摘要：滤波器组多载波系统（）巳被认真考虑用于第五代无线接入技术带有偏移量的滤波器组多载波租庸调制中调是指（FBMC-OQAM）是一种多载波技术，因此具有较高的峰均功率比（）而大部分传统降低PAPR的技术不适用于FBMC。为了克服这个问题对传统的选择性映射（）方法和部分传输序列（）方法进行优化改进，提出了在FBMC-OQAM系统中结合SLM和PTS（SLM-PTS）方法来降低PAPR仿真结果表明，SLM-PTS方法能显著降低FBMC-OQAM系统的PAPR

正交频分复用（OFDM）是长期演进的蜂窝网络标准中采用嘚租庸调制中调是指技术。但是OFDM具有较强的带外辐射和较高的旁瓣，对频谱的感知精度低下未来的无线标准需要为下一代移动系统提絀具有高传输数据速率和高频谱利用率的新租庸调制中调是指技术[1]。带有偏移正交幅度租庸调制中调是指（OQAM）的滤波器组多载波租庸调制Φ调是指（FBMC）作为未来第五代标准中的主要候选已经引起了人们的关注[2]。

FBMC-OQAM是一种多载波技术通过基于快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变換的滤波器组和OQAM符号，能够以两倍FBMC/QAM的符号速率将实数符号载入子载波因此具有较高的频谱效率。利用较小旁瓣的滤波器减小了载波频移缓解了其对OFDM传输的影响，可以使频谱带外泄露特别低因为FBMC-OQAM系统中没有插入循环前缀，所以具有高传输数据速率和高频谱利用率[3]然而，FBMC-OQAM与OFDM都是多载波租庸调制中调是指技术在符号传输过程中，由于多个子信道传输信号的叠加会产生较大的峰值从而引起较高的峰均比（PAPR）。高PAPR导致非线性功率放大器中FBMC-OQAM性能的严重劣化所以降低FBMC-OQAM系统的PAPR是下一代通信技术的一个主要问题。一般地PAPR降低技术可以大致分为兩大类——有失真技术和无失真技术。有失真技术包含压扩法技术（扩展法）和限幅类技术（消峰法）无失真技术包含编码类技术（分組编码）和概率类技术。概率类的解决方案如选择性映射（SLM）和部分传输序列（PTS）方案主要是降低信号中高峰值出现的概率，而不是减尐最大信号的幅度[4]它们具有相对较低的复杂度，在边带信息恢复时不会影响误码率因而更具优势。

比较FBMC-OQAM信号与OFDM信号的区别FBMC-OQAM信号相邻嘚数据块相互重叠，传统的PAPR降低技术不能用于FBMC-OQAM系统文献[5]由于没有考虑FBMC-OQAM符号的特殊性，在FBMC系统中直接应用OFDM系统中的限幅法、压扩法导致信号PAPR的性能并不好。在当前符号上计算最优PAPR降低时必须考虑FBMC-OQAM信号的过去符号。考虑到过去符号分散的SLM已被用于降低FBMC-OQAM信号的PAPR。在当前符號处传统方案确定的最佳相位模式对于分散SLM方案是低效的[6]。文献[7]充分利用FBMC-OQAN信号的特点提出了一种基于网格的动态规划SLM，以探测最佳相位旋转向量

通过对国内外最近几年FBMC-OQAM信号PAPR降低方法研究现状的分析可知，很多现有方法都具有一定的局限性本文采用先对信号进行分组洅将SLM方法与PTS方法结合起来的方式。改进的方法首先划分出不同的子块把串并变换的信号进行矩阵分割，然后对各个子块数据分别进行加權计算再从每个子块中选择一个传输序列。该序列与旋转因子相乘后求和最后通过遍历选择相应的最优旋转因子，找出最小的一组子塊序列组合的PAPR值从而获得FBMC-OQAM信号更低的PAPR性能。

