一种子载波调制ofdm系统的峰均比抑制方法
【专利摘要】本发明属于无线通信技术领域，具体涉及子载波索引调制正交频分复用系统中降低PAPR的方法。本发明首先对调制的信号做限幅处理，得到抵消限幅噪声，最后得到限幅噪声。本发明方法相比于传统星座扩展法，能够更大幅度的扩展星座点，使得PAPR抑制性能大幅提高，并且具有很好BER性能。
【专利说明】
一种子载波调制OFDM系统的峰均比抑制方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及子载波索引调制正交频分复用 (Subcarrier Index Modulation Orthogonal Frequency Division Multiplexing,SIM-OFDM)系统中降低PAPR的方法。
【背景技术】
[0002] OFDM系统作为一种多载波调制方式，把高速的数据流通过串/并变换，转换成若干 并行的低速数据流，映射到0FDM符号的不同子载波进行传输。由于0FDM的调制与解调可以 用FFT和IFFT实现，使得0FDM作为关键的技术之一，被广泛应用于B3G/4G演进的过程中。
[0003] 但是0FDM系统在较高地提升系统性能的同时，也存在几个重要的缺陷，比如对频 率偏移和相位噪声的影响非常敏感，在存在频率偏移和相位噪声的情况下性能极度恶化； 峰均比(PAPR)较高，降低射频放大器的功率效率;并且为了消除码间串扰(ISI)而引入的循 环前缀(CP)使得频谱利用率降低不少。
[0004] 近年来，一种被称为基于子载波索引调制(sn〇的多载波技术被提出。基于子载波 索引调制的多载波技术主要思想是利用索引比特将一部分子载波激活携带数据发送，其他 子载波静默。它可以看成是空间调制技术在频域的扩展形式。相对于传统0FDM系统，SIM-0FDM可以在系统性能和频谱利用率之间灵活调节，通过降低激活子载波的个数，可以很好 地获得PAPR性能，并且能够很好地抑制频率偏移对系统性能的影响。根据子载波调制映射 方式，可分为传统子载波索引调制、交织调制、随机调制映射等。
[0005] 但是S頂-0FDM系统的PAPR依然很高，需要进一步降低。我们知道星座扩展法能够 在降低PAPR的同时而不损失系统的BER性能，缺点是提高了发射功率，并且随着调制阶数越 高PAPR抑制性能越差。本发明提出的算法针对激活子载波和静默子载波分别进行星座点扩 展及修正处理，在达到更好的PAPR抑制效果，保证接收端的BER性能。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种子载波调制0FDM系统的峰均比抑制方法。
[0007] 本发明的思路是：
[0008] 首先对调制的信号做限幅处理，得到抵消限幅噪声Cc;lip，经FFT到频域得到Cclip，若 该噪声频点对应星座点在原数据符号的可扩展区域，则保留该噪声频点；若该噪声频点在 未激活空余子载波上，则也保留该噪声频点;若该噪声频点不在未激活空余子载波上，并且 频点扩展方向不完全是原信号的扩展区域，则只保留在可扩展区域的部分，其余部分置〇 (比如:某个噪声频点的实部在可扩展区域，但是虚部不在，则该噪声频点保留实部，虚部置 〇;反之亦然）；若该噪声频点不在未激活空余子载波上，且完全不在原信号的可扩展区域， 则全部置〇,最后得到限幅噪声亡_。发送符号变为原始星座点符号加上限幅噪声^
[0009] 为方便本发明方法的描述，现在对SB1-0FDM进行介绍：
[0010] -帧SIM-0FDM符号传输的信息比特数为G · k · log2(M)，索引比特数为 G {l〇g2(Ct-)」，总比特数为G汝· log2 (M)+G. Llog2 (Cf )」，:M为调试阶数。
[0011]传统OFDM发送的是信息比特数为G · k · log2(M)，然后调制成M-QAM符号发射，而 S頂-OFDM是对G · k · log2(M)这些信息比特先进行OFDM的M-QAM调制成数据符号，再通过索 引比特将这些数据符号一一映射到S頂-OFDM符号中。
