一种基于差分进化算法的ofdm系统峰均比抑制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通信传输领域，具体涉及一种基于差分进化算法的0FDM系统峰均比抑 制方法。
【背景技术】
[0002] 缩略语和关键术语定义
[0003] 峰均比：Peak_t〇-average power ratio(PAPR)
[0004] 正交频分复用：0rthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)
[0005] 误差向量幅度：Error vector magnitude(EVM)
[0006] 差分进化算法〖Differential evolution(DE)
[0007] 误码率：Bit error rate(BER)
[0008] 优化的迭代限幅和滤波〖Optimized clipping and filtering(OICF)
[0009] 正交幅度调制〖Quadrature amplitude modulation(QAM)
[0010] 正交相移键控：Quadrature phase-shift keying(QPSK)
[0011 ]互补累计分布函数：Complementary cumulative distribution function(CCDF) [0012] OFDM技术已被公认将作为4G移动通信系统中的核心传输技术。OFDM技术采用多个 相互正交的子载波进行业务的传输，在整个传输频带内，各个子载波的频谱相互重叠，这样 不但能够大大提高系统的频谱利用效率，而且高速的数据流可以通过串并变换被分配到传 输速率相对较低的各个子载波上进行传输，这样传输数据在时域内符号周期上的扩展使得 0FDM技术能有效抵抗无线信道多径时延的引起的衰落。实际上，现在0FDM技术已经在地面 无线广播系统中和无线宽带接入系统中得到了广泛的应用，如D V B - T (陆地数字视频广 播）、WLAN(无线本地局域网）、DTMB(地面数字电视多媒体广播)等。
[0013] 0FDM属于多载波通信技术，由于经过0FDM调制输出的时域信号是由多个子载波信 号相加而成的，这些子载波之间相互独立，当这些载波上的信号相位相同时，会产生远大于 信号平均功率的瞬时功率，这样就会出现较大的峰值平均功率比。较高的峰均比会降低发 射机内功率放大器的工作效率，增加 A/D和D/A转换器实现的复杂度;如果具有较大功率的 信号超过了放大器的动态范围，则经过放大器后信号会产生畸变，破坏了子载波间的正交 性，导致整个系统性能下降。
[0014] 近年来针对0FDM信号的高峰均比问题已进行了大量的研究，提出了许多抑制峰均 比的方法，包括限幅法、选择性映射、部分传输序列、预编码、星座图扩展方法等。但这些方 法往往十分繁琐，特别是子载波数量很大时，很多方法都不实用。限幅滤波是最简单且实际 使用最广泛的方法。然后直接对信号进行限幅滤波会导致带内信号衰减和带外信号的辐 射，同时需要采用多次迭代滤波才能把系统的PAPR降低到指定的门限值以下。Wang，Y2011 年在IEEE transactions on communications上发表论文optimized iterative clipping and filtering for paper reduction of OFDM signals，提出采用凸优化的方法优化迭 代和滤波，从而减小迭代的次数。然而文中用内点法去求解凸优化问题，使得问题的计算复 杂度达到〇(N3)。如此高的计算复杂度，使得这个方法无法在实际的系统中真正推广使用。
[0015] 现有技术一的技术方案
[0016] 一种基于自适应EVM的信号峰均比降低方法。【申请号】200810045331.1。
[0017]方案简介（图1):是一种基于自适应EVM的信号峰均比降低方法，包括对计算符号 的PAPR值、计算符号的最大EVM值等步骤组成。本发明利用或针对EVM均值取得较大对峰均 比的抑制会更好，同时信号出现高峰均比的可能性较小，更多时候峰均比都较低的特点， 对峰均比较大的输入信号采用较高EVM来处理;而对峰均比较小的输入信号采用较小的EVM 来处理，从而保证了所有符号的平均EVM不超过系统要求的门限EVM的条件下，尽可能的抑 制出现高峰均比的那些符号。该方法实现简单只需要进行简单的限幅和带内外噪声限制； 对PAPR的抑制效果明显;无需对接收机做任何改动;无需传送任何副信息;适用范围广，能 用于对EVM和PAPR同时有要求的系统，如0FDM或CDMA等。
