CN103441769B - 一种降低ofdm系统的papr的pts方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种降低OFDM系统的PAPR的PTS方法。在OFDM信号分块以后，根据每一个子块第一个数据点实部的正负分别加入自相关系数不同的自相关性，以此达到降低OFDM信号PAPR和接收端无需边带副信息检测信号的目的。在接收端根据每一个子块自相关值的正负恢复出自相关系数，并且将消除了自相关性之后的子块信号与其对应的自相关系数相乘，根据乘积的正负来判断该子块所乘的相位旋转序列。自相关匹配-PTS在有效降低OFDM信号PAPR的同时，在接收端无需边带副信息即可恢复出原始信号，节省了带宽，有效地提高了频谱利用效率。

Description

一种降低OFDM系统的PAPR的PTS方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种降低OFDM系统的PAPR的PTS方法。

背景技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一种性能优越的多载波调制技术，因其能有效对抗符号间干扰(Inter-symbol Interference,ISI)和多径时延而受到广泛重视。OFDM系统中存在着多个正交的子载波，其输出信号是多个子信号的叠加，因而会出现很高的峰均功率比(Peak-to-average Power Ratio,PAPR)。高的PAPR会引起带外功率辐射，硬件非线性失真，子载波之间的相互干扰等，使得系统性能严重恶化。因此，降低OFDM系统的PAPR有着非常重要的意义。

目前降低OFDM系统PAPR的方法大致可分为三类：信号预畸变技术，编码类方法和概率类方法。概率类方法是目前研究的重点。概率类方法并没有真正降低OFDM信号的峰值功率，而是通过对原始OFDM信号实施线性分割或者线性变换来达到降低高峰值功率出现概率的目的。概率类方法包含很多算法，如子载波预留(Tone Reservation,TR)、选择性映射(Selective Mapping,SLM)、部分传输序列(Partial Transmit Sequence,PTS)等。为了能够在接收端恢复出原始信号，PTS技术需要传输一定的边带副信息，这就降低了系统的频谱利用效率。为了能在接收端准确地将边带副信息恢复出来，通常会采用额外的技术如编码技术来处理边带副信息，这可能会引起系统PAPR的再次升高，且又进一步降低了系统的频谱利用率。本文提出的自相关匹配-PTS方法在有效降低系统PAPR的同时，将旋转相位因子的信息植入到信号的自相关性当中，无需边带副信息的传输就能实现信号的恢复，大大提高了频谱利用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低OFDM系统的PAPR的PTS方法，将旋转相位序列的判别信息植入到信号的自相关性当中，无需传输边带副信息就可以将原始信号恢复出来，提高频谱利用效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

S1、设经过串并变换和基带调制后的频域信号为X，按照传统PTS的划分规则将其划分为V个子块X^(m)，其中，m=1,2,…,V，然后将所有子块通过自相关系数判别器，判断出相关系数G(z)；

S2、将S1所判别出的自相关系数G(z)和S1所述所有子块一起通过自相关信号发生器，得到自相关频域子块信号；

S3、对S2所得自相关频域子块信号进行IFFT变换，将频域自相关子块信号变换到时域，变换后的所有子块信号分别乘以相位旋转因子b(m),b(m)∈(+1,-1),m＝1,2,…,V，假设频域时域子块信号为则将b(m)与相乘可以得到备选传输序列

S4、根据PAPR计算公式计算每个备选传输序列的PAPR，并选择其中最小的PAPR最小的信号用于传输；

S5、假设在接收端收到的信号为y，对y进行FFT操作，变换成频域信号；

S6、按照S1所述分块方式对y进行分块，划分为V个子块，每个子块表示为Y^(m),m=1，2，…，V，对Y^(m)进行自相关运算，恢复出自相关系数和每一个子块所乘的旋转相位，得到消除自相关性之后的信号1≤i≤V，所述自相关运算规则为，若一个子块的自相关值为正，则该子块的自相关系数恢复为k(k＞0);若其自相关值为负，则该子块的自相关值恢复为-k(k＞0)；

S7、将S6所得与该所对应的旋转相位1≤i≤V相乘，得到最终恢复的各子块信号，将所述最终恢复的各子块信号相加，得到最终恢复的数据块Y^*，

S8、对S7所得Y^*进行基带解调和并串变换，得到最终恢复出的信号。

进一步地，S3所述备选传输序列的个数为n＝2^V-1。

本发明的有益效果是：是在OFDM信号分块以后，根据每一个子块第一个数据点实部的正负分别加入自相关系数不同的自相关性，以此达到降低OFDM信号PAPR和接收端无需边带副信息检测信号的目的。在接收端根据每一个子块自相关值的正负恢复出自相关系数，并且将消除了自相关性之后的子块信号与其对应的自相关系数相乘，根据乘积的正负来判断该子块所乘的相位旋转序列。自相关匹配-PTS在有效降低OFDM信号PAPR的同时，在接收端无需边带副信息即可恢复出原始信号，节省了带宽，有效地提高了频谱利用效率。

