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一种低计算复杂度的自适应带内处理约束限幅算法

摘要

本发明公开了一种低计算复杂度的自适应带内处理约束限幅算法。本发明通过研究限幅算法中时域信号改变量和频域信号改变量之间的关系,并由时域信号幅度的概率分布,提出了一种在满足系统EVM(error vector magnitude)门限要求的条件下,根据OFDM符号的时域信号中幅度超过某一门限的差值信号的能量来确定带内处理时所选参数的算法,实现了带内自适应约束处理。理论分析和仿真表明,本发明提出的算法可以比传统方法更好的降低PAPR,并极大的降低的算法的计算量。

著录项

  • 公开/公告号CN103051582A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2013-04-17

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 西南石油大学;

    申请/专利号CN201310005110.2

  • 发明设计人 罗仁泽;张成森;李芮;

    申请日2013-01-08

  • 分类号H04L27/26;

  • 代理机构

  • 代理人

  • 地址 610500 四川省成都市新都区新都大道8号

  • 入库时间 2024-02-19 18:48:14

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2017-03-01

    未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H04L27/26 授权公告日:20150225 终止日期:20160108 申请日:20130108

    专利权的终止

  • 2015-02-25

    授权

    授权

  • 2013-05-15

    实质审查的生效 IPC(主分类):H04L27/26 申请日:20130108

    实质审查的生效

  • 2013-04-17

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,简称OFDM)移动通 信系统中对OFDM信号进行改善的技术领域,特别是涉及一种用于降低OFDM系统PAPR 的低计算复杂度的自适应带内约束限幅方法。

背景技术

然而,OFDM系统高峰均功率比的缺点严重影响了系统的性能。为了降低峰均功率比,人们 已经提出了许多解决方案,大体分为三类方法:编码类方法、扰码类方法、预畸变类方法。 每种方法都有自己的特色,但也都存在各自的缺陷。编码类方法为线性过程,但对信号编解 码比较麻烦,信息速率较低。扰码类方法着眼于努力使信号峰值出现的概率降低,虽然其能 有效的降低信号的PAPR,但是其计算复杂度非常大。预畸变类方法与以上两类方法相比, 最直接最简单。约束限幅法是预畸变技术中的一种,具有简单高效等优点而被众多OFDM系 统所采纳。根据不同的OFDM符号自适应的采用不同的EVM对限幅后的信号进行带内处理, 能够在满足系统平均EVM要求的前提条件下有效地降低系统的PAPR。文献“Li Qiang, “Research on the key technologies of PAR reduction for WIMAX(chineses)”Master  Dissertation,University of Electronic Science and Technoligy of China,July 2008”中提出的算法 在限幅后调整部分OFDM符号的EVM,从而造成平均EVM达不到系统要求,固定了迭代次 数也导致了收敛速度很慢。文献“Wanzhi Ma,Shihai Shao,and Youxi Tang,“Adaptive Step Size  for OFDM CFR with Cognitive Clipping,”IEEE Conferences,pp.1-4,2010”提出了一种自适应 约束限幅算法,但是在带内处理时,不能一次直接选定最佳EVM值,需要在以后的迭代限 幅中,根据每次的效果来不断改变EVM使其趋向最佳值。因此需要较多的迭代次数才能达 到理想的效果,增加了系统的计算量。

根据时域信号改变量和频域信号改变量的对应关系,本发明提出了一种根据不同OFDM符号 的时域特征,直接确定在带内处理时所采用EVM值的方法。将此方法应用到约束限幅算法 中,对限幅后的信号自适应的进行带内处理,与传统自适应约束限幅算法相比,能够使系统 在满足平均EVM门限的条件下,有效的降低PAPR,并降低计算量。

