专利名称：基于双曲压扩及联合限幅的ofdm信号峰平比抑制方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及基于正交频分复用OFDM调制无线通信系统传输信号的峰平比PAI^R抑制方法，可广泛应用于各类新一代宽带OFDM无线通信系统中的信号峰平比PAI3R抑制。
背景技术：
正交频分复用OFDM调制技术具有高效的频谱利用效率、良好的抗频率选择性衰落性能，已成为新一代无线移动通信系统的关键技术之一，目前OFDM调制技术已经广泛应用于数字音频广播(Digital Audio Broadcasting，DAB)、数字视频地面广播(Terrestrial Digital Video Broadcasting, DVB-T)、无线局域网(Wireless Local Area Networks, WLAN)的 IEEE 802. Ila标准、无线城域网(Wireless Metropolitan Area Networks,WMAN) 的IEEE 802. 16d标准，以及包括长期演进计划(Long Term Evolution,LTE)和高级国际移 ^jfflilf (International Mobile Telecommunications-Advanced, IMT-Advanced)白勺第四代移动通信技术领域。然而，OFDM调制技术在其应用中仍然存在一些重要问题没有得到很好的解决，其中一个关键的技术难点就是其信号的高峰平比问题。如果信号的峰平比PAI^R很高，为了保证信号能够获得线性放大，必然要求发射机功率放大器具有宽的的线性动态范围，并且对数模变换器的精度也有较高要求，从而导致发射机构造成本大大增加。反之，窄线性动态范围的功率放大器虽然可以降低发射机的构造成本，但将导致发射信号出现严重失真，使得系统性能急剧下降。因此，如何有效地降低OFDM信号的峰平比PAPR以提高传输效率，是目前无线OFDM传输系统应用中的一个主要难点问题。迄今，国内外研究者已经提出了诸多降低OFDM信号峰平比PAPR的解决方案，包括信号限幅、压扩变换、选择性映射SLM及部分传输序列PTS等，其中，信号压扩变换方案以其简单和有效性获得了广泛的关注。目前比较经典的压扩方案包括μ律压扩、指数压扩和分段压扩等方法。Xianbin Wang 在"Reduction of Peak-to-Average Power Ratio of OFDM System Using A Companding Technique”中提出了 μ律压扩方法，该方法的基本思想是把小幅度信号进行扩张，而大幅度信号保持不变，虽然可以降低OFDM信号的峰平比PAPR，但会增加信号压扩后的平均功率。因此，μ律压扩方法会使压扩后信号的功率更接近功率放大器的非线性变换区域，易造成功率放大信号的失真；为了解决μ律压扩方法的信号平均功率增长问题，Tao Jiang 在"Exponential Companding Technique for PAPR Reduction in OFDM Systems"中提出了指数压扩方法，该方法的基本思想是将原始OFDM信号的幅度分布转化为均勻分布，通过合理调整参数保持信号压扩前后的平均功率恒定。与μ律压扩方法相比，指数压扩方法可以获得更好的误码率BER性能；但是，该方法所追求的均勻分布目标将使大幅度信号分布增大，则当发送端采用非线性特性较严重的功率放大器时，其误码率BER 性能将会急剧恶化。因此，在满足一定的误码率BER性能要求下，指数压扩方法的峰平比PAPR 性能改善非常有限。Jun Hou 在“Peak-to-Average Power Ratio Reduction of OFDM Signals With Nonlinear Companding Scheme”中提出了分段压扩方法，该方法的基本思想是使压扩后的OFDM信号幅度先服从瑞利分布后服从均勻分布，该方法虽然可以有效降低信号峰平比PAPR，且系统误码率BER也较低，但难以灵活变化以满足不同系统的性能要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有方法的不足，通过分析OFDM信号峰平比PAPR过高的根本原因，从压缩大幅度信号和扩张小幅度信号的基本思想入手，进一步结合信号限幅和压扩的各自优点，提出了一种基于双曲压扩及联合限幅的无线OFDM信号峰平比抑制方法，以达到有效抑制OFDM信号峰平比PAPR并提高误码率BER性能的目的。