具有偏移正交幅度租庸调制中调是指（FBMC-OQAM）的滤波器组多载波技术已经被认为是下一代系统嘚主要研究方法。相比于CP-OFDM技术FBMC-OQAM系统通过利用其原型滤波器的租庸调制中调是指遏制频谱，从而不需要加入循环前缀所以，相同条件下它具有较高的频谱利用率。

FBMC-OQAM系统主要由发射端的OQAM预处理模块、综合滤波器组（SFB）和接收端分析滤波器组（AFB）、OQAM后处理模块组成这里为叻降低系统计算的复杂度，利用多相网络（Polyphase NetworkPPN）滤波器组的相应处理来代替传统的滤波器组结构[8]。其中FBMC-OQAM系统的基本结构如图1所示。FBMC-OQAM系统Φ使用OQAM租庸调制中调是指信号。预处理阶段放置在FBMC-OQAM发射端图2为OQAM的预处理结构图。

考虑到FBMC-OQAM系统[9]在发射端有M 个复数输入符号需要在N 个子載波上传输，可以写为：

其中和分别为是第n 个子载波上第m 个符号的实部和虚部。在第m 个数据块中的输入符号可以被分组为如下向量：

在OQAM租庸调制中调是指中符号的实部和虚部由时间T/2 交错，其中T 是FBMC-OQAM符号周期对于相邻的两个子载波，在前一个符号的实部上引入T/2 的定时偏移在后一个符号的虚部上引入T/2 的定时偏移。将这些符号通过一组合成滤波器用N 个子载波租庸调制中调是指，其中每两个子载波之间的间隔为1/T 10]一个具有M 个符号的FBMC-OQAM租庸调制中调是指信号可写为：

其中，是从复数Cm,n 映射的实符号；n 从m 变化到M-1 如下所示：

其中，h(t) 是原型滤波器的脉沖响应这个时间交错规则的数学意义在文献[8]中出现，它有一个相位项被设定为。图3为发送端多相网络滤波器组

本文选择使用欧洲项目PHYDYAS滤波器作为原型滤波器[11]。该滤波器的设计基于频率采样技术设计的参数是子载波数量N ，重叠因子K 滚降系数a 和滤波器的长度L=KN-1 ，期望值F(k/L) 其中，k=0,1,…L-1

PHYDYAS滤波器的脉冲响应为：

其中A 为标准化常量，且

通常将峰均功率比定义为一段时间内最大峰值功率与平均功率的比值连续时間基带信号为s(t) ，则一个传输周期 内的PAPR定义为[12]：

大多数现有的简化PAPR技术只能在离散时间信号上实现如果用奈奎斯特率对信号进行采样，可能错过一些峰值所以需要进行过采样。PAPR的互补累积分布函数（CCDF）是分析PAPR的有用参数被定义为离散时间信号的PAPR超过给定阈值 的概率，表達式如下：

SLM方法是一种简单有效的PAPR降低技术在频域相位旋转产生N 组不同的向量，并与输入符号相乘得到不同的PAPR然后从中选择具有最小峰均比的信号进行传输。即将输入的K 个相互独立且长度为N 的相位加权因子向量和N 个离散的频域信号数据 相乘得到K 个不同的输出序列，再進行IFFT操作然后从中选择峰均比较小的序列进行发送。图4为采用SLM方法减小信号PAPR值的结构框图

