專利名稱：正交頻分復用通信系統(tǒng)的峰平比抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種正交頻分復用通信系統(tǒng)的峰平比抑制方法，是一種在通信系統(tǒng)中抑制信號峰值功率、降低峰平比的方法，屬于數(shù)字通信技術(shù)領(lǐng)域。
在OFDM通信系統(tǒng)中，使用在頻率上具有同步關(guān)系的多個載波來調(diào)制信號，由于各載波的包絡值統(tǒng)計獨立，隨著載波數(shù)的增加，疊加后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(shù)值較大。因此，調(diào)制信號的動態(tài)范圍相當大，這就要求系統(tǒng)中的功放具有較高的線性放大范圍，以避免傳輸信號的頻譜擴散和非線性失真，同時也要求后繼的D/A轉(zhuǎn)換器具有較大的轉(zhuǎn)換寬度，這樣就增加了系統(tǒng)成本和實現(xiàn)難度。
目前，降低OFDM通信系統(tǒng)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。直接削波即把高于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(tǒng)引入了新的噪聲，并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(shù)對信號峰值功率進行限制，為了保證效果，需要在上采樣以后的較高速率下對信號進行處理，因此實現(xiàn)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 Ratioof OFDM(IEEE VTC’98)中提出。部分傳輸序列的方法為，如果一組發(fā)送符號的時域信號幅度高于所要求的門限值，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(shù)發(fā)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(xiàn)上有難度，而且在調(diào)制解調(diào)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 Ratio Reduction of anOFDM Signal Using Partial Transmit Sequences(IEEE COMMUNICATIONS LETTERS，VOL.4 NO.3，MARCH 2000)中提出。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用預測削波的方法來降低系統(tǒng)峰平比，首先將OFDM調(diào)制的子載波基帶信號送入預測器，先計算出基帶信號點的幅值，對OFDM通信系統(tǒng)上采樣后的點的峰值進行預測，根據(jù)預測的結(jié)果判斷削波操作中需要減少的信號功率值，再根據(jù)這些參數(shù)對基帶信號進行削波操作，削波之后的信號送至上采樣和成型濾波單元，然后通過模擬正交調(diào)制達到射頻端，完成OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)送工作。本發(fā)明的具體操作按如下步驟進行1、對上采樣后的點的峰值進行預測。
預測削波的方法首先需要對OFDM通信系統(tǒng)上采樣后的點的峰值進行預測，具體做法為，將調(diào)制以后的基帶信號送入預測單元，當OFDM系統(tǒng)上采率為n時，將輸入的每兩個相鄰信號點中插入(n-1)個零點，然后把信號幅值與成型濾波器的系數(shù)進行短卷積，即對每一個信號點的計算只計及當前信號點之前的i個一倍速信號點與之后的j個一倍速信號點對當前點的影響，這樣得到的結(jié)果即為該點對應的上采樣后信號點的預測值M。之所以能夠用這種方法進行預測，是因為上采樣和成型濾波一起，可以等效為一定階數(shù)的FIR濾波器，F(xiàn)IR的最終輸出結(jié)果可以看作輸入序列中單個數(shù)據(jù)的單位沖擊響應的線性加和。一倍速輸入基帶幅值數(shù)據(jù)形成各自的沖擊響應，上采后的輸出點實際是相鄰的眾多一倍速點的沖擊響應的線性加權(quán)，因此我們可以通過相鄰的幾個低倍速點的幅值，以較高的精度預測出高倍速點的幅值。上面提到的i和j為參與預測的一倍速上當前點之前和之后點的個數(shù)。顯然，增大i和j會提高預測的精度，但將增加預測算法的復雜程度，這取決于系統(tǒng)實現(xiàn)的精度要求，一般取i＝j＝5。FIR濾波器的系數(shù)按照45階根升余弦濾波器計算得到并且保存下來，實現(xiàn)過程中直接調(diào)用。
