CN1244323A - 多载波调制系统中峰值对平均值功率比的减小 - Google Patents

Abstract

在多载波传输过程中的一个主要问题包括传输信号的非常高的波形因数。本发明的目的是提供一种方法,由此实现信号峰值的明确预定的减小。这通过产生,除了要传输的信息外,若干可替换的序列,通过确定的,可逆的,明确的表示法来完成。从这些替换中,选择一个合适的序列并传输。接收机能够从所述接收信号中通过所执行的表示法的逆过程再生原始信息。

Description

多载波调制系统中峰值对平均值功率比的减小

本发明涉及一种在数字传输过程中减小传输信号的峰值对平均值功率比的方法和设备。

从根据EP 702 466 A2的现有技术得知多载波传输的系统，由此将要传输的数据流被分割成若干并行的以频分复用传输的子通道。作为峰值电压对平均值电压的比值定义的波峰因数，因而通过使用用于对信息比特编码的第一组四个对称分布的子通道对而被减小，其中第二套所包含的子通道对的每一对所产生的相位矢量垂直于子通道第一组中某一对所产生的相位矢量。但是，这里峰值的减小很不奏效而且幅度太低。

另外，在能进行高速率数据传输的数字电信传输领域中公知一些系统。这方面正变得日益重要的一项技术是通过正交频分复用(OFDM)、离散多音调(DMT)和多载波调制(MCM)的名词而得知的多载波传输。在多载波传输中将要传输的数据流被分割成许多并行的最好以频分复用传输的子通道。可是，除此之外，也可以应用其它复用技术。每种情况中，其特征在于，所能得到的传输媒介可被分解成许多并行的，可以彼此独立使用的，也叫做载波的子通道。更可取的，在各子通道中应用相移键控(PSK)或正交振幅调制(QAM)方法。在开销方面更合适的该原理的实现包括快速傅立叶变换(FFT)的应用。通过加入一个所谓的保护间隔，由此通过部分循环重复、传输媒介的线形失真或分别多径传输，传输符号的一个分组扩展，结果仅是根据每一个子通道的速率和相位独立加权。如果使用微分调制，即，如果信息以两个连续符号的区别表示，那么在接收机中不需要均衡，因为不是绝对信号而仅是相对变化承载信息。

在多载波方法中的一个实质缺点是尽管在进行中等均值传输的情况下会出现非常高的功率峰值。这是由于子通道的独立导致子信号可能相长交迭。功率峰值的一个因数是在信息技术中衡量所使用的发射机放大器起着决定性作用的所谓的波峰因数ζ

因为进行高峰值，因此需要最大值所谓的补偿，结果放大器以非常低的效率工作。另一方面，放大器工作点不能太接近饱和区，因为放大特性明显偏离了理想线形放大。而且，如果传输相位超载，那么放大器的饱和作用导致带外辐射，例如，传输功率扩散到能实现传输的频带以外而且可能干扰目前传输。

通过减小在发射端多载波传输信号波峰因数值，如果预定了将要发射的有效功率，那么可以应用较小的而且因此实际上便宜的功率放大器。多载波传输方法因此将变得更有吸引力。

而且，现有技术公开了减小多载波传输信号的波峰因数的进一步的尝试。

“移动通信”ITG技术报告136，由M.Pauli和H.-P.Kuchenbecker撰写的论文《在多载波方法中由非线形引起的带外辐射的减小》，介绍了一种方法，由此通过对传输信号的后续处理增加峰值幅度。为了这个目的，在第一步中搜索所述峰值幅度，并且在该峰值幅度的情况下，在第二步中传输信号的幅度以一种“软”方式(平均值功率的逐渐减小和随后降为原始值)减小，结果没有超过想要得到的峰值功率。因为这一般包括不可逆的过程，所以在接收机中信息不再能以一种理想的方式恢复而导致较高的错误率。尤其是，甚至在一个无干扰信道中也不能产生无错传输。

