专利名称：通过保留音调实现峰均功率比减小的改造的有效集方法
技术领域：
本发明涉及多栽波通信系统中的峰均功率比(PAR)的减小. 背景抹术
多栽波传输近来在诸如非对称歡字订户线路(ADSL)系统、数字 視頻广播(DVB)、无线局域/城域网(WLAN/WMAN)之类的有线和无 线通倌系统中得到了广泛采用.利用离散多音调调制(DMT)或者正 交頻分多路复用(OFDM)，这些系统以较低的成本实现了针对多路径 袭退和脉冲噪声的更高的抵抗力.不过它们还是会遭受到高峰均功率 比(PAR)问趙的困扰.在不借助賴外的适当处理的愔况下，传输倌 号的高PAR会造成高功率放大器(HPA)工作在其非线性区域，这会 导致频谱增长、頻带外轎射和性能恶化，
从数学的角度讲，对于数字采样x的给定L次过采样OFDM块，PAR 可以写为
4〃丄=4*.『/ /<) -丄￡ AV e"由'肌，* - o丄…，wi 一 i
Xn， n—，l，…，N-l是调制到第n个子栽波上的数振符号，1/NT是 子倌道间隔.EO代表期望值.
音调保留是重要的PAR减小技术之一.它调制不可用或保胬的音 调来产生取决于数振块的峰值消除倌号c，从而输出倌号x + c-IDFT(X+C)的最大械度低于期望的峰值功率电平并且输出侑号的PAR 低于x的PAR.向量X-〖X。，Xh…，Xw]和C' [C。，d，…，Cw〗在给定寸 栽波上不能都是非零的<formula>formula see original document page 6</formula>(2)
其中将多栽波系统中的N个子栽波分成两个子集有效数捶所对 应的子栽波集合U和为减小PAR而经过优化的符号所对应的子栽波集
合ir,音调保留中的关鍵问題是如何用低运算成本产生峰值消除倌号.
有效集方法是公知的且有效的解决线性优化问趙的途径，这种方 法可以直接用于设计最佳峰值消除倌号.
在现有技术中，使用峰值减小内核P。作为用于该算法的PAR减小 倌号的基础，该峰值减小内核是通过将位置n- 0处的脉冲投影到保 留音调的集合中而计算出来的，并且将其缩放成在n-O处具有单位 值.有效集方法可以概述如下
1) 由x。-x开始，设i-l并且令E。为袭大幅度，有效集包含位 置ih处的最大幅度采样.
2) 设p1=pn1,pn1是通过将pa循环移位到m上获得的. 3 )针对x'—1和pi进行峰值测试.
4)按照公式(3)找出最小步长大小〃'并且计算<formula>formula see original document page 6</formula>.将 与^相关的峰值添加到有效集中.
<formula>formula see original document page 6</formula>(3)
5)计算<formula>formula see original document page 6</formula>
6) 如果达到了迭代的最大次数，或者达到了期望的峰值功率电平 W，则停止.
7) 建立矩阵方程(4)并且求出a.
<formula>formula see original document page 6</formula>(4)
其中pn是Po的第n項并且<formula>formula see original document page 6</formula>8 )生成<formula>formula see original document page 7</formula>
9)转到步壤3,
现有技术的方法将有效集中的峰值增大一并且在各次迭代中为这
些峰值计算整个峰值消除倌号，以便得到录佳PAR减小性能.但是实 际上，所需要的不是最大PAR减小，而是将PAR减小到期蟹的范阖或 者将最大幅度减小到低于期望的峰值功率电平.在现有技术的方法 中，在各次迭代中计算整个峰值消除信号和衡量整个输出倌号(大大 增加了延迟和运算成本)是没有必要的，
所期望的是能够实现相当程度的PAR减小而又运算要求较低且最 大延迟非常小的方法.
