一種基于差分進化算法的ofdm系統(tǒng)峰均比抑制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于通信傳輸領域，具體涉及一種基于差分進化算法的0FDM系統(tǒng)峰均比抑 制方法。
【背景技術】
[0002] 縮略語和關鍵術語定義
[0003] 峰均比：Peak_t〇-average power ratio(PAPR)
[0004] 正交頻分復用：0rthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)
[0005] 誤差向量幅度：Error vector magnitude(EVM)
[0006] 差分進化算法〖Differential evolution(DE)
[0007] 誤碼率：Bit error rate(BER)
[0008] 優(yōu)化的迭代限幅和濾波〖Optimized clipping and filtering(OICF)
[0009] 正交幅度調制〖Quadrature amplitude modulation(QAM)
[0010] 正交相移鍵控：Quadrature phase-shift keying(QPSK)
[0011 ]互補累計分布函數(shù)：Complementary cumulative distribution function(CCDF) [0012] OFDM技術已被公認將作為4G移動通信系統(tǒng)中的核心傳輸技術。OFDM技術采用多個 相互正交的子載波進行業(yè)務的傳輸，在整個傳輸頻帶內，各個子載波的頻譜相互重疊，這樣 不但能夠大大提高系統(tǒng)的頻譜利用效率，而且高速的數(shù)據(jù)流可以通過串并變換被分配到傳 輸速率相對較低的各個子載波上進行傳輸，這樣傳輸數(shù)據(jù)在時域內符號周期上的擴展使得 0FDM技術能有效抵抗無線信道多徑時延的引起的衰落。實際上，現(xiàn)在0FDM技術已經(jīng)在地面 無線廣播系統(tǒng)中和無線寬帶接入系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，如D V B - T (陸地數(shù)字視頻廣 播）、WLAN(無線本地局域網(wǎng)）、DTMB(地面數(shù)字電視多媒體廣播)等。
[0013] 0FDM屬于多載波通信技術，由于經(jīng)過0FDM調制輸出的時域信號是由多個子載波信 號相加而成的，這些子載波之間相互獨立，當這些載波上的信號相位相同時，會產生遠大于 信號平均功率的瞬時功率，這樣就會出現(xiàn)較大的峰值平均功率比。較高的峰均比會降低發(fā) 射機內功率放大器的工作效率，增加 A/D和D/A轉換器實現(xiàn)的復雜度;如果具有較大功率的 信號超過了放大器的動態(tài)范圍，則經(jīng)過放大器后信號會產生畸變，破壞了子載波間的正交 性，導致整個系統(tǒng)性能下降。
[0014] 近年來針對0FDM信號的高峰均比問題已進行了大量的研究，提出了許多抑制峰均 比的方法，包括限幅法、選擇性映射、部分傳輸序列、預編碼、星座圖擴展方法等。但這些方 法往往十分繁瑣，特別是子載波數(shù)量很大時，很多方法都不實用。限幅濾波是最簡單且實際 使用最廣泛的方法。然后直接對信號進行限幅濾波會導致帶內信號衰減和帶外信號的輻 射，同時需要采用多次迭代濾波才能把系統(tǒng)的PAPR降低到指定的門限值以下。Wang，Y2011 年在IEEE transactions on communications上發(fā)表論文optimized iterative clipping and filtering for paper reduction of OFDM signals，提出采用凸優(yōu)化的方法優(yōu)化迭 代和濾波，從而減小迭代的次數(shù)。然而文中用內點法去求解凸優(yōu)化問題，使得問題的計算復 雜度達到〇(N3)。如此高的計算復雜度，使得這個方法無法在實際的系統(tǒng)中真正推廣使用。
[0015] 現(xiàn)有技術一的技術方案
[0016] 一種基于自適應EVM的信號峰均比降低方法?！旧暾?zhí)枴?00810045331.1。
[0017]方案簡介（圖1):是一種基于自適應EVM的信號峰均比降低方法，包括對計算符號 的PAPR值、計算符號的最大EVM值等步驟組成。本發(fā)明利用或針對EVM均值取得較大對峰均 比的抑制會更好，同時信號出現(xiàn)高峰均比的可能性較小，更多時候峰均比都較低的特點， 對峰均比較大的輸入信號采用較高EVM來處理;而對峰均比較小的輸入信號采用較小的EVM 來處理，從而保證了所有符號的平均EVM不超過系統(tǒng)要求的門限EVM的條件下，盡可能的抑 制出現(xiàn)高峰均比的那些符號。該方法實現(xiàn)簡單只需要進行簡單的限幅和帶內外噪聲限制； 對PAPR的抑制效果明顯;無需對接收機做任何改動;無需傳送任何副信息;適用范圍廣，能 用于對EVM和PAPR同時有要求的系統(tǒng)，如0FDM或CDMA等。
