基于非對稱窗函數(shù)的ofdm信號峰平比抑制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑制方法，對原始輸入信號依次進行調(diào)制與變換，得到OFDM已調(diào)信號xn；計算xn的峰平比，選取峰平比大于門限的信號作為峰值削減信號；通過計算相鄰峰值削減信號之間的距離，確定第m個峰值削減信號的右半窗長度nr(m)和第m+1個峰值削減信號的左半窗長度nl(m+1)的大小；對當(dāng)前峰值削減信號進行窗函數(shù)處理得到信號x′n，用信號x′n替換xn中峰平比大于峰平比門限A的信號，將所得信號發(fā)射出去。本發(fā)明選出發(fā)送信號中的峰值消減信號，根據(jù)相鄰峰值消減信號間的距離來確定窗函數(shù)的長度，并對該信號進行消減，將消減后的信號與原發(fā)送信號中峰平比在門限以下的信號合并，作為新的信號進行傳輸，降低OFDM傳輸信號峰平比。
【專利說明】基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑 制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 正交頻分復(fù)用（〇；rthogonal frequen巧 division multiplexing,0抑M)調(diào)制技術(shù) 具有良好的抗多徑能力、高效的頻帶利用率，已成為未來無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目 前OFDM調(diào)制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高清晰度電視化igh Definition Television,HDTV)、歐洲 和北美地區(qū)的第二類高性能局域網(wǎng)化i曲-Performance LAN type 2，HI陽RLAN/2)、非對稱 數(shù)字用戶環(huán)路（Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)及3GPP(The 3rd Generation Partnership Project)長其月演進(Lon邑 Term Evolution,LTE)等標(biāo)準(zhǔn)。
[0003] 然而OFDM調(diào)制技術(shù)在其應(yīng)用中仍然存在一些重要問題沒有得到很好的解決，其中 一個關(guān)鍵的技術(shù)難點就是其信號的高峰平比問題。由于OFDM發(fā)送信號是由多個子載波信號 疊加而成，因此當(dāng)多個子載波信號的相位相近時，所產(chǎn)生的信號瞬時功率就會遠(yuǎn)高于信號 平均功率，從而出現(xiàn)較高的峰平比（peak-t〇-average power ratio ,PAPR)。較高的峰平比 要求發(fā)射端的功率放大器必須具有較大的線性范圍。否則就會給放大后的信號帶來較大的 非線性崎變，從而使得系統(tǒng)性能急劇下降。因此，如何有效地降低OFDM信號的峰平比W提高 傳輸效率，是目前無線OFDM系統(tǒng)應(yīng)用中的一個主要難點。
[0004] 迄今，國內(nèi)外研究者已經(jīng)提出了諸多降低(FDM信號峰平比的解決方案，包括:信號 限幅、壓擴、載波預(yù)留、部分傳輸序列及選擇映射等。但是它們都因其固有的缺陷而在現(xiàn)有 的OFDM系統(tǒng)中無法取得較好的性能。比如，信號限幅與壓擴會產(chǎn)生較大的帶外福射與帶內(nèi) 失真，因此無法獲得良好的誤碼率性能;載波預(yù)留是預(yù)留了一部分子載波專口用于抑制信 號峰平比，因此降低了頻帶效率;部分傳輸序列及選擇映射必須占用一些子載波來發(fā)送專 口的邊帶信息，因而也損失了傳輸效率。
[0005] 為了提高信號峰平比抑制能力，西安電子科技大學(xué)提出的專利申請"基于雙曲壓 擴及聯(lián)合限幅的OFDM信號峰平比抑制方法"（申請日：2011年09月19日，申請?zhí)枺?201110276782.8，公開號:CN 102325118A)與"基于分段分布優(yōu)化的無線OFDM信號峰平比抑 制方法"（申請日：2012年04月23日，申請?zhí)枺?01210118320.8，公開號：CN 102664853A)中公 開了兩種利用雙曲壓擴與分段壓擴限制信號峰平比的方法，運兩份專利申請的方法都能夠 有效降低信號峰平比。但是，它們方法中存在的不足是:運兩種方法會對接收信號誤碼率產(chǎn) 生較大的影響，而且會造成較大的帶外頻譜泄露，從而使得系統(tǒng)性能急劇下降。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于非對稱窗函數(shù)的OFDM 信號峰平比抑制方法，無需發(fā)送邊帶信息，也不會引入帶內(nèi)外失真，并抑制信號峰平比。
[0007] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[000引包括w下步驟：
