CN101447966A - 一种自适应调整门限的峰平比控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应调整门限的峰平比控制方法，包括门限设置、门限调整、自适应压缩等步骤。本发明利用了一种自适应的门限设置方法，可以根据实际对EVM和PAPR的需要，设定不同的峰值门限。当需要较低EVM的时候，可以把峰值门限调高；而如果对EVM的要求不高，但需要较低的PAPR的时候，又可以把峰值门限降低。同时，本发明还可以自适应地调整峰值门限的大小。该方法可以保证在EVM满足要求的情况下，尽可能地降低信号的峰平比。本发明在对信号进行压缩的过程中，既考虑了当前输入信号的影响，也考虑了其周围值的影响，从而可以保证每个样点的峰平比都得到较好的控制。该方法对PAPR的降低效果明显，适用于PAPR和EVM同时有要求的系统，如WCDMA系统。

Description

一种自适应调整门限的峰平比控制方法

技术领域

一种自适应调整门限的峰平比控制方法，属于无线通信技术领域，特别涉及信号的峰平比降低技术。

背景技术

WCDMA(Wideband CDMA)技术作为3G(3^rd Generation，第三代移动通信)的主流标准之一，它是从码分多址演变而来的。WCDMA系统在实际中已经得到了应用，但是它的发射端进行了多路信号的叠加，将不可避免地遇到峰平比(PAPR)的问题。

具体地讲，峰平功率比(PAPR，Peak-to-Average Power Ratio)是指信号包络的峰值功率与信号包络的平均功率之比。其数学表达式为：

$\mathrm{PAPR}=10.\log \left(\frac{\max \left|x{\left(t\right)}^2\right|}{E\left\{\left|x{\left(t\right)}^2\right|\right\}}\right)\left(\mathrm{dB}\right)---1$

其中，x(t)为时域信号，max(^*)表示求最大值，E[^*]表示求数学期望。

如果峰平比过大，就要求功率放大器具有很大的线性。否则，当信号峰值进入放大器的非线性区域时，就会使信号产生畸变。为了避免这种情况，功率放大器应工作在大功率补偿状态下。然而，这又将导致非常低的放大功率并使发射机的成本变得非常昂贵。另一方面，WCDMA在移动通信中应用时，由于移动终端的能量很有限，从而要求高效的功率放大。因此，必须采用一定的技术来降低信号的峰平功率比，使发射机中的功率放大器高效工作，并提高系统的整体性能。

目前，降低多载波信号峰平比一般有如下几种方法：直接限幅、设计扩频码、改变子载波的初始相位、迭加带外人为信号等。

直接限幅法是一种简单且较易实现的方法，它的基本原理是预定限幅门限，对信号包络超过门限的部分直接消除：

$\hat{s}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}s\left(t\right),& (\left|s\left(t\right)\right|\≤T_h)\\ T_h\exp (j\∠s\left(t\right)),& (\left|s\left(t\right)\right|>T_h)\end{array}\right.---2$

其中，|s(t)|表示信号的幅度，∠s(t)表示信号的相位，T_h表示限幅门限。即在输入信号幅度小于门限时，信号直接传输；在输入信号幅度大于门限时，保持信号相位不变，但将幅度限制在门限T_h。限幅法的复杂度小，冗余度低，可以有效地降低信号峰平比。但它是一个非线性过程，容易造成带内噪声和带外干扰，造成很大的EVM，影响相邻信道，进而会影响到系统容量。

EVM(Error Vector Magnitude)是一个用来衡量误差的参数，表示测量的信号与原参考信号对应的星座点上的偏移量。在3GPP标准中，它被定义为：

$\mathrm{EVM}=\sqrt{\frac{\underset{\mathrm{\γ}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|Z\′\left(\mathrm{\γ}\right)-R\′\left(\mathrm{\γ}\right)|}^2}{\underset{\mathrm{\γ}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|R\′\left(\mathrm{\γ}\right)|}^2}}---3$

Z′(γ)和R′(γ)分别表示测量的信号和参考信号，N表示子载波的数目。

对于现有的系统而言，重新设计扩频码会带来一系列问题；改变子载波信号的初始相位，可操作性不强，实现起来比较困难；叠加带外人为信号，可以降低多载波信号峰平比，但在实际系统中需要花费比较高的代价在射频端设计滤波器来滤除带外信号。总的说来，除了限幅法外，其它方法实现起来都很困难，需要耗费大量的资源，有些甚至还需要改变接收机的结构。

