一種峰值平均功率比抑制方法及系統的製作方法

2023-11-04 04:52:47 3

專利名稱：：一種峰值平均功率比抑制方法及系統的製作方法
技術領域：
：本發明涉及通信
技術領域：
，尤其涉及一種峰值平均功率比抑制方法。OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交頻分復用)是——禾中特殊的多載波傳輸方案。OF匿可以被看作是一種調製技術，也可以被當作一種復用技術。OF匿具有許多其它無線通信技術所無法比擬的優越性。其中一個主要原因就是在於OFDM能夠很好地對抗頻率選擇性衰落或窄帶幹擾。同時，OFDM也是一種並行技術，可以將一個高速的數據流分割成許多低速數據流的子載波來實現一個數據速率的高速傳輸。OFDM相對於一般的多載波傳輸的不同之處是允許子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間互相正交就可以從混迭的子載波上分離出數據信息，因而頻譜效率大大提高，因而對本來無線資源就十分匱乏的無線通信來說是一種高效的傳輸技術。基於OF匿技術的無線通信系統具有許多其它技術所無法超越的優越性，主要體現在以下幾點(1)抗衰落能力強可以有效地對抗信號波形間的幹擾，適用於多徑環境和衰落信道中的高速數據傳輸，因為當信道中因多徑傳輸而出現頻率選擇性衰落時只有落在頻帶凹陷處的子載波及其攜帶的信息受到影響，而其它子載波不會受到幹擾，因此系統總的誤碼率性能要好得多；另外，還可以通過各子載波的信源信道聯合編碼使得系統性能能得到進一步提高；(2)頻譜利用率高OFDM技術基本思路就是利用多個子載波的頻譜相互重疊的頻分復用子信道並行地傳輸數據，因而與匿T技術相比具有很高的頻譜利用效率，這對頻譜資源非常稀缺的蜂窩無線通信系統而言，是非常寶貴的；(3)由於可以用傅立葉變換對來完成系統基帶的調製與解調，因而不僅簡化了均衡器的設計或根本就不需要均衡，這樣使系統的複雜度和設計更為簡單、靈活和方便；(4)可調的數據傳輸速率和能提供內部頻率分集，這就是COFDM(CodeOFDM)主要研究的內容。OF匿技術也存在著許多不足之處，主要有下列兩點(1)高的峰均功率比(Peak-to-AveragePowerRatio,PAPR)問題一直是OFDM技術的難點和關鍵問題所在，也是OF匿技術走向實用化的主要障礙。因為OF匿信號是非恆定的包絡，任何非線性的RF放大都會導致產生互調成分，從而影響鄰近帶寬的信號和系統的性能。為了提高傳輸效率和系統性能，在發送端必須考慮到信號的峰值和均值因子。若將功放輸入信號的最大幅度控制在功放的線性範圍內，則對於輸入信號的平均幅度，功放級就不能輸出較高功率，這對傳輸是非常不利的；(2)對相位噪聲、定時和頻率漂移特別敏感。精確定時，除去噪聲和減少頻偏對OFDM尤為重要，因為OFDM做不到這點，就無法正確保證OFDM各子載波之間的正交性，從而
背景技術：
：4就會不可避免的引起各子載波之間的ICI和ISI。與單載波系統相比，由於OF匿符號是由多個獨立的經過調製的子載波信號相加而成的，這樣的合成信號就有可能產生比較大的峰值功率，由此會帶來較大的峰值平均功率比(也稱峰均比)。PAPR(PeakPower,峰值功率)與平均功率值(AveragePower)之比。較高的PAPR使得0F匿發射機輸出信號的瞬時幅值有較大變化(波動)，這樣對系統的一些部件，如HPA(HighPowerAmplifier,功率放大器)、數模轉換器等要具有較大的線形動態範圍。