专利名称：一种降低ofdm前导码峰均比的方法
技术领域：
本发明涉及正交频分多路复用(OFDM)通信领域，特别是涉及一种降低OFDM前导 码峰均比的方法。
背景技术：
在双向突发(burst-oriented)数字通信系统中需要使接收设备与来自发射设备 的数据突发同步，这对有线和无线通信系统都成立。通常，通信协议制定者为了在接收侧执 行信号检测、自动增益控制(AGC)调节、频偏估计、定时同步和信道均衡，都在发射信号中 使用前导码；由于前导码要完成的信号检测、定时同步和频偏估计等功能，要求其自相关性 较弱，所以常用随机序列产生，但带来的问题是峰均比较高。如申请号为200680014545. 1 的中国发明专利申请就公布了一种用于信道估计的前导码结构，这些前导码在发射端被反 复发送，在信号中所占的比例很大。另一方面，由于OFDM系统中使用多个载波同时传送调 制信息，且载波之间相互独立，随着载波数的增加，叠加后信号的峰均比(峰值功率与平均 功率之比)过大，而在射频功放的峰值功率不变的前提下，信号的峰均比越高，则意味着经 过射频功放的信号平均功率越小，因此功放的效率越低，因此降低发送信号的峰均比对于 提高功放效率，减少散热设计具有重要的意义。如申请号为200910193022. 3的中国发明专 利申请公布了降低OFDM信号峰均比的方法，该方法包括限幅步骤，时域_频域变换步骤，修 正步骤和频域-时域变换步骤，其中的修正步骤包括(1)从限幅后的频域数据分离出数据 子载波数据，导频子载波数据和空余子载波数据；(2)对数据子载波数据根据系统EVM约束 进行修正；(3)对导频子载波数据进行复位操作，复位为限幅前数据；(4)对空余子载波数 据根据系统的频谱模板进行修正。但这些方法较复杂，且可能改变了 OFDM前导码，而接收 侧并不知道对前导码的改变，因此采用该技术在接收侧利用前导码执行信号检测，自动增 益控制(AGC)调节、频偏估计、定时同步和信道均衡等产生的误差较大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种设计低峰均比OFDM前导 码的方法，以降低整个OFDM发送信号的峰均比，同时保证前导码不会被发送端削峰模块处 理，保证了接收端利用前导码完成相关功能的准确性。本发明目的通过如下技术方案实现一种降低OFDM前导码峰均比的方法，包括如下步骤(1)首先设定前导码的目标峰均比PARaim，然后产生二进制随机序列X，对X进行 星座映射后得到星座映射后的信号Y，所述的星座映射方式包括BPSK，QPSK，16QAM方式， 其中Y的取值根据星座映射方式确定，对于BPSK方式，Y取1，-1 ；对于QPSK方式，Y取 1+jM-j, -1+j，-1-j ；对于 16QAM 方式，Y 取 l+j，l_j，_l+j，_l_j，3+j，_3+j，3_j，-1-3 j, 1+3j, -1+3j, 1-3j, -1-3j, 3+3j, -3+3j, 3-3j, -3-3j ；(2)将步骤(1)星座映射后的信号Y填充到频域指定载波位置上，得到频域信号Z，将频域信号Z保存为原始信号样本Ztl;前导码载波填充位置根据信道估计功能的要求， 均勻间隔填充信号，间隔长度根据OFDM系统能容忍的最大多径时延确定，假设系统能容忍 的最大多径时延为τ，前导码的总带宽为B，其总的载波数为N，则填充间隔为小于或等于 (1/τ)/(Β/Ν)；(3)依次在原始信号样本Ztl每个被填充的载波位置按星座映射的取值限制改变填 充信号的相位或幅度，保持其它填充信号不变，得到频域信号样本Zp对频域信号样本Zj进 行反傅里叶变换后得到时域信号样本Sp其中j表示样本的序号；(4)计算每个时域信号样本Sj的峰均比A4i (y) = 10*logl0
