專利名稱：一種基于多載波連續(xù)相位調(diào)制系統(tǒng)減小峰均功率比的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信領域，是降低基于連續(xù)相位調(diào)制(CPM)的多載波(尤 其適用與正交頻分復用系統(tǒng)OFDM)系統(tǒng)高峰均功率比(PAPR)的有效方法。 該發(fā)明適用于單天線和多天線系統(tǒng)。
背景技術：
OFDM技術是一種移動通信環(huán)境下的多載波傳輸技術，其最大的特點就是 將可用頻帶劃分成若干個子信道，從而將頻率選擇性信道轉化成一系列正交的 平坦衰落信道。OFDM可以有效的對抗多徑效應，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸速率 和頻譜利用率。OFDM在數(shù)字一見頻/音頻廣播(DVB-T/DAB )、無線局域網(wǎng)
(IEEE802.il Serial、 Hiper-LAN/2 )、數(shù)字用戶線(xDSL )等領域中都獲得了廣 泛的應用。但是，OFDM系統(tǒng)由于存在著多個正交的子載波，其輸出是多個子 載波信號的疊加，因此，當所有信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時 功率會遠遠大于信號的平均功率，從而導致OFDM系統(tǒng)高的峰均功率比
(PAPR)。這種高的PAPR會造成系統(tǒng)的非線性失真，嚴重影響系統(tǒng)的性能，這 也是OFDM系統(tǒng)最大的缺點之一。PTS算法是降低OFDM系統(tǒng)峰均功率比的常 用算法，但是在該算法中發(fā)送端必須告知接收端PTS算法中每個信息分組的輔 助信息才能實現(xiàn)可靠傳輸，如果輔助信息在傳輸?shù)倪^程中出錯，那么接收端將 無法正確解調(diào)。另外傳遞輔助信息也會降低系統(tǒng)的傳輸效率。
連續(xù)相位調(diào)制(CPM: Continuous Phase Modulation)是一種恒定包絡相位連續(xù)的調(diào)制技術，與其他調(diào)制技術相比，具有^f艮高的頻譜利用率和功率效率。 由于包絡恒定，它對功放的非線性特性不敏感，可以使用C類(非線性)功率 放大器。而相位連續(xù)，使得其帶外輻射小，產(chǎn)生的鄰道干擾較小。CPM已調(diào)信 號中信息數(shù)據(jù)包含在瞬時的載波相位或頻率上，相位的記憶作用保證載波相位
在時間上是連續(xù)的，避免了相位的突跳，使得CPM信號頻譜更為緊湊。這些優(yōu) 良特性使得CPM在近年來得到了深入的研究，在移動通信、衛(wèi)星通信及遙感測 繪等領域獲得廣泛重^L。例如我國第二代移動通信GSM系統(tǒng)采用的就是二進制 CPM調(diào)制中的GMSK調(diào)制。
由上可知，OFDM、 CPM技術都有著各自強大的技術優(yōu)勢，將兩種技術相 結合，可大大提高通信系統(tǒng)的傳輸性能，但如何降低系統(tǒng)中多載波帶來的高峰 均功率比也是一個十分重要的問題。

發(fā)明內(nèi)容
部分傳輸序列(PTS: Partial Transmit Sequence )是降低多載波系統(tǒng)PAPR 的一種常用的方法。該算法描述如下定義一個OFDM復用器的輸入向量，然 后以相鄰分割的方法將其分割成K組，用A表示。將這K組數(shù)據(jù)分別乘以輔助 信息(為了減小復雜度，輔助信息的取值必須在某一有限的空間內(nèi))后再合并 這些分組，隨后通過OFDM復用器。通過選擇最優(yōu)的輔助信息的組合，獲得 OFDM復用器的輸出有最低的PAPR。參考IDFT變換的線性性質(zhì)
