专利名称：用于降低峰值对平均功率比的发射与接收装置及其自适应峰值对平均功率比控制方法
技术领域：
本发明通常涉及一种多载波调制(MCM)通信系统，并且具体地涉及一种用于降低峰值对平均功率比(PAPR)的装置与方法。
背景技术：
MCM是这样一种方案，其中在宽频带中的正交子载波上而不是单个载波上并行发送数据。MCM方案包括DMT(离散多音调)与OFDM(正交频分复用)。
因为MCM通信系统在子载波上发送数据，所以多载波调制信号的幅度为子载波的幅度之和。因此，多载波调制信号的幅度变化很大，并且其PAPR与子载波数目成正比地增加。当子载波具有相同相位时，PAPR非常高。结果，信号超过发射器中高功率放大器(HPA)的线性工作范围，并且在HPA中进行处理之后信号会产生失真。为了减少信号失真，可以通过扩大HPA的线性范围，使得所有信号都线性工作，或者可以通过降低其工作点(补偿)，使非线性HPA在线性范围中工作。但是，这些方法具有成本增加或者功率效率下降的缺点。
因此，已经提出了许多PAPR降低技术。例如，对OFDM信号简单而广泛地进行削波。当信号幅度大于预定电平时，将其削波到不超过预定电平。另外，还提出了用预定码进行编码以避免具有相同相位的子载波、码元加扰等等。
削波是一种信号失真，其对BER(误比特率)有不利的影响，由此降低BER性能。另外，其他方法难于实现，并且需要复杂的处理。因此，它们不适合用于便携式终端。
发明内容
设计本发明以至少基本解决以上问题和/或缺点，并且至少提供以下优点。因此，本发明的目的在于提供用于PAPR降低的发射与接收装置，其抑制BER性能下降并且容易实现，以及其自适应PAPR控制方法。
本发明的另一目的在于提供用于PAPR降低的发射与接收装置，其抑制BER性能下降并且适用于便携式终端，以及其自适应PAPR控制方法。
以上以及其他目的通过提供用于PAPR降低的发射与接收装置及其自适应PAPR控制方法来实现。在发射之前，发射装置利用映射函数来限制多载波调制信号的峰值，其中所述映射函数使输出值随输入值增加并使输出值收敛于预定值。
接收装置接收限峰后的信号(peak-limited signal)，利用映射函数的逆映射函数(demapping function)来恢复信号的峰值，并且根据所使用的多载波调制方案，从恢复了峰值的信号中恢复数据。
根据自适应PAPR控制方法，可以根据子载波调制方案，为映射函数与逆映射函数可变地设置比例因子(scaling factor)。
从以下结合附图的详细描述中，本发明的以上以及其他目的、特征、与优点将更清楚，其中图1为显示根据本发明实施例的发射装置的方框图；图2为显示应用于本发明的示范性映射函数的曲线图；图3为显示根据本发明实施例的接收装置的方框图；图4为显示相对于比例因子的变化，映射函数的示范性映射区域的曲线图；图5与6为相对于比例因子的变化，比较调制方案的性能的曲线图；图7为显示根据本发明实施例的基站(BS)中的发射/接收装置的方框图；图8为显示在如图7所示的控制器中的自适应PAPR控制操作的流程图；图9为显示根据本发明实施例的便携式终端中的发射/接收装置的方框图；图10为显示在如图9所示的控制器中的自适应PAPR控制操作的流程图；和图11为显示PAPR测量器的方框图。
具体实施例方式
以下将参照附图详细描述本发明的优选实施例。在以下描述中，不详细描述公知的功能或者构造，原因在于它们会以不必要的细节混淆本发明。
图1为显示根据本发明实施例的发射装置的方框图。该发射装置以多载波调制方案工作。优选地，该发射装置为基于IEEE(电气电子工程师协会)802.16e的OFDM发射装置。即，根据本发明的实施例，在OFDM调制器100与发射器104(它们是现有IEEE802.16eOFDM发射装置中的组件)之间实现限峰器(peak limiter)102。