发明内容
按照本发明，经过改造的有效集PAR减小方法具有低逸算成本和 延迟，相比于PAR减小中应用的现有有效集方法，本发明的方法减小 了运算复杂度和最大延迟.不过本发明的方法还可以应用于其它类似 的优化问趙.在本发明的方法中，仅仅在用迭代方法生成了能够将结 果得到的信号的所有峰值减小得低于期望的峰值电平的袭终峰值消 除倌号或者达到最大迭代次数之后，才通过对原始倌号和峰值消除倌 号进行求和来完成峰值消除。本发明的方法消除了用于将峰值消除成 果累积到每次迭代的各个采样中的高运算成本.在第i次迭代中，该 方法尝试求出能够将结杲得到的信号的i个峰值减小到期望的峰值 电平的中间峰值消除信号.该方法仅仅计算中间峰值消除倌号的采样 并且仅仅在原始信号的峰值电平高于选定阁值的部分位置上进行均 衡测试。本发明的方法的一种实施方式为如下所列
将有效集初始化为仅仅包含要进行PAR减小的倌号的袭大械度采 样的位置.有效集的大小为一.将迭代次数设置为一，
找出械度比低于期望峰值电平的预定幅度电平高并且位里不在有 效集中的所有采样并且将它们的位置存储到测试集中.
计算位置处于有效集中的采样的械度超过期望峰值电平的超出 值.使用这些超出值和由经过循环移位的内核的采样组成的矩阵来求 解均衡向量，由该均衡向量对经过循环移位的内核进行加权，以仗得处于有效集中的位置上的经过峰值洧除的采样的暢度等于期望的蜂 值电平.利用均衡由量和经过循环移位的内核的采样生成处于鰣试集申的 位置上的中间峰值消除倌号的采样.为测试集中的各个位置计算最小标量，这个最小标量对峰值消除 信号进行缩放并且使得处于这个位置上的经过峰值消除的倌号的采 样具有处于有效集中的位置上的经过峰值消除的信号的最大幅度.找 出这些标量和一当中最小的值作为均衡标量.将与该最小值相关联的 位置从测试集移动到有效集中.如果达到了最大迭代次数或者均衡标重等于一，則通过对由均衡 标量与向量的负数积加权的经过循环移位的内核进行求和来计算峰 值消除信号，并且输出峰值消除倌号和原始信号的总和，然后停止，否则，将迭代次数増加一，并且在计算超出值的步樣处继续迭代 进行上述方法，附田说明结合附困麥考下面的优选实施方式的介绍，本发明的前迷和其它 特征和目的以及实现它们的方式将会变得更加显而易见并且本发明本身将会得到最好的理解，其中附困l是用于实现本发明的方法的运算块的框困；和附田2是现有技术的方法和本发明的方法所对应的PAR系积分布 函数(CCDF)的曲线困，具体实施方式
附困1中示出了本发明的方法中使用的通算块的框困100. OFDM 信号是调制到相邻子栽波之间的頻率间隔为1/T的等带宽子信道上 的N个无关的正交幅度调制(QAM)符号的总和，其中T是0FDM符号 的持续时间.如现有技术中所知，针对L个过采样信号的PAR减小能 够减轻在经过处理的倌号通过数字滤波器之后发生的PAR再增长.块 IIO是LN点反离散傅立叶变換，如果LN是二的幂，則由反快速傅立 叶变換代替该反离散傅立叶变換.块110为各个QAM调制的符号块 X-(X。，LXw)计算L个过采样时域原始倌号x. X代表N个复数值符号的块，这个块是通过将输入位流的一部分映射为QAM符号而创建的，X,是X中的第(i + l)个QAM符号并且调制在第(i + l)个子栽 波上，x ( X的L个过采样时域倌号)是要加以峰值消除来进行PAR 减小的倌号.块120是LN点反离散傅立叶变抉，如果LN是二的革， 则由反快速傅立叶变换代替该反离散傅立叶变換.块120为音调保留 集P- {P。