专利名称：降低峰均比的方法和具有低峰均比的正交频分复用系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及基于正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)技术降低峰均比的技术。
背景技术：
随着移动通信业务的发展，各种多媒体业务不断涌现，OFDM技术已经在数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、非对称数字用户线(ADSL)、基于IEEE802.11和802.16标准的无线局域网(WLAN)中得到应用，并成为4G的主要候选技术。
OFDM技术是一种多载波宽带数字调制技术。其将数据流分成若干个子比特流，使每个子数据流具有较低的传输比特率，并利用这些数据流去调制若干个正交载波。被调制后的各子载波的数据传输速率相对较低，码元周期较长，只要时延扩展与码元周期相比小于一定的比值，就不会产生码间串扰。另外，OFDM技术由于利用了信号的时频正交性而允许各子信道频谱有1/2的重叠，使频谱利用率相对于单载波传输系统提高了近一倍。当传输信道中某一频段产生衰落时，受影响的是落入该频段的那些调制载波信号，而其它频段的调制载波信号不受影响。采用OFDM技术的OFDM系统与传统的单载波传输系统(如时分多址TDMA)相比具有明显的抗多径干扰能力，也可组成单频网，因而特别适合于地面广播信道要求，还可以用数字信号处理器(DSP)芯片实现降低成本的目的。
OFDM系统的框图如图1所示，其包括发射机100和接收机150。发射机100包括信道编码器102、符号映射单元104、串并转换器106、导频符号插入器108、快速反傅立叶变换(IFFT)单元110、并串转换器112、插入保护间隔单元114、D/A转换器116、射频单元118。
信道编码器102接收输入数据，对输入数据进行信道编码后送入符号映射单元104。信道编码可以采用RS码、卷积码、TURBO码或者LDPC码或者多种码级联的形式。
符号映射单元104将来自信道编码器102的码流按照预定的星座映射方式进行映射形成调制后的符号，送到串并转换器106中。星座映射方式包括但不限于以下几种BPSK、QPSK、16QAM、64QAM。
OFDM系统的各个子载波可以根据信道的条件来使用不同的调制，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为准则。选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大频谱效率。多径信道的频率选择性衰减会导致接收信号功率大幅下降，使用与信噪比相匹配的调制方式可以提高频谱利用率。众所周知，可靠性是通信系统运行是否良好的重要考核指标，因此系统通常选择BPSK或QPSK调制，这样可以确保在信道最坏条件下，系统也能获得很好的性能。但是这两种调制的频谱效率太低。如果使用自适应调制，那么在信道好的时候终端就可以使用较高的调制，整个系统的频谱利用率大幅度的改善，自适应能够使系统容量显著增加。
串并转换器106将串行调制符号转换为并行的调制符号。输出并行数据到导频符号插入器108中。
导频插入器108在并行调制符号中插入导频符号，然后输出到IFFT单元110。
IFFT单元110执行N点IFFT运算，完成多载波正交调制，输出数据到并串转换器112中。
并串转换器112将IFFT变换后的并行数据转换为串行数据输送到插入保护间隔单元114中。
插入保护间隔单元114为每一符号插入相应的保护间隔，输出数据到D/A转换器116中。只要保护间隔大于信道的最大时延扩展，就可以避免由多径带来的码间串扰(ISI)。插入保护间隔的具体方式可以是采用全插O的方式，但是这种方式会引起信道间干扰(ICI)。另一种方式是采用循环前缀或者循环后缀的方式。插入循环前缀(Cyclic Prefix)的方法就是在每个符号前加入一定长度的该符号后段的重复数值。