同時，這些硬體的非線性特性反過來又降低0F匿系統的性能。可以說，峰值平均功率比問題一直以來是困擾0F匿技術走向實用化的一道屏障。峰值平均功率比可以定義為formulaseeoriginaldocumentpage5其中，Xn表示經過IFFT運算之後所得到的輸出OF匿基帶信號，即[酬X"=*§VXk為第k個子載波調製符號值。對於包含N個子信道的0F匿系統來說，當N個子信號都以相同的相位求和時，所得到信號的峰值功率就會時平均功率的N倍，因此基帶信號的峰均比可以為PAPR=101ogl。N。例如N=256的情況下，0FDM系統的PAPR=24dB。當然這是一種非常極端的情況。當前學術界討論的較多的降低0F匿峰均比的方法有限幅、編碼、壓擴法、選擇性映射(SLM)及部分傳輸序列(PTS)方法。限幅方法是一種比較簡單的降低PAPR的方法，即信號在經過非線性部件之前進行限幅，這樣可以使得峰值信號的功率降低，但是這種方法是對OF匿信號進行非線性畸變，這樣會增加系統噪聲，從而使得系統的性能下降。其次OF匿信號的非線性畸變會導致帶外輻射功率值的增加。編碼方法只選擇能夠使PAPR最小的碼本進行編碼，所以算法複雜度高且產生很多冗餘數據，特別是當子載波數較大時編碼效率非常低。編碼類技術的基本思想是只傳輸峰平比低的碼字，這可以說是最理想的方法，因為可以基本上排除非線性失真同時提高放大器的效率。由於高峰平比發生的可能性極小，因此從理論上說只需要引入適當的冗餘就可以通過編碼來降低峰平比，但是算法複雜度高且產生很多冗餘數據，特別是當子載波數較大時編碼效率非常低。壓擴法(CompressingandExpandingTransform)，又禾爾C變換(CompandingTransform)，具體做法是在通信系統的發射端，通過數值變換將信號的功率進行再次分配，即利用壓擴器中的壓縮變換和擴張變換分別降低大幅值信號的幅值和增強小幅值信號的幅值。而在通信系統的接收端則進行一個類似的逆變換，以恢復原始信號。常見的壓縮擴張變換是借用語音處理中基於P律非均勻量化的一種非線性變換函數。這種壓縮擴展方法實現起來非常簡單，而且計算複雜度也不會隨著子載波數的增加而增加，與限幅方法等一些會產生信號畸變的方法相比較，在同樣的系統性能增益的條件下，壓縮擴張技術所降低PAPR的效果也要明顯地好於剪波法等。部分傳輸序列(PTS)方法是將發送信息序列分割成U個獨立的分組，每一個分組單獨進行IFFT，然後，各個分組再利用U個輔助信息進行相位反轉，經過優化後各分組組合成PAPR較低的0F匿信號發送，同時U個輔助信息也要作為邊帶信息被發送，這就降低了頻帶利用率，而且計算量比較大，所以單獨使用PTS方法降低PAPR的能力有限。選擇性映射(SLM)是一種非畸變的方法來降低PAPR，基本思想是用U個統計獨立的向量去代表相同數據，然後再讓這U個向量同時進行IFFT，得到OF匿符號的在時域的離散採樣，分別計算這U個向量的PAPR，從這些序列中選出具有最小PAPR的向量進行傳輸。選擇性映射法的優點是不受調製方式和載波數量的限制，且不會發生信號畸變，但是同樣單獨採用SLM降低PAPR的能力有限。綜上所述，現有每一種降低PAPR的方法都存在一定的不足，為此，如何提供一種峰值平均功率比抑制方法，克服現有技術的缺陷是本領域技術人員需要解決的技術問題。