而且，所知道的大量的其它尝试(1994年12月，电子书信，由A.Jones、T.Wilkinson和S.Barton撰写的《降低多载波传输方案的峰值对平均包络值功率比的分组编码方案》或1996年2月，电子书信，由D.Wulich撰写的《使用循环编码多载波调制的峰值对均值比的减小》)，从中可以推断，主要通过使用各载波，不是为了数据传输的目的，而是为了影响传输信号过程，对信号引入冗余度。经常应用专门设计的分组码以表示最受欢迎的冗余度符号。部分地尝试同时使用所述码以纠正错误。这些方法中的一个主要缺点是它们大部分仅适用于非常小数量的在实际应用中无任何利益的载波。而且，所述方法受到在子通道中的二进制或可能四进制相移键控(PSK)的限制。因为信号或载波占用的星座的每一个变化，因而，需要采用一个引入冗余度的策略，这导致了非常不灵活的方法。

从现有技术(1996年4月，电子书信，由M.Fiese撰写的《低峰值对平均值功率比的多载波调制》)得知的另一个方法使用迭代过程以确定冗余参数。但是，为得到有着很低峰值的信号，过多的次数的傅立叶变换是必要的。除了大量的数字开销，最重要的是需要大的冗余度(达到50％)是主要的关键问题。实际上所有前面提出的提供解决方案的尝试的最主要的缺点是经常仅避免了那些几乎不可能出现，并且因此无论如何应该在实际操作中忽视的峰值幅度。但是，实际上目的是将所有信号峰值减小到可承受的程度。而且，已知方法信息已经非常适应于所使用的符号字母，到信号点的具体分配或载波数量，这些使其极端不灵活。

本发明的目的是提供一种数字传输过程的方法和设备，尤其是通过多载波调制，由此实现传输信号波峰因数的可识别的减小。本发明的目的尤其是提供一种设备和方法，由此以最小的附加冗余度获得波峰因数的最大减小，结果可靠而又明显地减小了峰值，而不受在多载波调制过程中所使用的载波的数量的限制，这种降低很大程度上不受在各载波中所应用的调制过程的约束，而且不受数据到信号点的具体分配的约束，并且可以在发射机和接收机中以合理多的开销执行。

根据本发明，该目的由专利权利要求1和专利权利要求17的所述的教导提供。

根据专利权利要求1将要传输的信息由预先设定数目的确定而且可逆的明确的表示法功能修改，由此除了原始信息序列，在发射机中产生等同于信息的替代性序列。在对等同信息序列调制之后，从等同于信息的传输信号中选出供实际传输的传输信号，考虑到所出现的最大信号幅度该传输信号更合适。根据目前所应用的确定的表示法，原始信息可以再生。

因此，根据本发明的方法允许以有益的方式在多载波调制中信号峰值的明显减小，并且因而允许使用有可比带外辐射但明显小得多的补偿的发射放大器。在发射端所应用的功率成分因此变得不那么昂贵，而且可以在一个工作点更有效地操作，尤其在移动通信应用中，这对没有中间交流电源的设备的操作时间有着积极的作用。

而且，该方法在发射机和接收机中以合理高的开销工作，因为经常来讲少数可替换的信息序列就已经可以完成峰值的足够高的减小。本发明在所有实施例中工作，不受各载波、所使用的信号字母、具体分配或所使用的载波数量的具体基础调制过程的约束。

从从属权利要求中可以推断更有益的进步。

本方法的一个特别有益的进步包括在具体情况中对发射信号序列所进行的表示法规则以适当方式通过额外的附带信息传送给接收机。

可替换地，由接收机本身通过适当措施可以再生表示法规则。

更有益的是，仅有一小部分附加冗余度引入到信号中。通过所出现信号值动态范围的减小，在发射机中的数/模转换和接收机中的模/数转换的成分在该解决方案中也可以减少，也导致设备费用的节省。

