CN101601247B - 用于产生信号以便减小多载波系统中的峰均比的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于为具有多个子载波的信号产生减小信号的装置(400)，该装置(400)包括：限制器(402)，该限制器(402)被构造用于根据具有多个子载波的信号产生受限信号(S)；系数确定器(404)，该系数确定器(404)被构造用于根据所述受限信号为所述具有多个子载波的信号的未被使用的子载波确定系数(C_k)；以及信号发生器(406)，该信号发生器(406)被构造用于根据所述系数生成减小信号(X_n)，能够将该减小信号(X_n)与所述信号组合以形成减小的信号。所述系数确定器被构造用于将受限信号投射到第k个基本公式(1)上。

Description

用于产生信号以便减小多载波系统中的峰均比的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于为具有多个子载波的信号产生减小信号的装置和一种根据权利要求14所述的相应方法。

背景技术

基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)和OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)的移动无线电标准涉及多载波系统。通过组合单载波来形成最大瞬时功率明显超过平均功率的信号。另外，也可以使用较高阶的

调制方法以便调制所使用的不同载波，所述较高阶的调制方法例如是每个发送符号具有多于两个可能的信息状态的QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)、8PSK(PhaseShift Keying，相移键控)或者16QAM(Quadrature AmplitudeModulation，正交幅度调制)。在这些调制方法的情况下，在单个载波中放弃有利于更高数据传输率的瞬时发送功率的恒定性。

因此，视调制方法和单载波的组合而定，在多载波系统的情况下，发送信号的最大瞬时功率可以明显超过发送功率的平均值。最大发送功率与平均发送功率之比被称为峰均比(Peak to Average Ration)(PAR＞1)或者功率峰均比(Peak to Average Power Ratio)(PAR＞1)。现在问题在于，在发送系统的发送放大器的PAR较高的情况下，必须保持可观的调制预留(Aussteuerreserve)，以便避免由于例如限制效应或削波效应(Clipping-Effekt)而造成的发送信号的非线性失真。由此提高放大器的复杂性和功率消耗，并且降低整个系统的效率。

DE10219318A1例如研究用于由基频带的多个部分信号形成载频输出信号的方法。在主分支中对每个部分信号进行限幅。此外，在并行的辅助分支中为每个部分信号确定估计值，利用这些估计值来控制主分支中的限幅。

DE19838295A1描述了用于在多个子信道上并行地传输信号形式的信息的多载波传输方法。借助于阈值判定，给不参加信息传输的子信道分别分配校正函数，使得信号的峰值和信号的有效值之间的比值被最小化或者至少减小。

EP1248429A2描述了DMT(Discrete Muliitone，离散多音)调制方法，利用该调制方法可以减小待发送信号的最大发送功率与平均发送功率之比。此外，在开始时确定限制预防信号(Begrenzungsverhütungssignal)的试验值，并且确定该限制预防信号是否适于限制待发送信号。如果情况不是如此，则一直改变该限制预防信号，直到它适于限制待发送信号为止。最终合适的限制预防信号在待发送信号的未被使用的子载波中被传输，以便降低待发送信号的功率峰值。为了确定合适的限制预防信号，使用迭代循环(Iterationsschleife)。然而，这可能导致不同的信号延迟，因为一开始并不知道迭代循环运行的频度。

发明内容

现在，本发明的任务是，提出用于为具有多个子载波的信号产生减小信号的装置和方法，其中该减小信号可以用于根据具有多个子载波的信号形成减小的信号。

该任务通过根据权利要求1所述的用于为具有多个子载波的信号产生减小信号的装置和根据权利要求14所述的相应方法来解决。本发明的其它扩展方案由从属权利要求得出。

本发明的主要想法在于，限制具有多个子载波的待减小信号、尤其是该信号的幅度，根据受限信号为该信号的未被使用的子载波计算系数并且借助于这些系数来产生减小信号，所述减小信号可以与原始信号、也就是待减小信号组合，以便减小峰值并且因此减小待减小信号的PAR。由此尤其是可以实现在基带中对信号进行频率选择性限制，这与常规的限制方法相比，尤其是对于多载波系统、例如OFDM和OFDMA发送系统来说是明显更有效的。特别是可以利用本发明在数字复基带中限制发送信号的幅度，并且与利用开头所述的常规方法相比更大程度地减小发送功率的最大值，尤其是信号质量没有干扰损失。

