基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法及系统。在传统DSI方法的基础上，提出了用三维信号代替传统未携带信息的虚拟序列插入到OFDM信号子载波，每个三维信号占用两个子载波，与传统DSI方法相比数据传输效率没有降低。由于三维信号星座图提供了更大的搜索自由度，所以在同样的搜索复杂度和系统数据传输效率条件下能更有效地改善OFDM系统的峰均功率比，并且不需要发送边带信息。另外，与插入二维信号相比，在不改变发送的OFDM信号平均功率前提下，三维信号星座图具有更大的最小欧几里德距离，因此系统的差错性能也可以得到一定的提高。

【技术实现步骤摘要】
基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法及系统
本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种基于三维信号插入降低正交频分复用(OFDM)系统峰均功率比的方法及系统。
技术介绍
由于频谱利用率高、有效抗频率选择性衰落和易于实现等优点，正交频分复用(OFDM)技术已经广泛应用于各种无线通信系统中，像无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)和全球微波互联接入(WiMAX)等。OFDM系统的主要缺点之一是峰均功率比(PAPR)过高。高PAPR要求系统发送端的功率放大器具有很大的线性范围，否则当信号超出放大器的线性范围时，就会造成信号失真，系统性能下降。而增加功率放大器的线性范围成本过高。为了降低OFDM系统的PAPR，许多方法已经被提出和应用，像削波技术、选择映射(SLM)、部分传输序列(PTS)和虚拟序列插入(DSI)等。SLM和PTS技术可有效地改善PAPR，但这两种技术需要发送额外的边带信息给接收端，边带信息的传输错误会导致系统的差错性能下降。DSI方法在有效地降低OFDM系统PAPR的同时，无需发送边带信息，而保持系统性能不降低。尽管在DSI技术中，插入的虚拟序列代替了原有的数据子载波，在一定程度上降低了系统的数据传输效率，但系统实现简单，且可有效改善PAPR性能、不会增加接收端的复杂度。DSI技术已经被证明适用于WiMAX系统中。对插入虚拟序列的选择是DSI技术的核心内容。在目前的研究中，用于插入的虚拟序列一般为互补序列和相关序列，然后再利用搜索算法找到使OFDM信号PAPR最低的序列组合，搜索复杂度会随着插入的虚拟序列长度成指数增长。一些其它的插入虚拟序列的方法也被提出，但由于插入的虚拟序列均基于二维信号且不携带任何信息，导致其对系统的性能没有改善作用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对上述OFDM系统PAPR过高的技术缺陷，提供了一种基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法及系统。根据本专利技术的其中一方面，本专利技术为解决其技术问题，提供了一种基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法，包含如下步骤：(1)将信源产生的二进制数字信号输入串并转换模块进行处理，把串行的比特流转换为并行数据，其中每k＝log2M比特一组作为索引信号输入映射器，M为所采用二维信号星座图的尺寸；(2)将步骤(1)的输出信号通过星座图映射到频域OFDM信号的每个子载波，每个子载波表示为一个复数或实数形式，所述映射由二维信号映射和三维信号映射两部分组成，OFDM信号的前N–2L个子载波采用二维信号星座图进行映射，后2L个子载波采用三维信号星座图进行映射，其中N为OFDM信号的子载波数，L为插入的三维信号个数；(3)通过IFFT操作将步骤(2)映射后得到的频域OFDM信号调制到时域；(4)将步骤(3)得到的时域OFDM信号输入峰均功率比比较器，通过搜索算法找到最佳的插入三维信号序列组合，使OFDM信号的PAPR最小化；(5)将步骤(4)得到的PAPR最小化的OFDM信号输入到并串转换模块，把并行数据转换为串行数据，再通过信道进行传输；(6)接收端将接收信号输入串并转换模块进行处理，把串行数据转换为并行数据；(7)将步骤(6)处理后的信号进行FFT操作，把时域OFDM信号转换到频域；(8)对步骤(7)的输出信号进行解映射处理，前N–2L个子载波进行二维信号解映射处理，后2L个子载波进行三维信号解映射处理。