D/A转换器116将数字信号转换成模拟信号，送到射频单元118。
射频单元118包括一个成型滤波器和前端单元，处理模拟信号，然后通过天线将信号发射出去。
接收机包括射频单元152、A/D转换器154、同步单元156、频偏校正单元158、去保护间隔单元160、串并转换器162、FFT单元164、导频符号抽取器166、信道估计单元168、并串转换器170、符号去映射单元172、信道解码器174。接收机处理过程基本和发射机相反，这里不再详细描述。
OFDM系统的一个主要缺点就是峰值功率与平均功率比(Peak toAverage Power Ratio，PAPR)过高的问题，即OFDM发射机的输出信号的瞬时值会有较大的波动。这是因为OFDM为多个正弦波的叠加，当子载波个数多到一定程度时，由中心极限定理，OFDM符号波形是一个高斯随机过程。这样其包络是不恒定的。这就要求功放、A/D、D/A转换器等部件具有很大的线性范围。而反过来这些部件的非线性会对信号产生非线性失真，从而引起误码率的提高以及带外泄漏的增加。从而导致整个系统性能的下降。因此，要改善系统性能，就要设法减小PAPR。
在OFDM系统中，典型的降低PAPR的方法包括削波，选择映射(SLM)、部分发送序列(PTS)编码方法等。
与本发明有关的现有技术一提出了一种最简单的降低PAPR最简单的方法，其核心是通过限制OFDM信号的峰值幅度来降低PAPR。其基本原理是在信号经过放大器之前，直接在OFDM信号幅度峰值或附近采用非线性操作来降低PAPR值，使其不会超出放大器的动态变化范围，从而避免较大PAPR的出现。简单的说，可以认为是让原OFDM信号通过一个矩形窗函数，这个窗的幅度是信号的最大幅值。
在OFDM系统中，由于较大峰值出现的概率很小，因此采用现有技术一的方法能够非常直接、有效的降低PAPR，然而限幅是一个非线性过程，从信号处理的角度，矩形窗的引入必然会对原信号的频谱产生影响，容易引起信号失真，从而将导致严重的带内干扰和带外干扰，进而引起整个系统的误码率性能的降低和带外泄漏。
与本发明有关的现有技术二提出了另一种降低PAPR的技术，其核心是通过选择映射(SLM)的方法降低PAPR，该方法的原理是在发射端，先产生M个统计独立的随机序列r1，r2，…，rM，然后分别与原序列做异或运算后，输出M个不同的序列，最后从各路调制信号中选出PAPR最小的进行传输。
由现有技术二可以看出，其存在如下缺陷1、需要边带信息现有技术二需要发射机传输边带信息用于恢复原始数据，这需要占用额外的带宽。同时需要额外的考虑边带信息传输中的可靠性问题，一般增大功率来解决或者增加纠错码，这都带来额外的开销。在接收端，需要额外的接收机处理模块，来接收边带信息用于从接受到的数据流中恢复出正确的数据。
2、复杂度高采用现有技术二时，需要计算额外的M-1组IFFT运算。随着M的增加，系统进行搜索次数也相应增大，使系统的计算量随M呈线性增长，因此现有技术二的算法复杂度高。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低峰均比的方法和具有低峰均比的正交频分复用系统，通过本发明，在有效降低发送数据序列的峰均比的前提下，能够有效地降低发射机和接收机的实现复杂度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明提供一种降低峰均比的方法，其包括A、在进行快速反傅立叶变换IFFT变换之前，发射机对经过调制后的发送序列的初始相位进行去除处理，并添加传递函数；B、接收机将经过快速傅立叶变换FFT后得到的频域序列中的传递函数去除，并对去除传递函数的频域序列进行初始相位处理，然后恢复出发送序列。
其中，所述步骤A具体包括A1、在进行IFFT之前，发射机将发送序列的初始相位完全去除，并添加传递函数，以及当发送所述发送序列的同时，发送包含每个子载波的初始相位信息；或，A2、在进行IFFT之前，发射机保留发送序列的部分初始相位，并添加传递函数。