， P,，…，Pw}计算L个过采样时域倌号p" P代表音调保留集.Pi是调制在第i个子栽波上的值.如果笫(i + 1 )个子栽波没有得到 保留，则P，O.如果第(i + l)个子栽波得到保留，則P^a， Xi -0.常数a是实常数，它将p。缩放成在n"0处具有单位值，将倌 号P。称为"内核"是闳为峰值消除倌号是由pn的数个加权的和移位 的版本组成的.如果保留音调的集合是闺定的，就是说， P一 { P。， P!，…，Px-,}对于所有块X不变，则块120可以离线执行并且将 内核P。存储在存储器中.块130通过加权和系加p。的M个循环移位 版本来生成峰值消除时域倌号c并且通过将x与c相加来减小结果得 到的信号的PAR.块130包含三种类型的算子循环移位算子132、 乘法器134和加法器136和138.循环移位意思是指数組中的項的換 位，其中最后一个元素变为笫一个元素并且所有其它的元素向后移 位.在块130中，m，n2，…，加代表循环移位运算的数量，这些数重等于经过移位的内核的最大幅度采样的位置， 〃是均衡标重，它将 n!，n2,…，加处的x + c的最大械度与其它位置处的x + c的袭大幅度进行均衡，["i，"2，…，""]是均衡向量，假设A等于一，則该均衡向量 使得x + c的M个由m,n2，…，加定位的峰值等于期望的峰值电平.均 衡标量与向量的负数积是用于加权M个经过循环移位的内核P"'，P"',...， P""的加权向量.本发明的一个关鍵方面将重点放在块130如何找到适当的M值、 移位距离m，ii2，…，n-和使用迭代方式计算均衡标量^和向量["'，"2，…，""]上.假设给出了 L个过采样时域倌号、峰值消除内核 和期望的峰值电平.本发明的方法可以用下列步壤挺括1)由x、x开始，设i"l.令E为最大幅度.令W为期望瓣，佳电 平.有效集A包含位置m处的最大幅度采样.M-l是A的大小.2) 找出除了有效集A中的采样之外的所有械度离于预定电平V的 采样并且将它们的位置放到集合B中.3) 设&'W， l-l，2，…,M，并且按照等式(4)求解均衡向量["'，"2，…， ] 4) 生成c;-21'"'P"^)，《eB， P"^)代表P"'的笫q+l个采样，而"代表第i次迭代中的中间峰值消除倌号的第q+l个采样，5) 按照公式(4)找出最小步长大小〃，将与〃相关联的位置q从 B移动到A中并且M M+1<formula>formula see original document page 10</formula>
(5)6)如杲^"1或者达到了迭代的最大次数，则计算峰值消除c-5iH^)P",和榆出倌号x'一x+c，然后停止. 7) i-i + l转到步壤3,V是离线逸择的，用来均衡性能和复杂度.在原始有效集方法中运 用的所有复杂度降低技术也可以在这种得到改造的方法中采用 在前面的说明中，"位置"意恩是指一个采样在倌号(LN个采样) 中的位里.例如，对于该倌号中的第一个采样，它的"位置"是0， 而笫二个采样的"位罝"是l,集合A和B可以用数組实现.各項存 储一个"位置".利用这些位里，可以寻址该倌号中的采样.本发明的方法可以进一步概括如下1) 将有效集初始化为仅仅包含要进行PAR减小的倌号的袭大橘度 采样的位置.