进一步的，在本专利技术的基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法中，步骤(2)中将串并转换模块的输出信号分别通过二维信号映射和三维信号映射的具体步骤如下：(21)OFDM信号的前N–2L个子载波采用二维信号星座图进行映射，每个子载波映射为一个复数数据，映射后的基带信号表示为：X2D＝[Xm,0Xm,1…Xm,N-2L-1]式中：Xm表示复数数据，其代表二维星座图中的一个信号点，0≤m≤M-1；(22)OFDM信号的后2L个子载波采用三维信号星座图进行映射，每个三维信号占用两个子载波，一个为复数数据，一个为实数数据，映射后的基带信号表示为：X3D＝[Sm',0Sm',1…Sm',L-1]＝[xm',0+jym',0zm',0xm',1+jym',1zm',1…xm',L-1+jym',L-1zm',L-1]式中：Sm’＝(xm’+jym’zm’)表示三维星座图中的一个信号点，0≤m’≤M’-1，x、y和z表示所插入信号在三维星座图中的坐标，三者可通过任意组合，组成一个复数和一个实数，M’表示所采用的三维信号星座图尺寸，M’>M，对于三维信号映射，每两个子载波对应两个或两个以上的三维信号，它们代表同样的比特信息，映射时进行随机选取；映射后的频域基带OFDM信号表示为：X＝[X2DX3D]＝[Xm,0Xm,1…Xm,N-2L-1Sm',0Sm',1…Sm',L-1]进一步的，在本专利技术的基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法中，所述步骤(21)中采用多进制正交振幅调制(MQAM)星座图实现二维信号映射。进一步的，在本专利技术的基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法中，步骤(4)同时结合步骤(2)和步骤(3)包括如下步骤：(41)输入的索引信号经过二维信号映射器和三维信号映射器映射后，分别进行零填充，映射和零填充后的子载波信号分别表示为：对X'2D、X'3D分别进行IFFT调制，调制后的时域OFDM信号可表示为：sT＝ifft(X'2D)+ifft(X'3D)式中：ifft表示快速反傅里叶变换操作，两部分调制后的信号进行叠加再输入到峰均功率比比较器计算PAPR作为初始比较值；(42)设置映射三维信号子载波X3D的索引变量i＝1；(43)分别用其它的表示相同比特信息的三维信号替换原信号，选择一个使OFDM信号PAPR最小的三维信号；(44)将i加1后作为新的i，返回至步骤(43)，直到i＝L+1搜索过程结束。进一步的，在本专利技术的基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法中，步骤(41)中映射二维信号的子载波只需进行一次IFFT操作，其中PAPR的计算公式表示为：式中：E{·}表示求期望，max{·}表示求最大值。进一步的，在本专利技术的基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法中，步骤(8)中解映射处理包括二维信号解映射处理以及三维信号解映射处理，其中：二维信号解映射处理是指：通过计算接收信号与所采用的二维星座图中的所有信号点距离，距离最小的判决为原始的发送信号。三维信号解映射处理是指：通过计算接收信号与所采用的三维星座中所有表示相同比特信息的信号点距离，与其中之一距离最小的判决为原始的发送信号。进一步的，在本专利技术的基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法中，步骤(8)中解映射过程采用最大似然估计算法进行处理。进一步的，在本专利技术的基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法中，步骤(8)之后还包括：(9)将步骤(8)得到的信号进行并串转换，将并行的数据转换为串行的数据，恢复出原始的二进制数字信号。根据本专利技术的另一方面，本专利技术为解决其技术问题，还提供了一种基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的系统，包含如下模块：发送端串并转换模块，用于处理信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)将信源产生的二进制数字信号输入串并转换模块进行处理，把串行的比特流转换为并行数据，其中每k＝log2M比特一组作为索引信号输入映射器，M为所采用二维信号星座图的尺寸；(2)将步骤(1)的输出信号通过星座图映射到频域OFDM信号的每个子载波，每个子载波表示为一个复数或实数形式，所述映射由二维信号映射和三维信号映射两部分组成，OFDM信号的前N–2L个子载波采用二维信号星座图进行映射，后2L个子载波采用三维信号星座图进行映射，其中N为OFDM信号的子载波数，L为插入的三维信号个数；(3)通过IFFT操作将步骤(2)映射后得到的频域OFDM信号调制到时域；(4)将步骤(3)得到的时域OFDM信号输入峰均功率比比较器，通过搜索算法找到最佳的插入三维信号序列组合，使OFDM信号的峰均功率比最小化；(5)将步骤(4)得到的峰均功率比最小化的OFDM信号输入到并串转换模块，把并行数据转换为串行数据，再通过信道进行传输；(6)接收端将接收信号输入串并转换模块进行处理，把串行数据转换为并行数据；(7)将步骤(6)处理后的信号进行FFT操作，把时域OFDM信号转换到频域；(8)对步骤(7)的输出信号进行解映射处理，前N–2L个子载波进行二维信号解映射处理，后2L个子载波进行三维信号解映射处理。...