其中，所述步骤A2具体包括在进行IFFT之前，发射机将发送序列的所有初始相位分别乘上相位因子，得到修正序列，并为所述修正序列添加传递函数。
其中，所述步骤B具体包括
接收机将经过FFT后得到的频域序列中的传递函数去除，并为对应的子载波的添加相位信息，然后恢复出发送序列；或，接收机将经过FFT后得到的频域序列中的传递函数去除，并去除相位因子，然后恢复出发送序列。
其中，在所述步骤A之前包括生成带有初始相位的发送序列。
本发明提供一种具有低峰均比的正交频分复用系统，包括发射机和接收机，其中所述发射机包括IFFT单元，所述接收机包括FFT单元，所述发射机还包括第一带通滤波器，用于将进入IFFT单元之前的发送序列中的初始相位进行去除处理，并添加传递函数，然后传送给IFFT单元；所述接收机还包括第二带通滤波器，用于对经过IFFT单元变换后得到的频域序列中的传递函数去除，并对去除传递函数的频域序列进行初始相位处理。
其中，所述第一带通滤波器包括第一初始相位处理模块，用于将进入IFFT单元之前的发送序列中的初始相位完全去除掉；或，用于将进入IFFT单元之前的发送序列中的所有初始相位乘以相位因子。
其中，所述第二带通滤波器包括第二初始相位处理模块，用于对经过去除传递函数处理后得到的序列添加接收到的初始相位；或，用于去除经过去除传递函数处理后得到的序列中的所述相位因子。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明中，在进行快速反傅立叶变换IFFT之前，发射机对发送序列的初始相位进行去除处理，并添加传递函数；接收机将经过快速傅立叶变换FFT后得到的频域序列中的传递函数去除，并对去除传递函数的频域序列进行初始相位处理，然后恢复出发送序列。由于在添加传递函数时发送端只需要进行N次复数乘法运算，因此本发明在有效降低发送数据序列的峰均比的前提下，能够降低发射机和接收机实现的复杂度。
另外，本发明通过采用将发送序列的初始相位乘上相位因子的办法保留发送序列的部分初始相位，从而不需要发送端发送边带信息等任何冗余信息，接收端就可以从发送序列中恢复出原始序列，因此进一步降低了发射机和接收机实现的复杂度。
图1为背景技术中OFDM系统的框架图；图2为本发明提供的第一实施例的框架图；图3为本发明提供的第二实施例的流程图；图4为本发明通过的第三实施例的流程图；图5为实施本发明后的仿真效果图。
具体实施例方式
根据峰均比的定义，引起较大峰均比是因为子载波相位的一致性，如果每个子载波之间能够保持适当的相位关系，就可以有效地降低峰均比。在Newman提出的文献(Newman D J.A n L 1 extremal problem forpolynominals.Proc.Amer.Math.Soc.，1965，161287～1290.)和Boyd提出的文献(Boyd S.Multitone Signals with Low Crest Factor[J].IEEETrans.Circuits Syst.1986，CAS-331018～1022.)中指出，当多载波中的子载波相位分布符合newman分布时，IFFT变换后的OFDM时域信号具有最低的峰均比。因此，在本发明提供的一种降低多载波峰均比的信息扰码方法中，发送端利用newman相位序列的多项式改变发送频域序列的相位分布，从而能够改变功率概率密度分布，在IFFT变换后可以大幅度的降低PAPR。
本发明提供的第一实施例，是一种具有低峰均比的OFDM系统，该系统在现有技术的发射机和接收机中分别增加了带通滤波器，其实现框架如图2所示，包括发射机100和接收机150。所述发射机100包括发射机100包括信道编码器102、符号映射单元104、串并转换器106、导频符号插入器108、第一带通滤波器109、快速反傅立叶变换(IFFT)单元110、并串转换器112、插入保护间隔单元114、D/A转换器116、射频单元118。其中所述的第一带通滤波器109中包括第一初始相位处理模块，用于将进入IFFT单元之前的发送序列中的初始相位完全去除掉；或，用于将进入IFFT单元之前的发送序列中的所有初始相位乘以相位因子。