发明内容

针对传统的限幅降低峰平比方法不能很好地在PAPR和EVM之间进行折衷的问题，本发明提出一种根据不同PAPR和EVM要求的情况，自适应地调整门限的方法，以达到改善PAPR的同时，又兼顾了对EVM的要求。如图2所示，本发明提供的一种自适应调整门限的峰平比控制方法，它包括以下步骤：

步骤1：设置初始的峰值门限T_H：根据系统设计时提出的EVM及PAPR指标大小设置EVM及PAPR指标所对应的初始门限(系统设计时的指标可以从计算机仿真筛选得到)；

步骤2：将待处理的信号(需要进行峰值处理的信号)I_n′分成两路，然后对其中一路进行滤波得到滤波后的信号O_ut，对另一路进行延时，得到延时后的信号I_n；

步骤3：用公式4计算压缩比例b：

$b=\frac{T_H+\left|I_n\right|-\left|O_{\mathrm{ut}}\right|}{\left|I_n\right|}---4$

公式4中，T_H是步骤1中所设置的初始峰值门限，I_n是步骤2中延时后的信号，而O_ut则是步骤2中滤波后的信号；

步骤4：判断步骤3得到的压缩比例b是否在EVM确定压缩比例的范围内。如果是，则转入步骤5；否则，对初始设置的峰值门限T_H作自适应调整后返回到步骤3；

步骤5：如果滤波输出的信号模值|O_ut|大于峰值门限T_H，则进入步骤6；如果滤波后信号O_ut的模值|O_ut|小于或等于峰值门限T_H，则直接输出，并结束处理；

步骤6：优化滤波器各系数对峰值的影响，再次计算压缩比例b′；

步骤7：对信号I_n乘上压缩比例b′作为输出信号。

需要说明的是：

步骤6中提到的滤波器各系数对峰值的影响，是指输入信号进入成型滤波器后，得到的峰值信号的大小。具体地讲，成型滤波器内部存在一种线性结构，也就是说它有一组的滤波器系数，每当信号进入成型滤波器后，它会与其相对应的滤波器系数相乘，然后再对每一组乘积相加，从而得到了当前输入对应的输出信号。

本发明的有益效果：

通过对比传统的峰平比控制方法，本发明的优势体现在：

1、PAPR降低效果明显。自适应调整门限的方法进行了两次压缩比例的计算，第一个压缩比例作为自适应门限调整的依据，第二个压缩比例作为信号压缩的因子。而且对于每个不同的符号，压缩的比例也不同，这不但保证了总体PAPR得到很好的抑制，还保证了每个符号的PAPR不会超出既定的范围。

2、通过自适应地调整峰值门限，可以保证EVM满足实际的需要，因此适用于对PAPR和EVM同时有要求的情况。

3、系统的误码率性能好。因为本发明在控制峰平比的情况下，考虑了系统对EVM的要求。

4、充分利用了滤波器的线性结构及其各系数对信号的影响。

5、直接利用了滤波器的实际输出作为判断依据，而不是用预测的方法。

6、频谱的损失小，满足3GPP标准中临近信道泄露比(ACLR，Adjacent Channel Leakagepower Ratio)的要求。

7、在接收端无需改变接收机的结构。

综上所述，本发明提供的一种自适应调整门限的峰平比控制方法，可以通过EVM的具体要求自适应地对门限进行调整，可以在控制PAPR的同时，满足EVM的要求。而现有的多数峰平比控制方案要么PAPR降低效果不明显，要么EVM偏高，而本发明的提供的方法则较好地满足了二者的要求。

附图说明

图1是一种WCDMA信号的PAPR控制原理图。

图2是峰值处理算法的流程框图。

图3是图2中调整门限的流程图。

图4是图2中优化滤波器各系数对峰值影响的流程图。

具体实施方式：

本发明适合对EVM有要求的峰平比控制系统，如WCDMA系统、TD-SCDMA系统等。这里以64个用户的WCDMA系统为例来介绍该算法的具体实现过程。但需要说明的是，这里仅以WCDMA作为例子分析本发明，凡是其它系统用到了本发明中提到的算法思想，都应该在权利要求书的保护范围之内。

实施方式如流程图2所示，具体步骤如下：

步骤1：利用计算机仿真得到峰值门限与EVM及PAPR指标的关系表，比如表1就是计算机仿真64个用户的WCDMA系统所得到的峰值门限与PAPR和EVM的关系表，在表1中选定系统所要求EVM及PAPR指标所对应峰值门限值作为初始峰值门限T_H，例如当系统设计时需要PAPR的为4.7dB，平均EVM为10.36％时，则峰值门限T_H选择为1.5；