有效集的大小为一，将迭代次数设置为一.2) 找出幅度比低于期望峰值电平的预定幅度电平高并且位置不在 有效集中的所有采样并且将它们的位置存镛到測试集中.3) 计算位置处于有效集中的采样的幅度超过期望峰值电平的超出 值，使用这些超出值和由经过循环移位的内核的采样組成的矩阵来求 解均衡向量，由该均衡向量对经过循环移位的内核进行加权，以使得 处于有效集中的位里上的经过峰值消除的采样的幅度等于期望的峰值电平.4) 利用^W"向量和经过循环移位的内核的采样生成处于测试集中 的位置上的申间峰值消除倌号的采样.5) 为测试集中的备个位置计算最小标量，这个袭小标贵对峰值消 除倌号进行雄放并且使得处于逸个位置上的经过峰值消除的倌号的 采样具有处于有效集中的位里上的经过峰值消除的倌号的最大幅 度.找出这些标量和1当中最小的值作为均衡标量.将与该最小值相 关联的位罝从测试集移动到有效集中.6) 如果逸到了最大迭代次数或者均衡标重等于1，則通过对由均 衡标量与向贵的负数积加权的经过循环移位的内核进行求和来计算 峰值消除信号，并且输出峰值消除倌号和原始倌号的总和，然后停 止，7) 将迭代次数增加一，并且转到步槺3.本发明背景技术中介绍的现有解决方案在各次迭代中计算螯个峰 值消除倌号并且使用它来均衡有效集中的峰值.这样它会把峰值消除 成果累积到每次迭代的各个输出采样中.实际上，袭终的峰值消除倌 号是在迭代过程中产生的所有峰值消除信号的总和.因为在实践中采 样大小非常大，所以需要非常大的运算量才能实现整个倌号.本发明的方法仅仅在找出最终的峰值消除信号的时候才进行峰值 消除.本发明的方法消除了将峰值消除成果系积到每次迭代的各个采 样中所对应的高运算成本.而且本发明的方法仅仅计算中间峰值消除 信号的采样并且仅仅在原始倌号的峰值电平高于预定阈值的部分位 置上进行均衡測试(计算^),通过逸棒适当的网值，这些位置的数 量可能非常小。出于上述原因，与现有解决方案相比，这种新的解决 方案大大降低了运算复杂度。通过为PAR减小引入新的解决方案，达到了下列目的1. 实现了相当程度的PAR减小性能.2. 降低了复杂度.3. 大大减小了最大延迟.在仿真中，用QPSK在256个子信道中的245个子倌道上产生了长 度N-256的复基带OFD旨倌号 剩下的11个子倌遣{5， 25， 54,102， 125， 131, 147，200,204，209,247}就是音调保裙条.应用了等式U]中的八边形暹200710007921.0说明书第8/9页近并且在PAR减小之前对原始信号x、内核倌号pn进行了 L"4的过 采样.最终的PAR是用八个过采样计算的，这一计算结果的精确稞度 足以遲近模拟PAR,袭大迭代次数为四.迭代一直进行到PAR ( L"4 ) 低于9. 5 dB.在新的解决方案中，预定电平V- 0. 128.附困2中示 出了达到四次迭代的现有解决方案和新解决方案的PAR累积分布函 数(CCDF)的结果.为了进行比较，在附困2中还示出了原始信号 210的CCDF。在PAR高于9. 5 dB的情况下，本发明的CCDF 220非常 接近于现有解决方案的CCDF 230。罔为本发明的方法将袭大峰值减 小得刚好低于期望的峰值功率电平，所以在PAR低于9.5 dB的情况 下，本发明的方法的CCDF 220略高于现有技术解决方案的CCDF，这 节省了由本发明的方法插入的峰值消除信号的能量，并且并不影响整 个系统的性能.因为OFDM块所对应的过采样原始倌号x和内核信号p。的大小非常 大，所以现有技术解决方案的复杂度(利用均衡测试中的复杂度降低 方法)是由OFDM块所对应的迭代次数和步樣4及步樣8的运算负荷 决定的.在笫I次迭代中，为了获得峰值消除信号，分别缩放i个经 过移位的信号并且对它们求和.需要i x NL次乘法运算和(i - 1) x NL次加法运算。在M次迭代之后，所处理的内核倌号的总个数为Z》.