同时，本发明可以根据OFDM系统对峰平比PAPR和误码率BER性能的要求合理调整参数，从而在信号峰平比PAPR和系统误码率BER性能之间获得良好的折衷，为无线OFDM系统设计提供更高的灵活性以满足不同系统的性能要求。实现本发明的技术方案包括0FDM系统发送端对信号的联合限幅压扩以及OFDM 系统接收端对接收信号的解压扩处理。其中A.在OFDM系统发送端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，包括以下步骤(1)对信源产生的数据比特流进行正交振幅调制QAM，将数据比特流映射为正交振幅调制 QAM 符号X = ()(。，X1, L，XmI^Xim)，其中，m = 0，1，L，N-I，N 表示 OFDM 系统包含的子载波个数；(2)对正交振幅调制QAM符号X串并变换后进行OFDM调制，得到原始OFDM信号(3)根据OFDM系统对峰平比PAPR和误码率BER性能的要求，分别设定限幅比CR 为区间(0，1)内的某个实数，反双曲正弦压扩函数中的压扩系数1 为区间(0.5，3)内的某个实数，再根据原始OFDM信号^压扩前后平均功率恒定的要求，确定反双曲正弦压扩函数中的调幅系数k1;(4)根据限幅比CR的值，计算限幅门限Aclip = CR-A = CR ^max {| xn |}，其中，A是原始OFDM信号ι的峰值幅度，max(.)是最大值求解函数，| · |是求模运算符，根据限幅门限A。lip的值对原始OFDM信号^进行限幅，得到限幅后的OFDM信号yn ；(5)用反双曲正弦压扩函数对限幅后的OFDM信号7 进行压扩变换，该反双曲正弦压扩函数的数学表达式为zn = C(yn) = sign(yn) · Ii1 · asinh(k2 · yn|)其中，\是压扩变换后的OFDM信号，C( ·)是压扩变换函数，sign( ·)是符号函数，Ic1是调幅系数，用于保持原始OFDM信号^压扩变换前后的平均功率恒定，asinh ( ·)是反双曲正弦函数，1 是压扩系数，用于控制对限幅后OFDM信号yn的压扩程度，I · I是求模运算符；(6)对压扩变换后的OFDM信号\进行并串变换，得到发射信号ζ = (ζ0,ζι,1,ζη, L, zJNJ，并通过天线将其发射出去；(7)根据信号峰平比是信号峰值功率与信号平均功率之比的定义，分别计算发射信号ζ的峰平比PAPR。和原始OFDM信号、的峰平比PAPRs, 二者相差越多则对原始OFDM系统峰平比PAPR性能的改善效果越好。B.在OFDM系统接收端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，包括以下步骤1)对接收信号r = ζ * h+w串并变换后按照双曲正弦解压扩函数进行解压扩变换，该双曲正弦解压扩函数的数学表达式为χ ‘ n = C—1 (rn) = sign (rn) · sinh (| rn | /\) /k2其中，ζ是发射信号，*是卷积运算符，h是信道冲击响应，w是加性高斯白噪声， X' n是解压扩信号，σΗ·)是解压扩变换函数，sign(·)是符号函数，Sinh(·)是双曲正弦函数，I · I是求模运算符，Ic1是调幅系数，k2是压扩系数；2)对解压扩信号χ ‘ n进行OFDM解调，得到OFDM解调信号X ‘ m；3)对OFDM解调信号X' 111并串变换后得到的信号X'进行正交振幅解调，还原出数据比特流，其中，X' = (X' 0'X' ”L，X' m，L，X'4)将还原出的数据比特流和信源产生的数据比特流进行匹配，分别统计出本发明的OFDM系统误码率和原始OFDM系统的误码率，二者相差越小则对原始OFDM系统的误码率 BER性能影响越小。本发明与现有类似方案相比，具有如下优点(a)本发明不仅能扩张小幅度信号，而且能压缩大幅度信号，因此既可以保证压扩前后信号平均功率的恒定，还可以增强小幅度信号的信道传输抗干扰能力；(b)本发明对信号峰平比PAPR性能的改善效果具有较大提升，因此可以降低信号对功率放大器的线性范围要求，在降低系统发射机构造成本的条件下，可以有效提高功率放大器的工作效率；(c)本发明对OFDM系统接收端误码率BER性能的影响较小；(d)本发明可以根据OFDM系统对峰平比PAPR和误码率BER性能的要求合理调整参数，从而在信号峰平比PAPR和系统误码率BER性能之间获得良好的折衷，为无线OFDM系统设计提供更高的灵活性以满足不同系统所需的性能要求；(e)本发明压扩处理所导致的信号带外辐射较小，因此可以减小相邻信道之间的信号干扰。