【技术特征摘要】
1.一种基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，包含如下步骤：(1)将信源产生的二进制数字信号输入串并转换模块进行处理，把串行的比特流转换为并行数据，其中每k＝log2M比特一组作为索引信号输入映射器，M为所采用二维信号星座图的尺寸；(2)将步骤(1)的输出信号通过星座图映射到频域OFDM信号的每个子载波，每个子载波表示为一个复数或实数形式，所述映射由二维信号映射和三维信号映射两部分组成，OFDM信号的前N–2L个子载波采用二维信号星座图进行映射，后2L个子载波采用三维信号星座图进行映射，其中N为OFDM信号的子载波数，L为插入的三维信号个数；(3)通过IFFT操作将步骤(2)映射后得到的频域OFDM信号调制到时域；(4)将步骤(3)得到的时域OFDM信号输入峰均功率比比较器，通过搜索算法找到最佳的插入三维信号序列组合，使OFDM信号的峰均功率比最小化；(5)将步骤(4)得到的峰均功率比最小化的OFDM信号输入到并串转换模块，把并行数据转换为串行数据，再通过信道进行传输；(6)接收端将接收信号输入串并转换模块进行处理，把串行数据转换为并行数据；(7)将步骤(6)处理后的信号进行FFT操作，把时域OFDM信号转换到频域；(8)对步骤(7)的输出信号进行解映射处理，前N–2L个子载波进行二维信号解映射处理，后2L个子载波进行三维信号解映射处理。2.根据权利要求1所述的基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，步骤(2)中将串并转换模块的输出信号分别通过二维信号映射和三维信号映射的具体步骤如下：(21)OFDM信号的前N–2L个子载波采用二维信号星座图进行映射，每个子载波映射为一个复数数据，映射后的基带信号表示为：X2D＝[Xm,0Xm,1...Xm,N-2L-1]；式中：Xm表示复数数据，其代表二维星座图中的一个信号点，0≤m≤M-1；(22)OFDM信号的后2L个子载波采用三维信号星座图进行映射，每个三维信号占用两个子载波，一个为复数数据，一个为实数数据，映射后的基带信号表示为：X3D＝[Sm',0Sm',1...Sm',L-1]＝[xm',0+jym',0zm',0xm',1+jym',1zm',1…xm',L-1+jym',L-1zm',L-1]；式中：Sm’＝(xm’+jym’zm’)表示三维星座图中的一个信号点，0≤m’≤M’-1，x、y和z表示所插入信号在三维星座图中的坐标，三者可通过任意组合，组成一个复数和一个实数，M’表示所采用的三维信号星座图尺寸，M’>M，对于三维信号映射，每两个子载波对应两个或两个以上的三维信号，它们代表同样的比特信息，映射时进行随机选取；映射后的频域基带OFDM信号表示为：X＝[X2DX3D]＝[Xm,0Xm,1…Xm,N-2L-1Sm',0Sm',1...Sm',L-1]。3.根据权利要求2所述的基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤(21)中采用多进制正交振幅调制星座图实现二维信号映射。4.根据权利要求2所述的基于三维信号插入降低OFDM系统峰均功率比的方法，其特征在于，所述步骤(2)～(4)包括如下步骤：(41)输入的索引信号经过二维信号映射器和三维信号映射器映射后，分别进行零填充，映射和零填充后的子载波信号分别表示为：对X'2D、X'3D分别进行IFFT调制，调制后的时域OFDM...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈振兴，张煜蓉，李芳，王典洪，王勇，罗林波，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42