2、判斷在削波操作中需要減少的信號功率值經(jīng)過預測后，需要根據(jù)預測的結(jié)果判斷后面將要進行的削波操作的參數(shù)，即在削波操作中需要減少的信號功率值，具體做法為，預測出四倍速上點A1的幅值M后，根據(jù)預先定好的門限值Th，對M的值進行判斷，如果它大于Th，則對其相鄰點進行削波操作，反之則不做任何處理。在削波操作中，A1的幅度需要被削去M-Th，即削波后與削波前A1幅度的比值為η=ThM]]>這樣就得到了削波操作中需要減少的信號功率比值η，即削波操作中將把A1前后若干相鄰點的幅度乘以系數(shù)η，具體點數(shù)多少根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)中的精度要求決定，一般取前1點后2點。
3、根據(jù)預測的結(jié)果對基帶信號進行削波操作。
在前面兩步操作中得到需要進行削波操作的點以及需要降低的信號功率比率后，要根據(jù)這些參數(shù)對基帶信號進行削波操作，由于預測過程中出現(xiàn)的都是信號的幅值量，但在削波操作時面對的是I、Q路的數(shù)據(jù)，因此要把削波操作過程映射到I、Q路上去。
對I、Q兩路信號進行處理的方法為，把I、Q兩路相應的數(shù)值按比例減小，也就是乘以系數(shù)η，這樣實現(xiàn)起來比較簡單，也可以保證I、Q兩路的合成矢量相角不變。具體操作中，得到需要進行削波操作的一倍速點后，要將這些信號點的I、Q路數(shù)值都同步乘以η值。
4、經(jīng)過預測削波處理后的信號送至上采樣和成型濾波經(jīng)過預測削波處理后的信號，在上采樣和成型濾波之后的峰平比基本能夠達到要求，而且在操作過程中可以根據(jù)需要更改門限值，可以確保降低峰平比的效果達到系統(tǒng)設計的目標。進行預測削波之后的信號將送至上采樣和成型濾波單元，然后通過模擬正交調(diào)制達到射頻端，從而完成OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)送工作。
以上是單載波OFDM通信系統(tǒng)中預測削波降低峰平比的方法，當OFDM通信系統(tǒng)為多載波時，這一方法也可應用。多載波系統(tǒng)中，不同載波信號的相位不盡相同，因此合路后的傳輸信號是各載波信號的矢量合成，如果要將合路后信號的峰值由M降低為Th，由幾何相似的關(guān)系，各載波的信號矢量只要在原相位情況下幅值變?yōu)樵瓉淼?倍，就可以達到精確降低系統(tǒng)峰平比的目的，并且合路后的信號相位不變。
本發(fā)明在OFDM調(diào)制過程的上采樣以及成型濾波器之前的低倍速階段對上采樣后的信號峰值包絡進行預測，然后根據(jù)預測的結(jié)果對低倍速信號進行相應的處理，從而保證上采樣和成型濾波后的信號具有較低的峰平比。這一方法實施于成型濾波器之前，因此對調(diào)制后信號的頻譜性能幾乎沒有影響；而且由于是在低倍速上進行處理，因此實現(xiàn)起來的難度和成本也比較低；同時由于相關(guān)的處理是在對成型濾波后的信號包絡進行較精確的預測后進行的，因此可以把對信號的損害程度減到最小。
經(jīng)過在OFDM通信系統(tǒng)鏈路仿真中加入預測削波單元進行驗證，得到的結(jié)果顯示，本發(fā)明預測削波的方法對降低系統(tǒng)峰平比的效果是明顯的，而且對信號的損傷比較小。與直接削波的方法相比，本發(fā)明的方法對信號的損傷，尤其是對頻域性能的損傷要小得多，但是效果基本相同；與加窗、部分傳輸序列、編碼壓縮等方法相比，本發(fā)明的方法不但降低峰平比的效果好，而且實現(xiàn)難度要低得多，因此，預測削波是降低OFDM通信系統(tǒng)峰平比的一個比較理想的方法。
本發(fā)明可以用于單載波OFDM通信系統(tǒng)、多載波OFDM通信系統(tǒng)，也可以應用于無線局域網(wǎng)如802.11系列協(xié)議實現(xiàn)過程中，以及在實現(xiàn)高清晰數(shù)字電視廣播如DVB協(xié)議過程中。


圖1為本發(fā)明預測削波方法功能框圖。
如圖所示，本發(fā)明先對I、Q兩路基帶信號求幅值，然后與濾波器的系數(shù)進行短卷積，根據(jù)得到的結(jié)果計算削波操作的參數(shù)，將參數(shù)傳遞到削波操作單元，分別把這一參數(shù)與I、Q兩路信號相乘，然后將信號傳遞到上采樣與成型濾波單元。
圖2為本發(fā)明預測削波方法應用于單載波OFDM通信系統(tǒng)功能框圖。
如圖所示，本發(fā)明將OFDM調(diào)制所得的I、Q兩路基帶信號進行預測以及削波操作，得到的信號進行上采樣與成型濾波，然后通過模擬正交調(diào)制送至射頻端。
圖3為本發(fā)明預測削波方法應用于多載波(以兩載波為例)OFDM通信系統(tǒng)功能框圖。
如圖所示，本發(fā)明先將每一個載波的基帶信號都送入預測器，預測各個載波在高倍速上疊加后的峰值功率，根據(jù)結(jié)果進行相應的參數(shù)計算，然后把得到的參數(shù)與各路載波的基帶信號分別相乘，經(jīng)過以上處理的各個載波的信號分別進行上采樣與成型濾波，然后通過模擬正交調(diào)制送至射頻端。