发明内容

为更有效地克服OFDM系统中存在的上述缺陷,本发明目的是提供一种可以降低OFDM系 统中峰均功率比,并能更有效地应用于实际通信系统中的方法。

本发明的创新之处在于根据时域信号和频域信号变化量之间的关系,提出在约束限幅算法的 带内处理过程中所采用EVM值的确定方法。

本发明的创新之处在于确定EVM值的方法跟OFDM符号的时域信息有关,不同的OFDM符 号之间算出的EVM值基本不同,从而实现了自适应带内处理。仿真结果证明,本发明提出 的算法可以比传统方法更好的降低PAPR,并极大的降低的算法的计算量(只需极少的迭代 次数)。

本发明是一种低计算复杂度的自适应带内处理约束限幅算法。所述方法具体过程包括以下步 骤:

步骤1输入比特流,对其进行调制、串并转换,再进行反傅里叶变换,将频域信号变换 为时域信号

步骤2根据OFDM系统的要求,设置平均EVM值为一个固定值Th,利用式(1)求解CRm

Th=e-CRm2-πCRm×erfc(CRm)---(1)

步骤3再利用式(2)求解EVM门限Tm

Tm=σCRm    (2)

其中σ2为OFDM信号的平均功率;

步骤4对于设定的门限Tm,利用式(3)计算出对该OFDM符号进行带内处理时采用的EVM 值:

EVM^i=Σn=0LN-1|ani|2LNσ2---(3)

其中可以表示为:

ani=0,|xni|Tm|xni|-Tm,|xni|>Tm---(4)

其中式(4)中为OFDM系统的时域信号,L为过采样系数,N为载波数;

步骤5设置迭代次数MaxIter,将其初始化;

步骤6对设定的限幅门限Amax,通过式(5)对OFDM时域信号进行限幅处理:

xni=xni|xni|AmaxAmaxejxni|xni|>Amax---(5)

其中表示的角度,|*|表示取绝对值;

步骤7对OFDM时域信号进行FFT得到频域信号利用步骤(4)中计算出的EVM 值利用式(6)进行带内处理:

X~ki=Xki+EVM^iEVMiEki---(6)

其中表示OFDM系统前i个符号的平均EVM值,第i个OFDM符号的EVM可表示为:

EVMi=1Smax1NΣkRf|Xki-Xki|2---(7)

其中式(7)中Smax表示为调制星座的最大幅度,为限幅前后频域信号的差值;

步骤8参照文献“Robert J.Baxley,Chunming Zhao,and G.Tong Zhou,“Constrained Clipping  for Crest Factor Reduction in OFDM,”IEEE Transaction on broadcasting,Vol.52,No.4,pp. 570-575,December 2006.”中提出的“spectral clipping”方法,根据式(8)对频域信号进 行带外处理:

其中Pk表示频谱屏蔽,为带内处理后的频域信号;

步骤9通过IFFT将变换为时域信号判断Iter迭代次数是否等于最大迭代次数 MaxIter,如果是,则将信号输出并读入下一个OFDM符号转入步骤2,否则令Iter=Iter+1 并转入步骤7。

本发明的有益效果在于提出了一种根据不同OFDM系统时域信号来对限幅后的信号进行自适 应带内处理的约束限幅算法。本算法相对传统自适应约束限幅滤波法,不需要经过迭代来反 复调整带内处理时所用的EVM值,只需根据不同OFDM符号的时域信息直接结算得到带内 处理时所用的EVM值,就可更好的降低PAPR,从而降低了计算量。

附图说明

图1QPSK调制下不同限幅门限PAPR的互补累计概率分布曲线图;

图2QPSK调制下不同限幅门限误比特率性能曲线图;

图3不同限幅门限下的概率曲线图;

图4不同限幅迭代次数下系统PAPR的互补累积概率分布曲线图;

图5OFDM系统不同算法下PAPR的互补累积概率分布曲线图;

图6OFDM系统不同算法下误比特率性能曲线图。

具体实施方式

下面给出本专利的具体实施方法:

步骤1输入比特流,对其进行调制、串并转换,调制方式可选用QPSK或者16-QAM等方 式,再进行反傅里叶变换,将频域信号变换为时域信号

步骤2根据OFDM系统的要求,设置平均EVM值为一个固定值Th,利用式(1)求解CRm

Th=e-CRm2-πCRm×erfc(CRm)---(1)

