基于混合载波系统的峰均功率比和带外功率的联合抑制的信号发射和接收方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于混合载波系统的峰均功率比和带外功率的联 合抑制技术。

背景技术

传统的多载波系统，如OFDM系统，极易受到高峰均功率比的影响，而同时OFDM 系统在时域加的是矩形窗，在频域由于sinc函数衰减较慢的特性，会造成很大的带外功率 辐射。所以高峰均功率比和带外辐射都会对OFDM系统的性能产生很大的影响，目前抑 制多载波系统高峰均功率比的方法有很多，如削峰、选择相位和脉冲成型等，抑制多载波 系统带外功率的方法有时域加窗、增加保护间隔和子载波加权等。但是我们可以看到，多 载波系统的峰均功率比是在时域进行研究的，而带外功率谱的观测是在频域进行的，所以 在抑制多载波系统峰均比的同时就会影响系统的带外功率，相反，在抑制带外功率的同时， 系统的峰均功率比就会一定程度上的增加。由此看来，就需要一种峰均功率比和带外功率 的联合抑制方法。

未来的通信体制中我们需要在多个系统的目标度量上进行折中，如高数据率、高覆盖 范围、高可靠性、低复杂度等。混合载波系统在体制上是多载波系统和单载波系统的加权， 它吸取了单载波系统和多载波系统的优点。比如，相比于多载波系统，混合载波系统有着 单载波系统较低的峰均功率比；相比于单载波系统，混合载波系统有着多载波系统较好的 抗多径的性能，所以混合载波系统在性能上集合了多载波系统和单载波系统性能的优点。

文献[1]：2012年Jiang W,Schellmann M.公开的《Suppressing the out-of-band power  radiation in multi-carrier systems》；

文献1对多载波系统的带外功率抑制方法进行了总结，包括加入保护间隔、时域加窗、 子载波加权(见文献2)等。

文献2：2006年I.Cosovic,S.Brandes和and M.Schnell公开的《Subcarrier weighting: A method for sidelobe supression in OFDM systems》；

文献3：2005年Lin Y P,Phoong S M.公开的《Window designs for DFT-based multicarrier  systems》；

文献3提出了一种多载波系统的加窗方法，但是在这种方法在接收端需要进行补偿。

文献4：2007年Slimane S B.公开的《Reducing the peak-to-average power ratio of OFDM  signals through precoding》；

文献4提出了一种频域的预编码技术，即在频域进行成型的这种方式抑制OFDM系 统的高峰均功率比，并提出了频域成型函数的设计准则，给出了一些成型函数的例子。

文献5：2009年Mohapatra S,Das S.公开的《Peak-to-Average Power Reduction(PAPR) by Pulse Shaping Using a Modified Raised Cosine Filters》；

文献5说明利用不同的成型函数在抑制峰均功率比上可以达到不同的效果；

文献6：2014年Fumiyuki.A and Amnart.B公开的《Frequency-Domain based  Single-Carrier Waveform Design through Precoder》；

文献6提出了一种频域数据复制滤波降低系统峰均功率比的思想。

文献7：2013年Mei L,Zhang Q,Sha X公开的《WFRFT Precoding for Narrowband  Interference Suppression in DFT-Based Block Transmission Systems》；

文献7研究了基于混合载波系统的窄带干扰抑制的最优参数选择问题。

发明内容

本发明是为了实现基于混合载波系统的峰均功率比和带外干扰的联合抑制，因此提出 一种基于混合载波系统的峰均功率比和带外功率的联合抑制方法。

基于混合载波系统的峰均功率比和带外功率的联合抑制的信号发射和接收方法，它的 信号发射方法：

步骤一、在分数域，将长度为M的QPSK调制信号X＝(X₁,X₂…X_M)经过-α阶的 加权分数傅里叶变换到频域，并在频域对变换后信号进行频域映射，获得频域数据符号， α为正数；