参照图1，在OFDM调制器100中，编码器106利用FEC(前向纠错)码编码要发射的数据比特，交织器108交织码码元。映射器110通过QPSK(四相相移键控)、16QAM(正交幅度调制)、或者64QAM将交织后的码元调制到子载波上。子信道分配器112将调制后的码元分配到预定的子信道，导频插入器114将导频插入到子信道分配器112的输出，并且IFFT(快速傅立叶逆变换器)116对插入了导频的信号进行快速傅立叶逆变换。因此，生成了OFDM调制信号。
虽然常规OFDM发射装置将OFDM信号直接从IFFT116馈送到发射器104，但是根据本发明，将OFDM信号通过限峰器102施加到发射器104。限峰器102利用使输出电平随输入电平增加且将输出电平收敛于预定电平的映射函数来限制OFDM信号的峰值功率。限峰后的OFDM信号通过发射器104发射。
所述映射函数可以为指数函数或者对数函数，通过所述函数，输出电平随输入电平增加，并且收敛于预定电平。根据本发明的实施例，使用双曲正切函数(tanh)作为映射函数。
图2为显示应用于本发明的映射函数的示例的曲线图。限峰器102从IFFT116接收的OFDM信号的电平以x表示。对于输入电平x，其输出电平y为tanh(x)。由此，该曲线图是关于y＝tanh(x)。
参照图2，在x增加时，y收敛于-1或1。因此，y不超过预定电平。根据x的电平，y具有线性区域200或者非线性区域202或204。当x为线性区域200内的相对小的值时，y随x线性地变化。但是，如果x为非线性区域202或204内的相对大的值，则y随x非线性地变化。
因此，使用具有以上特性的tanh(x)作为用于限峰器102从IFFT116接收的OFDM信号的映射函数使得限峰器102能够输出具有等于或者小于预定门限的相对低电平的OFDM信号，即使输入的OFDM信号具有高幅度也如此。限峰降低了PAPR。
另外，因为只使用映射函数来限制OFDM信号的峰值，所以容易实现限峰。虽然上述削波方法在预定电平处削去信号幅度(如果其高于预定电平的话)、由此增加了信号失真，但是本发明的限峰依赖于映射函数的非线性特性，由此减少了信号失真，从而抑制了BER性能下降。
图3为显示根据本发明实施例的接收装置的方框图。该接收装置以多载波调制方案工作。优选地，该接收装置为基于IEEE802.16e的OFDM接收装置。即，根据本发明的实施例，在接收器300与OFDM解调器304(它们是现有IEEE802.16eOFDM接收装置中的组件)之间添加峰值恢复器302。
参照图3，接收器300从如图1所示的发射装置接收具有由限峰器102对其进行了限制的峰值的信号。峰值恢复器302利用映射函数tanh(x)的逆映射函数tanh-1(x)，恢复来自接收器300的OFDM信号的峰值。
在OFDM解调器304中，FFT(快速傅立叶变换器)306对从峰值恢复器302接收的OFDM信号进行快速傅立叶变换，均衡器308对FFT信号的信道失真进行补偿，逆映射器310解调补偿后的信号，解交织器312解交织解调后的信号，以及解码器314解码解交织后的信号。因此，恢复了原始数据比特。
如上所述，图1所示的发射装置在发射之前，利用映射函数来限制OFDM信号的峰值，由此降低PAPR。图3所示的接收装置在OFDM解调之前，利用逆映射函数来恢复OFDM信号的峰值，由此降低常规削波方法所遇到的BER性能下降。通过在发射装置与接收装置中分别对OFDM信号应用映射函数与逆映射函数，容易实施峰值限制与恢复。因此，该峰值限制与恢复容易适用于便携式终端。
另外，通过试验，本发明的发明人已经确定BER性能随限峰器102中对于x的映射函数tanh(x)的映射区域而变化。具体地，为了最小化BER性能下降，优选地，根据在图1的OFDM发射装置中使用的子载波调制方案(即QPSK、16QAM、和64QAM)之一，适当地调整tanh(x)的映射区域。需要比例因子来调整tanh(x)映射区域。通过设置比例因子a，映射函数的输出值y为tanh(ax)。
随比例因子a变化的映射区域的例子如图4所示。参照图4，a1、a2、a3表示由比例因子a确定的映射区域。如果a＝100，则映射区域为al；如果a＝150，则映射区域为a2；如果a＝200，则映射区域为a3。