[0009] (1)初始化:設(shè)定峰平比口限A、最大迭代次數(shù)T、最大窗長Lmax、凱撒窗參數(shù)βΚ及當(dāng) 前迭代次數(shù)t = l;
[0010] (2)對原始輸入信號進行串并變換及正交振幅調(diào)制，得到正交振幅調(diào)制信號x = [Χο,Χι，. . .，Xk，. . .，Xn-i]，N表示(FDM系統(tǒng)的子載波個數(shù)；
[0011] (3)對正交振幅調(diào)制信號進行(FDM調(diào)制與并串變換，得到(FDM已調(diào)信號Xn;
[001^ (4)計算(FDM已調(diào)信號Xn的峰平比，選取峰平比大于峰平比Π 限A的信號作為峰值 削減信號，并求得其幅度am和個數(shù)M;
[0013] (5)通過計算當(dāng)前峰值削減信號與下一峰值削減信號之間的距離，確定nr(m)和m (m+1)的大小，其中nr(m)表示第m個峰值削減信號的右半窗長度，ni(m+l)表示第m+1個峰值 削減信號的左半窗長度；
[0014] (6)確定對當(dāng)前峰值削減信號進行處理的窗函數(shù)長度Lm;
[0015] (7)對當(dāng)前峰值削減信號進行窗函數(shù)峰值消減操作；
[0016] (8)令m=m+l，如果m=M，則轉(zhuǎn)到步驟(9);否則回到步驟(5)，繼續(xù)循環(huán)；
[0017] (9)令t = t+l，若t = T，則循環(huán)結(jié)束，得到信號x\，轉(zhuǎn)到步驟（10);否則回到步驟 (4)，繼續(xù)循環(huán)；
[0018] (10)將OFDM已調(diào)信號Xn中峰平比大于峰平比口限A的信號替換為步驟(9)循環(huán)結(jié) 束得到的信號Χ/。，連同Xn中的其余信號一起發(fā)射出去。
[0019] 進一步地，步驟(3)中
（13;
[0020] 其中Xk為正交振幅調(diào)制信號，j為虛數(shù)單位，J為過采樣因子，0《k《N-l且k為實 數(shù)。
[0021] 進一步地，步驟(4)中還包括：同時初始化峰值削減信號遍歷參數(shù)m=l，ni(l) = (Lmax-l)/2,其中ni(l)表示第一個峰值削減信號的左半窗長度。
[0022] 進一步地，步驟(5)中：
[0025] 其中，d(m，m+l)表示第m個峰值削減信號和第m+1個峰值削減信號之間的距離。
[0026] 進一步地，步驟(6)中，窗函數(shù)長度Lm=ni(m)+nr(m)+l。
[0027]進一步地，步驟(7)中具體按照如下公式進行：
[002引 X'n=Cn?Xn (4)
[0029] 公式(4)中
W)
[0030] 其中，曰1是第i個峰值削減信號的幅度，功窗函數(shù)。
[0031] 進一步地，窗函數(shù)為凱撒窗函數(shù)、高斯窗函數(shù)或漢明窗函數(shù)，其中凱撒窗函數(shù)的表 達式為
為0階貝塞爾函數(shù)。
[0032] 進一步地，步驟(10)中的信號依次經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和射頻放大后由天線發(fā)射出去。
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益的技術(shù)效果：
[0034] 本發(fā)明在(FDM系統(tǒng)進行離散傅立葉反變換之后嵌入峰值信號窗函數(shù)平滑模塊，取 發(fā)送信號中峰平比大于預(yù)設(shè)口限的信號作為峰值消減信號，根據(jù)相鄰峰值消減信號間的距 離來確定窗函數(shù)的長度，并由所選窗函數(shù)對該信號進行平滑，并將平滑后的信號與原始發(fā) 送信號中峰平比在口限W下的信號合并作為新的0抑Μ信號進行傳輸，從而降低OFDM傳輸信 號峰平比。本發(fā)明還具有W下優(yōu)點：
[0035] 第一，本發(fā)明能W較低的計算復(fù)雜度獲得良好的峰平比改善，因此可W降低信號 對功率放大器的線性度要求，從而有效提升放大器的工作效率；
[0036] 第二，本發(fā)明處理所得的信號不會產(chǎn)生帶外福射，也不會影響OFDM系統(tǒng)接收端的 誤碼率性能；
[0037] 第Ξ，本發(fā)明的實現(xiàn)與接收端正常工作無關(guān)，所W不需要額外發(fā)送邊帶信息給接 收端，因此應(yīng)用本發(fā)明的無線OFDM系統(tǒng)可與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)直接兼容。
[0038] 第四，與其他方法相比，本發(fā)明無需發(fā)送邊帶信息，也不會引入帶內(nèi)外失真，因此 本方法能夠滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的需求。且仿真結(jié)果表明，本發(fā)明能夠W極低地復(fù)雜度獲得 良好的峰平比抑制效果，同時本發(fā)明能夠獲得良好的系統(tǒng)接收端誤碼率性能。
[0039] 第五，本發(fā)明是一種正交頻分復(fù)用調(diào)制無線傳輸信號的峰平比抑制方法，可廣泛 應(yīng)用于各類寬帶OFDM無線通信系統(tǒng)中的信號峰平比抑制。 【【附圖說明】】
