專利名稱：用于減小發(fā)送信號(hào)的峰均功率比的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信系統(tǒng)，更具體地涉及用于減小正交頻分復(fù)用(OFDM)信號(hào)中的峰均功率比(PAPR)的方法和系統(tǒng)。
技術(shù)背景正交頻分復(fù)用(OFDM)對(duì)多個(gè)獨(dú)立的子載波上的信息符號(hào)進(jìn)行調(diào)制。 OFDM信號(hào)包括以彼此正交的不同的等間隔頻率調(diào)制的多個(gè)子載波。 OFDM調(diào)制對(duì)于在多徑衰落信道上以高速率發(fā)送數(shù)據(jù)而言是有效的調(diào)制方 案。 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，OFDM由于其高頻譜效率和對(duì)多徑衰落的魯棒性而可用 于寬帶數(shù)字通信應(yīng)用。正EE 802.11和正EE 802.16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 OFDM調(diào)制。在OFDM中，信道中可用的帶寬被分成N個(gè)窄帶子載波頻率。數(shù)據(jù) 在這N個(gè)等間距的載波上同時(shí)發(fā)送。這些子載波被設(shè)計(jì)成具有維持其相 應(yīng)波形的正交性所需的最小頻率間隔(frequency separation)。 OFDM使 用快速傅立葉逆變換(IFFT)來(lái)生成時(shí)域信號(hào)波形。IEEE標(biāo)準(zhǔn) 802.16-2004中的無(wú)線MAN-OFDM是基于256點(diǎn)的IFFT。IEEEP802.16e 草案/D9中的OFDMA PHY模式包括大小為2048 (后向兼容IEEE標(biāo)準(zhǔn) 802.16-2004)、 1024、 512禾n 128的IFFT。在很多無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定 了前向糾錯(cuò)(FEC)以改善系統(tǒng)在噪聲或衰落信道條件下的系統(tǒng)性能。 FEC將符號(hào)序列編碼為碼字。OFDM的主要缺點(diǎn)之一是發(fā)送信號(hào)的變化的幅度。N個(gè)指數(shù)信號(hào)的 推定求和(constructive summation)可以得到為平均功率的N倍的峰值功 率。經(jīng)常采用的對(duì)峰值功率的測(cè)度之一是峰均功率比(RARP): 其中義(/)是OFDM發(fā)送信號(hào)，r是采樣周期，iV是OFDM符號(hào)的子載波 的數(shù)量。發(fā)送器功率放大器(PA)僅在特定功率范圍內(nèi)具有線性增益。在輸 入信號(hào)幅度過高之后，PA變成非線性。該非線性效應(yīng)使得子載波之間的 正交性失真并且還產(chǎn)生為規(guī)定所禁止的過多帶外發(fā)送。為了防止發(fā)送器 放大器的限幅(削波)或被迫使進(jìn)入到非線性區(qū)域，平均信號(hào)功率必須 保持得足夠低以使信號(hào)相對(duì)線性地通過放大器。隨著OFDM信號(hào)中的子載波的數(shù)量增加，OFDM信號(hào)的幅度變得更 像具有很大動(dòng)態(tài)范圍的噪聲。因此，發(fā)送器中的RF功率放大器(PA) 應(yīng)當(dāng)具有大的輸入回退(input backoff)以維持其線性。該回退導(dǎo)致功率 轉(zhuǎn)換的效率不高。例如，B類PA的最大功率效率為78.5。/。。然而，對(duì)于 具有10dB的PAPR的輸入信號(hào)，該效率降至7.85%。因此，為了獲得 100 mW的功率水平，DC功耗是1.3瓦。高DC消耗會(huì)縮短電池壽命。 因此，希望有一種減小OFDM信號(hào)的PAPR的方法。已知有很多不同的技術(shù)用于減小OFDM信號(hào)中的PAPR。分組編碼(block encoding):選擇減小了 PAPR的碼字進(jìn)行發(fā)送。存 在一些具有減小的PAPR的碼序列，例如，Shapiro-Rudin序列、Golay碼、 M序列、二進(jìn)制巴克碼(Binary Barker)和Newman相位。然而，分組 編碼需要對(duì)好的碼進(jìn)行窮舉搜索(exhaustive)。隨著N的增大，這變得 不可能實(shí)現(xiàn)。選擇性映射發(fā)送器產(chǎn)生相同的信息數(shù)據(jù)塊的候選數(shù)據(jù)塊的集合。 選擇具有最低PAPR的最佳映射以用于發(fā)送。對(duì)于實(shí)施來(lái)說(shuō)，發(fā)送器需 要一些EFFT操作，并確定這些序列的相應(yīng)的PAPR。使用哪一候選的這 個(gè)邊信息(side information)必須與該信息數(shù)據(jù)塊一起發(fā)送到接收器。復(fù) 雜度隨著候選數(shù)量的增大而增大。部分發(fā)送序列W個(gè)符號(hào)的信息數(shù)據(jù)塊被分成多個(gè)子塊。