一種降低Gb/sE頻段無線通信系統(tǒng)中PAPR的方法

邵國媛

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種降低Gb/sE頻段無線通信系統(tǒng)中PAPR的方法

邵國媛

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

近年來E頻段中超過5 GHz的帶寬允許的數(shù)據(jù)速率可達(dá)幾十Gbps，為提高該類系統(tǒng)功率效率，峰均功率比抑制是其中關(guān)鍵技術(shù)之一。針對現(xiàn)有限幅法的輸出信號過度衰減問題，提出一種峰包絡(luò)平滑方法用來抑制峰均比，該方法由信號平滑后的峰包絡(luò)計(jì)算衰減函數(shù)，將該衰減函數(shù)相稱輸入信號后得到輸出信號。峰包絡(luò)平滑法既不用峰探測也不采用其他措施來滿足衰減函數(shù)的有效性。仿真結(jié)果表明，相比于現(xiàn)有限幅法，該方法解決了現(xiàn)有方法的過度衰減問題。

峰均比；限幅法；峰加窗法；峰包絡(luò)平滑方法

AbstractA considerable progress has been made in recent years in developing high data rate mm-wave wireless links in the E-bands (71～76 GHz and 81～86 GHz).The bandwidth of over 5 GHz in the E-bands allows for multiple Gigabits per second (multi-Gb/s) data rates.One of the key innovations in such system is the novel peak-to-average power ratio (PAPR) reduction to increase power efficiency.After the clipping method of PAPR reduction and the peak windowing method of PAPR reduction are introduced,a wireless communication signal peak-to-average power ratio reduction method named an alternative peak windowing method of PAPR reduction is proposed.The simulation shows the differences between these methods in the performance.

Keywordspeak-to-average power ratio;the clipping method;the peak windowing method;the alternative peak windowing method

0 引言

E波段微波傳輸系統(tǒng)是超大容量點(diǎn)到點(diǎn)的無線傳輸系統(tǒng)，工作在71～76 GHz和81～86 GHz頻段[1]，能夠提供Gb/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，是未來無線回傳網(wǎng)絡(luò)的解決方案[2]。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)是一種無線環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，采用相互正交的多載波傳遞信息，具有高效的頻譜利用率、抗頻率選擇衰落性和適宜高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。因此，OFDM技術(shù)常應(yīng)用于E頻段微波系統(tǒng)。但是，OFDM信號通常呈現(xiàn)大的PAPR[2]，而射頻前端功率放大器(High Power Amplifier，HPA)的功率效率與通信系統(tǒng)發(fā)射信號的峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)有很大關(guān)系[3]。此外，大PAPR的信號還要求系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter，DAC)要有足夠大的動態(tài)范圍以滿足信號大峰值的需要[4]。綜上所述，減小輸入信號的PAPR是提高功率效率、增加通信距離、減小功率開銷、降低E頻段微波傳輸系統(tǒng)成本和復(fù)雜度的有效方法。

有關(guān)資料中提出諸多PAPR降低技術(shù)，這些技術(shù)包括限幅、編碼、相位優(yōu)化和非線性壓縮擴(kuò)展變化等。文獻(xiàn)[5-9]中的PTS和SLM是無失真降低PAPR的算法，并可以有效降低PAPR，但是PTS和SLM算法都需要發(fā)送端發(fā)送邊帶信息給接收機(jī)，以便接收機(jī)能正確解調(diào)接收到的信息。發(fā)送邊帶信息需要占用一定的頻譜資源，因此降低了頻譜效率。文獻(xiàn)[10-11]中的子載波注入法通過擴(kuò)大星座圖的星座點(diǎn)數(shù)目，使原星座圖中的每一個星座點(diǎn)與擴(kuò)展星座圖中的幾個星座點(diǎn)相對應(yīng)，利用增加的星座點(diǎn)自由度來降低發(fā)送信號的PAPR。該方法的缺點(diǎn)是增加了信號的發(fā)送功率，并且最小化發(fā)送信號PAPR的運(yùn)算復(fù)雜度較高。文獻(xiàn)[12-17]中的編碼類方法是一種利用具有檢錯與糾錯能力的編碼方案來降低發(fā)送信號PAPR的方法。這類方法在降低發(fā)送信號PAPR的同時，還可以利用編碼的檢錯與糾錯功能來檢測與糾正系統(tǒng)的傳輸錯誤，其缺點(diǎn)是復(fù)雜度很高，并且會大大降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率。

