基於窗函數加權的峰均比(papr)抑制的方法
2023-04-30 04:26:21 3
專利名稱：基於窗函數加權的峰均比(papr)抑制的方法
技術領域：
本發明涉及正交頻分復用(OFDM)技術。
背景技術：
眾所周知地，峰均比(Peak-to-Average Power Ratio)問題是所有使用OFDM技術的系統、裝置和設備的瓶頸。它直接影響了系統的性能和效率，並最終導致了設備成本的顯著增加。
OFDM技術中PAPR的產生可以用一個簡單的原理進行說明。在某一個時間點上，如果裝載在大量子載波的符號信息被同相相加，則在時域上產生了與OFDM符號均值相比很大的峰值。這就需要系統發射端的功率放大器(Power Amplifier)具備相當大的線性動態範圍，否則一旦這樣的峰值進入到PA的非線性區域，將導致信號的失真和交調。更嚴重的是，這將導致子載波間正交性的喪失和頻譜的帶外洩漏，從而嚴重影響系統性能。另一方面，PA的大線性動態範圍是以低放大效率以及格外昂貴的成本作為代價的。然而，在移動通信系統特別是上行鏈路上，傳輸能量的受限要求PA有很高的放大效率。
現有的降低PAPR的技術方案，主要包含部分傳輸(PartialTransmission)、選擇性映射(Selective Mapping)、基於脈衝成型(Pulse Shaping)、音調注入(Tone Injection)、音調預留(ToneReservation)和限幅(Clipping)等方法。而相關專利和文獻中出現的其他方法為這幾種基本方法的變形與改進，並無本質上的差別。
在上述傳統方法中，限幅方法是最為簡單和直接的方法。然而，其非線性的運算將導致信號產生不必要的畸變和失真。
音調注入和音調預留的方法雖然可以降低系統的PAPR值，但是會顯著增加信號的平均功率，顯然對於功率受限的終端來說是不適合的。
部分傳輸和選擇性映射方法可以獲得比較好的PAPR性能，並且不會帶來信號的任何失真，然而其龐大的計算量對於終端來說也是不合適的。
僅就PAPR性能來說，基於脈衝成型技術的處理方法是最好的，在獲得令人滿意的通信質量條件下可以獲得非常理想的PAPR性能。然而，該方法在PAPR性能上的增益是以犧牲系統頻率效率為代價的，因而也需要進行相應的改善。
發明內容
因此，本發明的目的提供一種通信鏈路的峰均比抑制方法，包括步驟輸入子載波集合；對輸入的子載波進行擴展對擴展後的子載波集合進行IDFT變換；以及形成OFDM符號並輸出。
本發明的方法在不改變系統其他性能的前提下，能夠有效地降低系統發射端的PAPR。此外，本發明的方法通過窗函數的使用，既避免了利用升餘弦脈衝成型技術造成的帶寬利用率的下降，又可以簡單、實用地應用於終端之中，同時其系統性能並不受影響。
圖1為採用基於加權抑制PAPR方法的OFDM系統的發射機原理2為用於降低PAPR的窗函數的子載波-時間軸的二維表示圖；圖3為用於降低PAPR的漢寧窗的時間函數；圖4為用於降低PAPR的布萊克曼窗的時間函數；圖5為基於窗函數加權算法的原理圖；圖6為N個子載波條件下該方法的實現過程；圖7為在發射機端本發明對PAPR的處理過程；圖8為在接收端有用信息的恢復過程與方式；圖9、10和11分別給出了在子載波數目分別為16、64和128條件下，Pr(PAPR＞PAPR0)的累積分布密度函數(CCDF)，而窗函數為漢寧窗，調製方式為QPSK；圖12示出了在子載波數目為16、調製方式為QPSK以及布萊克曼窗函數條件下，PAPR的CCDF結果；以及圖13示出了子載波數目為16、窗函數為漢寧窗且調製方式為16QAM時PAPR的CCDF結果。
具體實施例方式
具體地說，較好的上行鏈路PAPR解決方案應當具備以下性質1、頻譜效率儘可能高；換句話說，對系統PAPR的改善儘量不應以犧牲頻譜效率為代價；在基於脈衝成型的方法中，其升餘弦濾波器的利用降低了頻譜的使用效率(經過該方法處理後，其有效帶寬為原始帶寬的1/(1+β)，其中β為升餘弦濾波器的滾降係數)。
2、原有的系統性能儘可能地得到保持；即系統應當儘可能地保持諸如誤符號率(SER)、誤比特率(BER)等質量參數在內的原有系統性能。
3、處理方法有效(Effective)和實用(Practical)；要求解決方案在有效降低系統PAPR的條件下，儘可能地減少計算複雜度和計算成本。