信道编码器102接收输入数据，对输入数据进行信道编码后送入符号映射单元104。符号映射单元104将来自信道编码器102的码流按照预定的星座映射方式进行映射形成调制后的符号，送到串并转换器106中。星座映射方式包括但不限于以下几种BPSK、QPSK、16QAM、64QAM。串并转换器106将串行调制符号转换为并行的调制符号。输出并行数据序列到导频符号插入器108中。导频插入器108在并行调制符号中插入导频符号，生成发送序列，然后送入第一带通滤波器109。
所述第一带通滤波器109的传递函数如公式1和公式2所示H(ω)=e-j·ω24a]]>公式1a=N·πT2]]>公式2其中所述N指子载波的最大数目，T指OFDM符号长度。
对较大的N，不管T为何值，对于任意OFDM符号，这种相位关系总能得到比较低的相同的峰均比。
将公式2带入公式1中，得
H(f)=e-jπ·T2·f2N]]>公式3在基带信号中，所述的f为f=(n-1)·1T]]>公式4将公式4带入公式3中得到H(n)=e-j·π·(n-1)2N]]>公式5 公式6上述公式5为第一带通滤波器的传递函数，公式6所示就是newman相位序列，其中n＝1，2，3，…，N为子载波序号。
当所述第一带通滤波器109接收到导频插入器108传送给的发送序列后，对其中的相位因子进行处理，然后利用其内的传递函数对所述发送序列进行N次复数乘法运算，得到待发送的频域序列，然后输出到IFFT单元110。
在这里第一带通滤波器109采用两种算法对导频插入器108发送给的发送序列进行处理。
第一种为先通过第一初始相位处理模块去掉经过调制后的发送序列中的各个子载波的初始相位，并将其单独保存起来，然后对去掉初始相位的发送序列与其内的传递函数进行N次复数乘法运算，得到待发送的频域序列，并将所述时域序列与各个子载波的初始相位信息传输给IFFT单元110。
第二种为通过第一初始相位处理模块为经过调制后的发送序列中的各个子载波的所有初始相位乘上一个相位因子，然后与所述第一带通滤波器的传递函数进行N次复数相乘运算，得到待发送的频域序列，并将所述时域序列与各个子载波的初始相位信息传输给IFFT单元110。
IFFT单元110执行N点IFFT运算，完成多载波正交调制，输出数据到并串转换器112中。并串转换器112将IFFT变换后的并行数据转换为串行数据输送到插入保护间隔单元114中。插入保护间隔单元114为每一符号插入相应的保护间隔，输出数据到D/A转换器116中。D/A转换器116将数字信号转换成模拟信号，送到射频单元118。射频单元118包括一个成型滤波器和前端单元，处理模拟信号，然后通过天线将信号发射出去。
接收机包括射频单元152、A/D转换器154、同步单元156、频偏校正单元158、去保护间隔单元160、串并转换器162、FFT单元164、第二带通滤波器165、导频符号抽取器166、信道估计单元168、并串转换器170、符号去映射单元172、信道解码器174。其中所述的第二带通滤波器165包括第二初始相位处理模块，用于对经过去除传递函数处理后得到的序列添加接收到的初始相位；或，用于去除经过去除传递函数处理后得到的序列中的所述相位因子。
接收机处理过程基本和发射机相反，当经过射频单元152、A/D转换器154、同步单元156、频偏校正单元158、去保护间隔单元160、串并转换器162和FFT单元164依次处理后，恢复出频域序列，然后将所述频域序列传输给第二带通滤波器165。
所述第二带通滤波器165与发射机中的第一带通滤波器109的处理过程对应，也可以采用两种处理算法第一种是针对发射机中去除各个子载波的初始相位的算法而进行的，其工作原理为去除传递函数H(n)，并通过第二初始相位处理模块添加接收到的对应子载波的相位信息，然后传送给导频符号抽取器166。
第二种是针对发射机中为各个子载波的初始相位乘上相位因子的算法而进行的，其工作原理为