x' = i/DFr(6vXv) = ^>v/DFr(;rv) = ^>v;cv,可以先對每個PTS分組先做IDFT變換
v=l v=l
得到x,,然后選擇最優(yōu)的、》2......^的組合，使得x'的峰均功率比最小，其中&表
示第v個PTS分組的輔助信息。需要指出的是，在實際應用中為了降低算法的 復雜度，往往采用依次確定^v取值的算法，該算法找到的輔助信息組合可能不是最優(yōu)解。在PTS算法中，接收端為了正確解調(diào)，必須知道每個分組的輔助信 息，所以發(fā)端必須要將這一信息傳遞給收端，如果輔助信息在傳輸?shù)倪^程中出 錯，那么接收端將無法正確解調(diào)，另外傳遞輔助信息也會降低系統(tǒng)的傳輸效率。
本發(fā)明用PTS算法來降低OFDM-CPM系統(tǒng)的PAPR，用SGC方法把PTS算法 與CPM調(diào)制過程相結合，這樣接收端在不知道每個PTS分組輔助信息取值的條 件下也能正常解調(diào)，且系統(tǒng)的抗噪聲性能不受任何影響。該發(fā)明主要分為兩個 模塊SGC模塊與PAPR處理模塊。
在SGC模塊，設定系統(tǒng)的子載波分組數(shù)目為r,每個子載波分組內(nèi)的子載 波數(shù)目為《+l，輸入信息經(jīng)過串并變換后分為F路。r路數(shù)據(jù)輸入均以兀個符 號為一組進入CPM調(diào)制器，根據(jù)CPM調(diào)制的特點，每路將有(尺+l)個調(diào)制 符號輸出，將每路CPM調(diào)制器的(《+l)個輸出符號分配到與之對應的子載波 組的(尺+l)個子載波上，然后對系統(tǒng)的所有子載波上的數(shù)據(jù)進行正交頻分復用。
在優(yōu)化PAPR算法處理模塊，用SGC中每個分組內(nèi)調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)來確 定PTS算法中相應分組的輔助信息的取值空間。為了保證發(fā)射功率不變，本發(fā) 明對輔助信息做出限定要求^^exp(y《)，其中《e
,這樣就可以保證
在降低系統(tǒng)PAPR的同時不增大系統(tǒng)的發(fā)射功率。同時看到在本發(fā)明中輔助信息 的作用主要是把每個PTS分組內(nèi)的調(diào)制信號的相位都旋轉一定角度，而不改變 分組內(nèi)相鄰符號間的相對相位關系，所以在本發(fā)明中可以稱輔助信息為相位旋 轉因子。由CPM調(diào)制的特性可知，該調(diào)制方式利用相鄰符號間的相位關系來傳 遞信息，所以如果PTS算法中分組數(shù)等于SGC模塊中子載波分組的個數(shù)，每個 PTS分組內(nèi)的信息都來自同一個調(diào)制器的輸出，從而保證每個CPM調(diào)制器輸出 符號的相對相位關系保持不變，接收端也不需要知道每個PTS分組的相位旋轉也能正確解調(diào)。但是考慮到噪聲的存在，如果接收端不知道每個分組的相位旋 轉值，這樣在接收信號星座點映射時就易受噪聲干擾，系統(tǒng)抗噪聲性能下降。
本發(fā)明通過進一步限制相位旋轉因子取值空間來解決上述問題。在確定CPM調(diào) 制器的調(diào)制指數(shù)后，就確定該調(diào)制器輸出信號在信號空間上的相位狀態(tài)(星座 點)，這些相位狀態(tài)都分布在單位圓上，其坐標用^(^: = 1,2.....〖)表示，夂表示 相位狀態(tài)的數(shù)量。如果相位旋轉因子在&(& = 1，2.....iQ中進行選擇，在本發(fā)明中 PTS算法就相當于把每個分組內(nèi)的調(diào)制輸出信號的相位從一個星座點轉到另一 個星座點，所以在接收端星座映射時，抗噪聲的能力并沒有受到任何影響。


