CN109274629B - Ofdm系统中峰值功率优化方法及发射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种OFDM系统中峰值功率优化方法及发射系统，所述方法包括：接收原始二进制传输信号，进行相移键控调制，得到调制信号；分别采用两组不同的相位因子旋转序列对所述调制信号进行加权处理；对经加权处理的调制信号进行快速傅里叶逆变换，得到两组时域信号序列；选择变形参数集，采用所述变形参数集分别对所述两组时域信号序列进行加权处理，得到两组OFDM候选信号序列，分别存储在第一簇和第二簇中；将所述两组OFDM候选信号序列相加并进行归一化处理，得到新的OFDM候选信号序列，存储在第三簇中；从三簇候选信号中选择PAPR性能最优的信号序列用于传输。本发明不仅可以获得与传统的选择性映射方法相似的PAPR性能，还降低了系统的计算复杂度。
Description
技术领域
本公开属于数字通信技术领域，尤其涉及一种OFDM系统中峰值功率优化方法及发射系统。
背景技术
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一种无线环境下将高速的数据信号转换成低速子载波数据进行处理的多载波传输技术。其基本操作原理就是在频域内将给定的信道划分为多个相互正交的子信道，然后将高速传输的数据流通过串并转换端口，分配到低速的各个子信道中去，接着在每一个子信道上用一个正交子载波来调制。因此，OFDM技术凭借其能够把高速数据信号转化为低速数据信息进行传输这一特点，在一些方面显示出很大优势，如：信息处理、抗多径衰落和抗窄带干扰多址接入等方面。随着OFDM技术的优点被发掘，该技术逐渐被广泛地应用到移动通信的各个应用中，例如：欧洲的数字音频视频广播、无线城域网IEEE802.16a系统、数字视频广播等等。
在OFDM系统中的发射端口，对于已经用相移键控(Phase Shift Keying，PSK)或者正交幅度调制方法(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)调制后得到的数据信号符号序列，经过快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)操作后得到的离散时域信号{x[n]}表示如下：
也即是，把N个离散的时域信号相加来得到离散时域信号{x[n]}，其中每一个信号对应一个不同的正交子载波，第k个子载波被数据信号符号X[k]调制。这里N代表子载波的数量。
由上面的表达式可知，OFDM信号是由N个相互正交的子载波信号相加得来的。因此，当子载波的初始相位相同或相似时，相加得到的信号就是由具有相同初始相位的信号调制而来，根据中心极限定理可知，合成的信号有很大的可能性产生较大的瞬时功率峰值。此外，峰均功率比(Peak-To-Average Power Ratio,PAPR)被定义为：峰值功率与平均功率的比值，表达式如下。又因为信号的平均功率在传输过程中是不变的，所以较大的瞬时功率峰值会增大信号的峰均功率比。
其中，E{.}代表数据信号{x[n]}的期望。
实际上，关于OFDM信号的PAPR性能的好坏，我们一般使用它的概率统计特性来描述它。通常情况下我们使用互补累积分布函数(Complementary Cumulative DistributionFunction,CCDF)来描述OFDM信号的峰均功率比性能，可表示为：
CCDF＝Pr(PAPR>PAPR0)
＝1-(1-exp(-PAPR0))N
其中，PAPR0是一个阈值。
对于OFDM技术，高峰均功率比是OFDM技术的主要缺点之一。因此，在20世纪90年代，人们就已经开始研究怎样简单而又高效地改善OFDM系统的PAPR性能。目前，对于已经提出的改善PAPR的方法，大致可以分为两大类：有信号畸变的PAPR抑制技术和无信号畸变的PAPR抑制技术。前者是通过简单地裁剪OFDM信号来实现的，裁剪的结果是增加了系统的误码率以及带外失真，但是带外失真可以通过重复滤波来改善。后者是将原始的波形转换成一组PAPR性能较好的新波形，但是大部分伴有带宽的减少。无信号畸变的PAPR抑制算法包括选择性映射、最优化算法、星座图拓展等等。
选择性映射法是众多技术中一个比较优良的技术之一。其基本原理是：首先把输入的信号数据块X＝[X0,X1,…,XN-1]和U个不同的相位序列进行加权处理，得到U个修正的信号数据块其中v＝0,1,…,N-1,u＝1,2,…,U。接着对U个相互独立的X(u)进行IFFT得到U个OFDM候选信号x(u)(u＝1,2,…,U)。最后，从这些候选的OFDM信号中选出一个PAPR性能最好的信号来传输。此外，我们为了保证原始的输入信号数据块不被改变，在这U个相位序列中应必须包含一个全1的序列。因此，我们一般设定第一个相位序列全为1，即P1＝[1,1,…,1]。
