專利名稱：正交頻分復(fù)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(fù)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(hào)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(gè)載波來調(diào)制信號(hào)，由于各載波的包絡(luò)值統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，隨著載波數(shù)的增加，疊加后信號(hào)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(hào)的動(dòng)態(tài)范圍相當(dāng)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(hào)的頻譜擴(kuò)散和非線性失真，同時(shí)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(shí)現(xiàn)難度。
目前，降低OFDM通信系統(tǒng)信號(hào)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(jiǎn)單實(shí)用的方法，但是它給系統(tǒng)引入了新的噪聲，并且對(duì)頻譜特性的影響較大，使帶外擴(kuò)散嚴(yán)重，影響相鄰信道的信號(hào)。加窗的方法用一個(gè)窗函數(shù)對(duì)信號(hào)峰值功率進(jìn)行限制，為了保證效果，需要在上采樣以后的較高速率下對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，因此實(shí)現(xiàn)起來比較困難，而且它也會(huì)影響信號(hào)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(hào)的時(shí)域信號(hào)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(hào)進(jìn)行變換，直到其時(shí)域信號(hào)幅度滿足要求為止，同時(shí)以非常小的代價(jià)將變換的參數(shù)發(fā)送給對(duì)方，這種方法雖然降低峰平比的效果比較好，但是它在實(shí)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(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用預(yù)測(cè)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(hào)送入預(yù)測(cè)器，先計(jì)算出基帶信號(hào)點(diǎn)的幅值，對(duì)OFDM通信系統(tǒng)上采樣后的點(diǎn)的峰值進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果判斷削波操作中需要減少的信號(hào)功率值，再根據(jù)這些參數(shù)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行削波操作，削波之后的信號(hào)送至上采樣和成型濾波單元，然后通過模擬正交調(diào)制達(dá)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(jìn)行1、對(duì)上采樣后的點(diǎn)的峰值進(jìn)行預(yù)測(cè)。
預(yù)測(cè)削波的方法首先需要對(duì)OFDM通信系統(tǒng)上采樣后的點(diǎn)的峰值進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體做法為，將調(diào)制以后的基帶信號(hào)送入預(yù)測(cè)單元，當(dāng)OFDM系統(tǒng)上采率為n時(shí)，將輸入的每?jī)蓚€(gè)相鄰信號(hào)點(diǎn)中插入(n-1)個(gè)零點(diǎn)，然后把信號(hào)幅值與成型濾波器的系數(shù)進(jìn)行短卷積，即對(duì)每一個(gè)信號(hào)點(diǎn)的計(jì)算只計(jì)及當(dāng)前信號(hào)點(diǎn)之前的i個(gè)一倍速信號(hào)點(diǎn)與之后的j個(gè)一倍速信號(hào)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前點(diǎn)的影響，這樣得到的結(jié)果即為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上采樣后信號(hào)點(diǎn)的預(yù)測(cè)值M。之所以能夠用這種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，是因?yàn)樯喜蓸雍统尚蜑V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(gè)數(shù)據(jù)的單位沖擊響應(yīng)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(yīng)，上采后的輸出點(diǎn)實(shí)際是相鄰的眾多一倍速點(diǎn)的沖擊響應(yīng)的線性加權(quán)，因此我們可以通過相鄰的幾個(gè)低倍速點(diǎn)的幅值，以較高的精度預(yù)測(cè)出高倍速點(diǎn)的幅值。上面提到的i和j為參與預(yù)測(cè)的一倍速上當(dāng)前點(diǎn)之前和之后點(diǎn)的個(gè)數(shù)。顯然，增大i和j會(huì)提高預(yù)測(cè)的精度，但將增加預(yù)測(cè)算法的復(fù)雜程度，這取決于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的精度要求，一般取i＝j(luò)＝5。FIR濾波器的系數(shù)按照45階根升余弦濾波器計(jì)算得到并且保存下來，實(shí)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(hào)功率值經(jīng)過預(yù)測(cè)后，需要根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果判斷后面將要進(jìn)行的削波操作的參數(shù)，即在削波操作中需要減少的信號(hào)功率值，具體做法為，預(yù)測(cè)出四倍速上點(diǎn)A1的幅值M后，根據(jù)預(yù)先定好的門限值Th，對(duì)M的值進(jìn)行判斷，如果它大于Th，則對(duì)其相鄰點(diǎn)進(jìn)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(hào)功率比值η，即削波操作中將把A1前后若干相鄰點(diǎn)的幅度乘以系數(shù)η，具體點(diǎn)數(shù)多少根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的精度要求決定，一般取前1點(diǎn)后2點(diǎn)。