图1是本发明的OFDM系统发送端信号处理流程图；图2是本发明的OFDM系统接收端信号处理流程图；图3是本发明方法的压扩特性曲线图；图4是各种压扩方法的峰平比PAPR性能比较图；图5是各种压扩方法的误码率BER性能比较图；图6是各种压扩方法的功率谱密度性能比较图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。参照附图1，本发明在OFDM系统发送端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，其具体实现步骤如下步骤一对信源产生的数据比特流进行正交振幅调制QAM，将数据比特流映射为正交振幅调制QAM符号X = (Xtl, XpLXm, L，)^)，其中，m = 0，1，L，N-I，N表示OFDM系统包含的子载波个数；步骤二 对正交振幅调制QAM符号X串并变换后进行OFDM调制，得到原始OFDM信号I，按照如下步骤进行(2a)在正交振幅调制QAM符号X中间补J(N-I)个零，得到J倍过采样信号
^h,Zf1，其中，J为过采样因子，N为OFDM系统包含的子载
-1)个 0
波个数；(2b)对步骤Qa)中的J倍过采样信号进行JN点快速傅立叶逆变换IFFT，得到原始OFDM信号Xn0步骤三根据OFDM系统对峰平比PAPR和误码率BER性能的要求，分别设定限幅比 CR为区间(0，1)内的某个实数，反双曲正弦压扩函数中的压扩系数1 为区间(0.5，3)内的某个实数，再根据原始OFDM信号^压扩前后平均功率恒定的要求，确定反双曲正弦压扩函数中的调幅系数&，按照如下公式进行
权利要求
1.一种在OFDM系统发送端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，包括以下步骤(1)对信源产生的数据比特流进行正交振幅调制QAM，将数据比特流映射为正交振幅调制QAM符号X = ()(。，XpLXm, I^Xim),其中，m = 0，1，L，N-I，N表示OFDM系统包含的子载波个数；(2)对正交振幅调制QAM符号X串并变换后进行OFDM调制，得到原始OFDM信号^cn；(3)根据OFDM系统对峰平比PAPR和误码率BER性能的要求，分别设定限幅比CR为区间(0，1)内的某个实数，反双曲正弦压扩函数中的压扩系数1 为区间(0.5，3)内的某个实数，再根据原始OFDM信号^压扩前后平均功率恒定的要求，确定反双曲正弦压扩函数中的调幅系数k1;(4)根据限幅比CR的值，计算限幅门限A。Up= CR · A = CR · max {I xn I}，其中，A是原始OFDM信号ι的峰值幅度，max(.)是最大值求解函数，| · |是求模运算符，根据限幅门限A。lip的值对原始OFDM信号^进行限幅，得到限幅后的OFDM信号yn ；(5)用反双曲正弦压扩函数对限幅后的OFDM信号7 进行压扩变换，该反双曲正弦压扩函数的数学表达式为zn = C(yn) = sign (yn) · Ii1 · asinh (k2 · yn|)其中，^是压扩变换后的OFDM信号，C( ·)是压扩变换函数，sign( ·)是符号函数，Ic1 是调幅系数，用于保持原始OFDM信号^压扩变换前后的平均功率恒定，asinh ( ·)是反双曲正弦函数，1 是压扩系数，用于控制对限幅后OFDM信号yn的压扩程度，I · I是求模运算符；(6)对压扩变换后的OFDM信号\进行并串变换，得到发射信号ζ= (z0, Z1, L，zn, L， Z^1)，并通过天线将其发射出去；(7)根据信号峰平比是信号峰值功率与信号平均功率之比的定义，分别计算发射信号 ζ的峰平比PAPI 。和原始OFDM信号\的峰平比PAPRs, 二者相差越多则对原始OFDM系统峰平比PAPR性能的改善效果越好。
