正交頻分復用通信系統峰平比的幅值壓擴抑制方法
2023-04-23 19:46:16 1
專利名稱：正交頻分復用通信系統峰平比的幅值壓擴抑制方法
技術領域：
本發明涉及一種正交頻分復用通信系統峰平比的幅值壓擴抑制方法，是一種利用幅值壓擴技術在正交頻分復用通信系統中抑制信號峰值功率、降低峰平比的方法，屬於數字通信技術領域。
在OFDM通信系統中，使用在頻率上具有同步關係的多個載波來調製信號，由於各載波的包絡值統計獨立，隨著載波數的增加，疊加後信號的峰值功率與平均功率的比值，即峰平比(peak-to-average power ratio，PAPR)的數值較大。因此，調製信號的動態範圍相當大，這就要求系統中的功放具有較高的線性放大範圍，以避免傳輸信號的頻譜擴散和非線性失真，同時也要求後繼的D/A轉換器具有較大的轉換寬度，這樣就增加了系統成本和實現難度。
目前，降低OFDM通信系統信號峰平比一般有如下幾種方法直接削波、加窗、部分傳輸序列等。直接削波即把高於門限的峰值功率直接削去，它是最簡單實用的方法，但是它給系統引入了新的噪聲，並且對頻譜特性的影響較大，使帶外擴散嚴重，影響相鄰信道的信號。加窗的方法用一個窗函數對信號峰值功率進行限制，為了保證效果，需要在上採樣以後的較高速率下對信號進行處理，因此實現起來比較困難，而且它也會影響信號的頻譜特性，這一方法由Richard van和Arnout de Wild在文Reducing the Peak-to-Average Power Ratio of OFDM(IEEE VTC』98)中提出。部分傳輸序列的方法為，如果一組發送符號的時域信號幅度高於所要求的門限值，則通過一種收端已知的變換將這組符號進行變換，直到其時域信號幅度滿足要求為止，同時以非常小的代價將變換的參數發送給對方，這種方法雖然降低峰平比的效果比較好，但是它在實現上有難度，而且在調製解調端都需要有附加模塊，這種方法由Leonard J.Cimini和Nelson R.Sollenberger在文Peak-to-Average Power RatioReduction of an OFDM Signal Using Partial Transmit Sequences(IEEECOMMUNICATIONS LETTERS，VOL.4 NO.3，MARCH 2000)中提出。
為實現這樣的目的，本發明的技術方案中，在發送端，將OFDM調製後的子載波基帶信號送入壓縮單元進行幅值壓縮，降低信號峰平比，同時進行功率調整以補償幅值壓縮中造成的功率改變，在接收端進行相反的操作，對接收到的信號進行幅值擴張從而恢復出和發送端壓縮之前一樣的信號。本發明的具體操作按如下步驟進行1、發送端經過OFDM調製的I、Q兩路基帶信號送入功率調整單元以及時延補償單元進行功率調整和時延補償，具體做法為，首先根據壓縮操作使信號平均功率改變的比率對信號功率值進行調整以補償壓縮操作對信號功率造成的影響，然後在時延補償單元中調整信號通路的時延，使信號傳輸達到同步。
2、求出基帶信號幅值後送入幅值壓縮器，在其中中對信號的幅值進行壓縮操作，具體操作為將幅值乘以 ，其中m為事先確定好的參數，V為基帶信號幅值的最大值，在系統中通過實測得到，然後將上一步的結果加1取自然對數，取得的對數值與 相乘，即得到了壓縮後的幅值。
3、經過壓縮後的信號幅值除以壓縮前的幅值得到壓縮比率，將這一比率分別乘以經過功率調整以及時延補償的I、Q兩路基帶信號，從而完成發送端的壓縮操作，經過壓縮操作的信號的峰平比得到了較大的抑制。