(dB)；其中Sj(t)表示时域信号样本Sj中第t时刻的信号，max代表取最大值，mean代表取 平均值，‘*’代表取共轭，IoglO表示取10的对数；(5)比较得到时域信号样本峰均比PAR(j)的最小值PARmin ；(6)找到PARmin对应的信号样本Zp，用其代替原始信号样本Ztl ；(7)将PARmin与目标峰均比值PARaim相比较，如果PARmin大于PARaim，则再回到步骤 (3)，反复迭代，否则退出，返回原始信号样本Ζ—为进一步实现本发明目的，所述的目标峰均比PARaim优选为3 7dB。对二进制随机序列X(n)进行BPSK星座映射得到信号y(m))，其中y(m) e {-1， 1}，m= 1,2,3,…N;将信号y(m)填充到频域指定载波位置上，得到频域信号ζ (f)， z(f) e {0-1,1}, f = 0,1,2,…F-l，F为频域载波数，F优选为2的指数幂，且ζ (fm)= y (m)，其中fm为指定载波位置，将ζ (f)保存为原始信号样本Ztl (f)。所述频域载波数优选为64、256、1024、2048、4096或8192。《OFDM移动通信技术原理与应用》(人民邮电出版社，佟学俭，罗涛，2003)中记载 了前导码的设计原则一般为均勻间隔填充信号，间隔长度根据OFDM系统能容忍的最大多 径时延而定，假设系统能容忍的最大多径时延为τ，前导码的总带宽为B，其总的载波数为 N，则填充间隔应小于或等于(1/ τ)/(Β/Ν)。本发明相对于现有技术具有如下优点(1)本发明通过对随机序列产生的前导码进行微调，从而保证其弱自相关性，同时 又有较低的峰均比；(2)本发明降低整个OFDM发送信号的峰均比，从而提高射频功放的效率；(3)本发明使得在对OFDM发送信号进行降低峰均比的处理时，前导码被跳过，从 而提高了接收端利用前导码进行信号检测，自动增益控制(AGC)调节，频偏估计，定时同步 和信道均衡等的准确性。
图1为本发明降低OFDM前导码峰均比的方法的流程框图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。由于前导码用于接收端完成同步和信道估计等功能，所以一般的设计方法是在频 域填充经星座映射后的随机序列，填充的频点(也称为子载波)根据信道估计的要求而定， 再反傅里叶变换到时域，即得到前导码的时域信号，降低前导码的峰均比不能改变其随机 性，否则影响其完成同步功能，因此最好的方法是对频域信号进行微调，即只改变几个频点 的相位或幅度，这种改变要符合星座映射的要求(例如二进制数字调制(BPSK)信号只能是 1和-1，如果原始信号是1，则改变为-1)，改变的频点越少越好以保持其随机性，但改变哪 几个频点的信号，如何改变其相位或幅度是需要解决的问题，本发明通过迭代来解决这一 问题，具体步骤如图1所示，其中星座映射方式以BPSK为例，包括如下步骤(1)首先设定前导码的目标峰均比PARaim，一般为3 7dB，要求前导码的峰均比 应小于或等于该值，然后产生二进制随机序列x(n)，其中x(n) e {0,1}, η= 1,2,3,… N，N为随机序列的长度，对二进制随机序列χ(η)进行BPSK星座映射得到信号y (m)，其中 y(m) e {-1，1}，m = 1，2，3，…N ；该步骤将二进制序列转化为星座映射后的信号，为前导 码频域填充做准备；(2)将步骤(I)BPSK星座映射后的信号y(m)填充到频域指定载波位置上，频域指 定载波位置如何界定？