不过，本发明的方法的复杂度仅仅由0FDM块所对应的步樣6 的运算负荷决定.为了获得最终的峰值消除信号，在步槺6中要对M 个经过移位的内核信号进行缩放和求和.本发明的方法和现有技术解 决方案的M对于各个OFDM块而言是不同的.所以，在表格l中，用 针对一个经过峰值消除的OFDM块处理的内核倌号的平均数重对现有 技术和本发明的解决方案的运算负荷进行了比较.表格l两种解决方案的复杂度比较解决方案每OFDM块所处理的内核信号的平均 数量现有技术1.38本发明1,17现有技术和本发明的解决方案的最大延迟是四次迭代之后的处理 时间.现有解决方案在四次迭代之后缩放和求和io个内核倌号的解决方案在四次迭代之后缩放和求和四个内核倌号.所以本发明的解决方案的最大延迟是现有技术解决方案的最大延迟的40%.前面提到的仿真结果表明，本发明的方法在PAR减小方面同等地执行现有方法.本发明的方法的重要优势在于，运算复杂度和袭大延迟大大得到 减小.换句话说，将运算要求减小到了现有技术方法的运算要求的85 W并且将一个OFDM符号所对应的最大处理延迟减小到了现有技术方 法的最大延迟的40%.本发明的方法是使用MATLAB加以仿真和实现的.本发明的实际实 现方式可以用DSP (用软件)、ASIC (用硬件)或者DSP和ASIC的 組合(例如片上系统)来实现.虽然前面结合具体的存储器体系結构和操作方法介绍了本发明的 原理，但是显然可以理解，前述说明仅仅是为了举例而做出的，并且 并不作为对本发明范闺的限制.尤其是，可以认识到，前述公开内容 的教导将会为相关领域的技术人员提示其它的修改方案.这些修改方 案可以涉及本身已经公知并且可以代替或附加于本文已经介绍的特 征来使用的其它特征.虽然在本申请中将权利要求写成特征的特定組 合，但是应当理解，本文公开内容的范围也包括明确或不明确公开的 任何新颖特征或特征的任何新顆組合或者它们的对相关领域技术人 员而言显而易见的任何推广或修改，不管这些是否涉及与任何权利要 求中目前要求保护的发明相同的方法并且不管是否减轻了任何一个 或全部本发明所面对的相同技术问趙.本申请人据此保留在本申请的 审查期间撰写针对这些特征和/或这些特征的組合的新权利要求或者 任何从中导出的其它申请的权利.
权利要求
1. 一种有效集PAR减小方法，包括将所述有效集初始化为仅仅包含要进行PAR减小的信号的最大幅度采样的位置；找出幅度高于比期望峰值电平低的预定幅度电平并且位置不在有效集中的所有采样，并且将它们的位置存储到测试集中；计算位置处于有效集中的采样的幅度超过期望峰值电平的超出值；使用所述超出值和由经过循环移位的内核的采样组成的矩阵来求解均衡向量，由该均衡向量对经过循环移位的内核进行加权，以使得处于所述有效集中的位置上的经过峰值消除的采样的幅度等于所述期望峰值电平；用所述均衡向量和经过循环移位的内核的采样生成处于所述测试集中的位置上的未经缩放的峰值消除信号的采样；为所述测试集中的各个位置计算最小标量，这个最小标量对峰值消除信号进行缩放并且使得处于这一位置上的经过峰值消除的信号的采样具有处于所述有效集中的位置上的经过峰值消除的信号的最大幅度；找出这些标量与一当中的最小值作为均衡标量；和将与所述最小值相关联的位置从所述测试集中移动到所述有效集中。
2. 按瓶权利要求1所述的方法，此外还包括，如果达到了最大 迭代次数或者均衡标重等于一，則通过对由所迷均衡标量和向贵的负 数积加权的齄过循环移位的内核进行求和来计算所述峰值消除信号 并且输出所迷峰值消除倌号和原始倌号的和.
