一種采用SLM降低峰均比的裝置及方法

高 知，余建國

（武漢郵電科學研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

較高的峰均比（PAPR）一直是 OFDM技術的難點和關鍵問題所在，也是 OFDM 技術走向實用化的一道屏障，所以為了推廣 OFDM技術的應用，就必須優(yōu)化其系統(tǒng)性能，這就需要去降低系統(tǒng)的PAPR。

選擇性映射[1]（SLM）是一種非畸變的方法來降低PAPR，其基本思想是用U個統(tǒng)計獨立的向量去代表相同數(shù)據(jù),然后再讓這U個向量同時進行IFFT ,得到OFDM符號的在時域的離散采樣，分別計算這U個向量的 PAPR ,從這些序列中選出具有最小 PAPR的向量進行傳輸。選擇性映射法的優(yōu)點就是不受調(diào)制方式和載波數(shù)量的限制，且不會發(fā)生信號畸變。

當使用SLM方案來抑制PAPR時，不可避免的要考慮以下兩個問題：首先，接收機必須要知道發(fā)射機所選擇的相位序列，以至于接收機能夠準確的恢復數(shù)據(jù)，因此需要在發(fā)射機加一個輔助信息發(fā)生器來產(chǎn)生輔助信息標志經(jīng)過相位偏轉的數(shù)據(jù)塊。其次，輔助信息的傳輸應該準確高效，而且系統(tǒng)資源不能被占用，且不能影響系統(tǒng)性能。因此現(xiàn)設計出了一種解決上述兩個問題的發(fā)射和接收裝置，不但大大提高了系統(tǒng)傳輸效率，而且增強了系統(tǒng)抗干擾的能力，從而提高了OFDM系統(tǒng)的性能。

1 SLM算法原理及新裝置數(shù)據(jù)流程

采用SLM的OFDM系統(tǒng)發(fā)射機內(nèi)的信號可以表示為[2]：

假設存在M個不同的，長度為N的隨機相位序列矢量：

ψi(u)在[0,2π]之內(nèi)均勻分布。可以利用這M個相位矢量分別與IFFT的輸入序列X進行點乘，則可以得到M個不同的輸出序列uX ，即：

其中 ·表示向量之間的點乘。

然后對得到的M個序列()uX 分別實施IFFT計算，相應得到 M個不同的輸出序列最后在給定PAPR門限值的條件下，從這M個時域信號序列內(nèi)選擇PAPR性能最好的用于傳輸。

作者所設計的采用SLM的OFDM發(fā)射機的原理如圖1。

圖1 采用SLM的OFDM發(fā)射機

其數(shù)據(jù)流程及算法原理如下：

經(jīng)過編碼、交織處理后的數(shù)據(jù)進入星座映射表，然后映射表根據(jù)預置調(diào)制方案將輸入數(shù)據(jù)映射到調(diào)制碼元（在LTE系統(tǒng)中映射輸出為順序的復數(shù)序列流），S/P轉換器將從映射表接收的串行數(shù)據(jù)流轉換成對應的并行數(shù)據(jù)流。分配器將并行數(shù)據(jù)復制成U個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊包含N個數(shù)據(jù)符號：

相位序列和輔助信息發(fā)生器產(chǎn)生 U個統(tǒng)計獨立的相位序列 P1, P2,… ,PU，每一個相位序列的長度為N( p1, p2,… ,pN)，同時根據(jù)相位序列產(chǎn)生一一對應的U個長度為N的輔助信息 A1, A2,… ,AU，U個長度為N的輔助信息序列之間要求滿足共軛正交（對應位上的復數(shù)進行共軛相乘后的求和值為0），即[3]：

然后，分配器出來的U個數(shù)據(jù)塊分別與U個統(tǒng)計獨立的相位序列相乘，產(chǎn)生U個不同相位偏轉的數(shù)據(jù)序列[4]：

U個經(jīng)不同相位偏轉后的數(shù)據(jù)序列分別加上與該相位序列對應的輔助信息序列，得到U個不同的數(shù)據(jù)序列流：

為了有效利用發(fā)射功率，增大系統(tǒng)覆蓋面積，可以將輔助信息功率和數(shù)據(jù)功率按照一定的比例取值x進行相加合成[5]（x取值為1/10～1），從而提高系統(tǒng)有效發(fā)射功率。

U個數(shù)據(jù)塊然后分別進行N點的IFFT變換，得到U個時域信號數(shù)據(jù)塊：

選擇器對這U個輸出的時域數(shù)據(jù)塊分別進行計算，比較選擇其中峰均比PAPR最小的數(shù)據(jù)塊進行放大，調(diào)制到射頻后發(fā)送出去。

