基于新型算法的正交频分复用系统高峰均功率比优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于新型算法的正交频分复用系统高峰均功率比优化方法。对于规定的正交频分复用系统，我们以减少系统的峰均功率比优化为目标，同时充分地考虑到算法的复杂度和系统的误比特率的问题，将正交频分复用系统中的峰均功率比问题重新转换，完成对峰均功率比问题的优化解决方案。实践证明了该方法在正交频分复用系统中对于高峰均功率比问题具有很好的优化效果。

Peak to average power ratio optimization method for OFDM system based on new algorithm

The invention discloses an optimization method for peak-to-average power ratio of an orthogonal frequency division multiplexing system based on a novel algorithm. For the prescribed orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system, we aim to reduce the PAPR of the system, take full account of the complexity of the algorithm and the BER of the system, and re-convert the PAPR of the OFDM system to complete the optimization solution of PAPR. . Practice proves that this method has a good optimization effect for the problem of peak-to-average power ratio in orthogonal frequency division multiplexing system.

【技术实现步骤摘要】
基于新型算法的正交频分复用系统高峰均功率比优化方法
本专利技术涉及的是基于切削与滤波的正交频分复用系统中高峰均功率比减少优化问题，属于无线通信(WirelessCommunication)领域。
技术介绍
无线通信是一种利用电磁波进行通信传输信息的，进行信息的交换的方式。近年来，发展最为迅速的是无线移动通信。随着移动设备的快速发展，第四代移动通信技术和第五代移动通信技术的成熟发展，这两类无线通信的技术基础是正交频分复用系统(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingSystem)。正交频分复用系统是多载波调制的一种。正交频分复用系统的基本思想是：将信道分成若干个正交子信道，将高速串行的数据信号转换成低速的并行数据信号流，调制到每一个独立的子信道上进行传输。正交信号可以在接收端进行分开，这样可以减少子信道之间的干扰，即信道间干扰(InterChannelInterference,ICI)。每个子信道上的带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的信号可以被看成是平坦性衰落，从而消除了符号间干扰(InterSymbolInterference,ISI)。而且由于每个子信道的带宽是原来的信道带宽的一部分，信道均衡就会变得相对容易的多。目前的话，正交频分复用技术已经被广泛地运用到很多的方面，广播式的音频和视频领域以及民用的通信系统中，主要包括了：非对称的数字用户环路(ADSL)、ETS标准的数字音频广播(DAB)，数字视频广播(DVB)，无线局域网(WLAN)等等。在正交频分复用系统传播过程中，高速的信息数据流通过串并的转换，分配到速率相对比较低的若干个子信道中进行传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样的方式可以有效地减少因为无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性，对于正交频分复用系统造成的码间干扰。除此以外，由于加入了保护间隔，在保护间隔的长度大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大化地减少多径传播引发的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可以避免多径传输带来的信道间的干扰。正交频分复用系统采用N个重叠的子频带，子频带相互正交，因而在接收端就不需要进行频谱的分离，从而进行信号的接收。在系统的发射端加入保护间隔，主要是为了消除多径所造成的ISI(子载波之间的正交性会被破坏从而产生不同的子载波之间的干扰)。主要的方式就是：在正交频分复用的符号保护间隔内填入循环前缀，以保证在FFT周期内正交频分复用符号的时延副本内所包含的波形周期个数也是整数。因此，时延小于保护间隔的信号就不会在解调的过程中产生ISI。正交频分复用系统的优点是：(1)可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输；(2)子信道之间的正交调制和解调，可以通过离散傅里叶变换和离散傅里叶逆变换进行实现；(3)正交频分复用系统可以与其他多种接入方式相结合。正交频分复用的缺点是：因为在正交频分复用系统信号是由多个调制后的子载波信号的线性叠加，因此有可能会造成瞬间的信号幅度远远大于信号的平均幅度，即产生较大的峰均功率比。较高的峰均功率比会带来系统的正交性的影响，对信号传输产生较大的影响。由于较高的峰均功率比，会需要带有较大反馈增益的功率放大器，这就意味着增加了模数转换器和数模转换器的复杂度，会对硬件的要求带来很高的要求。除此以外，高的峰均功率比会对发射机内部的放大器的线性带来很大的挑战性，因此有可能产生信号的畸变，使得信号的频谱发生变化，从而导致了正交频分复用系统中的各个子信道之间的正交性受到破坏。这会对正交频分复用系统带来很大的干扰，使得系统的性能变差而下降。所以本专利的目标就是减少正交频分复用系统中的高峰均功率比问题。