对于QPSK、16QAM、和64QAM，通过改变tanh(ax)的比例因子a来对BER性能进行仿真。仿真结果显示QPSK、16QAM、64QAM分别在比例因子200、150、100下呈现最佳BER性能。
图5与6示范性地显示了BER性能仿真。图5显示了当子载波调制为16QAM时的BER性能，而图6显示了当子载波调制为64QAM时的BER性能。在图5与6中，在BER对载波噪声比(C/N)方面，将“原始的16QAM”与比例因子100、150、和200下的16QAM比较，并将“原始的64QAM”与比例因子100、150、和200下的64QAM比较。原始的16QAM与原始的64QAM为没有应用映射函数的16QAM与64QAM。
参照图5，对于16QAM，当比例因子为150时，BER性能比当比例因子为100或200时更接近原始的16QAM的BER性能。
因此，对于16QAM，比例因子150提供了最佳BER性能。参照图6，对于64QAM，当比例因子为100时，BER性能比当比例因子为150或200时更接近原始的16QAM的BER性能。因此，对于64QAM，比例因子100提供了的最佳BER性能。
图5与6的仿真是在AWGN(加性白高斯噪声)信道上进行的，以设置接近真实的通信环境。理想情况下，没有AWGN信道，就没有BER损失。另外，如果使用除tanh之外的映射函数，则改变提供最佳BER性能的比例因子a。
图7为显示根据本发明另一实施例的基站(BS)中的发射/接收装置的方框图。将根据本发明的、通过利用依赖于子载波调制的可变比例因子的自适应PAPR控制应用到IEEE802.16e通信系统中BS的发射/接收装置。只示意性地显示了在以OFDM工作的BS的发射/接收装置中对本发明的说明必需的模块。该发射/接收装置进一步包括OFDM调制器400与发射器404之间的限峰器402，以及接收器408与OFDM解调器412之间的峰值恢复器410。OFDM调制器400与OFDM解调器412在配置上分别类似于图1所示的OFDM调制器100与图3所示的OFDM解调器304。
参照图7，限峰器402与图1的限峰器102不同，限峰器402在控制器406的控制下，利用根据子载波调制方案使用可变比例因子的映射函数，限制从OFDM调制器400接收的OFDM信号的峰值。峰值恢复器410与图3所示的峰值恢复器302不同，峰值恢复器410在控制器406的控制下，利用根据子载波调制方案使用可变比例因子的逆映射函数，恢复从接收器408收到的OFDM信号的峰值。子载波调制方案为根据IEEE802.16e的三种子载波调制之一，即QPSK、16QAM、以及64QAM之一。
图8为显示根据本发明实施例的、在控制器406中的自适应PAPR控制操作的流程图。参照图8，在步骤500中，控制器406确定在OFDM调制器400中使用QPSK、16QAM、以及64QAM中的哪一个子载波调制方案，并且在步骤502中，确定对应于所确定的子载波调制方案的比例因子。例如，控制器406为QPSK选择比例因子200、为16QAM选择比例因子150、以及为64QAM选择比例因子100。
在步骤504中，控制器406为限峰器402与峰值恢复器410设置所确定的比例因子作为映射函数与逆映射函数的比例因子。然后在步骤506中，控制器406发射/接收去向/来自具有如图9所示的发射/接收装置的便携式终端的OFDM信号。因此，根据子载波调制方案，限制发射的OFDM信号的峰值，并且根据子载波调制方案，恢复接收的OFDM信号的峰值。
图9为显示根据本发明另一实施例的便携式终端中的发射/接收装置的方框图。将根据本发明的、通过利用依赖于子载波调制的可变比例因子的自适应PAPR控制应用到IEEE802.16e通信系统中的便携式终端的发射/接收装置。如上所述，只示意性地显示了在以OFDM工作的便携式终端的发射/接收装置中对本发明的说明必需的模块。该发射/接收装置进一步包括接收器600与OFDM解调器604之间的峰值恢复器602，以及OFDM调制器608与发射器612之间的限峰器610。OFDM调制器608与OFDM解调器604在配置上分别类似于图1所示的OFDM调制器100与图3所示的OFDM解调器304。
