选取；B、依次比较乘以同一个随机向量得到的PAPR[XJ和PAPR[X2]，将每次比较的最大值记作PAPR(X);C、比较上述PAPR(X)，选取具有最小PAPR(X)，分别记录所述最小PAPR(X)对应的信号和X2*，以及相应的随机向量；D、重复上述步骤直到第一个符号周期中最后一个符号；E、所有符号通过压扩器进行处理。优选地，所述随机向量从所述集合中选取。优选地，所述压扩器按照如下误差函数进行设计<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，a和b是两个不同的控制参数，a是控制压縮处理后信号波形幅度的参数，b是控制压縮形状的参数。优选地，所述集合包括1、_1、j、_j四个随机向量。本发明还提供一种峰值平均功率比抑制系统，所述系统包括第一计算单元，在第一个符号周期，信号序列&和X2分别乘以同一个随机向量，分别计算PAPR，记为PAPR[XJ和PAPR[X2]，随机向量从集合中依次选取；比较单元，依次比较乘以同一个随机向量得到的PAPR[XJ和PAPRDU，将每次比较的最大值记作PAPR(X);选取单元，比较上述PAPR(X)，选取具有最小PAPR(X)，分别记录所述最小PAPR(X)对应的信号和X2*，以及相应的随机向量；判断单元，判断是否为第一个符号周期中最后一个符号；处理单元，所有符号通过压扩器进行处理。优选地，所述随机序列从所述集合中选取。优选地，所述压扩器按照如下误差函数进行设计y=aXerf(bx)2fe—'<i/其中，a和b是两个不同的控制参数，a是控制压縮处理后信号波形幅度的参数，b是控制压縮形状的参数。优选地，所述集合包括1、_1、j、_j四个随机向量。为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下本法明所述方法将多个天线看成一个整体，对每个天线采用同样的随机序列，然后选择使所有天线具有最小平均峰均功率比的信号进行传输，由于所有天线采用同样的随机向量，传输同样的边带信息，大大减少了边带信息传输量，提高了边带信息传输的可靠性。本法明所述方法采用基于STTC(空时格码)的并行选择性映射算法和压扩法(C变换)相结合的方式，采用两次降低峰均比，既新颖又实用，对于多入多出天线系统，PAPR要求高的OF匿系统，本发明有很大的优越性，尤其在长期演进系统里，涉及到基于空时格码的并行选择映射算法，和压扩法的压扩器采用的算法。为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是采用4PSK、4种状态的空时网格编码图；图2是本发明实施例峰值平均功率比抑制方法流程图；图3是本发明实施例峰值平均功率比抑制系统结构图。具体实施例方式本发明在研究了以上各种降低PAPR方法的基础上，提出了一种峰值平均功率比抑制方法，适用于多天线的LTE系统，且降低PAPR的能力远远好于单独的SLM方法和压扩法。为了便于本领域技术人员的理解，首先简单介绍下空时格码的编码原理为方便说明，以图1所示的格状图为例。图1中，采用4状态TCM编码和4PSK星座符号。每次输入2bit，用bk、表示k时刻的输入，则bk—iak—工表示k-l时刻的输入比特，也即寄存器中存储的比特。k时刻格状编码的输出用(Xlk，x2k)表示，即图2-2(b)中格状图右边的数字对。由图2-2知，在初始状态为0时，输入bkEik分别为00、01、10、11时，对应的编码输出(Xlk，x2k)依次为(O，O)、(O，l)、(0，2)、(0，3)，状态1、2、3时依此类推即可。由此，输出表达式可表示成(W,4)二I,(2,0)+"w(1,0)+&(0,2)+q(0,1)(2_io)需要说明的是，输出x,和x/分别对应于4PSK的星座点，且分别由天线1、2在k时刻同时发送。这便组成了一个2重空时格码。当采用4PSK与8PSK星座点调制的8状态与16状态编码网格，其中采用2副天线发送数据符号。每一状态右边的数字表示从该状态出发，转移到另一状态时编码器的输出，第一个数字表示第一副天线上发送的星座点标号，第二个数字表示第二副天线上发送的星座点标号。其中在4PSK中星座点用03表示，而在8PSK中星座点用标号07表示。假设发射天线发送的码字为c，且满足C=么、3...C，C;C》..《'....《'其中，1是一帧的长度，即在一帧时间内从nt个天线所发出的所有符号构成lXnt的矩阵为一个码字。接收端接收到的码字为c，且满足C=么、3…《'4^…《'在Rayleigh(瑞利衰落)衰落条件下，空时格码的成对差错概率PEP(PaiwiseErrorProbability)，艮卩尸(c一>$(fj/i,)—'(《/4iV。