圖1顯示了所用系統(tǒng)的模型圖。
圖2為降低峰均功率比模塊的模型圖。
圖3為采用本發(fā)明中子載波分組CPM的方法對降低系統(tǒng)PAPR的效果圖。 圖4顯示了使用本發(fā)明前后系統(tǒng)抗噪聲性能。
具體實施例方式
定義系統(tǒng)的子載波分組個數(shù)為r，對于一個OFDM符號i^明該發(fā)明的具體 實施方式。下面通過附圖對本發(fā)明進行詳細闡述。 圖1顯示了所用系統(tǒng)的模型圖。
在步驟101,對串行數(shù)據(jù)流^("1,2…)進行串并變換，數(shù)據(jù)流被分成r組并 行支路。
在步驟102， CPM調(diào)制器確定調(diào)制指數(shù)，并且每個調(diào)制器選定的調(diào)制指數(shù) 傳給降低峰均功率比模塊。調(diào)制指數(shù)的選取原則如下對于4CPM, /2=2/5、 4/5 時，狀態(tài)數(shù)都為5，誤碼性能最好；對于8CPM， /z=2/9、 4/9、 8/9時，狀態(tài)數(shù)都為9,誤碼性能最好。同時還要考慮到調(diào)制指數(shù)對頻帶利用率的影響，由相關文
獻可知，在同樣條件下，調(diào)制指數(shù)越小頻帶利用率越高。所以4CPM的最優(yōu)的 調(diào)制指數(shù)為2/5、 8CPM時最優(yōu)的調(diào)制指數(shù)為2/9。
在步驟102,每次把各個支路上連續(xù)《(F(《+ l戶總子載波個數(shù))個符號依 次送入CPM調(diào)制器，調(diào)制器將輸入符號映射成相應的復數(shù)星座點c^， q,v = cos(《,v) + _/sin(《，v),表示第v個SGC分組內(nèi)第A個的星座點輸出。其中 "n v^ + - A: = 2
《v= ,乂 ， ， y ， ， ^代表調(diào)制器初始相位，且
clv =cos(^) + ysin(^)。
在步驟103，每個支路上CPM調(diào)制器的輸出信號c^經(jīng)過串并變換形成 (《+1)路數(shù)據(jù)流，對(K+l)路信號進行補零操作后形成F(^ + 1)路數(shù)據(jù)流， 然后將K(《+ 1)路數(shù)據(jù)流送入IFFT變換器。補零操作后每個分組內(nèi)的數(shù)據(jù)描述 如下對于第v個分組內(nèi)IFFT變換器的輸入{1 ,^ = 1,2......", w的取值范圍
為[l r(^ + l",當"在[(v-l)(K + l) + l v(K + l)]區(qū)間內(nèi)遞增時，^"的值依次 由c^的值來填充；X"，v在其它w值處用0來填充。
上述過程完成SGC。
在步驟104,對每個分組內(nèi)的r(尺+1)路數(shù)據(jù)進行F(夂+1)點的IFFT變換， 進行正交頻分復用。
在步驟105，進行降低峰均功率比的操作。圖2給出了優(yōu)化PAPR算法處理 模塊的操作流程。每個IFFT變換器的輸出( v = l，2……^來表示， 為
K(咒+ l)xl維列向量。將這F個IFFT變換器輸出以;c^^Zv^的方式合并，為了
v=l
保證發(fā)射功率不變，要求輔助信息的乂-expC/'《)，其中《e
，所以可稱輔助信息為相位旋轉因子。其中f為 一個OFDM符號間隔內(nèi)輸出的時域波形(IFFT 運算時采用了四倍過采樣)，該模塊要做的就是降低x'的峰均功率比。當 、》2......^的值均為1， x'就為沒有進行降低峰均功率比處理的OFDM符號。接