步骤二、将步骤一获得的频域数据符号进行复制，具体为：

将数据后面的Mβ/2个数据复制到数据前端，把数据前面的Mβ/2个符号复制到数 据后端；参数β为实数；

步骤三、对复制后的信号进行频域成型；

步骤四、将频域成型后的频域数据经过-1阶的WFRFT变换IDFT变换到时域，在时 域进行加CP和加窗的操作，并发射至信道；

它的信号接收方法：

步骤五、从信道接收发射端发射的信号，对信号进行去窗和去CP处理；

步骤六、对去CP的信号经N点的加权分数傅里叶变换频域，并在频域进行去复制操 作，获得去复制的频域数据；

步骤七、将步骤六获得的去复制的频域数据进行频域解映射，获得频域数据符号；

步骤八、将步骤七获得的频域数据符号进行M点α阶加权分数傅里叶变换到分数域， 获得长度为M的QPSK调制信号X＝(X₁,X₂…X_M)，并输出。

步骤三中，对复制后的信号进行频域成型采用以参数β的平方根升余弦函数实现， 该函数的频域表达式为：

$H_f=\left(\begin{array}{cc}1& \left|f\right|\le f_N(1-\beta )\\ 0.5+0.5\cos \frac{\pi }{{2\mathrm{\beta f}}_N}{\left(\right|f|-\frac{f_N(1-\beta )}{2})}^{\frac{1}{2}}& f_N(1-\beta )\le \left|f\right|\le |f_N(1+\beta )\\ 0& \left|f\right|>f_N(1+\beta )\end{array}\right).$

步骤四中，在时域进行加窗的操作采用参数为γ的升余弦滚降窗实现：

所述参数γ的升余弦滚降窗的表达式为：

$w\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}0.5+0.5*\cos (\pi +\frac{\mathrm{\pi t}}{{\mathrm{\gamma T}}_s})& 0\le t\le {\mathrm{\gamma T}}_s\\ 1& {\mathrm{\gamma T}}_s\le t\le T_s\\ 0.5+0.5*\cos \left(\frac{\pi (t-T_s)}{{\mathrm{\gamma T}}_s}\right)& T_s\le t\le (1+\gamma )T_s\end{array}\right)$

式中：T_s为时间周期。

由于时域加窗会产生峰值再生，而频域成型会对带外衰减有影响，同时产生带内失真， 所以对于两种技术的联合应用就是非常必要的。本发明实现了混合载波体制下的基于时域 加窗和频域成型的峰均比和带外功率联合抑制。

附图说明

图1是本发明的信号发射和接收原理示意图；

图2是具体实施方式一中所述的时域加窗模型示意图；

图3是具体实施方式一中所述的不同阶数的升余弦滚降窗示意图；

图4是具体实施方式一中所述的四种情况下的PAPR比较仿真示意图；

图5是具体实施方式一中所述的不同阶数WFRFT下的PAPR比较仿真示意图；其中 曲线51是α取0.8、β取0.5时对应的仿真曲线；曲线52是α取0.8、β取0.2时对应的 仿真曲线；曲线53是α取0.3、β取0.5时对应的仿真曲线；曲线54是α取0.3、不成型 时对应的仿真曲线；曲线55是α取0.8、不成型时对应的仿真曲线；

图6是具体实施方式一中所述的带外功率谱仿真示意图；

图7是具体实施方式一中所述的误码率对比仿真示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，基于混合载波系统的峰均功率比和 带外功率的联合抑制方法，其具体实施步骤如下：

步骤一：在分数域，长度为M的QPSK调制信号X＝(X₁,X₂…X_M)X经过-α阶的 加权分数傅里叶变换到频域，D＝W^-αX，D＝(D₁,D₂…D_M)，在频域首先进行频域映射， 针对不同用户不用的需求分配带宽，利用不同阶数的WFRFT变换，本专利中为方便运算 设用户为单用户；

步骤二：在频域映射之后，对于频域数据符号进行复制，把数据后面的Mβ/2个数 据复制到数据前端，把数据前面的Mβ/2个符号复制到数据后端，频域成型函数需要满 足一定的代数性质，本发明以参数β的平方根升余弦函数为例，其频域表达式为：

$H_f=\left(\begin{array}{cc}1& \left|f\right|\le f_N(1-\beta )\\ 0.5+0.5\cos \frac{\pi }{{2\mathrm{\beta f}}_N}{\left(\right|f|-\frac{f_N(1-\beta )}{2})}^{\frac{1}{2}}& f_N(1-\beta )\le \left|f\right|\le |f_N(1+\beta )\\ 0& \left|f\right|>f_N(1+\beta )\end{array}\right)$

步骤三：把频域数据经过-1阶的WFRFT变换(IDFT)变换到时域，在时域进行加 CP和加窗的操作，窗函数的选取需要满足一定的性质；

本发明以升余弦滚降窗为例，加窗的操作如图2所示，不同阶数γ的窗函数以及参数 γ和pre-fix和post-fix的关系如图3所示，参数γ的升余弦滚降窗表达式如下式所示。

$w\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}0.5+0.5*\cos (\pi +\frac{\mathrm{\pi t}}{{\mathrm{\gamma T}}_s})& 0\le t\le {\mathrm{\gamma T}}_s\\ 1& {\mathrm{\gamma T}}_s\le t\le T_s\\ 0.5+0.5*\cos \left(\frac{\pi (t-T_s)}{{\mathrm{\gamma T}}_s}\right)& T_s\le t\le (1+\gamma )T_s\end{array}\right)$