下面根据附图和实施例详细解释本发明：

图1表示在多载波方法中减小峰值问题的本发明设备的模型。

图2表示V＝3的子分组上的载波分割的模型。

图3表示在多载波方法中限制峰值问题的本发明设备的模型。

图4表示V＝3在频率方向上微分调制的子分组上的载波有益分割的范例。

在解释的实施例中，应用了不同的方法产生等同于信息的信息。

下面通过图1和第一实施例详细解释本发明。

多载波传输方法通常通过表示信息NR的分组而有效地实现，该信息NR通过包括载波值A_μ，ν，ν＝0，...，N-1长度为N的分组(矢量)A_μ上所谓映射MB提供给调制器。所述映射包括信息NR的串/并转换和信息NR的表示。各个载波值，即，信号点，从离散信号字母表A中选择以作为将要传输的各个信息的功能。一般来说，信号点是复数。成为包括下面由载波星座(constellation)A_μ指定的载波值的所述分组一部分的一个传输序列a_μ，ρ其中ρ＝0，...，N-1，由A_μ的离散傅立叶逆变换IDFT得到。复数a_μ，ρ的传输序列易于结合形成矢量a_μ。但是，另外，可以应用任何其它种类的变换，例如，Walsh-Hadamard变换、离散余弦变换或Karhunen-Loeve变换。其中部分也是普通PAM传输的传输脉冲整形，N＝1所产生的单载波过程：时间离散信号到时间连续发射信号的变换。所提到的变换和脉冲整形的结合也是可能的。

根据图1本发明方法的第一有益实施例中，预先在发射机和接收机之间约定U个矢量P^u＝P^u ₀，P^u ₁，...，P^u _N-1，u＝1，它们彼此互不相同，包括复数P_ν ^(u)而且|P_ν ^(u)|＝常数，v＝0，...，N-1。可替换地，所述矢量也可以根据同样不变的预定规则在发射机和接收机中运算产生。而且可以规定每个修改矢量P^(u)使之在一个分组的情况不同于相邻的分组。接着在发射端乘积A_μ，νP_ν ^(u)形成元件状，而且通过所使用的变换IDFT根据由此形成的分组计算有关时间信号。从所述U个可能中通过使用估计装置SM，最终选择一个合适的传输信号a_μ用于实际传输。根据目前所使用的矢量P^(u)，信息矢量A_μ和因此那里所包含的信息，可以通过除以P^(u)在接收端得到恢复。

另外，(如虚线所显示的)微分调制DM可以应用于乘积A_μ，νP_ν ^(u)，结果是不需要估计所使用的传输信道。

从组

P_ν ^u∈{±1，±j}

其中绝对值|P_ν ^(u)|＝1，选择P_ν ^(u)，例如，证明是有益的。与复数相乘导致相位旋转，而通过这种绝对值的选择使幅度保持不变。

本发明一个可能的进步包括将作为发射信号本身的附带信息的修改矢量P^(u)的数目u传送给接收机。这是可能的，例如，通过保留不载有任何有用信息的各载波A_μ，ν。

第二个进步是，P^(u)的数目不是明确地传送给接收机，而是接收机自身为修改的逆过程而再生实际所使用的P^(u)的数目。在这方面，总之提出的用于纠错的编码也必须应用于这项任务。为此目的，U个解码器估计矢量A_μ，由此每个所述的U解码器假设一个可能的矢量P^(u)。最后该估计值用于更进一步的处理，该值表示最大的可能性。

在未知信道或随时间变化的信道的情况下，正如使用(例如)在移动通信中，信息在信号中最好不是绝对形式，而是以微分形式表示，即，以连续符号A_μ，ν的修改表示。这仅需要在发射端乘以P^(u)后积分(加法)，因为A_μ，νP^(u)现在成为增量。在接收端，在可能提供的解码器之前和修改的逆过程之前，该步骤通过微分取消。

下面通过图2和图3解释另一个实施例。

本发明的另一个有益修改是它可以有利地用于线形信号变换。信息NR，正如前面实施例所解释的那样，由所谓映射MP表示。在所述实施例中，出现在各自多载波调制方法中所占有的载波A_μ分割成V个子分组，其中每一个从载波值的各自总数A_μ中用相应幅度值成对地占有不相交的载波位置，由此在各自子分组A_μ ^(ν)中以这种方式所采用的载波位置的总数是任意的。其它子分组所容纳的分别看待的子分组的所有载波位置都由零占据。各载波分割成各自的分组也是任意的。图2描述了一种可能的分割。分割后A_μ的每个载波位置正好在一个子分组A_μ ^(ν)中表示。

