[0002] 本申请要求于2014年12月30日提交的、标题为PEAK TO AVERAGE POWER RATIO(PAPR)REDUCTION OF OFDM SIGNALS(降低OFDM信号的峰均功率比(PAPR))的美国临时
专利申请62/098,136权益，本申请的全部内容通过引用而并入本文。
技术领域
[0003] 本公开涉及
信号处理，并且更具体地涉及一种用于降低
正交频分多路复用(OFDM)信号的峰均功率比的系统和方法。
背景技术
[0004] 如在一段时间(或
时间窗口)内所测量的，信号的峰均功率比(PAPR)指峰值瞬时功率与
平均功率的比率。另选地，峰均比还指在一段时间内测量的信号包络的峰值幅度与该信号包络的平均值幅度的比率。通常，峰均功率比表示信号变化的特征。例如，具有高峰均功率比的信号可能包含罕见/偶然峰值、尖峰或过冲。通常，具有高峰均功率比的信号造成处理信号时的低效率。例如，放大具有高峰均比的信号的功率
放大器常常工作在低效率的情况下(例如，消耗更多功率)。相似地，对于将高PAPR
模拟信号转换成数字形式的模数(A/D)转换器，没有有效地利用A/D转换器的全部动态范围。
[0005] 例如，在正交频分多路复用(OFDM)系统中降低PAPR是有利的，因为该OFDM系统改善了发送器效率，该发送器效率是用于将功率保存在
电池操作装置中的重要系统参数。在一个示例常规方法中，能够通过分析给定信号的峰值和降低峰值的绝对值来降低OFDM信号的PAPR。用于实现这个目标的一个选择是：通过将基带包络
限幅至特定
阈值同时维持
相位，其中这个操作被称为软限幅(soft clipping)。这个方法的问题是：经常导致对诸如OFDM信号
质量(例如，可以通过OFDM信号的误差矢量幅度(EVM)和
频谱屏蔽来量化的)的其它期望的系统参数的主要退化(degradation)。在多数的通信标准和系统中，关于信号的EVM和频谱屏蔽(mask)特性存在严格要求，从而仅通过软限幅可实现的PAPR降低量受限。
发明内容
[0006] 本公开涉及一种用于降低正交频分多路复用(OFDM)信号的峰均功率比(PAPR)的系统和方法。在一个示例中，方法包括以下步骤：在第一次处理
迭代期间，利用OFDM信号的误差矢量幅度(EVM)参数和频谱屏蔽参数的给定约束，处理正交频分多路复用(OFDM)信号的输入样本序列，以降低OFDM信号的峰均功率比(PAPR)。该方法的第一次处理迭代包括以下步骤：通过将输入样本序列转换成频域，根据OFDM信号的输入样本序列生成数据仓(bins)值序列。该方法包括以下步骤：将时域中的OFDM信号的输入样本序列中的每个样本的绝对值限幅至第一PAPR阈值，其中第一PAPR阈值被设置在系统目标PAPR阈值之下。这个方法包括将限幅后的输入样本序列从时域转换成频域序列，该频域序列包括频域中的数据仓序列和保护仓(guard bins)序列。该方法包括对频域序列中的保护仓的每个值限幅，并且利用来自生成数据仓序列的值替代数据仓。根据为频谱屏蔽参数设置的频谱屏蔽阈值对保护仓进行限幅。该方法包括将数据仓和限幅后的保护仓从频域转换成后续的时域序列。该方法包括对后续的时域序列执行第一次处理迭代中的至少一个其它迭代，以将OFDM信号的PAPR降低在系统目标PAPR阈值之下。
[0007] 在另一个示例中，方法包括以下步骤：通过将输入样本序列转换成频域，根据正交频分多路复用(OFDM)信号的输入样本序列生成数据仓序列。该方法包括将时域中的OFDM信号的输入样本序列中的每个样本的绝对值限幅至第一PAPR阈值，其中第一PAPR阈值被设置在系统目标PAPR阈值之下。这包括通过将限幅后的输入样本序列的值从输入样本序列的值中减去，确定误差序列。该方法包括通过对输入样本序列中的每个样本限幅并且从限幅后的序列中的每个值中减去误差序列中的每个值乘以常数来确定
