一种降低OFDM系统峰均比的压扩方法

摘要

本发明公开了一种降低OFDM系统峰均比的压扩方法。本发明通过研究信号减少的PAPR和在OFDM系统中误比特率（BER，bit error ratio）之间的关系，对它们进行折衷，从而提出了一种新的压扩方法。压扩算法是一种能够有效的降低OFDM系统峰均功率比（PAPR）的方法，在本专利中，可以设置输出信号最大的PAPR，以满足不同的系统的要求，并且根据不同的信号噪声比（SNR），从而提出压扩逆变换的标准，可以得到更好的BER性能接收机。由仿真结果表明，该方法可以显著地降低OFDM信号的PAPR，而与以前的方法相比，具有更好的光谱特性和误码率性能。

权利要求

1.一种降低OFDM系统峰均比的压扩方法，其特征在于：步骤1输入信号，对信号进行调制、串并转换，再进行反傅里叶变换、并串转换，得到OFDM信号；

步骤2根据系统要求，设置输出信号最大的峰均比PAPRmax，通过式(1)可计算出当信号为最大的峰均比时所对应的信号值xmax：2

其中式(1)中σ 表示信号的平均功率；

步骤3通过式(2)计算压扩系数β的值:

其中式(2)是根据信号概率分布函数积分为1得到的；

步骤4通过式(3)计算调幅系数α的值：

其中式(3)中调幅系数α是为了使压扩变化前后信号保持相同的平均功率；

步骤5对OFDM信号进行压扩变换，压扩变换函数为：这里压扩变换后的信号sn和压扩变换前的信号xn之间的关系可表示为：其中式(5)中∠xn为信号xn的幅角，|*|表示取绝对值，h(*)表示压扩变换函数；

步骤6在OFDM符号之间插入保护间隔，该保护间隔是由OFDM符号的循环扩展得到的；

步骤7OFDM信号通过数模转换将数字信号转换成模拟信号，再经过高功率放大器后被送入到信道中；

步骤8接收机接收到信道输出的信号，先对此信号进行模数转换将模拟信号数字化，再将OFDM符号的保护间隔去除；

步骤9根据系统BER的要求，设置信号最小信噪比SNRmin和最大信噪比SNRmax，当信号的信噪比不大于SNRmin，对信号不进行解压扩处理；当信号的信噪比不小于SNRmax，对信号进行解压扩处理；当信号的信噪比介于两者之间，对信号部分进行解压扩处理，部分不进行解压扩处理，此步骤通过式(6)可得到：其中式(6)中μ的取值范围为：0≤μ≤1，rn为接收信号，x"n为压扩变换后的信号，该压扩逆变换函数为：这里压扩变换后的信号x"n和接收信号rn之间的关系可表示为：-1

其中式(8)中K的取值范围为：0≤K≤1，|*|表示取绝对值，h (*)表示压扩逆变换函数；

步骤10先对信号进行串并转换，然后对信号进行傅里叶变换；接着对DFT变换后的信号先进行并串转换，再对信号进行解调，恢复出原信号。

说明书

一种降低OFDM系统峰均比的压扩方法

技术领域

[0001] 本发明涉及正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM）移动通信系统中对OFDM信号进行改善的技术领域，特别是涉及一种降低OFDM系统峰均比的压扩方法。

背景技术

[0002] 正交频分复用（OFDM）具有抗多径衰落、频谱利用率高和系统容量大等优点，因而已经被广泛的应用在无线通信系统，包括地面数字视频广播（DVB-T），数字音频广播（DAB），无线局域网（WLAN），全球互通微波存取（WiMAX）等领域。

[0003] 然而，OFDM信号具有高峰均功率比的缺点会迫使高功率放大器（HPA）具有大的回退，这降低了HPA的效率。为了解决这个问题，已经提出了许多解决方案，如选择映射（SLM），部分传输序列（PTS），编码，限幅和压扩。这些方法可以分为两类。

[0004] 一类是减少高PAPR的出现概率，如编码，SLM和PTS。然而，这些方法需要高的计算复杂度，一些需要边带信息（SI）来恢复原始信号，从而导致数据速率的降低。另外一类是修改发射信号的非线性失真技术，包括限幅和压扩方法。限幅方法用于PAPR的降低是最简单有效的方法，但当使用高阶调制时，限幅引入的带内失真和带外辐射会严重地降低系统的性能。压扩算法是一个简单的方法，通过改变信号的幅度来达到降低PAPR的目的，在接收端通过使用压扩逆变换函数可以恢复信号。文献“X.B.Wang,T.T.Tjhung,and C.S.Ng,“Reduction of peak-to average power ratio of OFDM system using a companding technique,”IEEE Trans.Broadcast.,vol.45,no.3,pp.303-307,Sep.1999”提出一种基于语音处理使μ律压扩方案具有更好的性能，但降低的PAPR是以增加平均功率为代价的。在参考文献“X.Huang,J.Lu,J.Zheng,et al.,“Companding transform for reduction in peak-to-average power ratio of OFDMsignals,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.3,no.6,pp.2030-2039,Nov.2004”中提出线性非对称压扩变换（LNST）的建议，然而突然跳变会降低发送信号的功率谱密度，且接收机需要边带信息（SI）才可恢复原始信号。在参考文献“T.Jiang,Y.Yang,and Y.-H.Song,“Exponential Companding Technique for PAPR Reduction in OFDM Systems,”IEEE Trans.Broadcast.,Vol.51,No.2,Jun.2005”提出了指数的压扩技术，此方案可以显著降低原始信号的PAPR，但使用高阶调制会使误码率性能严重地下降。在文献“S.-S.Jeng,and J.-M.Chen,“Efficient PAPR Reduction in OFDM Systems Based on a Companding Technique With Trapezium Distribution,”IEEE Trans.Broadcast.,Vol.57,No.2,Jun.2011”提出梯形分布扩方法，该方案可以使PAPR降低和BER性能之间做一个权衡。