在本发明的意义上信号的减小或限制(英语：clipping，削波)表示，减小该信号的峰值并因此减小该信号的最大发送功率与平均发送功率之比。因此，减小的信号相应于原始信号，然而可以在幅度方面和在发送功率方面有所减小。该信号可以尤其是多载波系统的发送信号，在所述多载波系统中使用针对每个发送符号具有多于两个可能的信息状态的较高阶的调制方法、例如QPSK、8PSK或者16QAM。该信号例如可以是发送系统的复基带中的信号。该信号具有多个子载波。所述子载波中的几个子载波被用于信息传输，而其余的子载波未被使用，即未被用于信息传输。

本发明使得能够通过将经过削波的信号投射(Projektion)到未被使用的子载波上来产生减小信号。可替换地，也可以使用导致峰值被更大程度减小的其它形成规则。不必为了确定减小信号而使用如下迭代循环：该迭代循环一直被执行，直到减小的信号通过削剪不再经历改变并因此不再超过在限制情况下所预先给定的阈值。作为替代，可以使用固定地预先给定的数目的具有恒定信号延迟的减小级。根据本发明，在每一减小级中允许另一阈值。用于所述减小信号或系数的形成规则也可以在不同减小级之间有所区别。

现在根据一种实施方式，本发明涉及一种用于为具有多个子载波的信号产生减小信号的装置，该装置包括：

-限制器，该限制器被构造用于根据具有多个子载波的信号产生受限信号；

-系数确定器，该系数确定器被构造用于根据受限信号为具有多个子载波的信号的未被使用的子载波确定系数；以及

-信号发生器，该信号发生器被构造用于根据系数来生成减小信号，该减小信号可以与所述信号组合，以便形成减小的信号。

根据一种实施方式，该装置此外可以具有组合器，该组合器被构造用于将所述信号与所述减小信号进行组合以便形成减小的信号。例如可以将该组合器构造为加法器。

系数确定器可以被构造用于利用加权因子来加权所述系数。借助于这些加权因子，可以调节减小的准确性。

所述信号可以是针对每个符号具有多于两个可能的信息状态的调制信号。另外，系数确定器可以被构造用于通过对受限信号进行符号方式的投射来确定系数。在此，系数确定器和信号生成器可以分别基于预定的算法或者公式来确定系数和确定减小信号。尤其是，根据本发明的一种实施方式，系数确定器可以被构造用于通过将受限信号以符号的方式投射到第k个基函数

$e^{+2\mathrm{\πj}\frac{(k-1)(n-1)}{N}}$

上来确定系数，所述受限信号针对每个符号s_n(n＝1...N)包括N个采样值，所述第k个基函数被分配给第k个未被使用的子载波。

根据本发明的另一实施方式，系数确定器可以被构造用于根据下面的公式来为第k个未被使用的子载波计算系数：

$C_k=\frac{1}{N}\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\·e^{-2\mathrm{\πj}\frac{(k-1)(n-1)}{N}},1\≤k\≤N$

另外，根据本发明的一种实施方式，信号发生器可以被构造用于根据下面的公式来计算减小信号：

$X_n=\underset{k=\mathrm{unused}}{\mathrm{\Σ}}{C}_k\·e^{+2\mathrm{\πj}\frac{(k-1)(n-1)}{N}},n=1...N$

根据一种实施方式，系数确定器可以被构造用于根据受限信号和所述信号确定系数。尤其是系数确定器可以被构造用于借助于矩阵运算根据所述信号和受限信号来确定系数。

另外，限制器可以具有可调节的限制阈值，利用该限制阈值能够对所述信号的限制进行调节。因此，该限制阈值定义所述信号能够如何强烈地被限制。

根据本发明的装置特别适合于在基于OFDM和OFDMA的通信系统中使用并且可以引起PAR和PAPR的明显减小，由此在复杂性和功率消耗方面对发送放大器的要求比在具有高PAR和PAPR的常规系统的情况下更低。

本发明的另一实施方式涉及一种用于根据复输入符号产生时域信号的系统，该系统包括：

-转换器，该转换器被构造用于根据预定的变换将复输入符号变换成具有多个子载波的信号；以及

-根据本发明的用于为具有多个子载波的信号产生减小信号的装置，将具有多个子载波的信号输送给该装置以形成减小的信号，其中减小的信号相应于时域信号。

另外，该系统可以具有另外的根据本发明的用于产生减小信号的装置，其中这些装置串联连接。通过将多个根据本发明的装置形式的PAPR减小块级联，可以实现对PAPR的进一步改善。

预定的变换可以是傅立叶逆变换或是快速傅立叶逆变换IFFT(Inverse Fast Fourier Transformation)。该系统可以是基于OFDM或者OFDMA的发送系统。