[0040] 圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程框圖；
[0041 ]圖2是本發(fā)明與現(xiàn)有方法的峰平比性能比較圖；
[0042] 圖3是本發(fā)明與現(xiàn)有方法的誤碼率性能比較圖。 【【具體實施方式】】
[0043] 參照附圖1，本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下：
[0044] (1)初始化:設(shè)定峰平比口限A、最大迭代次數(shù)T、最大窗長Lmax、凱撒窗參數(shù)βΚ及當(dāng) 前迭代次數(shù)t = l;
[0045] (2)對原始輸入信號進行串并變換及正交振幅調(diào)制，將輸入數(shù)據(jù)映射為正交振幅 調(diào)制信號X=[X0，Xi，...，Xk，...，Xn-i]，其中N表示OFDM系統(tǒng)的子載波個數(shù)；
[0046] (3)對正交振幅調(diào)制信號進行(FDM調(diào)制與并串變換，得到(FDM已調(diào)信號xn，按照如 下公式進行：
[0047]
0)
[004引其中Xn為(FDM已調(diào)信號，)(k為正交振幅調(diào)制信號，j為虛數(shù)單位，J為過采樣因子，0 《k《N-l且k為實數(shù)；
[0049] (4)計算信號xn的峰平比PARP，選取PARP大于峰平比口限A的信號作為峰值削減信 號并求得其幅度和個數(shù)M，同時初始化峰值削減信號遍歷參數(shù)m=l，ni(l) = (Lmax-l)/2,其 中ni(l)表示第一個峰值削減信號的左半窗長度；
[0050] (5)通過計算當(dāng)前峰值削減信號與下一峰值削減信號之間的距離，確定nr(m)和m (m+1)的大小，其中nr(m)和ni(m+l)分別表示第m個峰值削減信號的右半窗長度和第m+1個峰 值削減信號的左半窗長度。為避免當(dāng)前峰值削減信號的右半窗和下一峰值削減信號的左半 窗相互重疊，給出如下定義：
[0053] 其中，d(m，m+l)表示第m個峰值削減信號和第m+1個峰值削減信號之間的距離;假 設(shè)第m個峰值削減信號為Xa，第m+1個峰值削減信號為Xb，則該相鄰的峰值削減信號Xb與Xa之 間的距離是b-a。
[0054] (6)根據(jù)步驟(5)中的結(jié)果確定對當(dāng)前峰值削減信號進行處理的窗函數(shù)長度Lm=ni (m)+nr(m)+l ；
[0055] (7)對當(dāng)前峰值削減信號進行窗函數(shù)峰值消減操作，按照如下公式進行：
[0059]式中曰1是第i個峰值削減信號的幅度，而
[0060]
(6)
[0061] I〇( ·)為0階貝塞爾函數(shù)，Wn-i為凱撒窗函數(shù)，運里的窗函數(shù)不僅可選取凱撒窗函 數(shù)，也可由其它任意同類型的窗函數(shù)如高斯窗函數(shù)或漢明窗函數(shù)等來替換。
[0062] (8)令m=m+l，如果m=M，則轉(zhuǎn)到步驟(9);否則回到步驟(5)，繼續(xù)循環(huán)；
[0063] (9)令t = t+l，若t = T，則循環(huán)結(jié)束，得到信號x\，轉(zhuǎn)到步驟（10);否則回到步驟 (4)，繼續(xù)循環(huán)。
[0064] (10)將OFDM已調(diào)信號xn中峰平比大于峰平比口限A的信號替換為步驟(9)循環(huán)結(jié) 束得到的Χ^η,Χη中的其余信號不變，然后一起依次經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和射頻放大后由天線發(fā)射出 去。
[0065] 本發(fā)明的效果可通過下面的仿真實例進一步說明。
[0066] 一、仿真條件：
[0067] 仿真中OFDM系統(tǒng)子載波個數(shù)為256，調(diào)制方式為正交振幅64QAM調(diào)制，未編碼系統(tǒng)； 信道為加性高斯白噪聲信道。仿真信號在發(fā)送端通過固態(tài)功率放大器后經(jīng)由天線發(fā)送，固 態(tài)功率放大器的幅度失真表達式為
(10)
[006引
[0069] 其中C = 6地為飽和口限，p = 3為功率放大器平滑度參數(shù)。
[0070] 二、仿真內(nèi)容與結(jié)果：
[0071] 圖2給出了本發(fā)明與現(xiàn)有方法的峰平比性能曲線，本發(fā)明方法對峰平比性能的改 善效果具有較大的提升，經(jīng)過部分傳輸序列與選擇映射序列后信號的峰平比為6.5dB與 7.5dB，而本方法峰平比僅為5dB，抑制效果提高了 1.5地與2.5dB;圖3給出了多種方法的誤 碼性能曲線，與其他方法相比，本發(fā)明所提的方法誤碼性能要優(yōu)于其他算法，在誤碼達到 1〇-3平臺時，本發(fā)明優(yōu)于部分傳輸序列與選擇映射序列IdB與2地。