选择性映射技术虽然改善了OFDM系统的PAPR性能，传输信号也没有受到畸变，但是该技术的引入却大大地增加了系统的复杂度。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种OFDM系统中峰值功率优化方法及发射系统，该方法不仅可以获得与原始的选择性映射方法相似的PAPR性能，而且还可以大大地降低了系统的计算复杂度。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种OFDM系统中峰值功率优化方法，包括以下步骤：
接收原始二进制传输信号，进行相移键控调制，得到调制信号；
分别采用两组不同的相位因子旋转序列对所述调制信号进行加权处理；
对经加权处理的调制信号进行快速傅里叶逆变换，得到两组时域信号序列；
选择变形参数集，采用所述变形参数集分别对所述两组时域信号序列进行加权处理，得到两组OFDM候选信号序列，分别存储在第一簇和第二簇中；
将所述两组OFDM候选信号序列相加并进行归一化处理，得到新的OFDM候选信号序列，存储在第三簇中；
从三簇候选信号中选择PAPR性能最优的信号序列用于传输。
进一步地，所述两组不同的相位因子旋转序列生成方法为：
选择两个相位因子集合，一个用于产生a个长度与正交频分复用系统子载波数量相等的相位因子旋转序列，另一个用于产生b个长度与正交频分复用系统子载波数量相等的相位因子旋转序列；其中，每个旋转序列中的元素都是从相应的相位因子集合的元素中随机选择的。
进一步地，采用相位因子旋转序列对调制信号进行加权处理包括：
将所述相位因子旋转序列与所述调制信号进行点乘处理。
进一步地，所述相移键控调制采用QPSK调制或BPSK调制。
进一步地，若采用QPSK调制，选择变形参数集W＝{w1，w2}，其中，w1和w2满足以下条件：
(1)当时，w2取值为中的一个；
(2)当时，w2取值为中的一个。
进一步地，采用变形参数集对任一组时域信号序列进行加权处理包括：
将该组中的时域信号序列进行两两组合；
对于每一种组合均采用所述变形参数集中元素进行加权处理。
进一步地，若采用BPSK调制，选择变形参数集W＝{w1，w2，w3，w4}，其中，w1、w2、w3和w4满足以下条件：
(1)四个参数中的任意两个参数绝对值的幅度都是1，剩余两个参数绝对值的幅度都是2；
(2)所有参数的相位选自相位集合
进一步地，采用变形参数集对任一组时域信号序列进行加权处理包括：
将该组中每四个不同时域信号序列进行组合；
对于每一种组合均采用所述变形参数集中元素进行加权处理。
一个或多个实施例提供了一种计算机系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的OFDM系统中峰值功率优化方法。
一个或多个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的OFDM系统中峰值功率优化方法。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
传统的选择性映射方法每产生一个OFDM候选信号就需要进行一次IFFT操作，从而造成系统的计算复杂度增加，而本公开产生部分OFDM候选信号时，不需要进行IFFT操作，从而不仅使得计算复杂度降低，而且可以获得与传统的选择性映射技术相似的峰均功率比性能，从而提高了OFDM系统的整体性能。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本公开实施例一中方法的OFDM系统中峰值功率优化方法的技术原理框图；
图2是在OFDM系统中，产生80个OFDM候选信号序列，a＝b＝2,J＝2，当N不同时，与传统选择性映射法相比，本发明方案计算复杂降低百分比图。
图3是在OFDM系统中，产生48个OFDM候选信号序列，a＝b＝4,J＝4，当N不同时，与传统选择性映射法相比，本发明方案计算复杂降低百分比图。
图4是在具有128个子载波的OFDM系统中，产生80个OFDM候选信号序列，a＝b＝2,J＝2的情况下,本发明方案的PAPR性能图。
图5是在具有128个子载波的OFDM系统中，产生48个OFDM候选信号序列，a＝b＝4，J＝4的情况下，本发明方案的PAPR性能图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种OFDM系统中峰值功率优化方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)对输入的二进制传输信号数据进行PSK调制；
(2)用两组不同的相位因子集合P1和P2分别产生两组不同的相位因子旋转序列；
其中，产生两组不同的相位因子旋转序列具体方法为：