本发明的另一实施方式涉及一种用于为具有多个子载波的信号产生减小信号的方法，该方法包括下列步骤：

-根据具有多个子载波的信号产生受限信号；

-根据受限信号为具有多个子载波的信号的未被使用的子载波确定系数；以及

-根据系数生成减小信号，该减小信号可以与具有多个子载波的信号组合，以便获得减小的信号。

根据本发明的方案使得能够以特别有利的方式并且在没有信号质量的干扰损失的情况下在数字复基带中限制发送信号的幅度，并且使得能够比利用常规方法更大程度地减小发送功率的最大值。

此外，根据本发明的方法提供不需要附加的FFT和IFFT变换的优点。

通过利用信号偏移的更大的范围，可以在相同的误差向量幅值EVM(Error-Vector Magnitude)的情况下实现PAR的减小。该范围特别是在具有较高阶的调制方法的移动无线电系统的情况下增大。

根据本发明的方案使得能够使用功率更小的、并且因此成本更低的放大器，以便在没有信号质量的干扰损失的情况下实现预先给定的平均输出功率。

本发明的其它优点和应用可能性从与附图中所示的实施例相结合的下列描述中得出。

附图说明

在说明书中、在权利要求书中、在摘要中以及在附图中，使用在随后列举的附图标记列表中所使用的概念和所分配的附图标记。

附图：

在图1中示出UMTS发送系统的框图；

在图2中示出另一基于OFDM的发送系统的框图；

在图3中示出另一发送系统的框图；

在图4中示出具有根据本发明实施例的装置的系统的框图；

在图5中示出具有根据本发明另一实施例的装置的系统的框图；以及

在图6中示出根据本发明另一实施例的系统的框图。

具体实施方式

下面，相同的和/或功能相同的元件可以配备相同的附图标记。

图1大大简化地示出根据实例UMTS(Universal MobileTelecommunications System，通用移动电信系统)的发送系统。尤其是也示出了产生发送信号的简化图示。

在此，待发送信号作为输入信号存在于复基带中。基带限制器(Baseband Clipping)134限制待发送信号的最大功率。在随后的块136中，信号的带宽通过RRC(Root Raised Cosine，根升余弦)滤波器被限制以及通过另外的插值滤波器被置于数字中频IF(IntermediateFrequency)的较高采样率。

信号通过混频器而经历频移。在中频上可以叠加多个复基带信号，如在图1中通过多个数字频率转换器所表明的那样。信号在另外的块138中经历进一步的插值或对中频的进一步限制，并且在另外的块150中还可能经历进一步的插值、数/模转换和到实际高频位置(Hochfrequenzlage)RF(Radio Frequency，射频)的调制。因此，在图1中示出了对发送信号进行限制的两种不同的布置可能性。这两种不同的布置可能性的主要区别在于其RF输出信号的失真类型。

基带限制器134可能使频带中的有用信号强烈失真并且因此导致EVM的提高，而这由于随后的RRC滤波器只无关紧要地影响相邻频带。然而，RRC滤波器形成受限有用信号的线性组合并且因此提高最大出现的信号幅度。与此相反，中频限制138保证最大的信号幅度，然而在相邻频带中产生强烈干扰，也称为ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio，相邻信道泄漏比)。

为了在基于OFDM的系统中进行信号限制，可以应用矩形限制以及圆形限制。在矩形限制的情况下，复信号的同相分量和正交分量相互独立地受限制。在圆形限制的情况下，复基带信号的幅值(Betrag)不超过最大值。

图2示出在基于OFDM的系统中发送信号的产生的简化图示。在基于OFDM的系统中，以相同方式使用根据图1所描述的限制算法。然而，由基带限制器134接收的复IQ基带信号来自经IFFT 210变换的复输入符号。此外，在许多传输方法中，在块232中在符号之间插入时间保护间隔。

基带限制的缺点、即由于随后的RRC滤波器和进一步的插值而导致的最大信号幅度的提高可以通过对可预期的信号超高

的预先计算和对基带信号的相应限制的预先计算来避免。因此在相同EVM的情况下实现PAR的减小。

误差从统计上来看均匀地分布在整个基带上，并且通过随后的发送滤波器在频谱上成形。尤其在较高阶的调制方法的情况下，基带中的误差容限更小并且该方法的有效性降低，因为为了压缩信号偏移的范围，其应该引起最大瞬时功率的下降。