將輸入的每兩個相鄰信號點中插入2個零點，然后把信號幅值與成型濾波器的系數(shù)進行短卷積，即對每一個信號點的計算只計及當前信號點之前的5個一倍速信號點與之后的5個一倍速信號點對當前點的影響，這樣得到了該點對應的上采樣后信號點的預測值M。
2、判斷在削波操作中需要減少的信號功率值預測出3倍速上點A1的幅值M后，根據(jù)預先定好的門限值Th＝1700，對M的值進行判斷，如果它大于1700，則對其相鄰點進行削波操作，反之則不做任何處理。在削波操作中，A1的幅度需要被削去M-1700，即削波后與削波前A1幅度的比值為η=1700M]]>這樣就得到了削波操作中需要減少的信號功率比值η，在削波操作中，將A1前面1個點和后面2個點的幅度乘以系數(shù)η。
3、根據(jù)預測的結(jié)果對基帶信號進行削波操作。
得到需要進行削波操作的1倍速點后，將這些信號點的I、Q路數(shù)值都同步乘以η值，從而完成削波操作。
4、經(jīng)過預測削波處理后的信號送至上采樣和成型濾波進行預測削波之后的信號送至上采樣和成型濾波單元，然后通過模擬正交調(diào)制達到射頻端，從而完成OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)送工作。
未進行預測削波時，802.11a無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的峰平比為10dB左右，經(jīng)過上述預測削波操作后，系統(tǒng)峰平比降至7dB，同時系統(tǒng)的EVM值為-22.6，802.11a協(xié)議中規(guī)定最高EVM值為-19，考慮到為后面射頻等模塊留出余量為3，即EVM值要低于-22，因此，在應用了本發(fā)明后，在保證系統(tǒng)性能的前提下，降低峰平比達到3dB，取得了很好的效果。
權(quán)利要求
1.一種正交頻分復用通信系統(tǒng)的峰平比抑制方法，其特征在于包括如下步驟1)在上采樣以及成型濾波器之前的低倍速階段，對上采樣后的信號峰值包絡進行預測，將調(diào)制以后的基帶信號送入預測單元，把信號幅值與成型濾波器的系數(shù)進行短卷積，即對每一個信號點的計算只計及當前信號點之前的i個一倍速信號點與之后的j個一倍速信號點對當前點的影響，得到該點對應的上采樣后信號點的預測值M；2)若預測值M大于預先定好的門限值Th，則對其相鄰點進行削波操作，削波操作中需要減少的信號功率比值為η＝Th/M；3)根據(jù)對幅值的削波要求，將信號點的I、Q兩路相應的數(shù)值乘以系數(shù)η，保證I、Q兩路的合成矢量相角不變；4)將經(jīng)過預測削波處理后的信號送至上采樣和成型濾波單元，然后通過模擬正交調(diào)制達到射頻端，完成OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)送工作。
2.如權(quán)利要求1所說的正交頻分復用通信系統(tǒng)的峰平比抑制方法，其特征在于預測中所取的信號點i＝5，j＝5，對精度要求較高的系統(tǒng)，可增加i和j的值。
3.如權(quán)利要求1所說的正交頻分復用通信系統(tǒng)的峰平比抑制方法的應用，其特征在于用于單載波或多載波OFDM通信系統(tǒng)中。
4.如權(quán)利要求1所說的正交頻分復用通信系統(tǒng)的峰平比抑制方法的應用，其特征在于用于無線局域網(wǎng)802.11系列協(xié)議或?qū)崿F(xiàn)高清晰數(shù)字電視廣播DVB協(xié)議過程中。
全文摘要
一種正交頻分復用通信系統(tǒng)的峰平比抑制方法,首先將OFDM調(diào)制的子載波基帶信號送入預測器,計算出基帶信號點的幅值,對OFDM通信系統(tǒng)上采樣后的點的峰值進行預測,根據(jù)預測的結(jié)果判斷削波操作中需要減少的信號功率值,再根據(jù)這些參數(shù)對基帶信號進行削波操作,削波之后的信號送至上采樣和成型濾波單元,然后通過模擬正交調(diào)制達到射頻端,完成OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)送工作。本發(fā)明的方法實現(xiàn)容易,成本較低,對信號的損害比較小,可以用于單載波、多載波OFDM通信系統(tǒng),也可以應用于無線局域網(wǎng)以及高清晰數(shù)字電視廣播中。
文檔編號H04J11/00GK1385975SQ0211215
公開日2002年12月18日 申請日期2002年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月20日
發(fā)明者周躍峰, 胡亮亮, 宋文濤, 羅漢文, 陳柏南, 張海濱 申請人:上海交通大學