得到频域信号ζ (f)，ζ (f) e {0-1,l},f = 0,1,2,…F-1，F为频域 载波数，F为2的指数幂，较常见的取值有64，256，1024，2048，4096，8192，且ζ (fm) = y (m)， 其中fm为指定载波位置，根据前导码的同步和信道均衡而定(参见《OFDM移动通信技术原 理与应用》)，将z(f)保存为原始信号样本Ztl(f) ；z(f)与Z(l(f)在这里是一样的，但后面 z0(f)在迭代过程中会不断被更新，而ζ (f)是第一次有随机序列产生的前导码，所以在这里 用不同的命名区别；由于前导码要实现信道估计等功能，频域填充的载波位置往往有一定 要求，例如每隔2个或4个频点放一个星座映射信号，其它频点为0 ；将星座映射后的信号 放到要求的频点位置，为反傅立叶变换做准备；(3)依次在原始信号样本每个被填充的载波位置按星座映射的限制改变填充信号 (BPSK信号只能是1和-1，如果原始信号是1，则改变为-1)，保持其它载波填充信号不变， 反傅里叶变换后得到时域信号样本，原始信号样本即步骤(2)原始信号样本Ztl(f)；例如， 令讽)=-Z0(^)j Z1 (fk) =2(1的)丄=2，3， 队其中2。江)为步骤(2)中得到的频域填充 信号，Z1 (f)为对Ztl(f)进行微调后得到的信号，为步骤(2)中被填充的第一个子载波，fk
,、 If1"、 ，_/2Π/ 、
为被填充的第k个子载波，反傅里叶变换后得到信号样本力(0 = ~^[4(/)6邓( ，
y/F /=0r
Sl(t)为时域信号，t = 0，1，2，"《F-l代表时域信号的序号，f = 0，1，…F-1，为中间变量， F为前导码频域载波数；令Z2 (f2) =-z(f2), z2(fk) =z(fk)，k=l，3，…N，其中z2(f)为 对z(f)进行微调后得到的信号，f2为步骤(2)中被填充的第二个子载波，fk为被填充的第
k个子载波，反傅里叶变换后得到信号样本=；……，这样依次
可以得到N个信号样本Sj (t)，j = 1,2,3, -N；( 4 )计算每个信号样本s」(i )的峰均比mean(\s At)· s* (t)\
= 10^loglO---…'="’W、(dB)，并保存；其中max代表取最大值，
mean代表取平均值，‘*’代表取共轭，1% 10表示取10的对数；(5)比较得到信号样本峰均比PAR(j)的最小值PARmin ；也就是找到所有信号样本 中峰均比最低的值；(6)找到PARmin对应的信号样本Zp (f)，用其代替原始信号样本Ztl (f)；即找到最低 峰均比对应的信号样本；(7)将PARmin与目标峰均比值PARaim相比较，如果PARmin大于PARaim，则再回到步骤 ⑷，反复迭代，否则退出，返回原始信号样本ζ (f)；如果得到的信号样本的峰均比已经小 于目标峰均比表示已经设计成功，否则继续进行迭代直到峰均比符合要求为止。本发明在频域对前导码进行微调，在时域计算其峰均比。因为前导码在OFDM发 射信号中所占的比例较大，因此降低了前导码的峰均比，也就降低了整个OFDM信号的峰均 比，而射频功放的效率是与OFDM发送信号的峰均比成反比的，因此降低了前导码的峰均比 即降低整个OFDM发送信号的峰均比，从而提高射频功放的效率；削峰是对OFDM信号在进入数字射频功放的常见处理步骤，是对大峰值信号的幅 度进行降低，由于设计的前导码峰均比较低，即没有大峰值信号，所以不会被削峰模块处 理，因此避免出现失真，从而提高了接收端利用前导码进行信号检测，自动增益控制(AGC) 调节，频偏估计，定时同步和信道均衡等的准确性。如果是QPSK和16QAM在步骤(1)和步骤(3)时有所区别在步骤(1)中，对二进制随机序列x(n)进行BPSK星座映射得到信号y (m)，其中 y(m) e {-1,1}, m = 1,2,3,…N ；而对于 QPSK 方式，y(m) e {-1+j，1+j，1-j，-1-j}；对 于 16QAM，y(m) e {1+j, 1-j, -1+j, _l_j，3+j，_3+j，3_j，-1-3j,1+3j, -1+3j, 1-3j, -1-3j, 3+3j, -3+3j, 3-3j, -3-3j}。