3、根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行削波操作。
在前面兩步操作中得到需要進(jìn)行削波操作的點(diǎn)以及需要降低的信號(hào)功率比率后，要根據(jù)這些參數(shù)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行削波操作，由于預(yù)測(cè)過程中出現(xiàn)的都是信號(hào)的幅值量，但在削波操作時(shí)面對(duì)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(duì)I、Q兩路信號(hào)進(jìn)行處理的方法為，把I、Q兩路相應(yīng)的數(shù)值按比例減小，也就是乘以系數(shù)η，這樣實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)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(jìn)行削波操作的一倍速點(diǎn)后，要將這些信號(hào)點(diǎn)的I、Q路數(shù)值都同步乘以η值。
4、經(jīng)過預(yù)測(cè)削波處理后的信號(hào)送至上采樣和成型濾波經(jīng)過預(yù)測(cè)削波處理后的信號(hào)，在上采樣和成型濾波之后的峰平比基本能夠達(dá)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(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。進(jìn)行預(yù)測(cè)削波之后的信號(hào)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(dá)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(yù)測(cè)削波降低峰平比的方法，當(dāng)OFDM通信系統(tǒng)為多載波時(shí)，這一方法也可應(yīng)用。多載波系統(tǒng)中，不同載波信號(hào)的相位不盡相同，因此合路后的傳輸信號(hào)是各載波信號(hào)的矢量合成，如果要將合路后信號(hào)的峰值由M降低為Th，由幾何相似的關(guān)系，各載波的信號(hào)矢量只要在原相位情況下幅值變?yōu)樵瓉淼?倍，就可以達(dá)到精確降低系統(tǒng)峰平比的目的，并且合路后的信號(hào)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(duì)上采樣后的信號(hào)峰值包絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果對(duì)低倍速信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而保證上采樣和成型濾波后的信號(hào)具有較低的峰平比。這一方法實(shí)施于成型濾波器之前，因此對(duì)調(diào)制后信號(hào)的頻譜性能幾乎沒有影響；而且由于是在低倍速上進(jìn)行處理，因此實(shí)現(xiàn)起來的難度和成本也比較低；同時(shí)由于相關(guān)的處理是在對(duì)成型濾波后的信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行較精確的預(yù)測(cè)后進(jìn)行的，因此可以把對(duì)信號(hào)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(yù)測(cè)削波單元進(jìn)行驗(yàn)證，得到的結(jié)果顯示，本發(fā)明預(yù)測(cè)削波的方法對(duì)降低系統(tǒng)峰平比的效果是明顯的，而且對(duì)信號(hào)的損傷比較小。與直接削波的方法相比，本發(fā)明的方法對(duì)信號(hào)的損傷，尤其是對(duì)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(shí)現(xiàn)難度要低得多，因此，預(yù)測(cè)削波是降低OFDM通信系統(tǒng)峰平比的一個(gè)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(yīng)用于無線局域網(wǎng)如802.11系列協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程中，以及在實(shí)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(yù)測(cè)削波方法功能框圖。
如圖所示，本發(fā)明先對(duì)I、Q兩路基帶信號(hào)求幅值，然后與濾波器的系數(shù)進(jìn)行短卷積，根據(jù)得到的結(jié)果計(jì)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(hào)相乘，然后將信號(hào)傳遞到上采樣與成型濾波單元。