3. 按照权利要求2所迷的方法，此外还包括， 一旦计算出所述 峰值消除信号，就终止所迷方法.
4. 按撖权利要求1所迷的方法，此外还包括，如果没有达到最 大迭代次数或者均衡标量不等于一，則将迭代次数增加一.
5. 按照权利要求4所迷的方法，此外还包括，在计算所述超出值的步槺处逸代进行所述方法，
6. 按應权利要求1所述的方法，其中所述有效集的初始大小为
7. 按壤权利要求1所述的方法，其中将与所迷方法相关联的迭 代次数最初谈置为一.
8. —种有效集PAR减小方法，包括针对QAM调制的符号块X—X。，L，…，XH)计算过采样时域侑号针对音调保留集p-(p。，p…"，p"计算过采样时域倌号p。；和通过加权和累加M个p。的经过栅环移位的版本生成峰值消除时域 倌号c并且通过将x与c相加来减小结杲得到的信号的PAR,
9. 按瓶权利要求8所述的方法，其中生成峰值消除信号包括循 环移位运算，
10. 按豫权利要求8所迷的方法，其中生成峰值消除倌号包括乘 法运算.
11. 按媒权利要求8所述的方法，其中生成峰值消除信号包括求 和运算.
12. 按照权利要求8所述的方法，其中生成峰值消除倌号包括与 所移位的内核的最大械度采样的位置相等的m,n2，…，加次多次循环 移位运算.
13. 按風权利要求12所述的方法，此外还包括均衡标量p，这 个均衡标量对m，n2，…，加处的x + c的袭大幅度与在其它位置处的x + ( 的最大幅度进行均衡.
14. 按照权利要求13所述的方法，此外还包括均衡向量 [ ,, "2，...， 《M]，用于产生等于期望峰值电平的x + c的由ih，ih， ，nM 定位的M个峰值.
15. 按瓶权利要求14所迷的方法，其中所述均衡标量〃等于一.
16. 按赋权利要求15所述的方法，其中所述均衡标量和向量的 负数积是用于加权M个经过循环移位的内核p , ， p 2 ，…，p 的加权向 量。
17. 按麻权利要求8所迷的方法，其中生成峰值消除时域侑号包 括以迭代方式计算M个峰值的适当值、移位距离m,m,…，加以及均 衡标重和向量.
18. 按應权利要求8所迷的方法，其中X包括N个复数值符号 块，该块是逋过将输入位流的一部分映射成QAM符号来创建的，Xi 是X中的笫(i + l)个符号并且调制在笫(i + l)个子栽波上.
19. 按壤权利要求18所迷的方法，其中，如果笫(i + 1)个子 栽波是保留音调，則Xi为零，否則为QAM符号.
20. 按脒权利要求8所述的方法，其中P包括音调保留集.
21. 按照权利要求20所述的方法，其中，如果笫(i + l)个子 栽波是保留音调，则Pi为非零常数，否則为零.
全文摘要
一种有效集PAR减小方法具有低运算成本和延迟。仅仅在用迭代方法生成了能够将结果得到的信号的所有峰值减小到低于期望的峰值电平的最终峰值消除信号或者达到最大迭代次数之后，才通过对原始信号和峰值消除信号进行求和来完成峰值消除。PAR减小方法消除了用于将峰值消除成果累积到每次迭代的各个采样中的高运算成本。在第i次迭代中，该方法尝试求出能够将结果得到的信号的i个峰值减小到期望的峰值电平的中间峰值消除信号。该方法仅仅计算中间峰值消除信号的采样并且仅仅在原始信号的峰值电平高于选定阈值的部分位置上进行均衡测试。
文档编号H04B7/005GK101237262SQ20071000792
公开日2008年8月6日 申请日期2007年1月30日 优先权日2007年1月30日
发明者S·蒋 申请人:世意法(北京)半导体研发有限责任公司