选择两个相位因子集合P1＝{±1}和P2＝{±j}，用集合P1产生a个长度与正交频分复用系统子载波数量相等的相位因子旋转序列；用集合P2产生b个长度与正交频分复用系统子载波数量相等的相位因子旋转序列；每个旋转序列中的元素都是从相应的相位因子集合的元素中随机选择的。
(3)对步骤(1)产生的信号数据分别用步骤(2)产生的相位因子旋转序列进行加权处理，并分别对加权处理后的数据进行快速傅里叶逆变换(IFFT)操作，产生两组PSK调制的时域信号序列；
其中，对步骤(1)产生的调制信号数据进行加权处理，具体为：
将步骤(2)中产生的两组旋转序列中的每一个相位因子旋转序列均与步骤(1)产生的PSK调制信号数据进行点乘处理。
(4)引入变形参数集，将第一组中用PSK调制的时域信号序列用变形参数集中元素加权处理后得到的OFDM候选信号序列存储在第一簇中，将第二组用PSK调制的时域信号序列用变形参数加权处理后得到的OFDM候选信号序列存储在第二簇中；
其中，选定变形参数时，分为以下两种情况：
第一种，当步骤(1)使用的是QPSK调制时，选取J＝2，即变形参数集W＝{w1，w2}。此时w1和w2满足一下条件：①当时,w2有四种可能性：②当时,w2有四种可能性：此时，步骤(2)中产生的每一组中相位因子旋转序列个数都必须大于等于2。
第二种，当步骤(1)使用的是BPSK调制时，选取J＝4，即变形参数集W＝{w1，w2，w3，w4}。此时变形参数满足一下条件：①四个参数中的任意两个参数绝对值的幅度都是1，剩余两个参数绝对值的幅度都是2；②所有参数的相位选自相位集合此时，步骤(2)中产生的每一组中相位因子旋转序列个数都必须大于等于4。
相应地，将第一组中用PSK调制的时域信号序列用变形参数集中元素加权处理，具体为：
①当选择第一种变形参数集时，将在步骤(3)中产生的第一组中用QPSK调制的时域信号序列两两组合，每一种组合都用变形参数集中元素进行加权处理，从而每一种组合加权后可以得到8个OFDM候选信号序列；
②当选择第二种变形参数集时，将在步骤(3)中产生的第一组中用BPSK调制的时域信号序列中的每4个不同的信号序列形成一个组合，每一种组合都用变形参数集中元素进行加权处理，从而每一种组合加权后最多得到48个PAPR不同的OFDM候选信号序列。
加权处理后得到的OFDM候选信号序列存储在第一簇中，将第一簇中OFDM候选信号序列记做M1为第一簇中信号序列的个数。
将第二组中PSK调制的时域信号序列用变形参数集中元素加权处理，具体为：
①当选择第一种变形参数集时，将在步骤(3)中产生的第二组中用QPSK调制的时域信号序列两两组合，每一种组合都用变形参数集中元素进行加权处理，从而每一种组合加权后可以得到8个OFDM候选信号序列；
②当选择第二种变形参数集时，将在步骤(3)中产生的第二组中用BPSK调制的时域信号序列中的每4个不同的信号序列形成一个组合，每一种组合都用变形参数进行加权处理，从而每一种组合加权后最多得到48个PAPR不同的OFDM候选信号序列。
加权处理后得到的OFDM候选信号序列存储在第二簇中，将第二簇中OFDM候选信号序列记做M2为集合2中信号序列的个数。
(5)用第一簇中的每一个信号序列与第二簇中每一个信号序列相加并做归一化处理，产生一组新的OFDM候选信号序列，存储在第三簇中；
所述步骤(5)中产生的OFDM候选信号序列，即第三簇中的信号序列，具体为：第一簇中的每一个信号序列分别与第二簇中每一个信号序列相加并进行归一化处理，得到M1×M2个新的备选信号序列。
将第三簇中OFDM候选信号序列记做即第三簇中的备选信号序列包括：
(6)从这三簇候选信号中选出PAPR性能最优的信号序列进行传输。
接下来为了验证本实施例方案的性能，进行以下实验。
仿真条件：采用MATLAB仿真平台，随机产生105个OFDM信号，采用4倍过采样。
首先为了说明本实施例方法相对于传统的选择性映射方法计算复杂度低的特点，图2和3给出了在不同子载波数量和产生相同数量的OFDM候选信号的情况下，与传统选择性映射方法相比，本实施例方法的计算复杂度减低百分比图。从图2和3可以看出，本实施例方案可以在很大程度上降低OFDM系统的计算复杂度。此外为了说明本实施例可以获得与传统的选择性映射方法相似的PAPR性能，图4和5给出了在不同调制方式和产生相同数量的OFDM候选信号的情况下，传统的选择性映射方法与本实施例的PAPR性能图。从图4和图5，可以看出本实施例可以实现与传统的选择性映射技术相似的PAPR性能。
综上所述，与传统的选择性映射法相比，本实施例方案不仅仅可以获得与传统的选择性映射方法相似的PAPR性能，而且可以在很大程度上降低了系统的计算复杂度。
实施例二
本实施例的目的是提供一种计算机系统。
一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤，包括：
接收原始二进制传输信号，进行相移键控调制，得到调制信号；
分别采用两组不同的相位因子旋转序列对所述调制信号进行加权处理；
对经加权处理的调制信号进行快速傅里叶逆变换，得到两组时域信号序列；
