一种用于OFDM系统的峰值抵消方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统中的基于峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)的一种针对峰值的改进的峰值抵消方法。

背景技术：

OFDM属于多载波技术，同时也继承了多载波系统的优缺点。在OFDM通信系统中，发射信号是多个子载波上信号的叠加，这导致信号幅度有很大的自由度，生成的基带信号的幅度具有不稳定性。一般用PAPR来衡量OFDM信号的峰值波动特性。从到目前为止的研究来看，有两种解决多载波信号峰值波动问题的方式：一种是增大放大器的线性动态范围，但是这增加了发射机的成本，同时也降低了放大器的效率。另一种是受到广泛研究的方法，即对多载波基带信号进行峰值抑制处理。

到目前为止，已经有大量针对PAPR抑制方法的研究成果。常用的直接限幅(Clipping)方法采用直接消掉信号超过门限部分的方式简单而有效地抑制了PAPR，但是带来了严重的带外功率泄露。迭代限幅滤波(Repeated Clipping and Filtering，RCF)方法通过对限幅后的信号进行滤波，然后重复进行这种处理过程较好地解决了高带外功率泄露的问题，然而带来了很高的复杂度。峰值抵消(Peak cancellation，PC)方法进一步改善了带外功率泄露和计算复杂度的双重问题，该类方法利用有限带宽的加权抵消窗函数降低噪声带来的带外功率辐射，减少了额外滤波从而降低了复杂度。在这类方法中，传统的峰值抵消方法(Conventional Peak cancellation，CPC)会使得处于同一抵消单元内的多个峰值抵消窗函数将相互叠加，这不仅影响抵消窗函数的峰值抑制效果，还引入大量的额外抵消噪声。自适应窗长的加窗(Adaptive Peak Windowing，APW)方法通过优化抵消单元内的抵消窗函数加权值和优化抵消单元长度解决了过度叠加的问题并且较好的抑制了PAPR，却带来了较高的检测复杂度和权值求解复杂度。串行峰值抵消方法(Serial Peak cancellation，SPC)通过串行处理模式，针对超过设定门限的信号进行抵消，较好地降低了复杂度，同时很好地降低PAPR，然而该方法过度集中的串行抵消处理仍然带来了较多的干扰和计算复杂度。

技术实现要素：

为了解决上述的问题，本发明提出了一种OFDM系统中针对峰值的串行峰值抵消方法，主要思路为：按照时域OFDM信号样点值的索引顺序，通过将信号幅值和给定门限TH的比较，以及信号幅值间的比较，准确找出一个超过门限的信号峰值，然后以该峰值为中心减去一个加权的长度为L的抵消函数，为了至少使得该峰值的幅度值等于门限值；完成一次峰值抵消后，顺次寻找下一个超过门限的峰值，重复上述峰值抵消过程直至遍历完一个OFDM符号的样点。与现有方法相比较，改进的方法在不损失峰均比抑制性能的情况下，能够改善系统的误码率性能，是一种低复杂度的有效的峰均比抑制方法。

本发明的技术方案为：

一种用于OFDM系统的峰值抵消方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.确认信号峰值：按照时域OFDM信号样点值的索引顺序，通过将信号幅值和给定的门限值进行比较，以及信号幅值间的比较，找出一个超过门限的信号峰值；

b.峰值抵消：以步骤a中得到的信号峰值为中心减去一个加权的长度为L的抵消函数，至少使得该峰值的幅度值等于门限值；

c.判断是否遍历完一个OFDM符号的样点，若是，则结束；若否，则回到步骤a。

进一步的，所述步骤a的具体方法为：

a1.设置时域OFDM信号样点索引的初始值为n＝0，以及峰值抵消次数的初始值i＝0；

a2.计算信号样点n对应的信号幅值|s(n)|；

a3.判断信号幅值是否大于给定的门限值，即|s(n)|>TH是否成立，同时经过如下峰值判定公式：

判断样点n是否为信号峰值，若是，则进入步骤b，若否，则进入步骤c；公式1中，n_-＝(n-1)_JN表示当前样点n的前一个样点，n₊＝(n+1)_JN表示当前样点n的后一个样点，(n)_JN表示n除以JN后的取余数的模运算，J是时域OFDM信号的过采样倍数，N是OFDM信号的子载波个数；

所述步骤b的具体方法为：

构造抵消函数α(n_i)w(n-n_i)进行峰值抵消，其中w(n)是长度为L的窗函数，α(n_i)为如下公式2所示的权值：

针对幅值超过门限的峰值点n_i的一次抵消过程表示为如下公式3：

s_i+1(n)＝s_i(n)+α(n_i)w(n-n_i),n＝0,1,...,JN-1(公式3)