附图说明

图1为PTS-OFDM的系统框图。

图2为自相关匹配-PTS系统框图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施方式：

一个典型的OFDM信号可以表示如下：

其中,N为OFDM系统中子载波的个数,X(n)为第n个子载波上传输的经过基带调制的频域数据，f_n为第n个子载波的频率，T为一个OFDM符号的周期。

信号的PAPR定义为信号的瞬时峰值功率和平均功率的比值：

$\mathrm{PAPR}=\frac{\max \left\{{\left|x\left(t\right)\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|x\left(t\right)\right|}^2\right\}}$

以dB为单位时改写如下：

其中，|x(t)|²表示信号的瞬时功率，max[·]表示求最大值，E[·]表示求平均值。

习惯上使用互补累积分布函数(Complementary Cumulative Distribution Function,CCDF)衡量OFDM系统中的PAPR分布状况，即所有PAPR采样值中大于阈值的那部分采样值出现的概率之和：P{PAPR>z}=1-P{PAPR≤z}=1-(1-e^-z)^N，其中，z表示PAPR的一个阈值。可以看出，子载波数目N越大，P(PAPR＞z)就越大。

传统的PTS技术如图1所示，一个OFDM数据中的N个子载波被划分为V个子块X^(m),m＝1,2,…,V。划分规则如下；第一，每个子块向量长度相等；第二，对于每一个子块，没有划分到本块中的原OFDM符号信息的位置补充0。每个子块包含有N/V个X中不同频点的数据。

在传统的PTS方法中，X表示为向量形式为X＝[X(0),X(1),…,X(N-1)]，X可根据随机、相邻、交织三种划分规则被分成V个子数据块，将每个子块表示为X^(m),m＝1,2,…,V，则X可以表示为：然后每个子块前乘以合适的相位旋转因子，并选择出一组使得发射信号具有最小峰均功率比的相位因子其中，b(m),m＝1,2，…，V是相位旋转因子,b(m)＝exp(jφ(m))m＝1,2,…,V。特别地，当旋转相位因子限制为b(m)∈(+1,-1),m＝1,2,…,V时，可以得到U＝2^V-1个备选传输序列，且需要传输的边带副信息的比数特为log₂U＝log₂2^V-1＝V-1。

时域信号由频域信号经过快速傅立叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)得到： $\hat{x}=\mathrm{IFFT}\left(\underset{m=1}{\overset{v}{\mathrm{\Σ}}}b\left(m\right)X^{\left(m\right)}\right)=\underset{m=1}{\overset{v}{\mathrm{\Σ}}}b\left(m\right)*\mathrm{IFFT}\left(X^{\left(m\right)}\right)=\underset{m=1}{\overset{v}{\mathrm{\Σ}}}b\left(m\right)x^{\left(m\right)}$ 根据 $\mathrm{PAPR}\left(\mathrm{dB}\right)=10\log 10\frac{\max \left\{{\left|x\left(t\right)\right|}^2\right\}}{E\left\{\right|{x\left(t\right)|}^2\}}$ 分别计算每个备选信号的PAPR，选择其中PAPR最小的信号用于传输，并同时传输识别相位旋转序列的边带副信息。

本发明提出的自相关匹配-PTS方法的系统框图如图2所示。假设经过串并变换和基带调制后的频域信号为X，按照传统PTS的划分规则将其划分为V个子块，X^(m),m＝1,2,…,V。然后将所有子块通过自相关系数判别器。自相关系数判别器根据每一个子块中第一个数据点实部的正负确定该子块的自相关系数，若其实部为正，则该子块的自相关系数判定为α＝k,(k＞0)，否则，该子块的自相关系数判别为α＝-k,(k＞0)。

本发明中所用的自相关信号发生器的传输函数为：G(z)＝1+α^*z^-1，其中，z^-1是向后转移操作，如z^-1s(t)＝s(t-1)。将所有子块和自相关系数判别器所判断出的相关系数一起通过自相关信号发生器，得到自相关的频域子块信号。然后我们用传统PTS方法分块后的后续处理对自相关的频域子块信号进行处理。首先，通过IFFT变换将频域自相关子块信号变换到时域，然后每一子块分别乘以相位旋转因子。此时我们限定b(m)∈(+1,-1),m＝1,2,…,V，于是根据对传统PTS方法的分析，我们可以得到U＝2^V-1个备选传输信号。依据|x(t)|²表示信号的瞬时功率，max[·]表示求最大值，E[·]表示求平均值，信号的PAPR定义为信号的瞬时峰值功率和平均功率的比值：