發明內容本發明在研究了以上各種降低PAPR方法的基礎上，提出了一種峰值平均功率比抑制方法，適用於多天線的LTE系統，且降低PAPR的能力遠遠好於單獨的SLM方法和壓擴法。基於空時格型碼的選擇映射算法和壓擴法相結合的降低PAPR的方法。針對以上缺點，本發明的目的是1.採用基於空時格碼的並行選擇映射(SLM)算法和壓擴法相結合的方式，解決了SLM方法降低PAPR能力有限的問題；2.在壓擴器的設計上，不採用傳統的P律壓擴，改變壓擴函數，採用誤差特徵函數的方法，改善了BER性能惡化的問題，而且兩者結合，兩次降低PAPR，仿真表明要遠遠好於單獨的SLM方法和壓擴法。本發明提供一種峰值平均功率比抑制方法，所述方法包括A、在第一個符號周期，信號序列&和&分別乘以同一個隨機向量，分別計算PAPR，記為PAPR[XJ和PAPR[X2]，隨機向量從集合中依次選取；B、依次比較乘以同一個隨機向量得到的PAPR[XJ和PAPR[X2]，將每次比較的最大值記作PAPR(X);C、比較上述PAPR(X)，選取具有最小PAPR(X)，分別記錄所述最小PAPR(X)對應的信號和X2*，以及相應的隨機向量；D、重複上述步驟直到第一個符號周期中最後一個符號；E、所有符號通過壓擴器進行處理。優選地，所述隨機向量從所述集合中選取。優選地，所述壓擴器按照如下誤差函數進行設計formulaseeoriginaldocumentpage6其中，a和b是兩個不同的控制參數，a是控制壓縮處理後信號波形幅度的參數，b是控制壓縮形狀的參數。優選地，所述集合包括1、_1、j、_j四個隨機向量。本發明還提供一種峰值平均功率比抑制系統，所述系統包括第一計算單元，在第一個符號周期，信號序列&和X2分別乘以同一個隨機向量，分別計算PAPR，記為PAPR[XJ和PAPR[X2]，隨機向量從集合中依次選取；比較單元，依次比較乘以同一個隨機向量得到的PAPR[XJ和PAPRDU，將每次比較的最大值記作PAPR(X);選取單元，比較上述PAPR(X)，選取具有最小PAPR(X)，分別記錄所述最小PAPR(X)對應的信號和X2*，以及相應的隨機向量；判斷單元，判斷是否為第一個符號周期中最後一個符號；處理單元，所有符號通過壓擴器進行處理。優選地，所述隨機序列從所述集合中選取。優選地，所述壓擴器按照如下誤差函數進行設計y=aXerf(bx)2fe—'<i/其中，a和b是兩個不同的控制參數，a是控制壓縮處理後信號波形幅度的參數，b是控制壓縮形狀的參數。優選地，所述集合包括1、_1、j、_j四個隨機向量。為解決上述問題，本發明提供的技術方案如下本法明所述方法將多個天線看成一個整體，對每個天線採用同樣的隨機序列，然後選擇使所有天線具有最小平均峰均功率比的信號進行傳輸，由於所有天線採用同樣的隨機向量，傳輸同樣的邊帶信息，大大減少了邊帶信息傳輸量，提高了邊帶信息傳輸的可靠性。本法明所述方法採用基於STTC(空時格碼)的並行選擇性映射算法和壓擴法(C變換)相結合的方式，採用兩次降低峰均比，既新穎又實用，對於多入多出天線系統，PAPR要求高的OF匿系統，本發明有很大的優越性，尤其在長期演進系統裡，涉及到基於空時格碼的並行選擇映射算法，和壓擴法的壓擴器採用的算法。為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是採用4PSK、4種狀態的空時網格編碼圖；圖2是本發明實施例峰值平均功率比抑制方法流程圖；圖3是本發明實施例峰值平均功率比抑制系統結構圖。具體實施例方式本發明在研究了以上各種降低PAPR方法的基礎上，提出了一種峰值平均功率比抑制方法，適用於多天線的LTE系統，且降低PAPR的能力遠遠好於單獨的SLM方法和壓擴法。為了便於本領域技術人員的理解，首先簡單介紹下空時格碼的編碼原理為方便說明，以圖1所示的格狀圖為例。