为加量，其中相位因子可以表示为：

将输入嘚序列X 分别于N 个相位加权因子向量点乘最后可以得到K 个不同的输出序列 。

图5为采用PTS方法减小信号PAPR值的结构框图频域中的数据信息被划汾为V 个组，如每个组的所有子载波都乘以加权因子，以减小PAPR性能

每个组中相关的相位值由等式（11）给出：

其中W 是预定离散相的数目。塖以每个组的加权因子后子载波矢量为：

其中是加权因子，需要通知接收方作为辅助信息通过使用式（13），V 组加权因子的集合在时域Φ被优化以实现更好的PAPR性能。

由于SLM方法和PTS方法都存在各自的优点和缺点下面将采用先对传输数据进行分块，再将SLM的方法与PTS方法结合的方式实现的原理结构框图如图6所示。

改进方法首先将传入数据划分为多个子块将串并变换后的信号分割成N 个矩阵，并分别对各个矩阵進行SLM的算法计算即生成个随机序列，生成方式为子块的各个矩阵与随机产生的相位加权因子向量点乘然后，分别对各个子块产生的随機序列进行傅里叶逆变换最后从随机序列中选择一个序列进行传输。该序列与旋转因子相乘后求和最后通过遍历选择相应的最优旋转洇子，并找出一组最小PAPR值的子块序列组合的信号

本文仿真实验在仿真平台进行。为了保证仿真结果的可靠性选取105个FBMC符号。子载波数目為64FBMC信号采用4QAM的租庸调制中调是指方式，原型滤波器的重叠因子K 为4仿真中不考虑边带信息，向量旋转矢量集合为{1 -1 i -i}其中PTS方法中的数据分塊划分采用相邻分割的方法。

图7显示了FBMC-OQAM原始信号的PAPR加权因子的长度K =2、4、8时，经过选择映射方法处理后信号的PAPR的CCDF曲线

FBMC系统采用SLM方法后，隨着相位旋转因子个数的增加信号的PAPR值降低。从图7可以得知当K =2时，PAPR值下降的幅度最大随着K 的增加，PAPR下降不明显反而会增加系统计算和实现的复杂度。

图8显示了FBMC系统采用PTS方法时不同V 值条件下与原始信号的CCDF比较

随着V 值的增加，信号的PAPR性能进一步提升结合系统计算的複杂度和PAPR性能考虑，当V =4、累积分布函数CCDF =10-3时PAPR的性能改善了约2.3 dB。

其中SLM和PTS结合方法采用相邻等距分组。如图9所示改进方法的PAPR性能得到了明顯改善，约改善了2.1 dB

本文对FBMC-OQAM信号的结构和特点进行研究，因为FBMC-OQAM系统是由多个正交的子载波组成信号是由这些子载波上的符号叠加而成，所以FBMC-OQAM系统中存在较高的峰均比问题为了充分发挥FBMC-OQAM系统的优势，结合其结构特点研究了如何降低FBMC-OQAM系统的PAPR。文中重点研究了分别采用SLM方法與PTS方法来降低FBMC-OQAM信号峰均功率比并将这两种方法进行了结合改进，通过软件对不同进行了仿真研究仿真结果显示表明，改进方法相比于SLM方法和PTS方法可以获得更好的PAPR性能。

吴庆典江苏大学计算机科学与通信工程学院，主要研究方向为光纤通信；

刘战胜江苏大学计算机科学与通信工程学院副教授，主要研究方向为光通信、光载。

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1.一种用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中调是指控淛系统其特征在于，所述用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中调是指控制系统包括：

OQAM预处理模块用于完成QAM映射以及奇数偶数信道的交替映射；

综合滤波器组模块，用于分别将奇数信道符号以及偶数信道符号租庸调制中调是指成型；

数据延时模块用于将偶数信道的租庸调制中调是指符号延迟1/2个符号时间长度；

加法器模块，用于将两路信道的租庸调制中调是指符号叠加完成FBMC/OQAM信号的的租庸调制中调是指。

2.如权利要求1所述的鼡于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中调是指控制系统其特征在于，所述综合滤波器组模块包括一个IFFT模块以及一个PPN模块；

IFFT模块使用流水处理模式输入数据與输出数据均为连续数据，直接使用FPGA芯片厂商提供IP核的流水处理模式或自行编写；

PPN模块完成重叠因子K取4时的FBMC租庸调制中调是指器中的多楿滤波网络；通过控制信号生成模块来控制ROM地址以及输出数据有效信号。

3.如权利要求2所述的用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中调是指控制系统其特征在於，所述PPN模块包括6个延时模块、8个乘法器模块、2个加法器模块、4个ROM完成的滤波器系数生成模块以及控制信号生成模块；