每個(gè)子塊 中的子載波被相位因子(phase factor)加權(quán)。將相位因子選擇為使得所得 到的PAPR被最小化。通常，相位因子被限定為『個(gè)元素以減小復(fù)雜度。 使用哪一相位因子的這個(gè)邊信息與信息數(shù)據(jù)塊一起發(fā)送到接收器。復(fù)雜 。交織 一組交織器用于找到具有最小PAPR的序列。關(guān)于使用哪個(gè) 交織器的這個(gè)邊信息必須發(fā)送到接收器。因?yàn)檫呅畔⒌牟铄e(cuò)會(huì)導(dǎo)致發(fā)送 信號(hào)的丟失，該方法具有與需要邊信息的所有方法相同的問題。峰值加窗(peakwindowing):在該方法中，通過將大峰值信號(hào)乘以高 斯窗來(lái)減小PAPR。PAPR的減小的實(shí)現(xiàn)是以帶外譜分量和帶內(nèi)噪聲為代價(jià)。壓擴(kuò)(companding):該思想類似于對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓擴(kuò)。因?yàn)镺FDM 信號(hào)在大峰值不經(jīng)常出現(xiàn)這一方面類似于語(yǔ)音，可以采樣p律壓擴(kuò)技術(shù) 來(lái)減小PAPR。然而，壓擴(kuò)也導(dǎo)致帶外譜分量，并且符號(hào)差錯(cuò)率的改善僅 發(fā)生在較高SNR下。PAPR減小到近似V^。幅度削波(ampUtiide clipping)和濾波幅度削波將輸入信號(hào)的峰值 包絡(luò)限制在預(yù)定值。由削波函數(shù)的非線性特性而導(dǎo)致的噪聲在帶內(nèi)(BER 性能退化)和帶外(頻譜效率減小)都降低。削波之后的濾波可以減小 帶外噪聲。最常用的削波操作由下式給出-八/ x"， w"^卞氣(2)其中^是^的相位且X是預(yù)先定義的削波水平。該方法被稱為硬削波 (HC)。使用硬削波，掩蔽僅去除了帶外輻射的一部分。典型地，在頻域， 向發(fā)送信號(hào)中插入了很多零。這需要很大的IDFT值以產(chǎn)生過采樣信號(hào)。音調(diào)預(yù)留(Tone reservation)和音調(diào)注入(tone injection):在一個(gè) OFDM符號(hào)中，預(yù)留了一些子載波用于減小PAPR。通過求解凸優(yōu)化問題 而確定這些子載波的發(fā)送值。PAPR減小的量依賴于預(yù)留的子載波的數(shù)量 和它們的位置。對(duì)于IEEE 802.16自適應(yīng)突發(fā)發(fā)送，經(jīng)歷低SNR的一些子 載波可用于該目的。然而，用于PAPR減小的子載波位置應(yīng)當(dāng)自適應(yīng)地變 化。這導(dǎo)致額外的復(fù)雜度。如果子載波位置是固定的，則帶寬減小。音 調(diào)注入增大了星座(constellation)的大小，使得原始星座中的星座點(diǎn)中的 每一個(gè)均被映射到幾個(gè)星座點(diǎn)。數(shù)據(jù)塊中的每個(gè)被發(fā)送符號(hào)可以被映射到 幾個(gè)等效星座點(diǎn)中的一個(gè)。音調(diào)注入的問題在于該技術(shù)增加了功率要求。6
發(fā)明內(nèi)容提供了一種減小所發(fā)送的OFDM信號(hào)的峰均功率比的方法和系統(tǒng)。 使用前向糾錯(cuò)碼對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行編碼以生成對(duì)應(yīng)于該輸入信號(hào)的碼字。測(cè)量與該碼字相對(duì)應(yīng)的峰值功率。將峰值功率與預(yù)定閾值進(jìn)行比較，如果峰值功率大于預(yù)定閾值，則對(duì)碼字中選定位的集合進(jìn)行操作，以有計(jì)劃地產(chǎn)生其中峰值功率小于預(yù)定閾值的被發(fā)送的差錯(cuò)碼字。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的包括PAPR減小的發(fā)送器系統(tǒng) 的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的包括PAPR減小的接收器系統(tǒng) 的框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的用于PAPR控制的音調(diào)的框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的包括頻域中的PAPR減小的發(fā) 送器系統(tǒng)的細(xì)節(jié)的框圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的包括時(shí)域中的PAPR減小的發(fā) 送器系統(tǒng)的細(xì)節(jié)的框圖；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的包括PAPR減小的接收器系統(tǒng) 的細(xì)節(jié)的框圖。
具體實(shí)施方式