[0012]例1:假设SM-0FDM总子载波数N = 4，分成2个块，每个块有2个载波，这2个载波中 一个发送数据符号一个不发送数据。设调制阶数M = 4,即4-QAM或者叫QPSK，这里总共有2个 数据符号[XI，X2]，2个未激活的空的载波。不妨设对应的索引比特为[0，1]，假设预先说好 索引比特为0时，激活对应子快的后一个载波，反之如果索引比特为1则，激活前一个载波。 已上面例子来说，要发送的数据符号为X1，X2(已经经过M-QAM调制），对应索引比特为[0， 1]，如果是〇?〇1那么直接将数据符号^142]1??1'到时域发送即可，而我们要调制成5頂_ 0^?的话，假设调制前5頂-0?01的4个载波都为空，8卩[0,0,0,0]，第1，3两个载波为一个子 块，第2,4两个载波为一个子块，前面提到如果对应索引比特为[0，1]第一个子快的索引比 特为0,那么激活第一个子快的后一个载波，前一个载波为空，即第1个载波数据符号为空， 第3个载波继续为X1，即[0,0 41，0];继续调制下一个数据符号乂2，此时索引比特为1，那么 激活第2个子快的前一个载波，后一个为空，即[0 42 41，0];所以由原来的0?01数据符号 [父142]调制成5頂-(^01符号[0，父2，父1，0]。
[0013 ] 例2: OFDM数据符号[X1，X2 ]，对应索引比特[0，0 ]，那么调制成的S頂-OFDM符号为 [0,04142]。（1，3-个子快，2,4一个子快）
[0014] 例3: 0FDM数据符号[X1，X2，X3，X4]，对应索引比特[0，1，1，0]，那么调制成的SM-(FDM符号为[0 42 43,0 41，0,0 44]。（1，5载波一个子快，2,6载波一个子快，3,7载波一个 子快，4，8载波一个子快）
[0015] 即，
[0016] 生成信息数据比特G · k · log2(M)和G_^〇g2(Cf)_|(数目都是经过计算，让后面调 制的数据符号与索引比特一一对应的）；
[0017] 把信息数据比特按M-QAM调制成数据符号[XI，X2,….Xn];
[0018] 把数据符号[X1，X2，….Xn]对照索引比特激活S頂-OFDM的每个子快的载波，最终 一一调制成S頂-0FDM的符号形式。下标η为索引比特个数。
[0019] 其中，数据符号Xi，i = l，2,3…是根据M-QAM调制需要已经调制好的数据符号，对 应比特相应的计算。
[0020] 分块的方式有几种，但是在调制时和接收端都是默认的，是事先已确定的方式，比 如上面的例子中都是以交织的方式来分块，所有载波的前半部分和后半部分一一对应，比 如总载波数为N，每个快2个载波，那么分的块为（1，Ν/2+1)，（2，N/2+2)，…，（k，N/2+k)…， (N/2，N)，这样调制完后发送总载波数为N的调制符号。也可以每2个载波一个快，如（1，2)， (3,4)......等等分块方式。
[0021] 一种子载波调制0FDM系统的峰均比抑制方法，步骤如下：
[0022] S1、载波索引（SIM)调制，得到频域信号X，具体步骤为：
[0023] S11、将N个子载波分成G = N/1个子块，所述子块含有1个子载波，所述子块中随机 选择k个子载波进行激活，所述子块中剩下的Ι-k个子载波不发送数据，其中，k=l，2， 3,...，1，所述k个子载波根据索引比特进行激活；
[0024] S12、对于S11所述子块进行操作，即，S頂模块提取的调制比特经过M-QAM调制得到 待发送星座点符号，所述待发送星座点符号由被激活的S11所述k个子载波来进行发送； [0025] S13、得到频域信号X;
[0026] S2、时频变换，即，将S1所述频域信号X经IFFT变换得到时域信号X = [ X (1)，X (2)，···，χ(Ν)];
[0027] S3、初始化，具体为:初始化迭代次数iter = 0,设置最大迭代次数为Maxjter，设 置限幅水平为A，其中，Max_iter和A为经验值；
[0028] S4、对S2所述时域信号X (t)进行时域限幅，得到峰值抵消信号= i - X，其中 ! = [?(1)，义(2),...3(句]是以〇限幅后的集合，具体为：
[0029] 若|x(t)|彡A，则时域信号x(t)保持不变，即i(i) = x(〇,其中，t = l，2，...，N，
[0030] 若|x(t)|>A，则印丨，
，其中，供(?)为X⑴的相 位；
[0031] S5、抵消符号时频变换，即，将S4所述峰值抵消信号CcdipgFFT到频域得到CciiP;
[0032] S6、进行星座图扩展，得到新的峰值抵消符号
[0034] S61、若Cciip(K)在未激活的子载波上，则保留所述Cci ip(K)，其中，K=l，2，·…，N，其 中CciiP=[CciiP(l)，Ccii P(2)，· · ·，CciiP(N)]。
[0035] S62、若Ccdip(K)在原始数据符号X(K)的可扩展区域，则保留所述Ccdip(K);
[0036] S63、若Cclip(K)不在未激活的子载波上，且只有实部(虚部)在可扩展区域，则保留 CcaiP(K)的实部(虚部），虚部(实部)置0,反之亦然；