因而得到的载波的子分组A_μ ^(ν)以所谓的部分传输序列a_μ ^(ν)通过V次线形变换IDFT(由相应硬件并行放置)各自传输。以所述序列为基础，通过适合此目的的过程，在峰值最优化SO中，可以进行部分传输序列的目标为最优化的结合，由此仅需决定复数信号的旋转(旋转扩展)的少量参数b_ν′，其中b_ν′＝常数·e^jΦν，Φ_ν∈[0，2π]，它对传输信号的影响可以直接从中问结果a_μ ^(ν)中推断。有着最优因数的最优化的理想结果是 $({\hat{b}}_1,...,{\hat{b}}_{\mathrm{\ν}})=\underset{(b,...,b)}{\arg \min }\left(\underset{\mathrm{\ρ}-0,...N-1}{\max }\underset{\mathrm{\ν}=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}\right|b_{\mathrm{\ν}}{a}_{\mathrm{\μ}.\mathrm{\ρ}}^{\left(\mathrm{\ν}\right)}\left|\right)$ ，|b_ν|＝常数，ν＝1，…，V

                                                (1)传输信号序列， $a_{\mathrm{\μ}}=\underset{\mathrm{\ν}=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{b}}_{\mathrm{\ν}}{a_{\mathrm{\μ}}}^{\left(\mathrm{\ν}\right)}-----\left(2\right)$

在所有可替换的传输序列中它有最低的峰值。

但是，根据本发明，其它传输序列

也可以产生并传输，它们也有对应用来说足够小的波峰因数。

根据本实施例发明过程按如下所述应用。例如，可以设置b₁＝1，这意味着已形成子分组的一个永不旋转地传输。所述分组可以包括因各种原因以个别的固定相位位置传输的载波，例如用于信道估计的导频载波。在相干或时间方向上的微分相干解调的情况下，所述载波也可以，例如，传输这方面所需的附带信息．因此，只要V-1个相位位置通过最优化决定并且发送给接收机。

例如，附带信息可以随着一个不旋转的子分组中修改的多载波信号直接传输。因而所述信息可以由一个有效码保护和/或信息可以在为了以低级并因此有效的调制的目的而专门保留的载波上传输。可以通过频率域随机传播的不旋转的各载波的附带信息，因此可以不需要任何其它知识就能安全得到，并且立即用于潜在旋转的子分组的解调。

为了不允许附带信息传输所需字节数不必要的增加，分组可能的旋转角度的数目不应该太大。出于简易的原因，当执行解决方案的尝试时，它可以受到四个因数b_ν∈{±1，±j}的限制，由此每个多载波信号序列要传输2(V-1)比特的附带信息。而且，当结合部分传输信号以形成最后传输信号时，关于执行的开销真实的乘法不再出现。此目的所需的操作于是可以通过改变实部和虚部还有加法和减法而很容易地执行。

对四个可能因数的限制使峰值足够好的减小成为可能，并且可能性的进一步增加不产生额外的增加以使开销合理。这里(次)最优化由 $({\hat{b}}_1,...,{\hat{b}}_{\mathrm{\ν}})=\underset{(b,...,b)}{\arg \min }\left(\underset{\mathrm{\ρ}=0,...N-1}{\max }\underset{\mathrm{\ν}=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}\right|b_{\mathrm{\ν}}{a}_{\mathrm{\μ},\mathrm{\ρ}}^{\left(\mathrm{\ν}\right)}\left|\right),b_{\mathrm{\ν}}\∈\{\±1,\±j\},\mathrm{\ν}=1,...,V\left(3\right)$

决定。

在根据本实施例的设备中，例如，可以实现专门调整的变换算法(例如IDFT)，它利用在要变换的载波子分组A_μ ^(ν)中输入值的主要部分是零，由此在本发明方法尤其有适当的子分组分割中通过乘法变换增加的开销重新降低了。