根據以上準則，在本發明中，給出了一種基於窗函數加權的改善PAPR的解決方案。圖1中給出了廣義的基於函數加權方法的OFDM系統發射機原理圖。
如圖1所示，基於函數加權方法傳送的OFDM的符號可以表示為x(t)=m=0N-1X(m)pm(t)ej2mtT---(1)]]>其中，Xn(m)為調製在子載波m上的數據，T為OFDM符號的長度。pm(t)為對應於子載波m的時間加權波形，其持續時間與OFDM符號完全相等。
在處理方法中，將加權函數Pm(t)設計為窗函數，並且是子載波的函數，如下式表示pm(t)＝w(m-t)(2)其中，w(t)為標準的窗函數，如漢寧窗或者布萊克曼窗。可以利用一個子載波-時間的二維函數圖上來清晰地表達(2)的形式，如圖2所示。舉例來說，圖3和圖4給出了當窗函數w(t)分別為漢寧窗和布萊克曼窗時，不同子載波的不同波形。
從結果中不難看出，對於每一個子載波，其時域的峰值均不在同一位置上，因此可以有效地降低OFDM符號的PAPR值。更重要的是，窗函數是典型的窄帶波形，因而它基本上不會改變頻譜利用率。
圖5給出了本發明方法的設計原理。在圖中，「1」代表單個子載波m在時域上為一個矩形函數，也就是說在各個時間變量上有相同的加權。這裡漢寧窗函數為例，在「2」中子載波m經漢寧窗函數的加權後為三根譜線。即，時域上則是一個非矩形函數，也就是說，在不同的時間變量上有不同的加權。實際上在時域就是漢寧窗函數的形式。在「3」中，如果在子載波k上乘以時間位移因子 ，它時域上的波形就成為右邊的形狀。同「2」相比，它的峰值經時間位移而不再在原來的位置上。因此，若且唯若子載波位置不同的時候，其在時域上的峰值位置也不同。顯然，本發明並不局限於此，可以使用其它窗函數對子載波進行加權。
本發明的構成包含七個部分(如圖7所示)1.子載波的輸入部分；此部分將原有子載波集合按照原有的順序輸入到本發明的其他處理模塊中；2.子載波擴展部分；此部分捋每一個子載波擴展複製為窗函數的傅立葉變換後頻域主瓣中的譜線。例如，將原有的每一個子載波擴展為三根譜線，該三根譜線的形式可以由漢寧窗函數的離散傅立葉變換中主瓣中的三根譜線進行複製。此外，這三根譜線將同時承載與原有對應子載波完全相同的信息。
3.時間位移調整部分；對於每一個子載波，需要進行相應的時間位移因子的調整，從而使得它們在時域中的峰值出現在不同的位置上。
4.IDFT處理部分；在該部分中，對子載波集合進行M倍於輸入子載波數目的IDFT處理，並採用輸入子載波數目的點數作為OFDM符號的採樣點，其中根據對輸入的子載波進行擴展的步驟來確定M的取值。這裡，對擴展後的子載波集合做3倍的IDFT變換。
5.序列截取部分；為保證獲得與原有OFDM符號相同的採樣間隔和符號長度，需要將處理後的時間序列進行截取，取前N點作為輸出。
6.形成OFDM符號部分；根據輸入的N點採樣，和原有OFDM符號的採樣率，形成OFDM符號，做進一步處理。
7.數據輸出部分；將經過該方法處理後形成的FODM符號輸出到下一級處理，如D/A轉換等。
作為實施例，圖6給出了在N個子載波條件下該方法的具體實現過程，該過程亦可以通過以下公式予以說明。
x(n)=m=03N-1[X-(m)ej2m(k+3N2)3N]ej2kTt,n=0,1,......,3N-1---(3)]]>其中k＝m/3(4)且X-(m)=residualofm/3=2,=X(k)H0residualofm/3=0,=X(k)H1residualofm/3=1,=X(k)H2m=0,1,...,3N-1---(5)]]>應當指出的是，H0，H1和H2漢寧窗函數傅立葉變換後主瓣中三根譜線的複數值。
進而，圖7給出了本發明PAPR抑制方法的流程圖。在子載波的輸入部分，將原有的子載波集合按照原有的順序輸入到本發明的其他處理模塊中。在子載波擴展部分，將原有的每一個子載波擴展為三根譜線，該三根譜線的形式可以由漢寧窗函數的離散傅立葉變換中主瓣中的三根譜線進行複製。此外，這三根譜線將同時承載與原有對應子載波完全相同的信息。在時間位移調整部分，對於每一個子載波，需要進行相應的時間位移因子的調整，從而使得它們在時域中的峰值出現在不同的位置上。在IDFT處理部分，對擴展後的子載波集合做3倍的IDFT變換。在序列截取部分，為保證獲得與原有OFDM符號相同的採樣間隔和符號長度，需要將處理後的時間序列進行截取，取前N點作為輸出。而在形成OFDM符號部分，根據輸入的N點採樣，和原有OFDM符號的採樣率，形成OFDM符號，做進一步處理。