[0037] S64、若Ccdip(K)的实部和虚部都不在可扩展区域，则全都置0;
[0038] S7、根据S6所述更新Cclip为亡#，得到新的发送符号X = X + A￥;
[0039] S8、计算PAPR，选择发送符号，具体为:将f IFFT到时域得到S，计算X的
[0040] 若此时信号交的PAPR为理想值(PAPR迭代门限P)，则输出发送符号f，
[0041] 否则，迭代次数iter = iter+l，返回S4,直到迭代达到上限，输出发送符号X。 [0042]本发明的有益效果是：
[0043]本发明提出了一种S頂-0FDM系统降低PAPR的方法，该方法的优点主要体现在：相 比于传统星座扩展法，我们改进的方法能够更大幅度的扩展星座点，使得PAPR抑制性能大 幅提尚，并且具有很好BER性能。
[0044]通过分析SM-0FDM系统PAPR和BER性能的特点，依据使得每个星座点能够尽可能 大的抑制PAPR的同时增大每个星座点之间的欧氏距离为原则，尽可能多的扩展星座点，得 到很好性能的效果。且调制阶数越低，性能越好。总之，本方案额突出特点是:大幅提高可扩 展星座点数，且大幅提高PAPR抑制性能且具有很好BER性能
【附图说明】
[0045] 图1是传统的SB1-0FDM系统框图。
[0046] 图2给出QPSK和16QAM调制的可扩展区域。
[0047]图3是本发明中提出的降低SB1-0FDM系统PAPR算法的流程图。
【具体实施方式】
[0048]下面结合附图，对本发明作进一步地详细描述。
[0049]图1为传统的SIM-0FDM系统框图，图中传统载波索引调制的左边QAMs y mb ο 12， QAMsymbol 1就是要映射的OFDM数据符号，其右边的0 1是索引比特，第一子快索引比特为0， 激活第一个子快的后一个载波，即图1右边Subcarrier3放入QAMsymbol2，第二个索引比特 为1，则激活第二个子快的前一个载波，即Subcarrier2放入QAMsymbol 1，其他为未激活的 空载波。
[0050]本实施方式采用Matlab2012a仿真平台进行实验。实验仿真参数如下：子载波数N = 256, l = 2，k=l，限幅门限A = 4.68dB，最大迭代次数Max_iter = 3,迭代PAPR门限为P = 6dB，调制方式采用QPSK，信噪比取值区间为[0,8](dB)，仿真中信号仅过高斯白噪声信道。 本发明利用上述参数在Matlab上进行实验仿真，在第一次迭代PAPR为10-4时，相较于交织 的S頂-0FDM系统原始PAPR有3.3dB左右的增益，此时BER在10-4仅有0. ldB的性能损失，并且 在第3次迭代时能够达到PAPR迭代门限6dB，相比于交织的SM-0FDM系统原始PAPR有5.3dB 左右的增益，而此时BER在10-4仅有0.2dB的性能损失(实际上第二次迭代PAPR为10-3时，就 可以达到6dB的迭代门限，但是在10-4处未能全部收敛到6dB迭代门限）。
[00511 一种子载波调制0FDM系统的峰均比抑制方法，步骤如下：
[0052] S1、载波索引（SIM)调制，得到频域信号X，具体步骤为：
[0053] S11、将N个子载波分成G = N/1个子块，所述子块含有1个子载波，所述子块中随机 选择k个子载波进行激活，所述子块中剩下的Ι-k个子载波不发送数据，其中，k=l，2， 3,...，1，所述k个子载波根据索引比特进行激活；
[0054] S12、对于S11所述子块进行操作，即，S頂模块提取的调制比特经过M-QAM调制得到 待发送星座点符号，所述待发送星座点符号由被激活的S11所述k个子载波来进行发送；
[0055] S13、得到频域信号X;
[0056] S2、时频变换，即，将S1所述频域信号X经IFFT变换得到时域信号X = [ X (1)，X (2)，···，χ(Ν)];
[0057] S3、初始化，具体为:初始化迭代次数iter = 0，设置最大迭代次数为Max_iter，设 置限幅水平为A，其中，Max_iter和A为经验值；
[0058] S4、对S2所述时域信号x(t)进行时域限幅，得到峰值抵消信号X，其中 童= [i(i)，.i(2),...,i-(A0]是x(t)限幅后的集合，具体为：
[0059] 若 |x(t)| 彡A，则时域信号 x(t)保持不变，ΒΡ.?(?) = .ν(〇,其中，t = l，2，...，N，
[0060] 若 |x(t)|>A，则=
，其中，《(?)为x(t)的相 位；