修改后的限幅序列。该方法包括以下步骤：将修改后的限幅序列从时域转换成频域序列，该频域序列包括频域中的数据仓序列、试验仓(pilot bins)序列和保护仓序列。该方法包括对频域序列中的保护仓中的每个的值进行限幅，其中根据为频谱屏蔽参数设置的频谱屏蔽阈值乘以常数值对保护仓进行限幅。这包括将数据仓、试验仓和限幅后的保护仓从频域转换成后续的时域序列。
[0008] 在另一个示例中，系统包括接收器，该接收器接收正交频分多路复用信号(OFDM)。系统包括处理器，该处理器处理来自OFDM信号的输入样本序列。系统包括峰均功率比(PAPR)模
块，其由处理器操作以相对于OFDM信号的误差矢量幅度(EVM)参数和频谱屏蔽参数来降低OFDM信号的PAPR。PAPR模块包括可执行处理器指令，该可执行处理器指令配置为通过将输入样本序列转换成频域，根据输入样本序列生成数据仓序列。该指令将时域中的OFDM信号的输入样本序列的每个样本的绝对值限幅至第一PAPR阈值，其中第一PAPR阈值被设置在系统目标PAPR阈值之下，并且初始地被设置在EVM参数和频谱屏蔽参数的阈值限值之上。该指令通过将限幅后的输入样本序列的值从输入样本序列的值中减去，来确定误差序列。该指令通过将输入样本序列中的每个样本限幅，并且从限幅后的序列中的每个值减去误差序列中的每个值乘以常数来确定修改后的限幅序列。该指令将修改后的限幅序列从时域转换成频域序列，该频域序列包括频域中的数据仓序列、试验仓序列和保护仓序列。该指令对频域序列中的保护仓的每个值进行限幅，其中根据为频谱屏蔽参数设置的频谱屏蔽阈值乘以常数值对保护仓进行限幅。该指令将数据仓、试验仓和限幅后的保护仓从频域转换成后续的时域序列。该指令对后续的时域序列执行至少一个其它迭代，以将OFDM信号的PAPR降低在系统目标PAPR阈值之下并且降低在EVM参数和频谱屏蔽参数的阈值限值之下。
附图说明
[0009] 图1例示了峰均功率比(PAPR)降低模块的示例
框图，该模块用于降低正交频分多路复用(OFDM)信号的PAPR并保持OFDM信号质量参数在期望范围内。
[0010] 图2例示了系统的示例框图，该系统采用了峰均功率比(PAPR)降低模块，用于降低正交频分多路复用(OFDM)信号的PAPR并保持OFDM信号质量参数在期望范围内。
[0011] 图3例示了用于降低正交频分多路复用(OFDM)信号的PAPR并保持OFDM信号质量参数在期望范围内的示例方法。
[0012] 图4例示了相对于图3所描述的频谱屏蔽约束的示例。
[0013] 图5例示了能够根据本文描述的PAPR系统和方法处理时域中的示例OFDM信号。
[0014] 图6例示了用于降低正交频分多路复用(OFDM)信号的PAPR，同时保持OFDM信号质量参数在期望范围内的另选的示例方法。
具体实施方式
[0015] 本公开涉及一种用于降低正交频分多路复用(OFDM)信号的峰均功率比(PAPR)的系统和方法。本文公开的PAPR系统和方法降低OFDM信号的PAPR并将OFDM信号的相应误差矢量幅度(EVM)参数和频谱屏蔽参数保持在期望范围内。通信标准经常对EVM和频谱屏蔽以及如何测量这些值限定了严格要求。EVM是针对发送信号质量的测量，并且能够由参考接收器测量。频谱屏蔽是信号在其所限定带宽之外的功率。本文公开的系统和方法包括：在时域中初始处理，之后利用频域中进一步信号处理转换至频域(例如，DFT)以控制EVM和频谱屏蔽，降低PAPR。