并且i＝i+1。

所述步骤c的具体方法为：

判断n<JN-1是否成立，若是，则n＝n+1后回到步骤a2，若否，则结束循环过程，并输出经过多次串行峰值抵消后的信号：

其中，I表示峰值抵消的总次数，0≤I<JN。

上述方案为本发明的一种具体实现算法。

更进一步的，所述步骤a、b、c的具体方法为：

a1.设置时域OFDM信号样点索引的初始值为n＝0，以及峰值抵消次数的初始值i＝0；

a2.计算信号样点n对应的信号幅值|s(n)|，并判断|s(n)|>TH是否成立，若是，则进入步骤a3，若否，则进入步骤c2；

a3.判断|s(n)|>|s((n+1)_JN)|是否成立，若是，则进入步骤a4，若否，则进入步骤c3；

a4.判断|s(n)|>|s((n-1)_JN)|是否成立，若是，则进入步骤b，若否，则进入步骤c5；

其中，(n-1)_JN表示当前样点n的前一个样点，(n+1)_JN表示当前样点n的后一个样点，J是时域OFDM信号的过采样倍数，N是OFDM信号的子载波个数；

b.构造抵消函数α(n_i)w(n-n_i)进行峰值抵消，其中w(n)是长度为L的窗函数，α(n_i)为如下公式2所示的权值：

抵消过程表示为如下公式3：

s_i+1(n)＝s_i(n)+α(n_i)w(n-n_i),n＝0,1,...,JN-1(公式3)

得到第i次峰值抵消后的信号s_i+1(n)，并且i＝i+1；

c1.n＝n+N_coef，判断n≤JN-1是否成立，若是，则回到步骤a2，若否，则结束处理过程；

c2.n＝n+1，判断n≤JN-1是否成立，若是，则回到步骤a2，若否，则结束处理过程；

c3.n＝n+1，判断n≤JN-1是否成立，若是，则进入步骤c4，若否，则结束处理过程；

c4.判断|s(n)|>|s((n+1)_JN)|是否成立，若是，则回到步骤b，若否，则回到步骤c3；

c5.n＝n+2，判断n≤JN-1是否成立，若是，则回到步骤a2，若否，则结束处理过程。

上述方案为本发明的另一种实现方法，相比于第一种实现方案，本方案具有更低的复杂度。

本发明的有益效果为，本发明利用串行处理的峰值检测和峰值抵消方式，避免了抵消函数的重新计算，提升抵消准确度的同时减少了抵消的次数，从而减少了抵消函数带来的干扰。另外，为了更加有效的降低PAPR以达到要求，通过重复峰值抵消算法的实现过程，可以进一步获得PAPR抑制性能的提升。通过仿真验证，改进的方法在不损失峰值抑制性能的情况下，误码率性能得到改善，是一种低复杂度的有效的峰均比抑制方法。

附图说明

图1是OFDM系统中改进的峰值抵消方法算法1的实现流程图；

图2是OFDM系统中改进的峰值抵消方法算法2的实现流程图；

图3是OFDM系统两种提出的改进算法与RCF和SPC方法的PAPR抑制性能比较(TH＝4dB和6dB)；

图4是OFDM系统两种提出的改进算法与RCF和SPC方法的比特错误概率(Bit Error Rate，BER)抑制性能比较(TH＝4dB和6dB)；

图5是OFDM系统两种提出的改进算法与SPC方法的实数运算复杂度比较(TH＝4dB和6dB)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

本发明的主要步骤包括：

a.确认信号峰值：按照时域OFDM信号样点值的索引顺序，通过将信号幅值和给定的门限值进行比较，以及信号幅值间的比较，找出一个超过门限的信号峰值；

b.峰值抵消：以步骤a中得到的信号峰值为中心减去一个加权的长度为L的抵消函数，至少使得该峰值的幅度值等于门限值；

c.判断是否遍历完一个OFDM符号的样点，若是，则结束；若否，则回到步骤a。

与之相对应的实现算法的主要步骤为：1、信号幅值和门限值TH比较；2、峰值检测；3、计算权值生成抵消函数；4、峰值抵消。

如图1，为本发明的第一种实现算法，主要步骤包括：

(1)设置样点索引的初始值n＝0，以及峰值抵消次数的初始值i＝0；

(2)计算信号样点n对应的信号幅值|s(n)|；

如果信号样点幅值大于给定的门限值，即|s(n)|>TH，同时经过峰值判定公式

其中，n_-＝(n-1)_JN表示当前样点n的前一个样点(也即上升沿的最后一个样点)，n₊＝(n+1)_JN表示当前样点n的后一个样点(即下降沿的第一个样点)，(n)_JN表示n除以JN后的取余数的模运算，是时域OFDM信号的过采样倍数，N是OFDM信号的子载波个数。经过判定后样点n为信号峰值，那么转到步骤1-4；否则转到步骤1-5；