PAPR減小發(fā)送器圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于減小正交頻分復(fù)用 (OFDM)信號(hào)中的峰均功率比(PAPR)的發(fā)送器100的基本結(jié)構(gòu)。對(duì) 串行輸入信號(hào)(Du) IOI進(jìn)行FEC編碼(110)以產(chǎn)生碼字Dc (111)。 碼字Dc被轉(zhuǎn)換(120)成并行信號(hào)121，被交織(可選)并映射到系統(tǒng)規(guī) 定的QPSK、 16QAM、 64QAM或其他調(diào)制符號(hào)(Xo,x!，…Xn.》121。如下面更詳細(xì)描述的，對(duì)符號(hào)121進(jìn)行處理(130)以用于PAPR減
小，參見圖4。輸出數(shù)據(jù)(yo，力，...yM-,) 131經(jīng)由快速傅立葉逆變換(IFFT) 140被變換成時(shí)域信號(hào)141，這產(chǎn)生了復(fù)值基帶信號(hào)<formula>formula see original document page 8</formula>(3)其中AT是一個(gè)OFDM符號(hào)中的子載波的數(shù)量，q和^是復(fù)值調(diào)制符號(hào)的 實(shí)分量和虛分量。除了在頻域執(zhí)行PAPR減小以外，還可以在IFFT 140之后在時(shí)域執(zhí) 行PAPR減小，見圖5。在并行到串行(P/S)轉(zhuǎn)換150之后，串行輸出151被饋送到數(shù)模轉(zhuǎn) 換器(D/A) 160，以產(chǎn)生模擬基帶信號(hào)。發(fā)送器射頻電路(TX-RF) 170 對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、轉(zhuǎn)換和放大以產(chǎn)生射頻(RF)發(fā)送信號(hào)171，該 信號(hào)被發(fā)送到接收器，見圖2。PAPR減小PAPR塊130有計(jì)劃地對(duì)經(jīng)編碼信號(hào)121的選定位的集合進(jìn)行操作以 減小PAPR。所述集合可以包括一位或更多位。該操作可以改變針對(duì)該位 而發(fā)送的信號(hào)的相位和幅度。例如，相位可以改變土90度或±180度或一 些其他角度。幅度也可以改變。例如，幅度可以設(shè)置為零，在這種情況 下該位被有效地置為"空值"。操作的位的集合將導(dǎo)致接收信號(hào)的有計(jì)劃 的差錯(cuò)。如下所述，接收器經(jīng)由其FEC解碼器來(lái)糾正這些差錯(cuò)。PAPR減小接收器圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的接收器200。該接收器包括天 線201、 RF處理器203、保護(hù)間隔去除器205、快速傅立葉變換(FFT) 單元207、解交織器/去映射器209以及FEC解碼器211。接收信號(hào)包括當(dāng)信號(hào)經(jīng)過多徑信道時(shí)添加到該信號(hào)中的噪聲以及有 計(jì)劃的PAPR引入的差錯(cuò)。通過Rx天線201接收的信號(hào)被輸入到RF處 理器203，該RF處理器203將該信號(hào)下變頻到基帶并隨后將下變頻的信 號(hào)輸出到保護(hù)間隔去除器205。保護(hù)間隔去除器205從RF處理器203接收信號(hào)，從接收的信號(hào)消除 保護(hù)間隔，并隨后將該信號(hào)輸出到FFT單元207。 FFT單元207對(duì)從保
護(hù)間隔去除器205輸出的信號(hào)執(zhí)行FFT并隨后將經(jīng)過FFT的信號(hào)輸出到 解交織器/去映射器209。解交織器/去映射器209對(duì)交織器中完成的處理進(jìn)行相反處理，即通 過對(duì)來(lái)自于FFT單元207的信號(hào)迸行解交織和解調(diào)而對(duì)發(fā)送器100的塊 120進(jìn)行映射，隨后將其輸出到FEC解碼器211。 FEC解碼器211對(duì)接收 信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)并對(duì)有計(jì)劃的差錯(cuò)進(jìn)行糾正，并輸出從發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)位。音調(diào)序列圖3示出了可用于PAPR控制的音調(diào)序列。例如，在OFDM符號(hào)中 總共有16個(gè)可用的子載波(音調(diào))。存在14個(gè)數(shù)據(jù)音調(diào)(bo,bi,…，b,3)， 并可能存在位于固定頻率處的兩個(gè)預(yù)留音調(diào)(r<)，ri)。預(yù)留的音調(diào)可用于 PAPR。在這種方法中存在兩個(gè)缺點(diǎn)。首先，不管是否執(zhí)行PAPR減小， 頻譜效率固定在14/16或87.5%。第二，僅預(yù)留的音調(diào)可用于減小PAPR， 因此，該技術(shù)具有有限的靈活性。