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(duì)現(xiàn)有限幅法的輸出信號(hào)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(hào)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(hào)后得到輸出信號(hào)。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(hào)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(hào)的峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)有很大關(guān)系[3]。此外，大PAPR的信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍以滿足信號(hào)大峰值的需要[4]。綜上所述，減小輸入信號(hào)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(gè)星座點(diǎn)與擴(kuò)展星座圖中的幾個(gè)星座點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，利用增加的星座點(diǎn)自由度來降低發(fā)送信號(hào)的PAPR。該方法的缺點(diǎn)是增加了信號(hào)的發(fā)送功率，并且最小化發(fā)送信號(hào)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(cuò)與糾錯(cuò)能力的編碼方案來降低發(fā)送信號(hào)PAPR的方法。這類方法在降低發(fā)送信號(hào)PAPR的同時(shí)，還可以利用編碼的檢錯(cuò)與糾錯(cuò)功能來檢測與糾正系統(tǒng)的傳輸錯(cuò)誤，其缺點(diǎn)是復(fù)雜度很高，并且會(huì)大大降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率。

針對(duì)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(hào)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(duì)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(hào)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(hào)x(n)的峰值包絡(luò)限制到限幅門限A，但輸入信號(hào)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(hào)為x(n)，設(shè)定限幅門限為A，通常由PAPR相乘輸入信號(hào)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(hào)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(duì)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(gè)峰上升沿的時(shí)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(gè)峰下降沿的時(shí)間指數(shù)，在此處xni+第一次低于限幅門限A；第i個(gè)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(hào)x(n)與平滑后的衰減函數(shù)b(n)相乘，得到輸出信號(hào)y(n)：

y(n)=b(n)x(n)。

(8)

為確保輸出信號(hào)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(shí)，設(shè)定窗函數(shù)的寬度L=23。

1.3 性能分析

輸入信號(hào)x(n)和經(jīng)過峰窗函數(shù)法的輸出信號(hào)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(hào)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(hào)x(n)，以此獲得輸出信號(hào)y(n)：

y(n)=e(n)x(n)。

(16)

2.2 性能分析

輸入信號(hào)x(n)和經(jīng)過峰包絡(luò)平滑法方法的輸出信號(hào)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(hào)x(n)的值低于門限值時(shí)，衰減函數(shù)e(n)等于1，因此輸入信號(hào)未發(fā)生變化，這便保護(hù)了輸入信號(hào)的平均功率。當(dāng)輸入信號(hào)x(n)超出限幅門限A時(shí)，衰減函數(shù)e(n)會(huì)將輸入信號(hào)x(n)的峰限制到A。

圖4 峰包絡(luò)平滑方法

對(duì)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(hào)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(gè)衰減函數(shù)相等，這將確保輸出信號(hào)y(n)的包絡(luò)絕不會(huì)超出限幅門限A(例如沒有衰減不足)，而峰加窗法可能會(huì)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(hào)的問題，同時(shí)，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)。