在接收機一側，必須做3N點的DFT處理，而信號的恢復形式可以參照以下表示。
Y(p)=n=0N-1x(n)e-j23Nnp]]>=n=0N-1[m=03N-1X-(m)ej23Nmn]e-j23Nnp---(6)]]>=m=03N-1X-(m)[n=0N-1ej2N[(m-p)3]n]]]>從中不難發現若且唯若m＝p，同時m和p可以被3整除，則有Y(3l)=X-(3k)=X(3k),]]>l，k＝0，1，…，N-1(7)為了更加清晰的進行描述，用圖8來對此做更加詳細的說明。在圖8中，N個帶「白帽子」的子載波是可以得到並希望得到的真實信息。而帶著「灰帽子」的2N個子載波是插值結果，因為這僅僅是為了降低PAPR而做的一些變換，因此在接收端可以予以丟棄」。
最後，為了驗證該方法對PAPR改善的有效性，給出一個詳細的仿真。具體的仿真條件如表1所示。
表1仿真條件描述
相應地，圖9、10和11給出了在子載波數目分別為16、64和128條件下，Pr(PAPR＞PAPR0)的累積分布密度函數(CCDF)，而窗函數為漢寧窗，調製方式為QPSK。
從仿真結果中不難發現，隨著子載波數目的不斷增多，原有OFDM系統的PAPR是不斷惡化的。然而，本發明中給出的方法表明，該方法的PAPR性能與子載波數目無關，而僅僅是窗函數的函數，在CCDF為10-3的條件下，PAPR的改善均為6dB。
圖12給出了在子載波數目為16，調製方式為QPSK以及布萊克曼窗函數條件下，PAPR的CCDF結果。從結果中可以看出，該窗函數可以得到與漢寧窗相類似的結果。
圖12窗函數為布萊克曼窗、子載波數目16時PAPR的CCDF圖13給出了子載波數目為16，窗函數為漢寧窗，而調製方式為16QAM時PAPR的CCDF結果。從中可以得出結論，本發明中給出的方法對於PAPR性能的改善與調製方式無關。
從上述仿真結果中可以得出結論，本發明中給出的方法對於PAPR性能的改善是相當有效的，且同時可以保證系統原有的傳輸性能以及頻譜效率。
權利要求
1.一種通信鏈路的峰均比抑制方法，包括步驟輸入子載波集合；對輸入的子載波進行擴展；對擴展後的子載波集合進行IDFT變換；形成OFDM符號並輸出。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，對輸入的子載波進行擴展步驟包括將每一個子載波擴展複製為窗函數的傅立葉變換後頻域主瓣中的譜線；以及對於每一個子載波，進行相應的時間位移因子調整，以使其在時域的峰值出現在不同位置。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，複製得到的所有譜線上均承載與輸入子載波上完全同樣的信息，對每一個子載波進行同樣的複製和信息加載，並按照原有順序排列。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述時間位移調整處理包括對每一個擴展後的子載波組進行時間位移因子加權。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，對子載波集合進行M倍於輸入子載波數目的IDFT處理，並採用輸入子載波數目的點數作為OFDM符號的採樣點，其中根據對輸入的子載波進行擴展的步驟來確定M的取值。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述通信鏈路包含上行鏈路和下行鏈路。
全文摘要
提供了一種通信鏈路的峰均比抑制方法，包括步驟輸入子載波集合；對輸入的子載波進行擴展；對擴展後的子載波集合進行IDFT變換；以及形成OFDM符號並輸出。本發明的方法在不改變系統其他性能的前提下，能夠有效地降低系統發射端的PAPR。此外，本發明的方法通過窗函數的使用，既避免了利用升餘弦脈衝成型技術造成的帶寬利用率的下降，又可以簡單、實用地應用於終端之中，同時其系統性能並不受影響。
文檔編號H04L27/26GK1996979SQ20051013075
公開日2007年7月11日 申請日期2005年12月28日 優先權日2005年12月28日
發明者梁宗闖, 王家城, 具珍奎, 樸東植 申請人:北京三星通信技術研究有限公司, 三星電子株式會社