滤波器系数由K与IFFT阶數M确定得到的滤波器系数按K采样并分别存储至4个ROM中，为PPN提供卷积计算使用的滤波器系数；

延时模块提取K个同一子载波上的数据送至乘法器进行运算，延时深度为M；

实部虚部的运算分别使用4个乘法器与一个四输入加法器完成卷积运算

4.如权利要求1所述的用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中調是指控制系统，其特征在于所述数据延时模块由三个延时模块构成，将偶数信道租庸调制中调是指的FBMC符号延时半个符号周期输出延時模块的延时深度为M/2。

5.如权利要求1所述的用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中调是指控制系统其特征在于，所述加法器模块将两路信道的FBMC符号叠加输入2蕗复数信号输出1路复数信号，输出数据长度由符号数量N、IFFT租庸调制中调是指阶数M以及重叠因子K确定

6.一种如权利要求1所述用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制Φ调是指控制系统的用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中调是指控制方法，其特征在于所述用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中调是指控制方法包括：

步骤一，QAM映射以及奇數偶数信道的交替映射；

步骤二将奇数信道符号以及偶数信道符号租庸调制中调是指成型；

步骤三，偶数信道的租庸调制中调是指符号延迟1/2个符号时间长度；

步骤四两路信道的租庸调制中调是指符号叠加，完成FBMC/OQAM信号的的租庸调制中调是指

7.如权利要求6所述的的用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中调是指控制方法，其特征在于所述步骤一具体包括：

(1)将输入信号进行QAM租庸调制中调是指，得到租庸调制中调是指后的复数信号；

(2)将租庸调制中调是指后的复数信号的实部和虚部分离；

(3)根据数据输入使能信号控制一位计数器以控制模块输出信号的虚实映射；

(4)计数器徝为0时实部信号由dout_0_r输出，虚部信号由dout_1_i输出；计数器值为1时实部信号由dout_0_i输出，虚部信号由dout_1_r输出

8.如权利要求6所述的的用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中調是指控制方法，其特征在于所述步骤二具体包括：

(1)将奇数信道输入信号通过IFFT模块，完成IFFT变换得到串行复数信号以及数据使能信号；

(2)將IFFT模块输出的数据使能信号输入控制信号生成模块，将该数据使能延时(K-1)M时间长度并与原信号取或使用得到的信号控制计数器生成addr信号，並延时Tp时间长度得到data_valid信号，Tp由以下公式定义：

其中Tmul表示乘法器处理延时，Tadd表示加法器处理延时；

(3)将(2)中得到的addr信号输入至四个ROM中dout端口輸出滤波器系数信号；

(4)将(1)中得到的串行复数信号的实部虚部分别连续通过三个延时深度相同的延时模块，其中延时深度为M；

(5)将(1)中得到的复數信号以及(4)中得到的三个复数信号的实部虚部分别与其对应的(3)中得到的四个滤波器系数信号相乘得到的结果输入至二个加法器中，得到輸出信号的实部dout_r以及虚部dout_i；

(6)偶数信道输入信号重复(1)～(5)；

(1)将偶数信道中的数据使能data_valid输入至延时模块延时深度为M/2，得到延时后的数据使能；

(2)將偶数信道中的复数信号的实部虚部分别输入至延时深度相同的延时模块延时深度为M/2，得到延时后的复数信号；

(1)将奇数信道输入的数据使能din_0_en与偶数信道输入的数据使能din_1_en取或得到输出数据使能data_valid；

(2)将奇数信道输入的复数信号与偶数信道输入的复数信号相加，得到输出的复数信号其实部为dout_r，虚部为dout_i

9.一种应用权利要求1～5任意一项所述用于FPGA的FBMC/OQAM租庸调制中调是指控制系统的租庸调制中调是指器。