針對上述降低PAPR方法的缺點(diǎn)，本文提出一種峰包絡(luò)平滑方法，以解決現(xiàn)有方法的算法復(fù)雜度高、頻譜利用率低的問題。

1 限幅技術(shù)

限幅及其修正后的峰加窗方法是降低信號PAPR的最簡單的方法，這些技術(shù)廣泛應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，優(yōu)點(diǎn)如下[18]：① 不需要任何關(guān)于數(shù)據(jù)調(diào)制的邊帶信息或者多余的虛構(gòu)碼或者傳輸子載波；② 不需要重復(fù)計(jì)算，因此與其他技術(shù)相比復(fù)雜度較低；③ 不需要對接收機(jī)的結(jié)構(gòu)做修正，且適用于任意無線通信系統(tǒng)的任何信號波形。

1.1 傳統(tǒng)的限幅技術(shù)

傳統(tǒng)的限幅方法[19]使得輸入信號x(n)的峰值包絡(luò)限制到限幅門限A，但輸入信號x(n)的其他部分不受影響，因此x(n)的PAPR降低。假設(shè)輸入信號為x(n)，設(shè)定限幅門限為A，通常由PAPR相乘輸入信號x(n)的RMS值得到。減小PAPR的傳統(tǒng)限幅方法分為2步：

① 確定衰減函數(shù)c(n)：

(1)

② 計(jì)算限幅后輸出數(shù)字信號y(n)：

y(n)=c(n)x(n)。

(2)

式(1)表明衰減函數(shù)c(n)滿足條件0≤c(n)≤1。

1.2 峰加窗限幅法

峰加窗限幅法[20]的核心是對傳統(tǒng)限幅方法的衰減函數(shù)c(n)進(jìn)行平滑處理。峰值加窗具體步驟如下：

(3)

(4)

(5)

式中，ni-表示第i個峰上升沿的時間指數(shù)，在此處x(ni-)第一次超過限幅門限A；ni+表示第i個峰下降沿的時間指數(shù)，在此處xni+第一次低于限幅門限A；第i個峰的寬度為(ni+-ni-)。

(6)

④ 計(jì)算平滑后的衰減函數(shù)b(n)：

(7)

⑤ 將輸入信號x(n)與平滑后的衰減函數(shù)b(n)相乘，得到輸出信號y(n)：

y(n)=b(n)x(n)。

(8)

為確保輸出信號y(n)的包絡(luò)未超過限幅門限A，經(jīng)過平滑處理的衰減函數(shù)b(n)必須滿足

b(n)≤c(n)。

(9)

其中，窗函數(shù)w(n)定義如下：

(10)

仿真時，設(shè)定窗函數(shù)的寬度L=23。

1.3 性能分析

輸入信號x(n)和經(jīng)過峰窗函數(shù)法的輸出信號y(n)的包絡(luò)以及使用限幅方法得到的衰減函數(shù)c(n)和峰加窗法得到的衰減函數(shù)b(n)的包絡(luò)，如圖1所示。

圖1 限幅方法

1.4 算法改進(jìn)

(11)

圖2 改進(jìn)的峰加窗限幅方法

2 峰包絡(luò)平滑方法

2.1 實(shí)現(xiàn)過程

圖3 峰包絡(luò)平滑方法實(shí)現(xiàn)流程

該方法的具體步驟如下：

① 由輸入信號x(n)的包絡(luò)使用限幅門限A計(jì)算峰包絡(luò)p(n)，即進(jìn)行限幅操作，

(12)

② 使用窗函數(shù)w(n)平滑峰包絡(luò)p(n)，此處平滑是卷積操作：

(13)