圖2為本發(fā)明預(yù)測(cè)削波方法應(yīng)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(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)以及削波操作，得到的信號(hào)進(jìn)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(yù)測(cè)削波方法應(yīng)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(gè)載波的基帶信號(hào)都送入預(yù)測(cè)器，預(yù)測(cè)各個(gè)載波在高倍速上疊加后的峰值功率，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算，然后把得到的參數(shù)與各路載波的基帶信號(hào)分別相乘，經(jīng)過以上處理的各個(gè)載波的信號(hào)分別進(jìn)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?jī)蓚€(gè)相鄰信號(hào)點(diǎn)中插入2個(gè)零點(diǎn)，然后把信號(hào)幅值與成型濾波器的系數(shù)進(jìn)行短卷積，即對(duì)每一個(gè)信號(hào)點(diǎn)的計(jì)算只計(jì)及當(dāng)前信號(hào)點(diǎn)之前的5個(gè)一倍速信號(hào)點(diǎn)與之后的5個(gè)一倍速信號(hào)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前點(diǎn)的影響，這樣得到了該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上采樣后信號(hào)點(diǎn)的預(yù)測(cè)值M。
2、判斷在削波操作中需要減少的信號(hào)功率值預(yù)測(cè)出3倍速上點(diǎn)A1的幅值M后，根據(jù)預(yù)先定好的門限值Th＝1700，對(duì)M的值進(jìn)行判斷，如果它大于1700，則對(duì)其相鄰點(diǎn)進(jìn)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(hào)功率比值η，在削波操作中，將A1前面1個(gè)點(diǎn)和后面2個(gè)點(diǎn)的幅度乘以系數(shù)η。
3、根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行削波操作。
得到需要進(jìn)行削波操作的1倍速點(diǎn)后，將這些信號(hào)點(diǎn)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(yù)測(cè)削波處理后的信號(hào)送至上采樣和成型濾波進(jìn)行預(yù)測(cè)削波之后的信號(hào)送至上采樣和成型濾波單元，然后通過模擬正交調(diào)制達(dá)到射頻端，從而完成OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)送工作。
未進(jìn)行預(yù)測(cè)削波時(shí)，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(yù)測(cè)削波操作后，系統(tǒng)峰平比降至7dB，同時(shí)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(yīng)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(dá)到3dB，取得了很好的效果。
權(quán)利要求
1.一種正交頻分復(fù)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(duì)上采樣后的信號(hào)峰值包絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將調(diào)制以后的基帶信號(hào)送入預(yù)測(cè)單元，把信號(hào)幅值與成型濾波器的系數(shù)進(jìn)行短卷積，即對(duì)每一個(gè)信號(hào)點(diǎn)的計(jì)算只計(jì)及當(dāng)前信號(hào)點(diǎn)之前的i個(gè)一倍速信號(hào)點(diǎn)與之后的j個(gè)一倍速信號(hào)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前點(diǎn)的影響，得到該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上采樣后信號(hào)點(diǎn)的預(yù)測(cè)值M；2)若預(yù)測(cè)值M大于預(yù)先定好的門限值Th，則對(duì)其相鄰點(diǎn)進(jìn)行削波操作，削波操作中需要減少的信號(hào)功率比值為η＝Th/M；3)根據(jù)對(duì)幅值的削波要求，將信號(hào)點(diǎn)的I、Q兩路相應(yīng)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(yù)測(cè)削波處理后的信號(hào)送至上采樣和成型濾波單元，然后通過模擬正交調(diào)制達(dá)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(fù)用通信系統(tǒng)的峰平比抑制方法，其特征在于預(yù)測(cè)中所取的信號(hào)點(diǎn)i＝5，j＝5，對(duì)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(fù)用通信系統(tǒng)的峰平比抑制方法的應(yīng)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(fù)用通信系統(tǒng)的峰平比抑制方法的應(yīng)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(fù)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(hào)送入預(yù)測(cè)器,計(jì)算出基帶信號(hào)點(diǎn)的幅值,對(duì)OFDM通信系統(tǒng)上采樣后的點(diǎn)的峰值進(jìn)行預(yù)測(cè),根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果判斷削波操作中需要減少的信號(hào)功率值,再根據(jù)這些參數(shù)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行削波操作,削波之后的信號(hào)送至上采樣和成型濾波單元,然后通過模擬正交調(diào)制達(dá)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(shí)現(xiàn)容易,成本較低,對(duì)信號(hào)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(yīng)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(hào)H04J11/00GK1385975SQ0211215
公開日2002年12月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:上海交通大學(xué)