[0018]現(xiàn)有技術一的缺點
[0019] 1.需要在系統(tǒng)建立時通過大量的仿真數(shù)據(jù)建立EVM與最優(yōu)CR關系表。
[0020] 2.每次迭代過程，需要查詢事先通過仿真建立的EVM與最優(yōu)CR關系表，找到本次迭 代最優(yōu)的限幅率，進行限幅。
[0021 ] 3.需要事先建立帶外噪聲限幅頻譜模板。
[0022] 4.需要采用多次迭代限幅和帶內外噪聲限值的處理，才能達到降低峰值平均功率 比的目的。
[0023]現(xiàn)有技術二的技術方案（圖2)
[0024]傳統(tǒng)的迭代和限幅濾波方法會導致帶外信號頻譜重新增長和帶內衰減。信號帶內 衰減會導致系統(tǒng)誤碼率增加。本技術使用凸優(yōu)化方法設計取代每次迭代過程中頻域響應矩 形濾波器。通過設計的優(yōu)化濾波器可以最小信號的EVM，同時保證信號的PAPR低于給定的 值。
[0025]現(xiàn)有技術二的缺點 [0026] 1.仍然需要迭代的過程。
[0027] 2.該方案用內點法來解決優(yōu)化濾波器設計的凸優(yōu)化問題。凸優(yōu)化問題是求得全局 最優(yōu)解，系統(tǒng)的時間復雜度過高，達到〇(N3)，無法在需要實時處理的實際系統(tǒng)中實現(xiàn)。

【發(fā)明內容】

[0028]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種基于差分進化算法的0FDM系統(tǒng)峰均比抑 制方法，用以解決系統(tǒng)的時間復雜度過高的問題，具體如下：
[0029] l.(FDM系統(tǒng)中，一個多載波信號是多個獨立子載波信號的疊加。假設每個子載波 上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號為一個離散時間信號x(n)，通?？梢员槐硎緸椋?br>[0030]
[0031] 其中X(k)是16-QAM調制信號，L是過采樣因子。通常認為，過采樣因子L = 4可以取 得近似于連續(xù)時間信號的效果。
[0032]對于離散時間信號x(n)，PAPR值可以定義為：
[0033]
[]代表數(shù)學期望。
[0034] 2.迭代限幅和濾波
[0035]限幅法的基本思想是預定限幅門限，對0FDM信號包絡超過門限的部分進行直接削 除。限幅法可以有效抑制信號峰均比，并且，由于其復雜度低，效果明顯而成為目前應用最 為廣泛的峰均比抑制方案之一。
[0036]傳統(tǒng)的限幅算法就是輸入信號的峰值超過某一門限時，就把信號限制在設定門限 上，如果比該門限值低，則直接通過。
[0037]限幅后的信號可以表示為：
[0038]
[0039] 但是，由于限幅是一個非線性過程，同樣會導致帶內失真和帶外輻射，從而降低整 個系統(tǒng)的誤碼率性能和頻譜效率。限幅后濾波可以降低帶外頻譜干擾，但這又將導致峰值 再生。為了避免這種情況，可采用圖3的方式處理。
[0040] 首先用更長的IFFT把輸入數(shù)據(jù)向量從頻域過采樣轉換到時域。對于給定的過采樣 因子J，在頻域數(shù)據(jù)向量的之間添加 N(J-l)個0來擴充原來的數(shù)據(jù)向量，在IFFT變換后實現(xiàn) 時域信號的內插。接著對插值后的信號進行限幅。由于限幅為非線性過程，故它會帶來帶內 噪聲和帶外干擾。為了消除帶外干擾，必須對限幅后的信號進行濾波。雖然濾波會導致峰值 再生，但比限幅前的信號峰值要小得多。為了盡可能可以通過多次的限幅濾波過程來進一 步降低信號的峰值。
[0041] 在多次迭代限幅濾波過程中，會導致信號帶內衰減和帶外的輻射，所以定義誤差 矢量幅度EVM來對信號進行約束。
[0042] 對于一個0FDM符號，其EVM可以定義為：
[0043]
[0044]如果傳輸信號滿足EVM約束，則接收端可以正確恢復數(shù)據(jù)。
[0045] 3.將PAPR優(yōu)化問題定義為一個約束優(yōu)化問題。
[0046]在滿足EVM和PAPR約束的情況下，在局部范圍內搜索到一個可行解，使得時間和硬 件的復雜度最小，從而能夠成功應用于實際系統(tǒng)。
[0047] 4.新問題定義：
[0048] 問題:硬件可行的PAPR優(yōu)化問題
[0049] 輸入:原始的時域信號x(n)，PAPR設定的門限值PAmax，EVM設定的門限值Emax。
[0050] 輸出：優(yōu)化后準備發(fā)