参照图9，限峰器610与图1的限峰器102不同，限峰器610在控制器606的控制下，利用根据子载波调制方案使用可变比例因子的映射函数，限制从OFDM调制器608接收的OFDM信号的峰值。峰值恢复器602与图3所示的峰值恢复器302不同，峰值恢复器602在控制器606的控制下，利用根据子载波调制方案使用可变比例因子的逆映射函数，恢复从接收器600接收的OFDM信号的峰值。
图10为显示根据本发明实施例的、在控制器606中的自适应PAPR控制操作的流程图。参照图10，在步骤700到706中，控制器606确定将QPSK、16QAM、以及64QAM中的哪一个子载波调制方案应用于当前接收的OFDM信号。根据IEEE802.16e，从在接收自BS的第一下行链路帧中包含的数据中，知道了子载波调制方案。在第一下行链路帧中，DL(下行链路)帧前缀包括Rate_ID、No_OFDM_symbols、No_subchannels、以及Prefix_CS。Rate_ID(速率ID)指示子载波调制方案、以及用于DL_MAP的编码速率(调制/编码)，如表1所示。优选地，该便携式终端包括表1所列的信息。编码速率指在如图1所示的发射装置的编码器106中使用的编码速率。
(表1)
当便携式终端开始与图7所示的BS的发射/接收装置通信时，控制器606在步骤700中接收第一下行链路帧中的接入点(AP)前导(preamble)，在步骤702中接收随后的DL帧前缀，在步骤704中检查DL帧前缀中的Rate_ID，并且在步骤706中参照表1来确定对应于Rate_ID的子载波调制方案。
由OFDM解调器604从OFDM信号中恢复Rate_ID，并且将其提供给控制器606。因为便携式终端无法知道接收的OFDM信号的子载波调制方案，直到其确定对应于Rate_ID的子载波调制方案，所以不设置逆映射函数的比例因子。因此，在确定子载波调制方案之前，控制器606将比例因子设置为对应于QPSK、16QAM、以及64QAM中的预定的一个的值，或者在缺省模式下设置为任意其他预定值。
在步骤708中，控制器606确定对应于所确定的子载波调制方案的比例因子。例如，控制器606为QPSK选择比例因子200、为16QAM选择比例因子150、以及为64QAM选择比例因子100。在步骤710中，控制器606为限峰器610与峰值恢复器602设置所确定的比例因子作为映射函数与逆映射函数的比例因子。然后在步骤712中，控制器606发射/接收去向/来自具有图7所示的发射/接收装置的BS的OFDM信号。因此，根据子载波调制方案，限制发射的OFDM信号的峰值，并且根据子载波调制方案，恢复接收的OFDM信号的峰值。
作为参考，利用如图11所示的PAPR测量器测量应用本发明的自适应PAPR控制的发射/接收装置的PAPR的变化。参照图11，具有上述映射函数的物理层仿真器800生成OFDM比特流。其是Agilent的CAD(计算机辅助设计)工具的ADS(先进设计系统)802为OFDM比特流输入生成I与Q比特。其是Agilent的RF(射频)信号发生器的ESG(电子信号发生器)804将I与Q比特上变频到CDMA(码分多址)频带中的1.95GHz的RF频率。Agilent的RF发射器806在0.1％的CCDF(互补累积分布函数)的情况下测量RF信号的PAPR。在这种配置下对PAPR的测量使得ESG804能够达到RF频率与RF功率，由此导致与实际发射设备的发射器中通过利用功率放大器而达到的效果相同。因此，该环境下的PAPR测量最接近于实际的PAPR测量。
以下表2列出对于QPSK、16QAM、和64QAM的PAPR测量，其每个都在比例因子100、150、200下进行。在表2中，“a”表示比例因子，“原始”表示没有向其应用映射函数的调制。
(表2)
从表2可以看出，对于QPSK，当a＝200时，PAPR＝6.73dB。因此与“原始”相比，获得的1.57dB的增益。对于16QAM，当a＝150时，PAPR＝7.17dB。相对于“原始”，产生了1.15dB的增益。对于64QAM，当a＝100时，PAPR＝7.67dB，相对于“原始”，产生了0.67dB的增益。