去除带通滤波器的传递函数，并通过第二初始相位处理模块去除相位因子α，然后传送给导频符号抽取器166。
经过导频符号抽取器166、信道估计单元168、并串转换器170、符号去映射单元172和信道解码器174进行依次处理后，恢复出发射机发送给的原始序列。
本发明提供的第二实施例是一种降低峰均比的信息扰码方法，如图3所示，包括如下步骤步骤1，生成带有初始相位的发送序列，如公式7所示S(k)＝Ak·e-j·θk公式7其中θk为子载波k的初始相位，Ak为子载波k的幅度。
步骤2，将所述发送序列经调制后，并在IFFT变换之前先去除原始相位信息，然后再通过带通滤波器添加传递函数H(n)=e-j·π·(n-1)2N,]]>得到的IFFT变换前的频域序列如公式8所示S(k)=Ak·e-j·(n-1)2·πN]]>公式8步骤3，对所述公式8所示的S(k)序列进行IFFT变换，得到待发送的时域序列。
步骤4，将所述待发送的时域序列，以及每个子载波的相位信息发送出去。
当接收机接收到发射机发送的时域序列后，执行如下步骤步骤5，对接收到的时域序列进行FFT变换，恢复出如公式8所示的对应的S(k)频域序列。
步骤6，通过带通滤波器去除传递函数H(n)，并添加接收到的对应子载波的相位信息，恢复出如公式7所示的带有初始相位的发送序列。
本发明提供的第二实施例中，因为发送序列中不再包含原始序列的相位信息，因此发送端的发射机必须发送包含每个子载波的相位信息的辅助信息给接收端的接收机，接收机根据接收到的对应子载波的相位信息恢复出发送端发送的发送序列，即如公式7所示的带有初始相位的发送序列。
本发明提供的第三实施例，不需要发射机传送包含每个子载波的相位信息的辅助信息。其主要思想是在发送序列中适当保留一部分原始相位信息，使发送序列的相位近似newman分布，这样发送端的发射机不需要发送任何冗余信息，接收机也能够完全恢复出原始序列的相位信息，从而得到发射机发送的原始序列。该实施例的具体实施过程如图4所示，包括如下步骤在发射机端步骤1，生成带有初始相位的发送序列，仍然如公式7所示S(k)=Ak·e-j·θk]]>公式7其中θk为子载波k的初始相位，Ak为子载波k的幅度。
步骤2，为经过调制后的发送序列中的所有子载波的相位θk乘上一个相位因子α，得到修正序列S′(k)，如公式9所示S′(k)=Ak·e-j·α·θk]]>公式9步骤3，通过带通滤波器添加传递函数，得到待发送的频域序列S″(k)，如公式10所示S′′(k)=Ak·e-j·((n-1)2·πN+α·θk)]]>公式10
由于带通滤波器的传递函数为H(n)=e-j·π·(n-1)2N,]]>将修正序列S′(k)与所述带通滤波器的传递函数进行N次复数乘运算，得到如上述公式10所示的待发送的频域序列S″(k)。
步骤4，对所述待发送的频域序列S″(k)进行IFFT变换，得到待发送的时域序列s(k)，如公式11所示S(k)=Σi=0N-1S(i)·ej·2·π·i·k/N]]>公式11步骤5，将所述时域序列发射出去。
在接收机端步骤6，当接收机接收到所述时域序列后，对所述时域序列进行FFT变换，得到如上述公式10所示的对应的待发送的频域序列S″(k)。
步骤7，去除带通滤波器的传递函数，得到如公式9所示的对应的修正序列S′(k)。
步骤8，去除相位因子α，恢复出带有初始相位的发送序列S(k)。
通过本发明提供的第三实施例所述方法得到的原始序列S(k)具有较低的峰均比，而且采用这种方法时，发送端不需要特意传送包含每个子载波的相位信息的冗余信息。
本发明提供的技术可以被应用到任意多载波通信系统中，包括但不限于DVB、DMB、DAB、ADSL、WLAN、下一代移动通信系统等。
由上述实施例的具体实施方式
可以看出，本发明与现有技术中采用的SLM方法和削波方法相比具有以下优点1、复杂度降低发送端增加的复杂度比较低，只需要进行N次复数乘法运算，比SLM和PTS方法复杂度低的多；算法实现起来也比较简单。