[0005] 为了进一步改善信号PAPR的降低和BER性能方法，本专利提出了一个新的压扩方法。可以设置输出信号最大的PAPR，以满足不同的系统的要求。因而在用高阶调制时，设置一个相对较高的PAPR来获得较低的BER。并且根据不同的信号噪声比（SNR），从而提出压扩逆变换的标准，以达到更好的BER性能。最后，仿真结果表明，所提出的压扩方法提供了更好的PAPR降低，误码率性能和频谱特性。

发明内容

[0006] 为更有效地克服OFDM系统中存在的上述缺陷，本发明目的是提供一种可以降低OFDM系统中峰均功率比，并能更有效地应用于实际通信系统中的方法。

[0007] 本发明的创新之处在于可以设置输出信号最大的PAPR，在降低的PAPR和BER性能之间做一个权衡。因而在用高阶调制时，设置一个相对较高的PAPR来获得较低的BER。

[0008] 本发明的创新之处在于根据不同的信号噪声比（SNR），从而提出压扩逆变换的标准，以达到更好的BER性能。仿真结果表明，该方案相比于其它的压扩算法，可以实现更好的降低信号的PAPR，同时具有更好的BER性能，并降低带外频谱辐射。

[0009] 本发明是一种降低OFDM系统峰均比的压扩方法。所述方法具体过程包括以下步骤：

[0010] 步骤1输入信号，对信号进行调制、串并转换，再进行反傅里叶变换、并串转换，得到OFDM信号；

[0011] 步骤2根据系统要求，设置输出信号最大的峰均比PAPRmax，通过式（1）可计算出当信号为最大的峰均比时所对应的信号值xmax：

[0012]

[0013] 其中式（1）中σ2表示信号的平均功率；

[0014] 步骤3通过式（2）计算压扩系数β的值:

[0015]

[0016] 其中式（2）是根据信号概率分布函数积分为1得到的；

[0017] 步骤4通过式（3）计算调幅系数α的值：

[0018]

[0019] 其中式（3）中调幅系数α是为了使压扩变化前后信号保持相同的平均功率；

[0020] 步骤5对OFDM信号进行压扩变换，压扩变换函数为：

[0021] 0≤x<∞ (4)

[0022] 这里压扩变换后的信号sn和压扩变换前的信号xn之间的关系可表示为：

[0023]

[0024] 其中式（5）中∠xn为信号xn的幅角，|*|表示取绝对值，h(*)表示压扩变换函数；

[0025] 步骤6在OFDM符号之间插入保护间隔，该保护间隔是由OFDM符号的循环扩展得到的；

[0026] 步骤7OFDM信号通过数模转换将数字信号转换成模拟信号，再经过高功率放大器后被送入到信道中；

[0027] 步骤8接收机接收到信道输出的信号，先对此信号进行模数转换将模拟信号数字化，再将OFDM符号的保护间隔去除；

[0028] 步骤9根据系统BER的要求，设置信号最小信噪比SNRmin和最大信噪比SNRmax，当信号的信噪比不大于SNRmin，对信号不进行解压扩处理；当信号的信噪比不小于SNRmax，对信号进行解压扩处理；当信号的信噪比介于两者之间，对信号部分进行解压扩处理，部分不进行解压扩处理，此步骤通过式（6）可得到：

[0029]

[0030] 其中式（6）中μ的取值范围为：0≤μ≤1，rn为接收信号，x″n为压扩变换后的信号，该压扩逆变换函数为：

[0031] 0≤x<αxmax (7)

[0032] 这里压扩变换后的信号x″n和接收信号rn之间的关系可表示为：

[0033]

[0034] 其中式（8）中K的取值范围为：0≤K≤1，|*|表示取绝对值，h-1(*)表示压扩逆变换函数；

[0035] 步骤10先对信号进行串并转换，然后对信号进行傅里叶变换；接着对DFT变换后的信号先进行并串转换，再对信号进行解调，恢复出原信号。

[0036] 本发明的有益效果在于该算法可以设置输出信号最大的PAPR，在降低的PAPR和BER性能之间做一个权衡。为了改善误码率性能，根据信号噪声比（SNR）提出压扩逆变换的标准。仿真结果表明，该方案相比于其它的压扩算法，可以实现更好的降低信号的PAPR，同时具有更好的BER性能，并降低带外频谱辐射。