选择变形参数集，采用所述变形参数集分别对所述两组时域信号序列进行加权处理，得到两组OFDM候选信号序列，分别存储在第一簇和第二簇中；
将所述两组OFDM候选信号序列相加并进行归一化处理，得到新的OFDM候选信号序列，存储在第三簇中；
从三簇候选信号中选择PAPR性能最优的信号序列用于传输。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行以下步骤：
接收原始二进制传输信号，进行相移键控调制，得到调制信号；
分别采用两组不同的相位因子旋转序列对所述调制信号进行加权处理；
对经加权处理的调制信号进行快速傅里叶逆变换，得到两组时域信号序列；
选择变形参数集，采用所述变形参数集分别对所述两组时域信号序列进行加权处理，得到两组OFDM候选信号序列，分别存储在第一簇和第二簇中；
将所述两组OFDM候选信号序列相加并进行归一化处理，得到新的OFDM候选信号序列，存储在第三簇中；
从三簇候选信号中选择PAPR性能最优的信号序列用于传输。
以上实施例二和三中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。
以上一个或多个实施例具有以下技术效果：
本领域技术人员应该明白，上述本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本申请不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本申请的具体实施方式进行了描述，但并非对本申请保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本申请的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本申请的保护范围以内。。
Claims (7)
1.一种OFDM系统中峰值功率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收原始二进制传输信号，进行相移键控调制，得到调制信号；
分别采用两组不同的相位因子旋转序列对所述调制信号进行加权处理；
对经加权处理的调制信号进行快速傅里叶逆变换，得到两组时域信号序列；
选择变形参数集，采用所述变形参数集分别对所述两组时域信号序列进行加权处理，得到两组OFDM候选信号序列，分别存储在第一簇和第二簇中；
将所述两组OFDM候选信号序列相加并进行归一化处理，得到新的OFDM候选信号序列，存储在第三簇中；
从三簇候选信号中选择PAPR性能最优的信号序列用于传输；
所述相移键控调制采用QPSK调制或BPSK调制；
若采用QPSK调制，选择变形参数集W＝{w1，w2}，其中，w1和w2满足以下条件：
(1)当时，w2取值为中的一个；
(2)当时，w2取值为中的一个；
若采用BPSK调制，选择变形参数集W＝{w1，w2，w3，w4}，其中，w1、w2、w3和w4满足以下条件：
(1)四个参数中的任意两个参数绝对值的幅度都是1，剩余两个参数绝对值的幅度都是2；
(2)所有参数的相位选自相位集合
2.如权利要求1所述的一种OFDM系统中峰值功率优化方法，其特征在于，所述两组不同的相位因子旋转序列生成方法为：
选择两个相位因子集合，一个用于产生a个长度与正交频分复用系统子载波数量相等的相位因子旋转序列，另一个用于产生b个长度与正交频分复用系统子载波数量相等的相位因子旋转序列；其中，每个旋转序列中的元素都是从相应的相位因子集合的元素中随机选择的。
3.如权利要求2所述的一种OFDM系统中峰值功率优化方法，其特征在于，采用相位因子旋转序列对调制信号进行加权处理包括：
将所述相位因子旋转序列与所述调制信号进行点乘处理。
4.如权利要求1所述的一种OFDM系统中峰值功率优化方法，其特征在于，若采用QPSK调制，采用变形参数集对任一组时域信号序列进行加权处理包括：
将该组中的时域信号序列进行两两组合；
对于每一种组合均采用所述变形参数集中元素进行加权处理。
5.如权利要求1所述的一种OFDM系统中峰值功率优化方法，其特征在于，若采用BPSK调制，采用变形参数集对任一组时域信号序列进行加权处理包括：
将该组中每四个不同时域信号序列进行组合；
对于每一种组合均采用所述变形参数集中元素进行加权处理。
6.一种计算机系统，其特征在于，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-5任一项所述的OFDM系统中峰值功率优化方法。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时执行权利要求1-5任一项所述的OFDM系统中峰值功率优化方法。
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