[0018]现有技术一的缺点
[0019] 1.需要在系统建立时通过大量的仿真数据建立EVM与最优CR关系表。
[0020] 2.每次迭代过程，需要查询事先通过仿真建立的EVM与最优CR关系表，找到本次迭 代最优的限幅率，进行限幅。
[0021 ] 3.需要事先建立带外噪声限幅频谱模板。
[0022] 4.需要采用多次迭代限幅和带内外噪声限值的处理，才能达到降低峰值平均功率 比的目的。
[0023]现有技术二的技术方案（图2)
[0024]传统的迭代和限幅滤波方法会导致带外信号频谱重新增长和带内衰减。信号带内 衰减会导致系统误码率增加。本技术使用凸优化方法设计取代每次迭代过程中频域响应矩 形滤波器。通过设计的优化滤波器可以最小信号的EVM，同时保证信号的PAPR低于给定的 值。
[0025]现有技术二的缺点 [0026] 1.仍然需要迭代的过程。
[0027] 2.该方案用内点法来解决优化滤波器设计的凸优化问题。凸优化问题是求得全局 最优解，系统的时间复杂度过高，达到〇(N3)，无法在需要实时处理的实际系统中实现。
【发明内容】
[0028]本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于差分进化算法的0FDM系统峰均比抑 制方法，用以解决系统的时间复杂度过高的问题，具体如下：
[0029] l.(FDM系统中，一个多载波信号是多个独立子载波信号的叠加。假设每个子载波 上传输的数据符号为一个离散时间信号x(n)，通常可以被表示为：
[0030]
[0031] 其中X(k)是16-QAM调制信号，L是过采样因子。通常认为，过采样因子L = 4可以取 得近似于连续时间信号的效果。
[0032]对于离散时间信号x(n)，PAPR值可以定义为：
[0033]
[]代表数学期望。
[0034] 2.迭代限幅和滤波
[0035]限幅法的基本思想是预定限幅门限，对0FDM信号包络超过门限的部分进行直接削 除。限幅法可以有效抑制信号峰均比，并且，由于其复杂度低，效果明显而成为目前应用最 为广泛的峰均比抑制方案之一。
[0036]传统的限幅算法就是输入信号的峰值超过某一门限时，就把信号限制在设定门限 上，如果比该门限值低，则直接通过。
[0037]限幅后的信号可以表示为：
[0038]
[0039] 但是，由于限幅是一个非线性过程，同样会导致带内失真和带外辐射，从而降低整 个系统的误码率性能和频谱效率。限幅后滤波可以降低带外频谱干扰，但这又将导致峰值 再生。为了避免这种情况，可采用图3的方式处理。
[0040] 首先用更长的IFFT把输入数据向量从频域过采样转换到时域。对于给定的过采样 因子J，在频域数据向量的之间添加 N(J-l)个0来扩充原来的数据向量，在IFFT变换后实现 时域信号的内插。接着对插值后的信号进行限幅。由于限幅为非线性过程，故它会带来带内 噪声和带外干扰。为了消除带外干扰，必须对限幅后的信号进行滤波。虽然滤波会导致峰值 再生，但比限幅前的信号峰值要小得多。为了尽可能可以通过多次的限幅滤波过程来进一 步降低信号的峰值。
[0041] 在多次迭代限幅滤波过程中，会导致信号带内衰减和带外的辐射，所以定义误差 矢量幅度EVM来对信号进行约束。
[0042] 对于一个0FDM符号，其EVM可以定义为：
[0043]
[0044]如果传输信号满足EVM约束，则接收端可以正确恢复数据。
[0045] 3.将PAPR优化问题定义为一个约束优化问题。
[0046]在满足EVM和PAPR约束的情况下，在局部范围内搜索到一个可行解，使得时间和硬 件的复杂度最小，从而能够成功应用于实际系统。
[0047] 4.新问题定义：
[0048] 问题:硬件可行的PAPR优化问题
[0049] 输入:原始的时域信号x(n)，PAPR设定的门限值PAmax，EVM设定的门限值Emax。
[0050] 输出：优化后准备发