下來要確定每個分組相位旋轉因子的取值空間，并確定相位旋轉因子、62......~
的組合，達到降低峰均功率比的目的。
在步驟201,輔助信息取值、優(yōu)化模塊的工作可以分為兩個步驟 步驟l,確定各個分組的相位旋轉因子的取值空間。系統(tǒng)把每個分組調(diào)制器 選用的調(diào)制指數(shù)信息告知該模塊，該模塊通過各個調(diào)制器采用的調(diào)制指數(shù)來確 定相應分組的相位旋轉因子的取值空間。例如如果知道第v個分組內(nèi)調(diào)制器采 用調(diào)制指數(shù)為2/3的CPM調(diào)制，該調(diào)制模式星座圖上其相位狀態(tài)的坐標為 s ={(-0.5 + VI/2i)、(_0,5-V^/20、(l + 0/)},該模塊就確定第v個PTS分組的相位旋轉
因子的取值空間就為s。由于不同分組可以根據(jù)不同的QoS要求或信道條件采用 不同的調(diào)制指數(shù)或調(diào)制電平，所以各個分組的相位旋轉因子取值空間可能不同。 步驟2,選擇合理的r個分組的相位旋轉因子的組合。首先設定、^......~的
值均為1,計算此時OFDM符號的PAPR，然后依據(jù)步驟l中確定的第一個分組 的相位旋轉因子的取值空間改變Z^的值并重新計算PAPR, ^取值遍歷第一個分 組的相位旋轉因子的取值空間，最后選擇PAPR最小時的A的值為該分組的相位 旋轉因子。在&取值的基礎上按照上述方法計算62的值，依次計算下去直到確 定、Z^......^的最終組合。
在步驟202，根據(jù)確定的~~......^的組合，按照公式x^fzw合并各個支
v=l路。
上述過程完成降低峰均功率比模塊的操作。在步驟106，對降低峰均功率比模塊輸出的數(shù)據(jù)進行串并變換，得到一個 OFDM符號間隔內(nèi)的時域信號。
在步驟107中對該時域信號添加循環(huán)前綴，得到最終的輸出信息。該步驟 主要用以抵抗ISI與ICI。
性能分析
對本發(fā)明中優(yōu)化PAPR處理模塊的效果進行了仿真分析。 仿真條件每個調(diào)制器都選用了 4CPM的調(diào)制方式、調(diào)制指數(shù)為2/5;系統(tǒng) 總的子載波數(shù)為256,子載波分組數(shù)為16;采用COST207 Typical Urban信道模 型，5M帶寬、6徑；2x2的V-BLAST系統(tǒng)模型。
仿真結果圖3表明本發(fā)明中結合SGC與PTS的方法可以大大降低系統(tǒng)大 峰值符號出現(xiàn)的概率。如圖3所示，在不使用該方法時，OFDM符號的PAPR 超過13dB的概率約為10、而使用該方法后，PAPR超過9dB的概率僅約為l(T4， 可見該方法可大大降低系統(tǒng)的峰均功率比。從圖4可以看出，接收端在不知道 各個分組相位旋轉因子的前提下也可以正常解調(diào)，同時該發(fā)明并沒有降低系統(tǒng) 的抗噪聲性能，BER性能曲線與采用此發(fā)明前的系統(tǒng)的理想性能曲線基本吻合。
權利要求
1、一種降低OFDM-CPM系統(tǒng)峰均功率比的有效方法，該方法通過SGC有效結合CPM調(diào)制與PTS算法，用CPM的調(diào)制指數(shù)來確定PTS算法中每個分組的輔助信息的取值空間。本發(fā)明不用發(fā)送PTS算法中每個信息分組的輔助信息給接收端，這也在一定程度上提高了系統(tǒng)的傳輸效率，而且在降低系統(tǒng)峰均功率比的同時保證系統(tǒng)的發(fā)射功率與抗噪聲性能保持不變。