步骤四：在加窗操作之后，对混合载波系统的峰均功率比和带外功率进行测量，并和 不加成型和加窗操作时的情况进行比较。

步骤五：为考察系统的基本性能，为方便起见。选取的信道模型为AWGN信道。

步骤六：在接收端，对信号的处理过程依次为，去pre-fix和post-fix，去CP，N点 的DFT、去复制、频域解映射和M点的α阶WFRFT操作。

本发明用到的数学工具是离散四项加权分数傅里叶变换(WFRFT)。

对于长度为N的离散信号d，则d的α阶离散四项加权分数傅里叶变换是： F^α[d]＝W^α[d]，其中F^α表示四项加权分数傅里叶变换，W^α是加权矩阵，在不会引起歧 义的情况下，在本发明里，把W^α简记为W，表示为

W＝A₀^αI+A₁^αF+A₂^αΓI+A₃^αΓF

这里A₀^α～A₃^α是加权系数定义如下：

$A_k^{\alpha }=\cos \left(\frac{(\alpha -k)\pi }{4}\right)\cos \left(\frac{2(\alpha -k)\pi }{4}\right)\exp \left(\frac{3(\alpha -k)\mathrm{\pi i}}{4}\right),(k=\mathrm{0,1,2,3})$

I是N×N单位矩阵，F是N×N离散傅里叶变换矩阵。Γ是置换矩阵，它每一行每 一列只有一个元素非零，具体可以表如下：

另外加权分数傅里叶逆变换可以表示为：F^-α[d]＝W^-α[d]，其中W^-α表示W^α的逆 矩阵，可以证明W是一个酉矩阵，则根据酉矩阵的性质，W^-1＝W^H。并且可以证明矩阵 W^α满足变换阶数的可加性，即W^α+β＝W^αW^β。需要指出的是，本发明提及的混合载波 系统是通过WFRFT变换实现的。

以下采用具体的仿真实验说明本发明的效果：

仿真条件为：

子载波数：512

子载波映射方式：QPSK

4-WFRFT变换阶数：0.3，0.8

成型参数：0.2，0.5

加窗参数：0.2

由图4可得，频域成型的操作有助于降低系统的峰均功率比，但是时域加窗操作在抑 制系统的带外功率的同时，会产生峰值再生，系统的PAPR会有回升，所以当二者共同应 用于系统中时，才会达到峰均功率比和带外干扰的共同的抑制作用。

由图5可得，不同阶数的WFRFT和成型系数对混合载波的PAPR也有着较大的影响， 所以在考究混合载波系统的PAPR性能时需要联合地、灵活地选取参数α,β,γ。

由图6可得，时域加窗操作可以对混合载波系统的带外干扰进行有效的抑制，频域成 型操作对带外功率略有抑制，但是会产生带内的失真。当频域成型和时域加窗两种操作共 同进行时，带外功率依然可以得到有效的衰减，只是带内的数据有少量的失真，这些失真 在接收端可以进行一定程度的补偿。

由图7可得，AWGN信道下，时域加窗操作不会影响系统的误码率，但是频域成型 操作对系统的误码率有一定的恶化作用，并且β越大时，即PAPR抑制效果越好时，BER 性能越差。同时，WFRFT阶数对于误码率性能也存在一定的影响。

由图4-图7联合分析可得，在混合载波系统中对于峰均功率比和带外干扰进行联合 抑制时，需要对WFRFT阶数α、成型系数β、加窗系数γ进行合理的联合选取。PAPR 受α,β,γ的控制，带外功率受β,γ的控制，误码率受α,β的控制。

本发明是一种基于混合载波系统的峰均功率比和带外功率的联合抑制方法，具体说就 是一种通过频域成型和时域加窗两种方式在混合载波系统中同时抑制峰均功率比和带外 功率的方法。

本发明与文献1-3的不同之处在于采用的窗函数在接收端不需要进行补偿，在AWGN 信道条件下也可以达到很好的误码率性能，并且文献1-3并没有把混合载波体制考虑在 内。

本发明与文献4-6的不同之处在于提出了一种基于混合载波体制的频域成型技术。

本发明与文献7的不同之处在于在混合载波体制下，提出了一种基于时域加窗和频域 成型的峰均比和带外功率联合抑制技术。

本发明适用于基于4-WFRFT的混合载波无线通信系统的发射端和接收端。也可以应 用于联合其它峰均比和带外功率抑制方法，充分利用混合载波系统的兼容性。