圖1中，採用4狀態TCM編碼和4PSK星座符號。每次輸入2bit，用bk、表示k時刻的輸入，則bk—iak—工表示k-l時刻的輸入比特，也即寄存器中存儲的比特。k時刻格狀編碼的輸出用(Xlk，x2k)表示，即圖2-2(b)中格狀圖右邊的數字對。由圖2-2知，在初始狀態為0時，輸入bkEik分別為00、01、10、11時，對應的編碼輸出(Xlk，x2k)依次為(O，O)、(O，l)、(0，2)、(0，3)，狀態1、2、3時依此類推即可。由此，輸出表達式可表示成(W,4)二I,(2,0)+"w(1,0)+&(0,2)+q(0,1)(2_io)需要說明的是，輸出x,和x/分別對應於4PSK的星座點，且分別由天線1、2在k時刻同時發送。這便組成了一個2重空時格碼。當採用4PSK與8PSK星座點調製的8狀態與16狀態編碼網格，其中採用2副天線發送數據符號。每一狀態右邊的數字表示從該狀態出發，轉移到另一狀態時編碼器的輸出，第一個數字表示第一副天線上發送的星座點標號，第二個數字表示第二副天線上發送的星座點標號。其中在4PSK中星座點用03表示，而在8PSK中星座點用標號07表示。假設發射天線發送的碼字為c，且滿足C=麼、3...C，C;C》..《'....《'其中，1是一幀的長度，即在一幀時間內從nt個天線所發出的所有符號構成lXnt的矩陣為一個碼字。接收端接收到的碼字為c，且滿足C=麼、3…《'4^…《'在Rayleigh(瑞利衰落)衰落條件下，空時格碼的成對差錯概率PEP(PaiwiseErrorProbability)，艮卩屍(c一>$(fj/i,)—'(《/4iV。;r"'其中，r是矩陣A(c，e)的秩；矩陣A(c，e)中的元素為爿^^=^(《—《)(cf一P、q=1，2，…，nt;ApA2，...，Ar是矩陣A(c，e)的r個非零特徵值；rir、nt分別為接收天線數、發送天線數。這樣得到的分集增益為rnr，編碼增益為(入"A2，...，A》"、並由此得到兩個設計準則。衡量分集增益的秩準則對於nt副天線的發送分集系統，矩陣A(c，e)滿秩時將得到最大的分集增益為rw衡量編碼增益的行列式準則如果要設計ntnr重分集，那麼對所有不同的碼字對c和e，設計時應儘可能使矩陣A(c，e)的行列式的最小值最大化。對於基於MIMO(多入多出系統，即多天線系統)的0F匿系統，(比如2X2的MM0系統就是指2個發射天線，2個接受天線)如果降低峰均比是對每個天線分別採用選擇性映射的話，那麼隨著天線數量的增加，輔助信息量也將增加，將會佔用很大的系統帶寬。採用並行的選擇性映射算法可以有效的改善這一問題，首先將多個天線看成一個整體，對每個天線採用同樣的隨機序列，然後選擇使所有天線具有最小平均峰均功率比的信號進行傳輸，由於所有天線採用同樣的隨機向量，傳輸同樣的邊帶信息，大大減少了邊帶信息傳輸量，提高了邊帶信息傳輸的可靠性。但是，並行選擇映射算法需要對所有天線進行IFFT運算，具有很高的計算量。針對上述缺點，對於多天線系統，提出了基於空時格型碼的並行選擇映射算法，同時所提算法利用空時分組碼中共軛數據具有相同的峰均功率比特性，降低了系統的計算複雜度。由STTC多天線的OF匿系統的結構可知，天線上的數據在前後兩個符號周期之間具有較強的相關性，可以證明序列&和具有相同的峰均比特性，因此，本發明提出了一種基於上述特性的解決方案，顯著降低了所提算法的運算複雜度。以2根天線的MM0-0F匿系統為例，根據以下對應關係表1tableseeoriginaldocumentpage9參見圖2，該圖本發明實施例峰值平均功率比抑制方法流程圖。