式中，L為窗函數(shù)w(n)的寬度，且必須是奇數(shù)，一般取值在10～30之間。另外，平滑處理也可以是式(11)中的“最大包絡(luò)”操作：

(14)

③ 平滑后的峰包絡(luò)s(n)使用限幅門限映射到衰減函數(shù)e(n)，映射如下：

(15)

④ 衰減函數(shù)e(n)應(yīng)用到輸入信號x(n)，以此獲得輸出信號y(n)：

y(n)=e(n)x(n)。

(16)

2.2 性能分析

輸入信號x(n)和經(jīng)過峰包絡(luò)平滑法方法的輸出信號y(n)的包絡(luò)，以及使用限幅法得到的衰減函數(shù)c(n)、峰加窗法得到的衰減函數(shù)b(n)和峰包絡(luò)平滑法得到的衰減函數(shù)e(n)(使用式(14)進(jìn)行平滑處理)如圖4所示。當(dāng)輸入信號x(n)的值低于門限值時，衰減函數(shù)e(n)等于1，因此輸入信號未發(fā)生變化，這便保護(hù)了輸入信號的平均功率。當(dāng)輸入信號x(n)超出限幅門限A時，衰減函數(shù)e(n)會將輸入信號x(n)的峰限制到A。

圖4 峰包絡(luò)平滑方法

對比圖1和圖4可以看出，圖1采用傳統(tǒng)限幅法后，輸入信號x(n)的歸一化幅度由0.61驟降到0.25，而圖4中x(n)的幅度降為0.45，從而可以看出峰包絡(luò)平滑法避免了過度衰減的問題。

峰包絡(luò)平滑方法與前面所述的峰加窗法相比有許多優(yōu)點(diǎn)：① 假設(shè)窗函數(shù)w(n)非負(fù)，平滑后的峰包絡(luò)也非負(fù)，那么衰減函數(shù)e(n)總在0≤e(n)≤1的范圍內(nèi)。與由基于補(bǔ)償衰減函數(shù)的峰加窗法得到的衰減函數(shù)b(n)相比，b(n)有可能是負(fù)數(shù)；② 假設(shè)窗函數(shù)w(n)非負(fù)，由峰包絡(luò)平滑法得到的衰減函數(shù)e(n)總滿足條件e(n)≤c(n)，其中c(n)是由限幅法得到的衰減函數(shù)。如果沒有平滑處理，2個衰減函數(shù)相等，這將確保輸出信號y(n)的包絡(luò)絕不會超出限幅門限A(例如沒有衰減不足)，而峰加窗法可能會出現(xiàn)衰減函數(shù)b(n)>c(n)；③ 峰包絡(luò)平滑法比之前描述的峰加窗法簡單，因?yàn)樗炔挥梅逄綔y也不用采用其他措施來滿足衰減函數(shù)有效的要求。

3 結(jié)束語

本文提出的峰包絡(luò)平滑法與原有算法相比，不需要進(jìn)行峰探測便可有效解決現(xiàn)有算法過度衰減輸入信號的問題，同時，該方法也能保證傳統(tǒng)限幅法的優(yōu)點(diǎn)，即避免了頻譜再生成現(xiàn)象的出現(xiàn)。該方法較低復(fù)雜度和較高性能，能有效解決OFDM在E頻段高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的高功率峰均比問題，所以該方法的提出具有重要的意義。

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TheMethodofPAPRReductionforGb/sE-bandWirelessCommunicationSystem

SHAO Guo-yuan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

TN929

A

1003-3106(2017)11-0045-04

邵國媛女，(1987—)，工程師。主要研究方向：毫米波通信等。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.10

邵國媛.一種降低Gb/s E頻段無線通信系統(tǒng)中PAPR的方法[J].無線電工程,2017,47(11):45-48，62.[SHAO Guoyuan.The Method of PAPR Reduction for Gb/s E-band Wireless Communication System[J].Radio Engineering,2017,47(11)：45-48，62.]

2017-03-17

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2014AA01A701)。