因此，与当只使用映射函数而没有可变比例因子时的情况相比，用以根据所使用的子载波调制方案优化BER性能的自适应PAPR控制进一步减少了PAPR，并且使BER性能下降最小化。
虽然参照本发明的特定优选实施例显示并且描述了本发明，但是它们只是示范性的应用。具体地，虽然在本发明的实施例中、在OFDM的情况下描述了多载波调制，但是本发明也可以用于利用例如DMT的任意其他MCM通信系统。
另外，映射函数tanh可以被不同的映射函数所替换，只要其使输出电平随输入电平增加、并且使输出电平收敛于预定电平即可。因此，当改变映射函数或者应用本发明的通信系统、或者所使用的子载波调制方案时，可以相应地调整比例因子。
另外，虽然图7与9所示的发射/接收装置利用映射函数限制发射的OFDM信号的峰值、并且利用逆映射函数恢复接收的OFDM信号的峰值，但是当发射装置与接收装置相分离时，也可以相同的方式进行峰值限制与峰值恢复。如果BER性能不重要，则接收装置可以在没有峰值恢复器的情况下工作。
因此，本领域技术人员应该理解在不脱离权利要求限定的本发明的精神与范围的前提下，可以进行形式与细节的各种修改。
权利要求
1.一种在使用多载波调制方案的通信系统中降低峰值对平均功率比(PAPR)的发射装置，包括调制器，用来以所述多载波调制方案调制要发射的数据；限峰器，用来利用映射函数，限制从调制器接收的多载波调制后的信号的峰值，其中所述映射函数使输出值随输入值增加且使输出值收敛于预定值；以及发射器，用来发射限峰后的信号。
2.如权利要求1所述的发射装置，其中所述映射函数为对于输入值x的tanh(x)。
3.如权利要求1所述的发射装置，其中所述多载波调制方案为正交频分复用(OFDM)。
4.一种在使用多载波调制方案的通信系统中降低峰值对平均功率比(PAPR)的接收装置，包括接收器，用来接收信号，以所述多载波调制方案对该信号进行了调制，并且利用映射函数对该信号的峰值进行了限制，其中该映射函数使输出值随输入值增加且使输出值收敛于预定值；峰值恢复器，用来使用所述映射函数的逆映射函数，恢复所接收的信号的限制后的峰值；以及解调器，用来以所述多载波调制方案从恢复了峰值的信号中恢复数据。
5.如权利要求4所述的接收装置，其中所述映射函数为对于输入值x的tanh(x)。
6.如权利要求4所述的接收装置，其中所述多载波调制方案为正交频分复用(OFDM)。
7.一种在使用多载波调制方案的通信系统中降低峰值对平均功率比(PAPR)的发射装置，包括调制器，用来以所述多载波调制方案调制要发射的数据；限峰器，用来利用具有可变比例因子的映射函数，限制从调制器接收的多载波调制后的信号的峰值，其中所述映射函数使输出值随输入值增加且使输出值收敛于预定值；控制器，用来根据子载波调制方案确定所述映射函数的可变比例因子；以及发射器，用来发射该限峰后的信号。
8.如权利要求7所述的发射装置，其中所述映射函数为对于输入值x的tanh(ax)，并且a为所述比例因子。
9.如权利要求7所述的发射装置，其中所述多载波调制方案为正交频分复用(OFDM)。
10.一种在使用多载波调制方案的通信系统中降低峰值对平均功率比(PAPR)的接收装置，包括接收器，用来接收信号，以所述多载波调制方案对该信号进行了调制，并且利用具有根据子载波调制方案而变化的比例因子的映射函数对该信号的峰值进行了限制，其中所述映射函数使输出值随输入值增加并使输出值收敛于预定值；峰值恢复器，用来使用所述映射函数的逆映射函数，恢复接收到的信号的限制后的峰值；解调器，用来以所述多载波调制方案从恢复了峰值的信号中恢复数据；以及控制器，用来根据所述子载波调制方案确定所述逆映射函数的比例因子。
11.如权利要求10所述的接收装置，其中所述映射函数为对于输入值x的tanh(ax)，并且a为所述比例因子。
12.如权利要求10所述的接收装置，其中所述多载波调制方案为正交频分复用(OFDM)。