接收機的原理如圖2。

圖2 采用SLM的OFDM接收機

該接收機的數(shù)據(jù)處理流程為：

首先接收到的信號經(jīng)過模數(shù)變換、去除循環(huán)前綴、同步校準、頻偏校正等處理流程后的輸入數(shù)據(jù)進入串并轉換器，將串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)（同步、頻偏等數(shù)據(jù)處理流程也可能在FFT變換之后進行）；并行數(shù)據(jù)經(jīng)過N點FFT變換后輸出頻域的復數(shù)序列流；并行數(shù)據(jù)再經(jīng)過并串轉換器變成串行復數(shù)數(shù)據(jù)流，由SLM發(fā)射機的數(shù)據(jù)處理流程，知道該復數(shù)數(shù)據(jù)流包含了輔助復數(shù)序列值以及經(jīng)過相位偏轉的原始數(shù)據(jù)值；串行數(shù)據(jù)流以及輔助信息發(fā)生器產(chǎn)生的輔助信息流進入相關器（相關器的長度為N）進行共軛相關，通過比較U種已知的發(fā)送輔助信息復數(shù)流進行相關后的峰值，從而可以得知發(fā)射器選擇傳輸?shù)妮o助信息復數(shù)序列值；將FFT變換后接收到的串行數(shù)據(jù)流減去輔助信息復數(shù)序列值，便可以得到經(jīng)過相位偏轉以后的原始數(shù)據(jù)；由于輔助信息數(shù)據(jù)流和相位發(fā)生器的相位序列具有一一對應的關系，通過輔助信息復數(shù)序列值的確認，同時便得知了發(fā)射器所選擇的的隨機相位序列偏轉值，相位序列發(fā)生器產(chǎn)生一個與發(fā)射器選擇的相位序列的反相序列值，乘以對應的接收數(shù)據(jù)，于是便可以獲得未加相位偏轉的原始數(shù)據(jù)；將原始數(shù)據(jù)經(jīng)過星座去映射，便可以獲得數(shù)據(jù)比特流，從而繼續(xù)完成接收數(shù)據(jù)的下續(xù)處理流程。

2 能量仿真研究

由 SLM 發(fā)射機的數(shù)據(jù)處理流程知道接收數(shù)據(jù)流為包含了相位偏轉與輔助信息的原始數(shù)據(jù)流疊加了信道噪聲后的接收信號，而輔助信息發(fā)生器產(chǎn)生與發(fā)射機相同的U種輔助信息序列，將接收信號與這 U種輔助信息序列分別進行相關，通過比較相關器的輸出能量峰值，可以找到發(fā)射機所選擇的確定輔助信息序列。由于接收信號中包含了輔助信息序列值，所以當且僅當進入相關器的輔助信息序列與接收信號中的輔助信息序列完全相同的時候，相關器輸出的能量取得最大峰值；對于其他進入相關器的輔助信息序列，由于與接收信號中包含的輔助信息序列完全正交，其相關器輸出能量表現(xiàn)為隨機噪聲，其值遠遠低于能量峰值。對于疊加在信號中的噪聲與發(fā)生了相位偏轉的原始數(shù)據(jù)來說，其與輔助信息序列的相關性很差，其相關輸出能量仍然表現(xiàn)為噪聲能量，其值遠遠低于相關器能量峰值。如圖 3，其為包含了某中輔助信息的接收數(shù)據(jù)與200個完全正交的輔助信息進行相關后輸出的仿真能量圖（N取值為512），從該仿真圖中可以正確獲得OFDM系統(tǒng)SLM發(fā)射機所選擇的輔助信息序列。

圖3 相關器能量輸出仿真圖（N=512）

3 結語

發(fā)明了一種在多載波的OFDM通信系統(tǒng)中采用SLM方案時輔助信息的發(fā)送和處理的裝置及方法，其創(chuàng)新點在于利用N點相關器進行輔助信息的探察，通過該相關器進行共軛相乘求和后，可以正確判斷對應的相位偏轉值也不影響對輔助信息發(fā)送序列的判斷，而且隨著 IFFT點數(shù)的增加，不會使得整個系統(tǒng)降低PAPR的性能下降。相反，隨著IFFT點數(shù)的增加，輔助信息復數(shù)序列值的長度增加，相關器的長度增大，使得相關器的輸出峰值更加尖銳，從而大大增強了系統(tǒng)對抗干擾的能力，提高了正確接收和判斷輔助信息的能力，從而增加了系統(tǒng)的性能。?

[1] 李萬臣,李佑虎.基于SLM的減小OFDM系統(tǒng)PAPR的改進技術[J].通信技術,2008(12)：122-124.

[2] 胡澤鑫,許柯,朱曉明,等.一種基于混沌序列降低OFDM系統(tǒng)PAPR方法的研究[J].通信技術,2007,40(12)：63-65,71.

[3] 吳法文,胡茂凱,陳西宏,等.優(yōu)化OFDM系統(tǒng)峰均比的PTS改進算法研究[J].通信技術,2009,42(11)：13-15.

[4] BREILING H, MULLER W S H, HUBER J B.SLM Peak-Power Reduction without Explicit Side Information[J]. IEEE Commun. Lett.,2001,5(06)：239-241.

[5] JAYALATH A D S, TELLAMBURA C.Side Information in PAR Reduced SLM-OFDM Signals[C]USA：IEEE,2003：226-230.