表1 初始门限设置参考表

 

峰值门限	PAPR(dB)	平均EVM
			1.5	4.7	10.36％
1.6	4.95	7.82％
			1.7	5.2	5.58％
1.8	5.5	3.73％
			1.9	5.8	2.32％
2.0	6.2	1.37％
			2.1	6.65	0.82％
2.2	7.05	0.57％

表1中的PAPR是在设置不同峰值门限T_H的情况下，根据仿真得到的CCDF(Conplementary Cumulative Density Function)曲线在概率为0.01％时对应的值。

步骤2：将待处理的信号I_n′分成两路，然后对其中一路进行滤波得到滤波后的信号O_ut，对另一路进行延时，得到延时后的信号I_n；

步骤3：计算压缩比例，用公式计 $b=\frac{T_H+\left|I_n\right|-\left|O_{\mathrm{ut}}\right|}{\left|I_n\right|}$ 算压缩比例b，式中，T_H是步骤1中所设置的初始峰值门限，I_n是步骤2中延时后的信号，而O_ut则是滤波后的信号；

步骤4：根据EVM确定压缩比例的范围，并判断步骤3得到的压缩比例b是否在此范围，如果是，则转入步骤5；否则，再判断压缩比例b是否小于压缩比例的范围的最小值，如果压缩比例b是小于压缩比例的范围的最小值则增大T_H，如果压缩比例b是大于压缩比例的范围的最大值则减小T_H，然后返回到步骤3；

步骤5：如果滤波输出的信号模值|O_ut|大于峰值门限T_H，则进入步骤6；如果滤波后信号O_ut的模值|O_ut|小于或等于峰值门限T_H，则直接输出，并结束处理；

步骤6：优化滤波器各系数对峰值的影响，再次计算压缩比例b′；

步骤7：根据步骤6中得到的压缩比例b′，对信号I_n乘上b′进行压缩。最后，将压缩后的信号再作为后端滤波器的输入信号。

由于要对滤波输出的信号模值|O_ut|超过峰值门限T_H的信号进行处理，所以要分析信号O_ut和I_n′的关系，以及信号I_n和I_n′的关系，步骤6涉及的优化滤波器各系数对峰值的影响，在图4中给出了一个示例，该处理过程包括以下几个步骤：

步骤1：根据成型滤波器的线性关系，找出信号O_ut对应的输入信号I_n′；

步骤2：分析信号I_n′经过延时器得到的信号I_n；

步骤3：利用信号O_ut、I_b，以及前面提到的峰值门限，计算得到压缩比例b′。

$b=\frac{T_H+\left|I_n\right|-\left|O_{\mathrm{ut}}\right|}{\left|I_n\right|}$

Claims (2)

1、一种自适应调整门限的峰平比控制方法，其特征是：它包括以下步骤：

步骤1：设置初始的峰值门限T_H：根据系统设计时提出的EVM及PAPR指标大小设置EVM及PAPR指标所对应的初始门限；

步骤2：将待处理的信号

分成两路，然后对其中一路进行滤波得到滤波后的信号O_ut，对另一路进行延时，得到延时后的信号I_n；

步骤3：用公式4计算压缩比例b：

$b=\frac{T_H+\left|I_n\right|-\left|O_{\mathrm{ut}}\right|}{\left|I_n\right|}---4$

公式4中，T_H是步骤1中所设置的初始峰值门限，I_n是步骤2中延时后的信号，而O_ut则是步骤2中滤波后的信号；

步骤4：判断步骤3得到的压缩比例b是否在EVM确定压缩比例的范围内。如果是，则转入步骤5；否则，对初始设置的峰值门限T_H作自适应调整后返回到步骤3；

步骤5：如果滤波输出的信号模值|O_ut|大于峰值门限T_H，则进入步骤6；如果滤波后信号O_ut的模值|O_ut|小于或等于峰值门限T_H，则直接输出，并结束处理；

步骤6：优化滤波器各系数对峰值的影响，再次计算压缩比例b′；

步骤7：对信号I_n乘上压缩比例b′作为输出信号。

2、根据权利要求1中所述的一种自适应调整门限的峰平比控制方法，其特征是：初始的峰值门限方法可以通过系统仿真得到峰值门限与EVM及PAPR指标的数据关系，以及各数据关系所对应关系表，然后根据系统的对EVM及PAPR指标的要求从所述的数据关系表中找到峰值门限，将该峰值门限作为初始的峰值门限。

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