[0016] 频域操作可以增大PAPR，该PAPR能够在后续迭代中被进一步降低。然后，能够将频域结果转换回至时域(例如，IDFT)，并且可以通过PAPR降低过程的另一个迭代来运行。尽管时域和频域处理能够在如下方面略有冲突：目标PAPR降低开始可能不被满足并且中间的EVM和频谱屏蔽值可能在期望范围之外，但是重复降低过程一次或更多次迭代能够逐渐地降低高信号峰值的概率并在将EVM和频谱屏蔽保持在期望范围内。之后整个降低的PAPR结果能够被应用于与期望PAPR值对应的最后软限幅操作。与由于EVM和频谱屏蔽约束而导致的非常有限的原始信号的软限幅进行比较，本文中描述的系统和方法能够执行时域和频域中的迭代处理，以产生修改后的降
低信号，其中，接着将修改后的降低信号大幅限幅并仍将EVM和频谱屏蔽保持在期望范围中。
[0017] 图1例示了峰均功率比(PAPR)降低模块100的示例框图，该模块用于降低正交频分多路复用(OFDM)信号的PAPR并将OFDM的信号质量参数保持在期望范围内。本文描述的PAPR模块100和其它模块能够被实现为
电路和/或集成电路的部分。如本文中所使用，术语电路能够包括有源和/或无源元件的集合，例如，该元件执行诸如模拟电路或控制电路的电路功能。术语电路还能够包括集成电路，在集成电路中例如在公共衬底上制造全部电路元件。PAPR模块100包括第一次迭代框110，在第一次迭代框110中，在各种处理迭代过程中将OFDM信号输入的PAPR降低并将诸如误差矢量幅度(EVM)和频谱屏蔽的信号质量参数保持在期望阈值限值内。包括可执行处理器指令的框110包括在120处的初始时域处理，以对OFDM信号执行初始PAPR降低。在初始PAPR降低之后，频域转换124(例如，离散傅里叶变换(DFT))被应用于降低的PAPR信号，其中对在时域中已初始地降低的转换后的信号执行数据仓处理130和保护仓处理。如本文中所使用，术语仓指将来自所接收的OFDM信号的0的数据值和1的数据值映射为表示具有特定载波幅度和相位的数的复数集合的群集符号。
[0018] 通常将130处的数据仓从OFDM信号流中分割出来，其中进一步的频域降低被应用于140处的保护仓。保护仓处理140对EVM参数和频谱屏蔽参数有影响。这种频域处理可以暂时地增大在120处的初始PAPR降低，然而，能够应用进一步处理迭代以迭代地降低PAPR。而且，频域中的每个EVM和频谱屏蔽降低可能初始地处于这些参数的期望阈值限值之外，但是其还能够如本文中所描述的被迭代地降低。分别在130和140处进行数据仓处理和保护仓处理之后，能够将150(例如，离散傅里叶反变换(IDFT))处的时域转换应用至处理后的频域结果。来自时域转换的输出能够通过第N个迭代框160进行处理，其中N是正整数并且第N个指第一个迭代框110的一次或更多次后续迭代。当在160处执行每次迭代时，PAPR能够被降低直到满足目标系统阈值，并且EVM和频谱屏蔽参数在期望阈值限值内。在160处完成第N次迭代之后，在170处能够执行进一步信号处理。这能够包括最终软限幅操作，例如，以进一步降低PAPR。
[0019] PAPR模块100的一般操作包括如本文中所描述的方法，以在一次或更多次处理迭代过程中来降低PAPR。虽然以下将更详细地描述该方法，但是该方法包括在时域中和频域中的各种处理步骤。例如，在120处的时域处理包括降低OFDM信号的PAPR并允许对EVM和频谱屏蔽的潜在降低。这个结果能够通过离散傅里叶变换(DFT)被转换为频域。能够在频域中进一步的处理该信号，在该频域中仓被分为数据仓和保护仓，不同的公式被应用于每个组。数据仓的频域处理的一个方面在于
控制信号质量，该信号质量通常通过EVM参数进行量化。
例如，保护仓(带外部的仓)的频域处理根据给定的阈值来控制频谱屏蔽。在一些情况中，能够处理为试验仓的第三仓组。那些通常用于在OFDM接收器中