步骤3再利用式(2)求解EVM门限Tm

Tm=σCRm    (2)

其中σ2为OFDM信号的平均功率;

步骤4对于设定的门限Tm,利用式(3)计算出对该OFDM符号进行带内处理时采用的EVM 值:

EVM^i=Σn=0LN-1|ani|2LNσ2---(3)

其中可以表示为:

ani=0,|xni|Tm|xni|-Tm,|xni|>Tm---(4)

其中式(4)中为OFDM系统的时域信号,L为过采样系数,N为载波数;

步骤5设置迭代次数MaxIter,将其初始化;

步骤6对设定的限幅门限Amax,通过式(5)对OFDM时域信号进行限幅处理:

xni=xni|xni|AmaxAmaxejxni|xni|>Amax---(5)

其中表示的角度,|*|表示取绝对值;

步骤7对OFDM时域信号进行FFT得到频域信号利用步骤(4)中计算出的EVM 值利用式(6)进行带内处理:

X~ki=Xki+EVM^iEVMiEki---(6)

其中表示OFDM系统前i个符号的平均EVM值,第i个OFDM符号的EVM可表示为:

EVMi=1Smax1NΣkRf|Xki-Xki|2---(7)

其中式(7)中Smax表示为调制星座的最大幅度,为限幅前后频域信号的差值;

步骤8参照文献“Robert J.Baxley,Chunming Zhao,and G.Tong Zhou,“Constrained Clipping  for Crest Factor Reduction in OFDM,”IEEE Transaction on broadcasting,Vol.52,No.4,pp. 570-575,December 2006.”中提出的“spectral clipping”方法,根据式(8)对频域信号进 行带外处理:

其中Pk表示频谱屏蔽,为带内处理后的频域信号;

步骤9通过IFFT将变换为时域信号判断Iter迭代次数是否等于最大迭代次数 MaxIter,如果是,则将信号输出并读入下一个OFDM符号转入步骤2,否则令Iter=Iter+1 并转入步骤7。

图1设置仿真参数为Th=0.06时,不同限幅门限下PAPR的互补累计概率分布曲线显示限幅 门限Amax影响着OFDM系统的PAPR性能,从图中可以观察到当Amax=4.8db时性能要比其他 值(不管是大于Amax或者是小于Amax)时要好,这说明存在最佳限幅门限。

图2QPSK调制下不同限幅门限误比特率性能曲线图显示了不同限幅门线下误码率的性能对 比,从这个图中可以看到由于在不用限幅门限下都控制了系统EVM在门限范围内,因此对 应的误码率性能曲线几乎重合。

图3不同限幅门限下的概率曲线图显示了三种不同的门限γ下PAPR>γ的概率分布。从图中 可以看出,当Amax=4.8dB时PAPR>γ(γ=5.4dB,5.5dB,5.6dB,间隔为0.1dB的门限)的概率最 低,因此系统最佳限幅门限为4.8dB。(此过程只有在仿真时用到,用于确定最佳限幅门限 Amax

图4不同限幅迭代次数下系统PAPR的互补累积概率分布曲线图表示限幅滤波处理时采用不 同的迭代次数时对系统PAPR性能的影响。可以看出提高迭代次数是可以进一步降低系统 PAPR,但是迭代次数增加,PAPR性能改善并不明显了。

图5和图6OFDM系统不同算法下PAPR的互补累积概率分布曲线和误比特率性能曲线图显 示了本算法、固定EVM约束限幅算法、传统自适应约束限幅算法和Armstrong限幅滤波算法 (其限幅门限设为5.4dB)的PAPR性能及系统误比特率性能的对比曲线。从中可以看出,本 算法和传统自适应约束限幅算法均能在很好的控制OFDM系统PAPR和BER,但传统算法平 均迭代次数要在三次以上,因此本算法提出的算法极大的降低的计算量。

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