本发明非常优选的实施例包括要传输的信息每个以分组方式微分调制。这意味着例如在频率方向上每个分组自身载波与载波之间微分调制。为此目的，原则上可以使用信号符号字母，它们可以微分调制，例如M-DPSK(M元微分相移键控)或M-DAPSK(M元微分幅度和相移键控)，处理以得到更高的频谱效率。在该方案中就不再需要明确附带信息的传输了。只不过分组分割必须详细说明而且发射机和接收机都必须知道。

关于频率方向的微分调制，不同的分组分割是可能的，考虑到目前信道它允许可靠的数字传输。如图4所示V＝3，例如各载波可以以梳状方式参与。为了最小的冗余度本方法的本实施例中的分组分割也可以选择使邻近的，没有间隔的载波结合在一个子分组里。因此，V个分组的每一个仅有一个冗余参考载波，它开始作为固定点没有调制，并且因此可以解释成信号整形冗余度。

正如想得到的，子载波中分别引入的信息通过子分组中所有各载波的共同旋转保持不变，并且因此在接收机中成子分组的解调而不需要任何附带信息。

由于开销的不对称性，专用于这种方式方法可以理想地应用于广播应用，因为接收机几乎精确地响应于关于它们的复杂性有着未处理发射信号的接收机，并且因而通过降低动力的措施没变得更昂贵。

Claims (17)

1.数字传输过程中减小波形因数的方法，其中数字信息在发射端由确定的和可逆的明确的表示法规则修改，由此产生可替换的、等同于信息的序列，从中选择关于有关传输信号峰值有利的一个序列，该序列用于传输。

2.如权利要求1所述的方法，其中要传输的信号从原始信息信号中通过变换产生。

3.如权利要求2所述的方法，其中变换产生一个多载波传输过程。

4.如权利要求2所述的方法，其中变换从一个时间离散信号产生一个有效利用频带、时间连续信号。

5.如权利要求1、3或4所述的方法，其中可替换的、等同于信息的序列由载波值A_μ，ν，μ＝0，...，N-1乘以任选的值P_ν ^(u)，u＝1，…，U形成。

6.如权利要求5所述的方法，其中值P_ν ^(u)在发射机和接收机之间严格规定。

7.如权利要求6所述的方法，其中值P_ν ^(u)由它们自己，每个根据在发射机和接收机中相同预置的规则分别决定。

8.如权利要求5、6或7所述的方法，其中P_ν ^(u)是一个复数，它的绝对值|P_ν ^(u)|等于1。

9.如权利要求5到8的任何一个所述的方法，其中数目为u的值P_ν ^(u)作为附带信息传输给接收机。

10.如权利要求5到9的任何一个所述的方法，其中接收机从接收序列中得到数目为u的值P_ν ^(u)。

11.如权利要求5到10的任何一个所述的方法，其中信息在信号中微分表示，并且修改的载波A_μ，νP^(u)因此每个成为信息增量，从中通过积分获得最终要传输的信息序列。

12.如权利要求1到4的任何一个所述的方法，其中载波分组A_μ分割成V个子分组A_μ ^(ν)ν＝1，它们分别转换成部分传输序列，这些序列最后以一种最优化方式通过任意因数b₁，...，b_ν结合形成等同于信息的传输序列。

13.如权利要求12所述的方法，其中值b₁，...，b_ν是一个复数，它的绝对值|b₁|＝...＝|b_ν|＝1。

14.如权利要求12或13所述的方法，其中子分组的因数b₁，...，b_ν作为附带信息以一种适当的表示法传送给接收机。

15.如权利要求12或13所述的方法，其中接收机的因数b₁，...，b_ν只从接收频率中得到。

16.如权利要求12或13所述的方法，其中信息在频率方向上以微分形式而不是以绝对形式在信号中表示，并且为此目的以适当的方式选择子分组的分割。

17.在数字传输过程中减小波形因数的设备，其特征为

在载波值(A_μ)上表示数字信息(NR)的表示法设备(MP)，

用任意符合条件的值(P_ν ^(u))乘以载波值(A_μ)的装置，

将载波值变换成可替换的等同于信息的序列的装置(IDFT)，和

选择在峰值合适的用于传输的序列的装置。

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