很多無(wú)線通信系統(tǒng)，例如IEEE 802.11和IEEE 802.16，使用前向糾 錯(cuò)(FEC) 110。本發(fā)明的實(shí)施方式對(duì)功率峰值的位置進(jìn)行識(shí)別或預(yù)測(cè)， 并對(duì)發(fā)送序列中的選定位的集合進(jìn)行操作以減小PAPR。對(duì)位的反轉(zhuǎn)或置為空值導(dǎo)致發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的差錯(cuò)。如果數(shù)據(jù)是 通過FEC編碼的，則該差錯(cuò)通過接收器200中的FEC解碼器211來(lái)糾正。發(fā)送器確保注入的差錯(cuò)位于接收器的糾錯(cuò)能力范圍內(nèi)。因此，發(fā)送 器100具有FEC解碼器211的能力的先驗(yàn)知識(shí)，并且PAPR的操作依賴 于FEC碼。與使用預(yù)留位的PAPR減小相比，本發(fā)明的實(shí)施方式不僅減小了 PAPR，而且還改善了頻譜效率。只要PAPR是可接受的，就不對(duì)位進(jìn)行 操作，從而產(chǎn)生很少或不產(chǎn)生附加的幵銷。頻率選擇性減小已知移動(dòng)設(shè)備使用的信道可以是頻率選擇性的且受到快速衰落。衰 落是由于多徑傳播而導(dǎo)致的并且有時(shí)被稱為多徑誘導(dǎo)衰落。在通過信道 傳播時(shí)，接收信號(hào)的每個(gè)副本都經(jīng)歷衰減、延遲和相移的差異。這可能 導(dǎo)致接收信號(hào)的相長(zhǎng)(constructive)或相消(destructive)干擾、放大或 衰減以及信道SNR的嚴(yán)重下降。如果接收器對(duì)信道狀態(tài)信息(CSI)進(jìn)行測(cè)量，并將該CSI饋送到發(fā) 送器，則為了減小PAPR，發(fā)送器可以選擇性地對(duì)具有相對(duì)低的SNR的 選定的音調(diào)(位)的集合進(jìn)行操作。模式識(shí)別圖4示出了用于PAPR減小的一個(gè)實(shí)施方式。對(duì)輸入信號(hào)101應(yīng)用 FEC編碼110以產(chǎn)生碼字111。數(shù)據(jù)被映射(120)到音調(diào)121。在PAPR 減小單元130中，模式識(shí)別塊410可以檢測(cè)產(chǎn)生了超過預(yù)定閾值的峰值 的模式。如果檢測(cè)到這種預(yù)定的模式，則產(chǎn)生差錯(cuò)信號(hào)(一個(gè)或多個(gè)位(-b3)) 421。該差錯(cuò)信號(hào)可以從査找表420獲得。該差錯(cuò)信號(hào)指示了要對(duì)哪些位 進(jìn)行操作(405)，以及如何(例如對(duì)相位、幅度或二者)進(jìn)行操作。在 信號(hào)131中，位xl42表示了被操作的位。該操作有計(jì)劃地產(chǎn)生其中峰值 功率小于預(yù)定閾值的差錯(cuò)碼字。在IFFT140之后，信號(hào)131產(chǎn)生具有減 小的PAPR的時(shí)域信號(hào)141。時(shí)域PAPR減小如圖5所示，差錯(cuò)音調(diào)注入PAPR減小也可以在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)。執(zhí)行音 調(diào)映射(120)以產(chǎn)生信號(hào)121。 IFFT(140)產(chǎn)生時(shí)域信號(hào)511。信號(hào)511 可以具有超過閾值的峰值。峰值檢測(cè)器510對(duì)超過閾值的峰值的位置進(jìn) 行檢測(cè)?；谠撔畔?，音調(diào)生成器520產(chǎn)生一個(gè)或更多個(gè)差錯(cuò)音調(diào)(-t3) 521。差錯(cuò)音調(diào)被添加(505)到原始時(shí)域信號(hào)511以產(chǎn)生PAPR減小的時(shí) 域信號(hào)141。圖6示出了可比的接收器結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。在FFT單元207之后，對(duì)接 收信號(hào)進(jìn)行音調(diào)映射(209)。信號(hào)208可以包括有計(jì)劃的差錯(cuò)(x)，其 通過FEC解碼器211糾正以重現(xiàn)在發(fā)送器IIO處的原始輸入信號(hào)111。盡管以優(yōu)選實(shí)施方式為例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，可以在本發(fā) 明的精神和范圍內(nèi)做出各種其他調(diào)整和修改。因此，所附權(quán)利要求的目 的在于涵蓋落在本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍內(nèi)的所有這些變化和修改。
權(quán)利要求