而步骤(3)中，依次在原始信号样本每个被填充的载波位置按星座映射的限制改 变填充信号，BPSK信号只能是1和-1，如果原始信号是1，则改变为-1 ；而QPSK信号可取值 为1+j，Ι-j，-Ι+j，-Ι-j，如果原始信号是Ι+j，那么可改变为Ι-j，-Ι+j，-Ι-j ； 16QAM信号可 取值为 Ι+j，Ι-j，"Ι+j，-Ι-j，3+j，-3+j，3-j，-1-3 j，1+3 j，-1+3 j，1-3 j，-1-3 j，3+3 j，-3+3 j， 3-3j, _3-3j，如果原始信号是 Ι+j，那么可改变为 1-j, -1+j, -l_j，3+j，_3+j，3_j，-1-3j, 1+3j, -1+3j, 1-3j, -1-3j, 3+3j, -3+3j, 3-3j, _3_3j。实施例1如图1所示，一种降低OFDM前导码峰均比的方法，包括如下步骤(1)假设目标峰均比为3dB，前导码长度为128，采用的星座映射方式为BPSKJIf 道估计要求每隔三个载波位置放置一个信号，先产生二进制随机序列X= [1,0,1,0,1,1, 0，0，1，0，1，1，1，1，0，0，1，1，0，1，0，0，1，0，0，0，0，1，0，0，0，1]，其长度为 32，X 经 BPSK 星座 映射后星座映射后的信号 Y = [1，-1，1，-1，1，1，-1，-1，1，-1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，-1， 1，-1，-1,1, -1，-1，-1，-1,1, -1，-1，-1,1](步骤 1)。(2)将Y填充到前导码的子载波上，得到频域信号(每隔三个载波填充到128个 载波位置后为)Z =
(步骤 2)。(3)下面开始迭代寻找低峰均比序列的过程，第一次将Z中第一个被填充的子载 波信号改变符号得到第一个信号样本
，第二次将Z中第二个被填充的子载波信号改变符号得到第二个信号样本
，……依次类推，得到32个信号样本Z」，其中j = 1,2,…32，然后将每个样本都进行反傅立叶变换得到时域信号S」；(步骤3)(4)在时域计算每个样本Sj的峰均比，例如第一个信号样本的峰均比为6. 87dB， 第二个信号样本的峰均比为5. 71dB,……最后得到32个信号样本的峰均比；(步骤4)(5)比较这32个信号样本的峰均比得到第23个信号样本的峰均比最小，为 3. 9dB，则将第23个信号样本代替原始信号样本Z，(步骤5)(6)将第(5)步中的最小峰均比，即3. 9dB与目标峰均比3dB比较，发现信号样本 的峰均比仍然大于目标峰均比，则进行第二次迭代，即重复第(3)，(4)，(5)步，第二次迭代后得到信号样本的峰均比为2. 76dB小于目标峰均比，将 信号样本输出后退出，最后得到的信号样本为W，1，0，0，0，-1，0，0，0，1，000，-1，0，0，0，-1， 0,0,0,1,0,0,0, -1,0,0,0, -1,0,0,0, -1,0,0,0, -1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0, 1,0,0,0, -1,0,0,0, -1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0, -1,0,0,0,1,0,0,0, -1,0,0,0, -1,0,0, 0，-1,0,0,0, -1,0,0,0,-1,0,0,0,-1,0,0,0,-1,0,0,0,1,0,0,0, -1,0,0,0, -1,0,0,0, -1， 0，0，0，1，0，0]，反傅立叶变换到时域即得到符合目标峰均比要求的前导码，与原始随机序 列相比，只改变了序列中两个信号(进行了两次迭代，每次迭代得到的结果只改变序列中 一个信号)，因此其随机性没有太多削弱，较好地保持了前导码的弱自相关性。(步骤6、7)