附图说明

[0037] 图1一种降低OFDM系统峰均比的压扩方法的流程框图；

[0038] 图2QPSK调制下OFDM系统PAPR的互补累计概率分布曲线图；

[0039] 图3QPSK调制下OFDM系统误比特率性能曲线图；

[0040] 图4QPSK调制下OFDM系统功率谱密度性能曲线图；

[0041] 图516QAM调制下OFDM系统误比特率性能曲线图；

[0042] 图664QAM调制下OFDM系统误比特率性能曲线图。

具体实施方式

[0043] 下面给出本专利的具体实施方法：

[0044] 步骤1输入信号，对信号进行调制、串并转换，如调制方式可采用QPSK或者16-QAM等方式，再进行反傅里叶变换、并串转换，得到OFDM信号；

[0045] 步骤2根据系统要求，设置输出信号最大的峰均比PAPRmax，通过式（1）可计算出当信号为最大的峰均比时所对应的信号值xmax：

[0046]2

[0047] 其中式（1）中σ 表示信号的平均功率；

[0048] 步骤3通过式（2）计算压扩系数β的值:

[0049]

[0050] 其中式（2）是根据信号概率分布函数积分为1得到的；

[0051] 步骤4通过式（3）计算调幅系数α的值：

[0052]

[0053] 其中式（3）中调幅系数α是为了使压扩变化前后信号保持相同的平均功率；

[0054] 步骤5对OFDM信号进行压扩变换，压扩变换函数是一个严格单调递增的函数，该压扩变换函数为：

[0055] 0≤x<∞ (4)

[0056] 这里压扩变换后的信号sn和压扩变换前的信号xn之间的关系可表示为：

[0057]

[0058] 其中式（5）中∠xn为信号xn的幅角，|*|表示取绝对值，h(*)表示压扩变换函数，压扩变换后不改变输入信号的幅角；

[0059] 步骤6在OFDM符号之间插入保护间隔，该保护间隔是由OFDM符号的循环扩展得到的，保护间隔要大于无线信号的最大时延扩展；

[0060] 步骤7OFDM信号通过数模转换将数字信号转换成模拟信号，再经过高功率放大器后被送入到信道中；

[0061] 步骤8接收机接收到信道输出的信号，先对此信号进行模数转换将模拟信号数字化，再将OFDM符号的保护间隔去除；

[0062] 步骤9根据系统BER的要求，设置信号最小信噪比SNRmin和最大信噪比SNRmax，当信号的信噪比不大于SNRmin，对信号不进行解压扩处理；当信号的信噪比不小于SNRmax，对信号进行解压扩处理；当信号的信噪比介于两者之间，对信号部分进行解压扩处理，部分不进行解压扩处理，此步骤通过式（6）可得到：

[0063]

[0064] 其中式（6）中μ的取值范围为：0≤μ≤1，且通过式（9）获得：

[0065] μ=1-(SNR-SNRmin)/(SNRmax-SNRmin) (9)

[0066] rn为接收信号，x″n为压扩变换后的信号，该压扩逆变换函数为：

[0067] 0≤x<αxmax (7)

[0068] 这里压扩变换后的信号x″n和接收信号rn之间的关系可表示为：

[0069]

[0070] 其中式（8）中K的取值范围为：0≤K≤1，|*|表示取绝对值，h-1(*)表示压扩逆变换函数，对接收信号rn的幅值不超过Kαxmax的进行压扩变换，对幅值超过的，保持此信号的幅角不变，用Kαxmax作为其幅值进行压扩逆变换；

[0071] 步骤10先对信号进行串并转换，然后对信号进行傅里叶变换；接着对DFT变换后的信号先进行并串转换，再对信号进行解调，要与发射端的调制相对应，恢复出原信号。

[0072] 图2OFDM系统PAPR的互补累计概率分布（CCDF）曲线显示了三种不同的压扩算法PAPR的CCDF，从这个图中我们可以看到：本专利的算法和梯形算法PAPR的减少几乎是相同的，而指数算法PAPR的性能最好。这里，PAPRmax的值设置为5dB，但是从图中我们可以看到一些OFDM符号的PAPR超过5dB，这是因为一些OFDM符号的功率被改变了（数学期望的功率是不变的）。

[0073] 图3显示了三种不同的压扩算法的BER性能比较，可以看出，本专利所提出的压扩算法的BER性能优于其它压扩算法。图4显示了三种不同的压扩算法的功率谱密度（PSD），可以看出，本专利所提出的压扩算法相比于其它压扩算法具有较少的带外辐射，因此，本专利所提出的压扩算法在下级信道中干扰较小。

[0074] 图5和图6显示了不同压扩算法在16QAM和64QAM调制的BER性能。可以看出，指数压扩算法有坏的BER性能，即使在高SNR的情况下。在16QAM调制下，本专利所提出的压扩算法的BER性能比梯形算法好；在64QAM调制下，当Eb/N0<18dB时，本专利所提出的压扩算法的BER性能比梯形算法好，当Eb/N0>18dB时，本专利所提出的压扩算法的BER性能比梯形算法稍差。