;r"'其中，r是矩阵A(c，e)的秩；矩阵A(c，e)中的元素为爿^^=^(《—《)(cf一P、q=1，2，…，nt;ApA2，...，Ar是矩阵A(c，e)的r个非零特征值；rir、nt分别为接收天线数、发送天线数。这样得到的分集增益为rnr，编码增益为(入"A2，...，A》"、并由此得到两个设计准则。衡量分集增益的秩准则对于nt副天线的发送分集系统，矩阵A(c，e)满秩时将得到最大的分集增益为rw衡量编码增益的行列式准则如果要设计ntnr重分集，那么对所有不同的码字对c和e，设计时应尽可能使矩阵A(c，e)的行列式的最小值最大化。对于基于MIMO(多入多出系统，即多天线系统)的0F匿系统，(比如2X2的MM0系统就是指2个发射天线，2个接受天线)如果降低峰均比是对每个天线分别采用选择性映射的话，那么随着天线数量的增加，辅助信息量也将增加，将会占用很大的系统带宽。采用并行的选择性映射算法可以有效的改善这一问题，首先将多个天线看成一个整体，对每个天线采用同样的随机序列，然后选择使所有天线具有最小平均峰均功率比的信号进行传输，由于所有天线采用同样的随机向量，传输同样的边带信息，大大减少了边带信息传输量，提高了边带信息传输的可靠性。但是，并行选择映射算法需要对所有天线进行IFFT运算，具有很高的计算量。针对上述缺点，对于多天线系统，提出了基于空时格型码的并行选择映射算法，同时所提算法利用空时分组码中共轭数据具有相同的峰均功率比特性，降低了系统的计算复杂度。由STTC多天线的OF匿系统的结构可知，天线上的数据在前后两个符号周期之间具有较强的相关性，可以证明序列&和具有相同的峰均比特性，因此，本发明提出了一种基于上述特性的解决方案，显著降低了所提算法的运算复杂度。以2根天线的MM0-0F匿系统为例，根据以下对应关系表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>参见图2，该图本发明实施例峰值平均功率比抑制方法流程图。本发明实施例峰值平均功率比抑制方法，包括以下步骤S100、在第一个符号周期，信号序列&和X2分别乘以同一个随机向量，分别计算PAPR，记为PAPR[XJ和PAPR[XJ，随机向量从集合中依次选取。随机向量可以从集合中选取。所述集合可以参见表l。S200、依次比较乘以同一个随机向量得到的PAPR[XJ和PAPR[Xj，将每次比较的最大值记作PAPR(X)。S300、比较上述PAPR(X)，选取具有最小PAPR(X)，分别记录所述最小PAPR(X)对应的信号和X2*，以及相应的随机向量。由于存在多少个随机向量，就存在着多少个作为最大值被记录为PAPR(X)的值。比较这些值，选择最小的一个值对应的PAPR(X)。然后记录这个PAPR(X)对应的信号和X/，以及相应的随机向量。S400、重复上述步骤直到第一个符号周期中最后一个符号。S500、所有符号通过压扩器进行处理。经过步骤S400的符号，再经过压扩器处理再一次降低了峰均比。关于压扩器误差函数可以这样设计y=aXerf(bx)2(V':,a和b是两个不同的控制参数，a是控制压縮处理后信号波形幅度的参数，b是控制压縮形状的参数。不仅对小幅值信号的功率进行放大，同时也降低大幅值信号的功率，从而增强了小幅值信号的抗噪声能力，使得经过本发明实施例所述方法处理的信号波形幅值呈现一种似均匀分布，而且可以通过合理调节相关的压縮扩张系数以保证平均功率值保持不变。本法明实施例所述方法将多个天线看成一个整体，对每个天线采用同样的随机序列，然后选择使所有天线具有最小平均峰均功率比的信号进行传输，由于所有天线采用同样的随机向量，传输同样的边带信息，大大减少了边带信息传输量，提高了边带信息传输的可靠性。本法明所述方法采用基于STTC(空时格码)的并行选择性映射算法和压扩法(C变换)相结合的方式，采用两次降低峰均比，既新颖又实用，对于多入多出天线系统，PAPR要求高的OF匿系统，本发明有很大的优越性，尤其在长期演进系统里，涉及到基于空时格码的并行选择映射算法，和压扩法的压扩器采用的算法。对本发明所提出的方法用Matlab(矩阵实验室)进行性能仿真分析。在仿真中，采用CCDF(互补累积分布函数)来衡量算法的性能。系统采用QPSK调制，子载波数为N二128，10000个随机的OFDM符号。仿真结果可以看出本发明实施例所述方法可以大幅度地降低OFDM信号的PAPR值。