2、 根據(jù)權利要求l，采用子載波分組CPM調(diào)制技術(SGC),其特征在于 將輸入信息流經(jīng)過串并變換分為F5各，每路信息分別經(jīng)歷不同的CPM調(diào)制器；同 樣以相鄰分割的方法將系統(tǒng)子載波分割為r組，每組子載波分別承載相應的 CPM調(diào)制器輸出的信息。
3、 根據(jù)權利要求l，在保證發(fā)射功率不變的前提下，降低系統(tǒng)的PAPR。本 發(fā)明對PTS算法中的輔助信息6V的取值空間進限制定義一個OFDM符號間隔內(nèi)OFDM復用器的輸入數(shù)據(jù)為Z，將I以相鄰的方法分割成F組分別由 {Xvv = l,2......)^來表示。將K個分組以Z' = f>vIv的方式合并，要求v=l6v=exp(y《)，其中《<0 2;r]，這樣保證系統(tǒng)的發(fā)射功率保持不變，所以在本 發(fā)明中也可將輔助信息Z)v稱作相位旋轉因子。
4、 根據(jù)權利要求1與權利要求2，有效結合PTS算法與CPM調(diào)制過程。要求 PTS算法中的信息分組個數(shù)與SGC中子載波的分組個數(shù)相等，從而保證每個PTS 分組內(nèi)的信息都屬于同一個CPM調(diào)制器的輸出。同時要求PTS算法中每個分組的 輔助信息的取值空間由相應的SGC分組中調(diào)制器的參數(shù)確定。
5、 根據(jù)權利要求l，接收端不必知道每個PTS分組所選用的輔助信息。根 據(jù)權利要求3中^的取值，PTS算法只是把每個分組內(nèi)符號的相位旋轉一定角度，而相鄰符號間的相對相位關系保持不變。CPM調(diào)制信號就是靠相鄰符號間的相對相位關系來傳遞信息，根據(jù)權利要求4，每一個PTS信息分組內(nèi)的符號來源于 同一個調(diào)制器的輸出，所以接收端將不必知道每個PTS分組的輔助信息。該方法 不需要發(fā)送額外信息給接收端，從而提高了傳輸效率。
6、根據(jù)權利要求1與權利要求4，確定在不降低系統(tǒng)抗噪聲性能的條件下 PTS算法中每個信息分組的相位旋轉因子(輔助信息)的取值空間。在設定每個 SGC分組所使用的CPM調(diào)制的調(diào)制指數(shù)后，就可以確定該分組內(nèi)調(diào)制信號在信 號空間上的相位狀態(tài)(星座點)，這些相位狀態(tài)都分布在單位圓上，其坐標用 &(A: = 1,2.....A:)表示，^表示相位狀態(tài)的數(shù)量。如果相位旋轉因子在 & (A: = 1，2.....《)中進行選擇，這樣相當于把每個分組內(nèi)的調(diào)制信號的相位從一個 星座點轉移到另 一個星座點，從而保證接收信號在星座點映射時抗干擾性能沒 有削弱。所以可以保證在降低系統(tǒng)PAPR的同時系統(tǒng)的抗噪聲性能不受影響。
全文摘要
本發(fā)明提出子載波分組CPM(Subcarriers Grouped CPM-SGC)方法，用于匹配PTS算法中的信息分組，并依據(jù)SGC中每個分組的調(diào)制指數(shù)來確定PTS算法中每個信息分組的輔助信息的取值空間。本發(fā)明的特點為在顯著降低系統(tǒng)PAPR的同時，接收端不必知道每個PTS分組內(nèi)輔助信息取值也能正常解調(diào)，且系統(tǒng)的抗噪聲性能不受影響。
文檔編號H04L27/26GK101459646SQ20091007640
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月7日 優(yōu)先權日2009年1月7日
發(fā)明者亮 傘, 劉元安, 劉凱明, 李行政, 剛 謝 申請人:北京郵電大學