技术实现思路
专利技术目的：考虑到算法的复杂度和效率，本专利优化减少了正交频分复用系统中的高峰均功率比问题。技术方案：本专利技术提出的减少高的峰均功率比问题的方法，主要包括以下几个阶段。第一阶段：正交频分复用系统中信号产生，一个正交频分复用的符号是有N个频率间隔为Δf的子载波一起组成。整个正交频分复用系统的带宽B被分成N个等间距的子信道。在每一个符号持续时间里面，所有的子载波都是相互正交的。由此，在符号持续的时间T内，第m个正交频分复用块的符号可以进行用公式表示：其中，gn(t)是指一个矩形的脉冲。由所有的正交频分复用系统的块组成的连续时间的信号表示为：因为不同的正交频分复用的信号是相互不重叠，为了不失去一般性，这里只考虑一个正交频分复用信号。所以我们将上面的式子进行改写为：因为大多数的正交频分复用系统采用的是离散时间信号，所以对信号x(t)进行过采样，采样率是fs＝LN/T。其中，L是过采样因子，那么正交频分复用信号的离散时间信号表示为：当L＝4时，进行LN点的IFFT实现，输入信号为采用插零法来得到频域信号，即Xext＝[X0,X1,...,Xn/2-1,XN/2,...,XN-1,0,0....,0](5)其中，0的个数是(L-1)N。第二阶段：下面是介绍正交频分复用系统的收发流程。发射端首先进行前向纠错，然后进行串并转换，经过调制后进行传输。在接收端，则是相反的流程步骤。接收到的模拟带通信号进行下变频到模拟的基带信号上，进行模数的转换，将低速串行的信号转成高速并行的信号，去除循环前缀。通过FFT运算后，进行解码输出。第三阶段：峰均功率比是指信号的峰值功率与信号的平均功率的比值，即：而发生高峰均功率比的原因是：由于发射信号是多个调制信号的和，当每个子载波上的符号相同的相位时候，发射信号的峰值功率会进行叠加，从而远远的高于平均功率。这会要求发射端的高功率放大器必须拥有很大的线性工作区域，导致功率放大器的效率很低。此外，功率放大器的非线性失真会引起带内失真和带外散射，而且带内失真会影响系统的误比特率。带外散射影响了邻近频带的干扰。在评价峰均功率比的减少效果中，我们用互补累积分布函数(CCDF,ComplementaryCumulativeDistributionFunction)被称为切削概率是比较常用的衡量标准。其定义是：CCDF＝Pr[PAPR(X)＞ξ]＝1-Pc(7)其中Pc是代表累计分布函数的概率。第四阶段：减少高的峰均功率比有很多种方法，常用的有三大类。第一类是限制幅度类，包括了幅度的切削与滤波。第二类是编码类技术，比如快编码、格雷互补序列和Reed-Muller码。第三类是概率类技术，比如选择性映射、部分传输序列和子载波保留方法等。但是这些方法减少峰均功率比有优点也有较大的缺陷。所以，在本专利中，我们对减少峰均功率比的方法进行优化，提出了一种新型的减少峰均功率比的方法，自适应迭代切削滤波的方法。切削与滤波的技术先是对信号进行LN点的快速傅里叶逆变换(IFFT)变换，然后将变换后的时域信号通过一个限幅器进行作用输入信号，获得切削后的噪声。对限幅后的信号通过快速傅里叶变换(FFT)得到切削噪声对应的频域信号，通过将带外信号置零，再用IFFT得到滤波的信号。这种技术使得正交频分复用信号不会对邻近频带的信号产生干扰。但是带内失真不能通过滤波来减少，这样会增加系统的误码率。而且，消除带外散射可以在时域上利用低通滤波器来完成，也可以在频域上利用FFT和IFFT对来实现。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于新型算法的正交频分复用系统高峰均功率比优化方法，其基本特征在于：在正交频分复用系统中，本专利首先随机产生一系列的初始时间信号，计算初始时域信号的峰均功率比，然后进行过采样的操作，计算过采样后的时域信号的峰均功率比。接着运用切削与滤波的方法，对过采样后的信号进行处理，切削意味着是将信号的高峰值部分进行切削，去除高峰值的部分；滤波是指在频域上，对信号通过带通滤波器，去除带外辐射和信号峰值再生的问题。

【技术特征摘要】
1.基于新型算法的正交频分复用系统高峰均功率比优化方法，其基本特征在于：在正交频分复用系统中，本专利首先随机产生一系列的初始时间信号，计算初始时域信号的峰均功率比，然后进行过采样的操作，计算过采样后的时域信号的峰均功率比。接着运用切削与滤波的方法，对过采样后的信号进行处理，切削意味着是将信号的高峰值部分进行切削，去除高峰值的部分；滤波是指在频域上，对信号通过带通滤波器，去除带外辐射和信号峰值再生的问题。这个公式是时域上进行过采样后的信号。N指的是子载波的数量，L是过采样因子，Xn是频域上的信号，xk是时域上的信号，k是次数，Δf是频率，j是虚数单位。公式2指的是时域信号x的峰均功率比(PAPR)的计算。E表示的是期望值，n是个数的序号，max表示求最大值，L是过采样因子，N是总共的子载波数量。上述两个公式是本专...

【专利技术属性】
技术研发人员：张仁杰，吴安平，李骏，王亚军，桂林卿，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32