(3)计算抵消函数并完成一次峰值抵消。抵消函数是一个加权的窗函数，权值α(n_i)计算如下：

然后构造抵消函数α(n_i)w(n-n_i)，其中w(n)是长度为L的窗函数；针对幅值超过门限的峰值点n的一次抵消过程表示如下：

s_i+1(n)＝s_i(n)+α(n_i)w(n-n_i),n＝0,1,...,JN-1(3)

并且i＝i+1；

(4)如果n<JN-1，则n＝n+1后转到步骤(2)；否则，结束循环过程，最后输出经过多次串行峰值抵消后的信号：

其中，I表示峰值抵消的总次数。

如图2所示，为本发明的第二种实现算法，主要步骤包括：

(1)设置样点索引的初始值n＝0，以及峰值抵消次数的初始值i＝0；

(2)计算信号样点n对应的信号幅值|s(n)|，如果|s(n)|>TH，转到步骤(3)；否则转到步骤(7)；

(3)如果信号满足|s(n)|>|s((n+1)_JN)|，转到步骤(4)；否则转到步骤(8)；

(4)若信号满足|s(n)|>|s((n-1)_JN)|，转到步骤(5)；否则转到步骤(10)；

(5)利用公式(2)和(3)完成抵消函数的计算和一次抵消过程，得到第i次峰值抵消后的信号s_i+1(n)且i＝i+1；

(6)n＝n+N_coef，如果n≤JN-1，转到步骤(2)；否则结束处理过程。

(7)n＝n+1，如果n≤JN-1，转到步骤(2)；否则结束处理过程。

(8)n＝n+1，如果n≤JN-1，转到步骤(9)；否则结束处理过程。

(9)若信号满足|s(n)|>|s((n+1)_JN)|，转到步骤(5)；否则转到步骤(8)；

(10)n＝n+2，如果n≤JN-1，转到步骤(2)，否则结束处理过程。

第二种算法是在第一种算法的基础上通过优化峰值检测过程和引入相关区域抵消的方案，减少了门限比较、幅值运算和循环运算的次数，主要思想：将信号幅值和门限比较的过程与峰值判定的过程结合，按照信号上升沿和下降沿的特性，减少了部分样点的判定过程；另外，一次峰值抵消过程后，强相关区域内的几个样点的幅值与门限的判定可以跳过N_coef(1≤N_coef≤J-1)个样点，可以再次减少判定过程。

本发明提出了一种针对峰值的改进的峰值抵消方法，主要创新在于通过对超过门限的峰值点进行串行抵消处理，达到快速抑制PAPR的目的。该方法在一定程度上降低了计算复杂度，减少了引入的干扰噪声，从而提升了系统的BER性能。而且，提出的算法2通过将信号幅值和门限的比较过程与峰值检测的过程结合，进一步优化了峰值检测的实现速度。

计算机仿真中，OFDM信号的子载波个数N＝1024，时域过采样倍数J＝4，数字调制方式为16QAM，抵消窗函数的长度L＝101。由于RCF方法是工程中得到应用的算法，SPC是近几年提出的优秀的峰值抵消算法，我们以这两种方法作为参考。RCF方法在TH＝4dB时，采用了6次迭代；在TH＝6dB时，采用了4次迭代。SPC和改进算法方法均采用了3次迭代处理。其中算法2中的相关距离为。

图3显示改进算法能够获得与SPC相同的PAPR性能，而优于RCF。如在TH＝6dB，CCDF＝10^-3时，RCF要比另外两个方法差0.5dB，当门限降为4dB时差距扩大到0.7dB。图4表明改进算法能够获得比SPC和RCF方法更好的BER性能，比如在BER＝10^-2，TH＝4dB时，改进算法比RCF和SPC所需的比特信噪比(Eb/N0)低了1dB。鉴于RCF方法复杂度太高，图5只比较了改进算法和SPC方法的复杂度。从图5中可以看出，改进算法1和算法2均能够获得比SPC更低的复杂度，而且算法2的复杂度更低。比如，在门限TH＝4dB时，相比SPC，算法1的乘法和加法运算次数分别下降了8.97％和16.65％，算法2则进一步降低，分别下降了17.77％和27.52％。从仿真结果看，提出的改进算法在保证优秀的PAPR抑制性能的同时能够获得更低的BER性能损失和低复杂度实现。