1. 一種用于減小發(fā)送信號(hào)的峰均功率比的方法，該方法包括以下步驟使用前向糾錯(cuò)碼對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行編碼以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述輸入信號(hào)的碼字；測(cè)量對(duì)應(yīng)于所述碼字的峰值功率；將所述峰值功率與預(yù)定閾值進(jìn)行比較；如果所述峰值功率大于所述預(yù)定閾值，則對(duì)所述碼字中選定位的集合進(jìn)行操作以有計(jì)劃地產(chǎn)生其中所述峰值功率小于所述預(yù)定閾值的差錯(cuò)碼字；以及將所述差錯(cuò)碼字作為發(fā)送信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)量、比較和操作的步驟 在頻域執(zhí)行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)量、比較和操作的步驟 在時(shí)域執(zhí)行，并且所述選定位對(duì)應(yīng)于音調(diào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述操作步驟改變與所述選定 位的集合對(duì)應(yīng)的所述發(fā)送信號(hào)的相位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述操作步驟改變與所述選定 位的集合對(duì)應(yīng)的所述發(fā)送信號(hào)的幅度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述操作步驟改變與所述選定 位的集合對(duì)應(yīng)的所述發(fā)送信號(hào)的相位和幅度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述幅度為零以將所述選定位 的集合置為空值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟 接收所述發(fā)送信號(hào)作為接收信號(hào)；以及 對(duì)所述接收信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟 對(duì)信道狀態(tài)信息進(jìn)行測(cè)量；以及根據(jù)所述信道狀態(tài)信息確定所述選定位的集合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述選定位的集合具有相對(duì) 低的信噪比。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括以下步驟 通過模式識(shí)別和查找表確定所述選定位的集合。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)送信號(hào)是正交頻分復(fù)用的。
13. —種用于減小發(fā)送信號(hào)的峰均功率比的裝置，該裝置包括 編碼器，其被構(gòu)造成使用前向糾錯(cuò)編碼器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行編碼以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述輸入信號(hào)的碼字；用于測(cè)量對(duì)應(yīng)于所述碼字的峰值功率的裝置；比較器，其被構(gòu)造成將所述峰值功率與預(yù)定閾值進(jìn)行比較；在所述峰值功率大于所述預(yù)定閾值的情況下，對(duì)所述碼字中選定位 的集合進(jìn)行操作以有計(jì)劃地產(chǎn)生其中所述峰值功率小于所述預(yù)定閾值的差錯(cuò)碼字的裝置；以及將所述差錯(cuò)碼字作為發(fā)送信號(hào)進(jìn)行發(fā)送的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于減小發(fā)送信號(hào)的峰均功率比的方法和裝置。提供了一種減小所發(fā)送的OFDM信號(hào)的峰均功率比的方法和系統(tǒng)。使用前向糾錯(cuò)碼對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行編碼以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述輸入信號(hào)的碼字。測(cè)量對(duì)應(yīng)于所述碼字的峰值功率。將所述峰值功率與預(yù)定閾值進(jìn)行比較，并且如果所述峰值功率大于所述預(yù)定閾值，則對(duì)所述碼字中選定位的集合進(jìn)行操作以有計(jì)劃地產(chǎn)生其中峰值功率小于預(yù)定閾值的所發(fā)送的差錯(cuò)碼字。
文檔編號(hào)H04L1/00GK101399807SQ20081021310
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者張坤好, 段春杰 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社