$\mathrm{PAPR}=\frac{\max \left\{{\left|x\left(t\right)\right|}^2\right\}}{E\left\{{\left|x\left(t\right)\right|}^2\right\}}$

以dB为单位时改写如下：

$\mathrm{PAPR}\left(\mathrm{dB}\right)=10\log 10\frac{\max \left\{{\left|x\left(t\right)\right|}^2\right\}}{E\left\{\right|{x\left(t\right)|}^2\}}$

分别计算每个备选传输信号的PAPR，并选择其中PAPR最小的信号用于传输。我们已经将旋转相位序列的信息隐式地植入到信号的自相关性当中，故不需要传输边带副信息，节省了带宽，提高了频谱利用效率。

假设在接收端接收到的信号为y，其可以表示为接收信号经过FFT操作之后，变换成频域信号。

按照与发送端相同的分块方式将接收信号划分为V个子块将每个子块表示为Y^(m),m＝1，2，…，V则Y可以表示为：然后，将每一个子块通过自相关信号匹配器，对每一个子块信号分别做自相关运算，以恢复出自相关系数和每一个子块所乘的旋转相位。自相关系数的恢复规则如下：若一个子块的自相关值为正，则该子块的自相关系数恢复为k(k＞0);若其自相关值为负，则该子块的自相关值恢复为-k(k＞0)。然后将恢复出的每一个子块信号Y_i,1≤i≤V和恢复出的其对应的自相关系数1≤i≤V一并通过自相关信号逆变换发生器，可以的到消除自相关性之后的信号1≤i≤V。

紧接着，消除了自相关性之后的各个子块信号1≤i≤V和其对应的自相关系数1≤i≤V同时通过旋转相位判别器。每一个子块对应的旋转相位判别规则如下：将每一个子块的自相关系数1≤i≤V与该子块信号1≤i≤V中的第一个数据点的实部相乘，若乘积大于0，则该子块对应的旋转相位序列1≤i≤V为+1；否则1≤i≤V为-1。

之后，将消除了自相关性的各个子块信号1≤i≤V与其对应的旋转相位1≤i≤V相乘，可以得到最终恢复的各子块信号，然后将各个子块信号相加，就得到最终恢复的数据块Y^*,即 再经过基带解调和并串变换，就可以得到最终恢复出的信号。

Claims (2)

1.一种降低OFDM系统的PAPR的PTS方法，其特征在于：其步骤如下所述：

S1、设经过串并变换和基带调制后的频域信号为X，按照传统PTS的划分规则将其划分为V个子块X^(m)，其中，m＝1,2,…,V，然后将所有子块通过自相关系数判别器，判断出相关系数G(z)；

S2、将S1所判别出的自相关系数G(z)和S1所述所有子块一起通过自相关信号发生器，得到自相关频域子块信号；

S3、对S2所得自相关频域子块信号进行IFFT变换，将频域自相关子块信号变换到时域，变换后的所有子块信号分别乘以相位旋转因子b(m),b(m)∈(+1,-1),m＝1,2,…,V，假设频域时域子块信号为则将b(m)与相乘可以得到备选传输序列

S4、根据PAPR计算公式计算每个备选传输序列的PAPR，并选择其中最小的PAPR最小的信号用于传输；

S5、假设在接收端收到的信号为y，对y进行FFT操作，变换成频域信号；

S6、按照S1所述传统PTS的划分规则对y进行分块，划分为V个子块，每个子块表示为Y^(m),m＝1,2,...,V，对Y^(m)进行自相关运算，恢复出自相关系数和每一个子块所乘的旋转相位，得到消除自相关性之后的信号所述自相关运算规则为，若一个子块的自相关值为正，则该子块的自相关系数恢复为k(k＞0)；若其自相关值为负，则该子块的自相关值恢复为-k(k＞0)；

S7、将S6所得与该所对应的旋转相位相乘，得到最终恢复的各子块信号，将所述最终恢复的各子块信号相加，得到最终恢复的数据块Y^*，

S8、对S7所得Y^*进行基带解调和并串变换，得到最终恢复出的信号。

2.根据权利要求1所述的一种降低OFDM系统的PAPR的PTS方法，其特征在于：S3所述备选传输序列的个数为n＝2^V-1。