[0072] 本發(fā)明通過W下主要實現(xiàn)步驟：（1)對輸入比特流進行正交振幅調(diào)制；（2)對正交 振幅調(diào)制符號進行OFDM調(diào)制；（3)取出發(fā)送信號峰平比大于預(yù)設(shè)口限的信號作為峰值消減 信號；（4)通過計算當(dāng)前峰值消減信號與下一峰值消減信號之間的距離，確定窗函數(shù)的長 度；（5)基于所選窗長，對當(dāng)前峰值消減信號進行窗函數(shù)處理操作；（5)將滿足峰平比限制的 輸出信號送入D/A轉(zhuǎn)換器與射頻放大器后，經(jīng)由天線發(fā)射出去。本發(fā)明能W較低的計算復(fù)雜 度獲得良好的峰平比改善性能，而且本發(fā)明不需要額外發(fā)送邊帶信息給接收端，因此應(yīng)用 本發(fā)明的無線OFDM系統(tǒng)可與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)直接兼容，本發(fā)明對信號峰平比的抑制能力強，能 夠有效降低誤碼率。
【主權(quán)項】
1. 基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 初始化:設(shè)定峰平比門限A、最大迭代次數(shù)T、最大窗長Lmax、凱撒窗參數(shù)β以及當(dāng)前迭 代次數(shù)t = l; (2) 對原始輸入信號進行串并變換及正交振幅調(diào)制，得到正交振幅調(diào)制信號X=[X〇， Xi，. . .，Xk，. . .，XN-1]，N表示OFDM系統(tǒng)的子載波個數(shù)； (3) 對正交振幅調(diào)制信號進行OFDM調(diào)制與并串變換，得到OFDM已調(diào)信號χη; (4) 計算OFDM已調(diào)信號&的峰平比，選取峰平比大于峰平比門限A的信號作為峰值削減 信號，并求得其幅度3"和個數(shù)Μ; (5) 通過計算當(dāng)前峰值削減信號與下一峰值削減信號之間的距離，確定nr(m)和m(m+l) 的大小，其中n r(m)表不第m個峰值削減信號的右半窗長度，m(m+l)表不第m+1個峰值削減信 號的左半窗長度； (6) 確定對當(dāng)前峰值削減信號進行處理的窗函數(shù)長度Lm; (7) 對當(dāng)前峰值削減信號進行窗函數(shù)峰值消減操作； (8) $m=m+1，如果m=M，則轉(zhuǎn)到步驟(9);否則回到步驟(5)，繼續(xù)循環(huán)； (9) 令t = t+l，若t = T，則循環(huán)結(jié)束，得到信號，轉(zhuǎn)到步驟（10);否則回到步驟(4)，繼 續(xù)循環(huán)； (10) 將OFDM已調(diào)信號&中峰平比大于峰平比門限A的信號替換為步驟(9)循環(huán)結(jié)束得到 的信號X、，連同χη中的其余信號一起發(fā)射出去。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑制方法，其特征在于，其中Xk為正交振幅調(diào)制信號，j為虛數(shù)單位，J為過采樣因子，0彡k彡N-1且k為實數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑制方法，其特征在于， 步驟⑷中還包括：同時初始化峰值削減信號遍歷參數(shù)m = 1，m(1) = (Lmax_ 1)/2，其中m(1) 表示第一個峰值削減信號的左半窗長度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑制方法，其特征在于， 步驟(5)中：其中，d (m，m+1)表示第m個峰值削減信號和第m+1個峰值削減信號之間的距離。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑制方法，其特征在于， 步驟(6)中，窗函數(shù)長度Lm=ni(m)+n r(m)+l。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑制方法，其特征在于， 步驟(7)中具體按照如下公式進行：其中，ai是第i個峰值削減信號的幅度，l<i<M;wn-i為窗函數(shù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑制方法，其特征在于， 窗函數(shù)為凱撒窗函數(shù)、高斯窗函數(shù)或漢明窗函數(shù)，其中凱撒窗函數(shù)的表達式為：8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非對稱窗函數(shù)的OFDM信號峰平比抑制方法，其特征在于， 步驟(10)中的信號依次經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和射頻放大后由天線發(fā)射出去。
【文檔編號】H04L27/26GK106059983SQ201610605500
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】侯俊, 趙祥模, 惠飛, 張陽, 馬峻巖, 史昕, 楊瀾
【申請人】長安大學(xué)