2、性能好如图5所示的仿真效果给出了newman分布降低峰均比性能曲线，可以看出，通过本发明，使经过IFFT变换后得到的时域序列的峰均比显著降低。
3、不需要边带信息采用第三实施例时，由于保留了各个子载波的部分初始相位，发送端不需要发送任何冗余信息，接收端就可以从发送序列中恢复出原始序列，从而能够提高传输信息的处理速度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种降低峰均比的方法，其特征在于，包括A、在进行快速反傅立叶变换IFFT变换之前，发射机对经过调制后的发送序列的初始相位进行去除处理，并添加传递函数；B、接收机将经过快速傅立叶变换FFT后得到的频域序列中的传递函数去除，并对去除传递函数的频域序列进行初始相位处理，然后恢复出发送序列。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A具体包括A1、在进行IFFT之前，发射机将发送序列的初始相位完全去除，并添加传递函数，以及当发送所述发送序列的同时，发送包含每个子载波的初始相位信息；或，A2、在进行IFFT之前，发射机保留发送序列的部分初始相位，并添加传递函数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A2具体包括在进行IFFT之前，发射机将发送序列的所有初始相位分别乘上相位因子，得到修正序列，并为所述修正序列添加传递函数。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤B具体包括接收机将经过FFT后得到的频域序列中的传递函数去除，并为对应的子载波的添加相位信息，然后恢复出发送序列；或，接收机将经过FFT后得到的频域序列中的传递函数去除，并去除相位因子，然后恢复出发送序列。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤A之前包括生成带有初始相位的发送序列。
6.一种具有低峰均比的正交频分复用系统，包括发射机和接收机，其中所述发射机包括IFFT单元，所述接收机包括FFT单元，其特征在于所述发射机还包括第一带通滤波器，用于将进入IFFT单元之前的发送序列中的初始相位进行去除处理，并添加传递函数，然后传送给IFFT单元；所述接收机还包括第二带通滤波器，用于对经过IFFT单元变换后得到的频域序列中的传递函数去除，并对去除传递函数的频域序列进行初始相位处理。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一带通滤波器包括第一初始相位处理模块，用于将进入IFFT单元之前的发送序列中的初始相位完全去除掉；或，用于将进入IFFT单元之前的发送序列中的所有初始相位乘以相位因子。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二带通滤波器包括第二初始相位处理模块，用于对经过去除传递函数处理后得到的序列添加接收到的初始相位；或，用于去除经过去除传递函数处理后得到的序列中的所述相位因子。
全文摘要
本发明涉及一种降低峰均比的方法和具有低峰均比的正交频分复用系统，其核心是在进行反傅立叶变换IFFT变换之前，发射机对经过调制后的发送序列的初始相位进行完全去除或保留部分处理，并添加传递函数；接收机将经过快速傅立叶变换FFT后得到的频域序列中的传递函数去除，并对去除传递函数的频域序列进行初始相位处理，然后恢复出发送序列。本发明在添加传递函数时只需进行N次复数乘法运算，因此能够在有效降低峰均比的前提下，降低发射机和接收机实现的复杂度。另外，通过采用将发送序列的初始相位乘上相位因子保留发送序列的部分初始相位的方法，不需要发送端发送边带信息等任何冗余信息，因此进一步降低了发射机和接收机实现的复杂度。
文档编号H04L27/26GK1984110SQ20061007600
公开日2007年6月20日 申请日期2006年4月24日 优先权日2006年4月24日
发明者孙铭扬 申请人:华为技术有限公司