跟踪的目的，并且可能倾向于本文中描述的频域处理。在频域处理之后，处理的信号能够通过傅里叶逆变换(IDFT)操作转换回时域。然后，这些结果能够经由第N个迭代框160以相似的方式被再次处理。
[0020] 图2例示了系统200的示例框图，该系统采用了峰均功率比(PAPR)降低模块210，用于降低正交频分多路复用(OFDM)信号的PAPR并将OFDM信号质量参数保持在期望范围内。PAPR模块210如相对于图1如上所描述的来执行迭代处理。系统100的其它方面包括：接收器
220，该接收器220能够向将接收的OFDM信号输出至比特处理级224，该比特处理级224能够经由IDFT框230转换至时域。IDFT框的输出由PAPR模块210迭代地处理，该PAPR模块210在
244处执行软限幅操作之前能够具有将其输出数字处理的240。离散连续转换(D2C)能够发生在250处，其中能够在254处应用模拟处理，且254提供了在260处的
功率放大器驱动级。如图所示，框210、224、230、240和250能够被实现为计算机可执行指令270，该计算机可执行指令270能够通过处理器280(或多个处理器)来执行。
[0021] 鉴于上述结构和功能特征，将参照图3和图6更好的认识示例方法。出于解释的简化目的，尽管按顺序执行示出和描述的方法，但是将理解并认识到，该方法不限于示出的顺序，因为方法的一部分能够以与本文描述和示出的不同的顺序发生和/或同时发生。例如，这种方法能够通过配置在IC或处理器中的各种部件来执行。
[0022] 图3例示了用于降低正交频分多路复用(OFDM)信号的PAPR并将OFDM信号质量参数保持在期望围内的示例方法300。该方法300包括以下步骤：在第一次处理迭代期间，相对于OFDM信号的误差矢量幅度(EVM)参数和频谱屏蔽参数，处理正交频分多路复用(OFDM)信号的输入样本序列，以降低OFDM信号的峰均功率比(PAPR)。在310处，该方法包括通过将输入样本序列转换成频域，根据OFDM信号的输入样本序列生成数据仓的序列。
[0023] 能够通过N个复数样本的序列x1，x2，...，xN表示时域中的OFDM符号。在传输路径中生成时域表示，并且通过媒介将时域表示发送到接收器。为了在310处生成数据仓，对输入序列xn执行DFT操作，以生成频域表示Xn。DFT操作能够通过以下公式表示：其中Xk的K(K＜N)元素携带信息并且被称为数据仓，
而Xn的其他元素不携带信息并且被称为保护仓。
[0024] 数据仓的数目在OFDM标准和系统之间变化。每OFDM符号N的样本的数目由系统设计者来设置，并且应该比数据仓的数目K大。为方便起见，序列Xk能够被重新排序，以便Xn(K＜N)的第一K仓是数据仓，而Xn的其它元素是保护仓。任何其他形式的索引也是有可能的，只要在数据仓和保护仓之间维持清晰分区。如果在信号中包括试验仓，则它们能够被处理为数据仓并且包括在上述提到的K仓中。能够存储数据仓X1，X2，...，Xk，以在稍后的步骤中使用。为了提取数据仓，通常能够在接收器侧中执行上述DFT操作。
[0025] 在320处，方法300包括将时域中的OFDM信号的输入样本序列的每个样本的绝对值限幅至第一PAPR阈值。第一PAPR阈值被设置在系统目标PAPR阈值之下。软限幅被应用于输入序列xn，并且将每个样本应用至表示PAPR阈值的值A。这个是用于时域处理的一个示例，其中A是根据PAPR的系统因素相对于EVM和频谱屏蔽由实现器来选择的实数。例如，值A能够经设置以实现PAPR，PAPR低于目标且产生EVM和频谱屏蔽约束的暂时干扰(violation)。这将在本文描述的下一个操作中被减轻(例如，在仿真中，目标PAPR是4dB，而在这个级中A被设置为3.5dB PAPR)。通过yn和通过SC(.)的软限幅操作表示该级的结果序列，其中yn＝SC(xn，A)(n＝1，2，...，N)。SC操作能够通过以下公式被定义：