本發明實施例峰值平均功率比抑制方法，包括以下步驟S100、在第一個符號周期，信號序列&和X2分別乘以同一個隨機向量，分別計算PAPR，記為PAPR[XJ和PAPR[XJ，隨機向量從集合中依次選取。隨機向量可以從集合中選取。所述集合可以參見表l。S200、依次比較乘以同一個隨機向量得到的PAPR[XJ和PAPR[Xj，將每次比較的最大值記作PAPR(X)。S300、比較上述PAPR(X)，選取具有最小PAPR(X)，分別記錄所述最小PAPR(X)對應的信號和X2*，以及相應的隨機向量。由於存在多少個隨機向量，就存在著多少個作為最大值被記錄為PAPR(X)的值。比較這些值，選擇最小的一個值對應的PAPR(X)。然後記錄這個PAPR(X)對應的信號和X/，以及相應的隨機向量。S400、重複上述步驟直到第一個符號周期中最後一個符號。S500、所有符號通過壓擴器進行處理。經過步驟S400的符號，再經過壓擴器處理再一次降低了峰均比。關於壓擴器誤差函數可以這樣設計y=aXerf(bx)2(V':,a和b是兩個不同的控制參數，a是控制壓縮處理後信號波形幅度的參數，b是控制壓縮形狀的參數。不僅對小幅值信號的功率進行放大，同時也降低大幅值信號的功率，從而增強了小幅值信號的抗噪聲能力，使得經過本發明實施例所述方法處理的信號波形幅值呈現一種似均勻分布，而且可以通過合理調節相關的壓縮擴張係數以保證平均功率值保持不變。本法明實施例所述方法將多個天線看成一個整體，對每個天線採用同樣的隨機序列，然後選擇使所有天線具有最小平均峰均功率比的信號進行傳輸，由於所有天線採用同樣的隨機向量，傳輸同樣的邊帶信息，大大減少了邊帶信息傳輸量，提高了邊帶信息傳輸的可靠性。本法明所述方法採用基於STTC(空時格碼)的並行選擇性映射算法和壓擴法(C變換)相結合的方式，採用兩次降低峰均比，既新穎又實用，對於多入多出天線系統，PAPR要求高的OF匿系統，本發明有很大的優越性，尤其在長期演進系統裡，涉及到基於空時格碼的並行選擇映射算法，和壓擴法的壓擴器採用的算法。對本發明所提出的方法用Matlab(矩陣實驗室)進行性能仿真分析。在仿真中，採用CCDF(互補累積分布函數)來衡量算法的性能。系統採用QPSK調製，子載波數為N二128，10000個隨機的OFDM符號。仿真結果可以看出本發明實施例所述方法可以大幅度地降低OFDM信號的PAPR值。本發明還提供一種峰值平均功率比抑制系統，在研究了以上各種降低PAPR方法的基礎上，提出了一種峰值平均功率比抑制方法，適用於多天線的LTE系統，且降低PAPR的能力遠遠好於單獨的SLM方法和壓擴法。參見圖3所示，該圖為本發明實施例峰值平均功率比抑制系統結構圖。本發明實施例峰值平均功率比抑制系統包括第一計算單元11、比較單元12、選取單元13、判斷單元14和處理單元15。第一計算單元11，在第一個符號周期，信號序列&和&分別乘以同一個隨機向量，分別計算PAPR，記為PAPR[XJ和PAPR[X2]，隨機向量從集合中依次選取；所述隨機序列從集合中選取。比較單元12，依次比較乘以同一個隨機向量得到的PAPR[XJ和PAPR[X2]，將每次比較的最大值記作PAPR(X);選取單元13，比較上述PAPR(X)，選取具有最小PAPR(X)，分別記錄所述最小PAPR(X)對應的信號Xj和X2*，以及相應的隨機向量；判斷單元14，判斷是否為第一個符號周期中最後一個符號；處理單元15，所有符號通過壓擴器進行處理。