4、在接收端將接收到的I、Q兩路基帶信號送入功率調整單元以及時延補償單元，功率調整單元的調整參數是發送端功率調整參數的倒數。
5、接收到的I、Q兩路基帶信號求出幅值後送入幅值擴張器，在其中對信號的幅值進行擴張操作，具體操作為首先將幅值乘以 ，將結果進行以e為底的指數計算後減1，最後取得的對數值與 相乘，相乘的結果即為擴張後的幅值。
6、經過擴張操作後的信號幅值除以擴張前的幅值得到擴張比率，將這一比率分別乘以經過延時補償以及功率調整後的I、Q兩路基帶信號，從而完成擴張操作。
上述操作步驟中所使用的m為壓擴參數，m值越大，降低峰平比越多，但是這一參值過大會使信號間的區分度降低但抑制峰平比的性能提升不高，因此一般取m為3到6即可得到較好的抑制峰平比效果同時保證信號區分度，如果系統對抑制峰平比要求很高，可以再適當增大m的取值。
本發明在OFDM通信系統的發送端通過壓縮使幅值較大的峰值信號基本不變，但提高了幅值較小信號的幅度，因此使信號峰值功率與平均功率的比值降低，從而抑制了系統的峰平比，另外，由於壓擴的操作過程是可逆的，因此在接收端進行與發送端相反的擴張操作後，可以恢復出發送端原有的信號，這樣就可以做到對信號幾乎沒有損傷。在本發明中並沒有像部分傳輸序列等降低峰平比方法那樣在發送的信號中加入額外的信息，所以實現的複雜程度也是比較低的。
經過在OFDM通信系統鏈路仿真中加入幅值壓擴單元進行驗證，得到的結果顯示，本發明的方法對降低系統峰平比的效果是明顯的，而且對信號的損傷非常小。與直接削波與加窗的方法相比，本發明的方法對信號的損傷要小得多，但是一樣可以達到很好的降低峰平比效果；與部分傳輸序列的方法相比，本發明不必在發送的信號中加入有關抑制峰平比的額外信息但是同樣可以做到對信號幾乎沒有損傷，因此，本發明幅值壓擴的方法具有降低峰平比效果好，而且實現難度低的特點，是降低OFDM通信系統峰平比的一個比較理想的方法。
本發明可以用於單載波OFDM通信系統、多載波OFDM通信系統，也可以應用於無線區域網如802.11系列協議以及高清晰數位電視廣播如DVB協議等採用了OFDM調製方式的通信系統中。
圖1為通過幅值壓擴技術抑制OFDM通信系統峰平比的功能框圖如圖所示，在發送端加入幅值壓縮單元的位置為OFDM調製以及IFFT之後，上採樣與成型濾波之前；在接收端加入幅值擴張單元的位置為下採樣與成型濾波之後，FFT與OFDM解調之前。
圖2為發送端的幅值壓縮單元結構。
如圖所示，經過OFDM調製的I、Q兩路基帶信號送入功率調整單元以及時延補償單元進行功率調整和時延補償的同時，求出幅值送入壓縮器，在壓縮器中對信號的幅值進行壓縮操作，首先將幅值乘以 ，所得結果加1後取自然對數，取得的對數值與 相乘，即得到了壓縮後的幅值。經過壓縮後的信號幅值除以壓縮前的幅值得到壓縮比率，將這一比率分別乘以經過功率調整以及時延補償的I、Q兩路基帶信號，從而完成發送端的壓縮操作。
圖3為接收端的幅值擴張單元結構。
如圖所示，接收到的I、Q兩路基帶信號送入功率調整單元以及時延補償單元的同時，求出幅值送入擴張器，在擴張器中對信號的幅值進行擴張操作，首先將幅值乘以 。將結果進行以e為底的指數計算後減1，然後與 相乘，即得到了擴張後的幅值。經過擴張操作後的信號幅值除以擴張前的幅值得到擴張比率，將這一比率分別乘以經過延時補償以及功率調整後的I、Q兩路基帶信號，從而完成接收端的擴張操作。