[0061 ] S5、抵消符号时频变换，即，将S4所述峰值抵消信号CcdipgFFT到频域得到CciiP; [0062] S6、进行星座图扩展，得到新的峰值抵消符号
[0064] S61、若Cciip(K)在未激活的子载波上，则保留所述Cci ip(K)，其中，K=l，2，·…，N，其 中CciiP=[CciiP(l)，Ccii P(2)，· · ·，CciiP(N)]。
[0065] S62、若Ccdip(K)在原始数据符号X(K)的可扩展区域，则保留所述Ccdip(K);
[0066] S63、若Cclip(K)不在未激活的子载波上，且只有实部(虚部)在可扩展区域，则保留 CcaiP(K)的实部(虚部），虚部(实部)置0,反之亦然；
[0067] S64、若Ccdip(K)的实部和虚部都不在可扩展区域，则全都置0;
[0068] S7、根据S6所述更新Cc1ipS￡.，得到新的发送符号文= Χ + ?￡Λ>,;:
[0069] S8、计算PAPR，选择发送符号，具体为:将殳IFFT到时域得到i，计算顏勺PAPR，
[0070] 若此时信号i的PAPR为理想值(PAPR迭代门限P)，则输出发送符号X，
[0071] 否则，迭代次数iter = iter+l，返回S4,直到迭代达到上限，输出发送符号
[0072] 通过分析SM-0FDM系统PAPR和BER性能的特点，依据使得每个星座点能够尽可能 大的抑制PAPR的同时增大每个星座点之间的欧氏距离为原则，尽可能多的扩展星座点，得 到很好性能的效果。且调制阶数越低，性能越好。总之，本方案额突出特点是:大幅提高可扩 展星座点数，且大幅提高PAPR抑制性能且具有很好BER性能。
【主权项】
1. 一种子载波调制OFDM系统的峰均比抑制方法，其特征在于，步骤如下：S1、载波索引 (SIM)调制，得到频域信号X，具体步骤为： 511、 将N个子载波分成G = N/1个子块，所述子块含有1个子载波，所述子块中随机选择k 个子载波进行激活，所述子块中剩下的Ι-k个子载波不发送数据，其中，k= 1，2，3，. . .，1，所 述k个子载波根据索引比特进行激活； 512、 对于Sll所述子块进行操作，即，S頂模块提取的调制比特经过M-QAM调制得到待发 送星座点符号，所述待发送星座点符号由被激活的Sll所述k个子载波来进行发送； 513、 得到频域信号X; 52、 时频变换，即，将Sl所述频域信号X经IFFT变换得到时域信号X= [X(l)，x(2)，...，x (N)]; 53、 初始化，具体为:初始化迭代次数iter = 0,设置最大迭代次数为MaX_iter，设置限 幅水平为A，其中，Max_iter和A为经验值； 54、 对S2所述时域信号x(t)进行时域限幅，得到峰值抵消信号c_=i-X，其中 1 =[文(1)，文(2),".，义(_八，)]是奴〇限幅后的集合，具体为： 若I x(t) I <A，则时域信号x(t)保持不变，即?〇) = ·τ〇)，其中，t = I，2，. . .，N， 若|x(t) I >A，则= ，艮:，其中，似⑴为叉⑴的相位； 55、 抵消符号时频变换，即，将S4所述峰值抵消信号Ccaip经FFT到频域得到Cclip; 56、 进行星座图扩展，得到新的峰值抵消符号561、 若Cdip(K)在未激活的子载波上，则保留所述Cdip(K)，其中，K = 1，2，. . .，N，其中 CciiP=[CciiP(l)，C ciiP(2)，· · ·，CciiP(N)]。 562、 若Ccaip(K)在原始数据符号X(K)的可扩展区域，则保留所述Ccaip(K); 563、 若Cclip(K)不在未激活的子载波上，且只有实部(虚部)在可扩展区域，则保留Cclip (K)的实部(虚部），虚部(实部)置0,反之亦然； 564、 若Ccaip(K)的实部和虚部都不在可扩展区域，则全都置0; 57、 根据S6所述更新(：。11[5为￡_，得到新的发送符号f = X+^一 58、 计算PAPR，选择发送符号，具体为:将f IFFT到时域得到i，计算i的PAPR， 若此时信号f的PAPR为理想值(PAPR迭代门限P)，则输出发送符号X， 否则，迭代次数iter = iter+l，返回S4,直到迭代达到上限，输出发送符号X。
【文档编号】H04L27/26GK106027444SQ201610318530
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】但黎琳, 郭万曹, 马千里, 张弛恆, 欧阳昊
【申请人】电子科技大学