處理單元15中壓擴器的處理，按照如下誤差函數進行設計y=aXerf(bx)〃、oJ其中，a和b是兩個不同的控制參數，a是控制壓縮處理後信號波形幅度的參數，b是控制壓縮形狀的參數。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。權利要求一種峰值平均功率比抑制方法，其特徵在於，所述方法包括A、在第一個符號周期，信號序列X1和X2分別乘以同一個隨機向量，分別計算PAPR，記為PAPR[X1]和PAPR[X2]，隨機向量從集合中依次選取；B、依次比較乘以同一個隨機向量得到的PAPR[X1]和PAPR[X2]，將每次比較的最大值記作PAPR(X)；C、比較上述PAPR(X)，選取具有最小PAPR(X)，分別記錄所述最小PAPR(X)對應的信號X1*和X2*，以及相應的隨機向量；D、重複上述步驟直到第一個符號周期中最後一個符號；E、所有符號通過壓擴器進行處理。2.根據權利要求1所述的峰值平均功率比抑制方法，其特徵在於，所述隨機向量從所述集合中選取。3.根據權利要求1所述的峰值平均功率比抑制方法，其特徵在於，所述壓擴器按照如下誤差函數進行設計y=aXerf(bx)v丌其中，a和b是兩個不同的控制參數，a是控制壓縮處理後信號波形幅度的參數，b是控制壓縮形狀的參數。4.根據權利要求1所述的峰值平均功率比抑制方法，其特徵在於，所述集合包括1、_1、j、-j四個隨機向量。5.—種峰值平均功率比抑制系統，其特徵在於，所述系統包括第一計算單元，在第一個符號周期，信號序列X工和X2分別乘以同一個隨機向量，分別計算PAPR，記為PAPR[XJ和PAPRDU，隨機向量從集合中依次選取；比較單元，依次比較乘以同一個隨機向量得到的PAPR[XJ和PAPRDU，將每次比較的最大值記作PAPR(X);選取單元，比較上述PAPR(X)，選取具有最小PAPR(X)，分別記錄所述最小PAPR(X)對應的信號和X2*，以及相應的隨機向量；判斷單元，判斷是否為第一個符號周期中最後一個符號；處理單元，所有符號通過壓擴器進行處理。6.根據權利要求5所述的峰值平均功率比抑制系統，其特徵在於，所述隨機序列從所述集合中選取。7.根據權利要求5所述的峰值平均功率比抑制系統，其特徵在於，所述壓擴器按照如下誤差函數進行設計y=aXerf(bx)gr/(x)=0v冗其中，a和b是兩個不同的控制參數，a是控制壓縮處理後信號波形幅度的參數，b是控制壓縮形狀的參數。8.根據權利要求5所述的峰值平均功率比抑制系統，其特徵在於，所述集合包括1、-1、j、-j四個隨機向量。全文摘要本發明涉及一種峰值平均功率比抑制方法，所述方法包括A、在第一個符號周期，X1和X2分別乘以同一個隨機序列，分別計算PAPR，記為PAPR[X1]和PAPR[X2]，隨機序列從集合中選取；B、比較PAPR[X1]和PAPR[X2]，將最大值記作PAPR(X)；C、重複上述步驟，選取具有最小PAPR(X)的信號X1*和X2*，同時選取相應的隨機向量；D、重複上述步驟直到天線的最後一個符號；E、所有符號再經過壓擴器處理再一次降低了峰均比。本發明在研究了以上各種降低PAPR方法的基礎上，提出了一種峰值平均功率比抑制方法和系統，適用於多天線的LTE系統，且降低PAPR的能力遠遠好於單獨的SLM方法和壓擴法。文檔編號H04L1/06GK101789924SQ20091024457公開日2010年7月28日申請日期2009年12月31日優先權日2009年12月31日發明者餘建國,高知申請人:北京北方烽火科技有限公司