2、求出基帶信號幅值後送入幅值壓縮器在其中對信號的幅值進行壓縮操作，分為以下三步首先將幅值乘以 ＝15，其中m＝3，V＝.02。然後將上一步的結果加1，取自然對數。最後把取得的對數值與 ＝0.1443相乘，即得到了壓縮後的幅值。
3、經過壓縮後的信號幅值除以壓縮前的幅值得到壓縮比率，將這一比率分別乘以經過功率調整以及時延補償的I、Q兩路基帶信號，從而完成發送端的壓縮操作。
4、接收到的I、Q兩路基帶信號送入功率調整單元以及時延補償單元，在功率調整單元中使信號的功率增大為原來的1.538倍。
5、接收到的I、Q兩路基帶信號求出幅值後送入幅值擴張器，在其中對信號的幅值進行擴張操作，分為以下三步首先將幅值乘以 ＝6.931。然後將上一步的結果進行以e為底的指數計算後減1。最後與 ＝0.0667相乘，即得到了擴張後的幅值。
6、經過擴張操作後的信號幅值除以擴張前的幅值得到擴張比率，將這一比率分別乘以經過延時補償以及功率調整後的I、Q兩路基帶信號，從而完成擴張操作。
未進行幅值壓擴操作時，802.11a無線區域網系統的峰平比為10dB左右，經過上述壓擴操作後，系統峰平比降至7.2dB，同時系統的EVM值為-18，802.11a協議中規定在QPSK調製方式下最高EVM值為-13，考慮到為後面數模轉換及射頻等模塊留出餘量為3，即EVM值要低於-16，而-18的性能是滿足這一要求的，因此，在應用了本發明後，在保證系統性能的前提下，降低峰平比達到2.8dB，取得了很好的效果。
權利要求
1.一種正交頻分復用通信系統峰平比的幅值壓擴抑制方法，其特徵在於在發送端經過正交頻分復用調製的I、Q兩路基帶信號送入功率調整單元以及時延補償單元進行功率調整和時延補償的同時，求出幅值送入壓縮器，在其中對信號的幅值進行壓縮操作，經過壓縮後的信號幅值除以壓縮前的幅值得到壓縮比率，將這一比率分別乘以經過功率調整以及時延補償的I、Q兩路基帶信號，從而完成壓縮操作；在接收端將接收到的I、Q兩路基帶信號送入功率調整單元以及時延補償單元的同時，求出幅值送入擴張器，在其中對信號的幅值進行擴張操作，經過擴張後的信號幅值除以擴張前的幅值得到擴張比率，將這一比率分別乘以經過延時補償以及功率調整後的I、Q兩路基帶信號，從而完成擴張操作。
2.如權利要求1所說的正交頻分復用通信系統峰平比的幅值壓擴抑制方法，其特徵在於對信號的幅值進行壓縮和擴張操作的壓擴參數m取值為3到6。
3.如權利要求1所說的正交頻分復用通信系統的峰平比幅值壓擴抑制方法，其特徵在於應用於單載波、多載波以及無線區域網802.11系列協議和高清晰數位電視廣播DVB協議等OFDM通信系統中。
全文摘要
一種正交頻分復用通信系統峰平比的幅值壓擴抑制方法，在發送端經過OFDM調製的I、Q兩路基帶信號進行功率調整和時延補償的同時，求出幅值進行壓縮，壓縮後的信號幅值除以壓縮前的幅值得到壓縮比率，分別乘以經過功率調整以及時延補償的I、Q兩路基帶信號，從而完成壓縮操作；在接收端接收到的I、Q兩路基帶信號進行功率調整和時延補償的同時，求出幅值進行擴張後除以擴張前的幅值得到擴張比率，再乘以經過功率調整以及延時補償後的I、Q兩路基帶信號，從而完成擴張操作。本發明使信號峰值功率與平均功率的比值降低，從而抑制了系統的峰平比，對信號幾乎沒有損傷，實現容易，可以用於各類採用了OFDM調製方式的通信系統中。
文檔編號H04J11/00GK1392690SQ02136339
公開日2003年1月22日 申請日期2002年8月1日 優先權日2002年8月1日
發明者胡亮亮, 周躍峰, 陳柏南, 羅漢文, 宋文濤 申請人:上海交通大學