权利要求
一种降低OFDM前导码峰均比的方法，其特征在于包括如下步骤(1)首先设定前导码的目标峰均比PARaim，然后产生二进制随机序列X，对X进行星座映射后得到星座映射后的信号Y，所述的星座映射方式包括BPSK，QPSK，16QAM方式，其中Y的取值根据星座映射方式确定，对于BPSK方式，Y取1， 1；对于QPSK方式，Y取1+j，1 j， 1+j， 1 j；对于16QAM方式，Y取1+j，1 j， 1+j， 1 j，3+j， 3+j，3 j， 1 3j，1+3j， 1+3j，1 3j， 1 3j，3+3j， 3+3j，3 3j， 3 3j；(2)将步骤(1)星座映射后的信号Y填充到频域指定载波位置上，得到频域信号Z，将频域信号Z保存为原始信号样本Z0；前导码载波填充位置根据信道估计功能的要求，均匀间隔填充信号，间隔长度根据OFDM系统能容忍的最大多径时延确定，假设系统能容忍的最大多径时延为τ，前导码的总带宽为B，其总的载波数为N，则填充间隔为小于或等于(1/τ)/(B/N)；(3)依次在原始信号样本Z0每个被填充的载波位置按星座映射的取值限制改变填充信号的相位或幅度，保持其它填充信号不变，得到频域信号样本Zj，对频域信号样本Zj进行反傅里叶变换后得到时域信号样本Sj，其中j表示样本的序号；(4)计算每个时域信号样本Sj的峰均比(dB)；其中sj(t)表示时域信号样本Sj中第t时刻的信号，max代表取最大值，mean代表取平均值，‘*’代表取共轭，log10表示取10的对数；(5)比较得到时域信号样本峰均比PAR(j)的最小值PARmin；(6)找到PARmin对应的信号样本Zp，用其代替原始信号样本Z0；(7)将PARmin与目标峰均比值PARaim相比较，如果PARmin大于PARaim，则再回到步骤(3)，反复迭代，否则退出，返回原始信号样本Z0。FSA00000275846900011.tif
2.根据权利要求1所述的降低OFDM前导码峰均比的方法，其特征在于所述的目标峰 均比PARaim为3 7dB。
3.根据权利要求1所述的降低OFDM前导码峰均比的方法，其特征在于对二进制随机 序列χ (η)进行BPSK星座映射得到信号y(m)，其中y(m) e {-1,1),m= 1,2,3,…N;将信 号y(m)填充到频域指定载波位置上，得到频域信号ζ (f)，ζ (f) e {0-1，1)，f = 0，1，2，… F-I, F为频域载波数，F为2的指数幂，且ζ (fm) = y (m)，其中fm为指定载波位置，将ζ (f) 保存为原始信号样本Ztl (f)。
4.根据权利要求3所述的降低OFDM前导码峰均比的方法，其特征在于所述频域载波 数为 64、256、1024、2048、4096 或 8192。
全文摘要
本发明公开了一种降低OFDM前导码峰均比的方法，该方法包括产生二进制随机序列X，进行星座映射填充到指定载波位置，反傅里叶变换到时域计算峰均比，根据星座映射限制改变填充载波的相位或幅度，迭代等步骤。对二进制随机序列X进行星座映射后得到星座映射后的信号Y，所述的星座映射方式包括BPSK，QPSK，16QAM方式，其中Y的取值根据星座映射方式确定；本发明实现了降低OFDM前导码的峰均比，从而降低整个OFDM发送信号的峰均比，提高射频功放效率的作用，同时有利于接收端利用前导码准确完成相关功能。
文档编号H04L27/26GK101951355SQ201010286220
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者杨俊 , 陈旸 申请人:华南理工大学