[0026]
[0027] 在330处，该方法300包括将限幅后的输入样本序列从时域转换成频域序列，该频域序列包括频域中的数据仓序列和保护仓序列。因此，处理序列yn，并且应用已知的离散傅里叶变换(DFT)。该结果能够被指示为Yn，n＝1，2，...，N。
[0028] 在340处，方法300包括对在频域序列中的保护仓的每个值进行限幅，并且利用来自310的数据仓的原始值替代数据仓。根据针对频谱屏蔽参数设置的频谱屏蔽阈值对保护仓进行限幅。这包括产生新序列Zn：其中
[0029]
[0030] 并且Xn是在方法300的310处被计算和存储的数据仓。项Bn是根据本文中描述的频谱屏蔽约束选择的N-K实数的序列。简单参照图4，示出和利用以提取Bn序列的频谱屏蔽约束的示例。图4描述了沿着
水平轴线以Mhz为单位的
频率相对于沿着竖直轴线的频谱屏蔽dBr阈值。在340处，再次产生在Zn的索引1，2，...，K中的原始数据仓，并且将Zn的其它元素软限幅至Bn。这是参照图1以上所描述的用于频域处理的一个示例。
[0031] 在350处，方法300包括将数据仓和限幅后的保护仓从频域转换成后续的时域序列。这能够包括对在340处生成的序列Zn执行IDFT操作。这个结果能够通过zn(1)指示。所示出的虚线表示从310至350能够对后续的时域序列执行第一次处理迭代中的至少一个其它迭代，以将OFDM信号的PAPR降低在系统目标PAPR阈值之下并且降低在EVM参数和频谱屏蔽参数的阈值限值之下。
[0032] 因此，把zn(1)而非xn用作至320的输入，并且重复步骤320至350。350的新结果能够被指示为zn(2)，以标记这个是第二次迭代的结果。所描述的迭代能够被重复M次，其中第m次迭代的结果为：zn(m)，其被用作至m+1迭代的输入。例如，可以根据可用的处理时间和最终结果的期望质量来设置项M。最后迭代的结果zn(M)能够被用作PAPR降低框的输出，并且馈送至传输路径中的下一个框。软限幅的另一个操作能够被应用于放大器驱动级之前的信号。它能够分别在数字域或模拟域中的D2C之前或之后执行。最后软限幅操作的限幅阈值C是根据期望PAPR而设置的实数。能够通过Rn指示至最后软限幅操作的
输入信号，其中C可以通过以下公式来设置： 其中PAPR是以dB为单位的峰值和RMS之间的期望比率。这个操作有助于在传输路径中将其馈送至最后的框的信号具有期望PAPR值。传输路径中的最后级将信号驱动至传输媒介。经常地，这个级是一种类型的功率放大器，这种类型的功率放大器消耗大量的功率。因此，为了最优化总传输链的效率，最小化至该级的输入的PAPR是有益的。
[0033] 图5例示了能够根据本文描述的PAPR系统和方法能够处理时域中的示例性OFDM信号。信号510表示一系列时域样本。在520处的线表示如上相对于图3描述的软限幅阈值(A)，其能够被应用于信号510以降低PAPR。例如，信号510表示具有N＝256，K＝52的OFDM符号xn。然后，通常应用图3的方法生成如上相对于图3的310的X1，...，X52。然后，设置A＝1，并且生成如在图3的320处所描述的yn。将Bn设置成表示图4中例示的802.11n的频谱屏蔽的值并且如在图3的340处所描述的生成Zn。如上所描述的完成第一次迭代，以得到zn(1)。在这个示例中，例如，继续迭代M＝10次，并且维持中间结果：zn(2)，...zn(9)。