2.根据权利要求1所述的在OFDM系统发送端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，其中步骤(2)所述的对正交振幅调制QAM符号X串并变换后进行OFDM调制，按照如下步骤进行(2a)在正交振幅调制QAM符号X中间补J (N-I)个零，得到J倍过采样信号
3.根据权利要求1所述的在OFDM系统发送端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，其中步骤(3)所述的根据原始OFDM信号^压扩前后平均功率恒定的要求， 确定反双曲正弦压扩函数中的调幅系数Ic1，按照如下公式进行
4.根据权利要求1所述的在OFDM系统发送端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，其中步骤⑷所述的根据限幅门限A。Up的值对原始OFDM信号^进行限幅， 按照如下公式进行
5.根据权利要求1所述的在OFDM系统发送端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，其中步骤(7)所述的分别计算发射信号ζ的峰平比PAPR。和原始OFDM信号 xn的峰平比PAPRs,按照如下公式进行
6.一种在OFDM系统接收端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，包括以下步骤1)对接收信号r= ζ * h+w串并变换后按照双曲正弦解压扩函数进行解压扩变换，该双曲正弦解压扩函数的数学表达式为χ' == sign(rn) · Sinh(IrnIA1)A2其中，ζ是发射信号，*是卷积运算符，h是信道冲击响应，w是加性高斯白噪声，x' n 是解压扩信号，ΓΗ·)是解压扩变换函数，sign( ·)是符号函数，sinh ( ·)是双曲正弦函数，I · I是求模运算符，Ic1是调幅系数，k2是压扩系数；2)对解压扩信号Xfn进行OFDM解调，得到OFDM解调信号X‘ m ；3)对OFDM解调信号X'111并串变换后得到的信号X进行正交振幅解调，还原出数据比特流，其中，X' = (X'。，X' !,L, X' m，L，X' η);4)将还原出的数据比特流和信源产生的数据比特流进行匹配，分别统计出本发明的 OFDM系统误码率和原始OFDM系统的误码率，二者相差越小则对原始OFDM系统的误码率 BER性能影响越小。
7.根据权利要求6所述的在OFDM系统接收端基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，其中步骤幻所述的对解压扩信号χ' n进行OFDM解调，按照如下步骤进行2a)对解压扩信号χ ‘ n进行JN点快速傅立叶变换FFT，得到快速傅立叶变换FFT信号 X' n，其中，J为过采样因子，N为OFDM系统包含的子载波数；2b)按照如下公式对快速傅立叶变换FFT信号X' n去过采样得到OFDM解调信号X' m
全文摘要
本发明公开了一种基于双曲压扩及联合限幅的OFDM信号峰平比抑制方法，主要解决无线OFDM通信系统传输信号的高峰平比问题。其实现步骤为(1)对信源产生的数据比特流作正交振幅调制；(2)对正交振幅调制符号串并变换后进行OFDM调制，得到原始OFDM信号；(3)对原始OFDM信号作限幅和压扩变换；(4)计算压扩变换后OFDM信号峰平比，并经并串变换后发射；(5)对接收信号串并变换后作解压扩变换；(6)对解压扩信号进行OFDM和正交振幅解调后统计信号误码率。本发明能在OFDM信号峰平比抑制和系统误码率性能之间获得良好的折衷，并且能够保证信号压扩前后的平均功率恒定性，可广泛应用于各类宽带无线OFDM通信系统。
文档编号H04L27/26GK102325118SQ20111027678
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者宫丰奎, 李靖, 王丽花, 王勇, 葛建华 申请人:西安电子科技大学