本发明还提供一种峰值平均功率比抑制系统，在研究了以上各种降低PAPR方法的基础上，提出了一种峰值平均功率比抑制方法，适用于多天线的LTE系统，且降低PAPR的能力远远好于单独的SLM方法和压扩法。参见图3所示，该图为本发明实施例峰值平均功率比抑制系统结构图。本发明实施例峰值平均功率比抑制系统包括第一计算单元11、比较单元12、选取单元13、判断单元14和处理单元15。第一计算单元11，在第一个符号周期，信号序列&和&分别乘以同一个随机向量，分别计算PAPR，记为PAPR[XJ和PAPR[X2]，随机向量从集合中依次选取；所述随机序列从集合中选取。比较单元12，依次比较乘以同一个随机向量得到的PAPR[XJ和PAPR[X2]，将每次比较的最大值记作PAPR(X);选取单元13，比较上述PAPR(X)，选取具有最小PAPR(X)，分别记录所述最小PAPR(X)对应的信号Xj和X2*，以及相应的随机向量；判断单元14，判断是否为第一个符号周期中最后一个符号；处理单元15，所有符号通过压扩器进行处理。处理单元15中压扩器的处理，按照如下误差函数进行设计y=aXerf(bx)〃、oJ其中，a和b是两个不同的控制参数，a是控制压縮处理后信号波形幅度的参数，b是控制压縮形状的参数。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。权利要求一种峰值平均功率比抑制方法，其特征在于，所述方法包括A、在第一个符号周期，信号序列X1和X2分别乘以同一个随机向量，分别计算PAPR，记为PAPR[X1]和PAPR[X2]，随机向量从集合中依次选取；B、依次比较乘以同一个随机向量得到的PAPR[X1]和PAPR[X2]，将每次比较的最大值记作PAPR(X)；C、比较上述PAPR(X)，选取具有最小PAPR(X)，分别记录所述最小PAPR(X)对应的信号X1*和X2*，以及相应的随机向量；D、重复上述步骤直到第一个符号周期中最后一个符号；E、所有符号通过压扩器进行处理。2.根据权利要求1所述的峰值平均功率比抑制方法，其特征在于，所述随机向量从所述集合中选取。3.根据权利要求1所述的峰值平均功率比抑制方法，其特征在于，所述压扩器按照如下误差函数进行设计y=aXerf(bx)v丌其中，a和b是两个不同的控制参数，a是控制压縮处理后信号波形幅度的参数，b是控制压縮形状的参数。4.根据权利要求1所述的峰值平均功率比抑制方法，其特征在于，所述集合包括1、_1、j、-j四个随机向量。5.—种峰值平均功率比抑制系统，其特征在于，所述系统包括第一计算单元，在第一个符号周期，信号序列X工和X2分别乘以同一个随机向量，分别计算PAPR，记为PAPR[XJ和PAPRDU，随机向量从集合中依次选取；比较单元，依次比较乘以同一个随机向量得到的PAPR[XJ和PAPRDU，将每次比较的最大值记作PAPR(X);选取单元，比较上述PAPR(X)，选取具有最小PAPR(X)，分别记录所述最小PAPR(X)对应的信号和X2*，以及相应的随机向量；判断单元，判断是否为第一个符号周期中最后一个符号；处理单元，所有符号通过压扩器进行处理。6.根据权利要求5所述的峰值平均功率比抑制系统，其特征在于，所述随机序列从所述集合中选取。7.根据权利要求5所述的峰值平均功率比抑制系统，其特征在于，所述压扩器按照如下误差函数进行设计y=aXerf(bx)gr/(x)=0v冗其中，a和b是两个不同的控制参数，a是控制压縮处理后信号波形幅度的参数，b是控制压縮形状的参数。8.根据权利要求5所述的峰值平均功率比抑制系统，其特征在于，所述集合包括1、-1、j、-j四个随机向量。全文摘要本发明涉及一种峰值平均功率比抑制方法，所述方法包括A、在第一个符号周期，X1和X2分别乘以同一个随机序列，分别计算PAPR，记为PAPR[X1]和PAPR[X2]，随机序列从集合中选取；B、比较PAPR[X1]和PAPR[X2]，将最大值记作PAPR(X)；C、重复上述步骤，选取具有最小PAPR(X)的信号X1*和X2*，同时选取相应的随机向量；D、重复上述步骤直到天线的最后一个符号；E、所有符号再经过压扩器处理再一次降低了峰均比。本发明在研究了以上各种降低PAPR方法的基础上，提出了一种峰值平均功率比抑制方法和系统，适用于多天线的LTE系统，且降低PAPR的能力远远好于单独的SLM方法和压扩法。文档编号H04L1/06GK101789924SQ20091024457公开日2010年7月28日申请日期2009年12月31日优先权日2009年12月31日发明者余建国,高知申请人:北京北方烽火科技有限公司