13.一种在使用多载波调制方案的通信系统中降低峰值对平均功率比(PAPR)的发射装置，包括调制器，用来以所述多载波调制方案调制要发射的数据限峰器，用来利用具有可变比例因子的映射函数，限制从调制器接收的多载波调制后的信号的峰值，其中所述映射函数使输出值随输入值增加并使输出值收敛于预定值；发射器，用来发射限峰后的信号；以及控制器，用来根据在接收到的多载波调制后的信号的所恢复的数据中包含的子载波调制信息确定子载波调制方案，并且确定对应于该子载波调制方案的所述比例因子。
14.如权利要求13所述的发射装置，其中所述映射函数为对于输入值x的tanh(ax)，并且a为所述比例因子。
15.如权利要求13所述的发射装置，其中所述多载波调制方案为正交频分复用(OFDM)。
16.如权利要求15所述的发射装置，其中所述子载波调制信息为第一下行链路帧中的Rate_ID。
17.一种在使用多载波调制方案的通信系统中降低峰值对平均功率比(PAPR)的接收装置，包括接收器，用来接收信号，以所述多载波调制方案对该信号进行了调制，并且利用具有根据子载波调制方案而变化的比例因子的映射函数对该信号的峰值进行了限制，其中所述映射函数使输出值随输入值增加并使输出值收敛于预定值；峰值恢复器，用来使用所述映射函数的逆映射函数，恢复接收到的信号的限制后的峰值；解调器，用来以所述多载波调制方案从恢复了峰值的信号中恢复数据；以及控制器，用来根据在恢复后的数据中包含的子载波调制信息确定所述子载波调制方案，并且确定对应于所述子载波调制方案的比例因子。
18.如权利要求17所述的接收装置，其中所述映射函数为对于输入值x的tanh(ax)，并且a为所述比例因子。
19.如权利要求17所述的接收装置，其中所述多载波调制方案为正交频分复用(OFDM)。
20.如权利要求19所述的接收装置，其中所述子载波调制信息为第一下行链路帧中的Rate_ID。
21.一种在使用多载波调制方案的通信系统中自适应地降低峰值对平均功率比(PAPR)的方法，包括以下步骤确定子载波调制方案；根据所述子载波调制方案，确定映射函数的可变比例因子，该映射函数使输出值随输入值增加并使输出值收敛于预定值；利用具有所确定的比例因子的所述映射函数，限制要发射的多载波调制后的信号的峰值；以及发射限峰后的信号。
22.如权利要求21所述的方法，还包括以下步骤接收限峰后的信号；利用所述映射函数的逆映射函数，恢复接收到的信号的限制后的峰值；以及以所述多载波调制方案，从恢复了峰值的信号中恢复数据。
23.如权利要求22所述的方法，其中根据在所恢复的数据中包含的子载波调制信息，确定所述子载波调制方案。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述映射函数为对于输入值x的tanh(ax)，并且a为所述比例因子。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述多载波调制方案为正交频分复用(OFDM)。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述子载波调制信息为第一下行链路帧中的Rate_ID。
27.如权利要求21所述的方法，其中所述映射函数为对于输入值x的tanh(ax)，并且a为所述比例因子。
28.如权利要求21所述的方法，其中所述多载波调制方案为正交频分复用(OFDM)。
全文摘要
提供了用于PAPR降低的发射与接收装置及其自适应PAPR控制方法。在发射之前，发射装置利用使输出值随输入值增加并使输出值收敛于预定值的映射函数，限制多载波调制后的信号的峰值。接收装置接收限峰后的信号，利用映射函数的逆映射函数，恢复信号的峰值，并且根据所使用的多载波调制方案，从恢复了峰值的信号中恢复数据。根据自适应PAPR控制方法，可以根据子载波调制方案，为映射函数与逆映射函数可变地设置比例因子。
文档编号H04K1/10GK1954571SQ200480043034
公开日2007年4月25日 申请日期2004年9月16日 优先权日2004年5月12日
发明者金载衡, 张在焕 申请人:三星电子株式会社