[0034] 图6例示了用于降低正交频分多路复用(OFDM)信号的PAPR并将OFDM信号质量参数保持在期望范围内的另选的示例方法600。在这个方法中，应用信号限幅的更多积极形式，其能够如上相对于图3所描述的降低迭代的次数。在610处，该方法600包括以下步骤：通过将输入样本序列转换成频域，根据正交频分多路复用(OFDM)信号的输入样本序列生成数据仓序列。在620处，方法600包括将时域中的OFDM信号的输入样本序列的每个样本的绝对值限幅至第一PAPR阈值。第一PAPR阈值被设置在系统目标PAPR阈值之下。
[0035] 在630处，方法600包括通过将限幅后的样本输入序列的值从输入样本序列的值中减去，来确定误差序列。在640处，方法600包括通过将输入样本序列中的每个样本限幅并且通过将误差序列中的每个值乘以常数从限幅后的序列的每个值中减去来确定修改后的限幅序列。误差序列能够被定义为en＝xn-SC(xn，A)和yn＝SC(xn)-μen，其中μ是由系统设计者设置的常数。项μ＝0恢复返回至如上相对于图3所描述的基本实施方式中的软限幅，而μ＞0应用更强的限幅，其将位于具有半径A的圆的外部的峰值拉入到该圆中而非拉入到该圆的边缘。如本文中所使用的，圆指代复平面，复平面中圆上的全部点具有相同幅值(r)，并且经由相位沿着圆变化。
[0036] 如上相对于图3的320所描述的软限幅操作在这个圆外部提取每个点，并且将每个点“拉取”至圆的边缘并保持相同的相位。它意味着，具有比r大的幅值的时域中的每个样本将被限幅至r，并且相位将仍然相同。在图6的
加速方法600中，执行降低幅值的相似动作并维持相位，但更强地应用PAPR降低。因此，通过将该幅值设置为r来不将其限幅至圆的边缘，630和640的误差序列处理将这些点的幅值降低至小于r(意味着进入圆中)。
[0037] 在650处，该方法600包括将修改后的限幅序列从时域转换成频域序列，该频域序列包括频域中的数据仓序列、试验仓序列和保护仓序列。在660处，方法600包括对频域序列的保护仓中的每个值进行限幅。保护仓根据针对频谱屏蔽参数而设置的频谱屏蔽阈值乘以常数值进行限幅并且限制数据仓误差。在这个示例中，频域处理包括以下序列：
[0038]
[0039]
[0040] 并且， G和β是由系统设计者选择的实数。在这些设置中，调整数据仓，但是仍允许相对于数据仓的原始值的特定误差，数据仓的原始值取决于参数β(与基本方案相比)。根据目标EVM设置项β。因此，EVM仍保持在期望范围内并限制与频域处理相关联的PAPR的增大。例如，这个操作在围绕IQ域中的每个群集点形成“小正方形”，并且将试验仓置回至该试验仓的原始值。通常，对试验仓基本不允许误差，以减轻接收器侧中的跟踪误差。对于保护仓，在对Bn执行软限幅之前，添加因子G。这能够使得在保护仓中形成一些附加的
能量，同时将频谱屏蔽保持在期望范围内。
[0041]
[0042]
[0043] 在670处，方法600包括将数据仓、试验仓和限幅后的保护仓从频域转换成后续的时域序列。如经由虚线所示，该方法能够包括重复生成每个样本620的绝对值的限幅；在630处确定误差序列；在640处确定限幅后的序列；在650处转换限幅后的序列；在660处对保护仓中的每个的值进行限幅；以及将后续的时域序列上的数据仓转换，以将OFDM信号的PAPR降低至系统目标PAPR阈值之下。
[0044] 以上所描述的这些内容是示例。当然，不可能描述部件或方法的每个可想到的组合，但是本领域中的普通技术人员将认识到许多进一步的组合和排列是可能的。因此，本公开旨在涵盖落入该申请的(包括所附
权利要求)的范围内的所有这种改变、修改和变型。如本文中所使用的，术语“包括(includes/including)”意思是包括但不限于。术语“基于”意思是至少部分基于。此外，在本公开或权利要求中引用“一个”、“第一”或“另一个”元素，或者其等价物时，应该被解释为包括一个或多于一个的这种元素，既不要求也不排除两个或更多个这种元素。