然而，在有用信号的频带中存在容忍更大信号偏移的区域。这些区域的特征在于，它们位于信号由于所属接收器中的接收滤波器而更强烈衰减的基带的边缘处，或者位于有用信号的未被使用的频谱中，并且这些区域未被信息占用。该事实在图3中所示出的系统的情况下被利用。由此可以在相同的EVM的情况下更大程度地减小PAR。

图3示出插值限制的原理的简化图示，所述插值限制也就是具有子载波特定的误差加权的受限发送信号的产生。

首先，根据输入符号借助于IFFT产生时间信号。该时间信号经受基带限制134。这样调制的时间信号利用FFT又变换回来。通过削波使原符号失真。

输出信号由与wk相乘的输入信号和与(1-wk)相乘的有误差的信号组成。借助于固定的加权因子w1...wn(0≤wk≤1；k＝1...n)，可以针对每个子载波k单独地调整准确性。在此，wk＝1表示最高的准确性、也就是没有误差，而wk＝0表示最大的误差容限。在此之间是如下值：利用这些值可以限制误差容限。

在输出侧，完整的FFT是必需的，以便获得子载波符号。此外，还需要另外的IFFT，以便产生发送信号。

图4示出具有用于减小具有多个子载波的信号的装置400的系统。该装置400被构造用于接收待减小的信号并且输出减小的信号。与待减小的信号相比，减小的信号可以在幅度上受限。优选地，待减小的信号的峰值在减小的信号中被减小。该装置400具有限制器402、系数确定器404和信号发生器406。附加地，该装置400可以具有组合器408。

限制器402被构造用于接收具有多个子载波的待减小的信号、根据所接收到的信号产生受限信号(S)(所谓的经过削波的信号)并且提供给系数确定器404。限制器402可以是已知的限制器块(英语：clippingblock(削波块))，该限制器402被构造用于限制信号的最大功率。

系数确定器404被构造用于接收受限信号S并且根据该受限信号为信号的未被使用的子载波确定系数C_k。根据该实施例，为信号的每个未被使用的子载波确定特有的系数C_k。不为被使用的子载波确定系数。可替换地，可以只为所选择的未被使用的子载波确定系数。此外，系数确定器404被构造用于向信号发生器406提供系数C_k。

信号发生器406被构造用于接收系数C_k并且根据所接收到的系数生成并提供减小信号X_n。

通过将减小信号X_n和待减小的信号进行组合，具有多个子载波的信号可以被减小、即被限制。尤其是可以实现信号的峰值的减小。根据该实施例，装置400具有加法电路形式的组合器408，该组合器408被构造用于将减小信号X_n与信号相加，并且以这种方式根据该信号产生可以由装置400提供或输出的减小的信号。

装置400是系统的一部分，该系统被构造用于接收复输入符号并且输出时域信号。此外，该系统具有转换器410，该转换器410被构造用于接收复输入符号并且根据这些输入符号借助于合适的变换来产生时域信号。此外转换器410被构造用于将时域信号作为信号提供给装置400。

该系统是根据基于OFDM或者OFDMA的移动无线电标准的发送系统。转换器410被构造用于执行快速傅立叶逆变换IFFT。这意味着，待减小的信号可以是根据经过IFFT变换的复符号确定的复IQ基带信号。可以在符号之间分别插入时间保护间隔(未在图4中示出)。限制器402被构造用于执行基带限制。

每一系数C_k的计算通过将受限信号S以符号的方式投射到第k个基函数

$e^{+2\mathrm{\πj}\frac{(k-1)(n-1)}{N}}$

上来进行，该受限信号S针对每个符号s_n(n＝1...N)包括N个采样值，所述基函数被分配给相应的未被使用的子载波。因此，只使用基函数被分配给未被使用的子载波的那些k。在此，利用所有子载波的基函数相互正交的事实。系数C_k的计算根据下面的公式进行：

$C_k=\frac{1}{N}\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n\·e^{-2\mathrm{\πj}\frac{(k-1)(n-1)}{N}},1\≤k\≤N.$

信号发生器406被构造用于根据这些系数C_k产生减小信号X_n

$X_n=\underset{k=\mathrm{unused}}{\mathrm{\Σ}}{C}_k\·e^{+2\mathrm{\πj}\frac{(k-1)(n-1)}{N}},n=1...N.$

可以在限制器402中改变阈值，以便实现最佳减小。此外，可以给所述系数配备相应的加权因子。根据实际情况，阈值和加权因子都可以是可固定调节的或者是可变的，以便例如在运行期间进行匹配。

可替换地，也可以在使用其它公式、算法或者其它方法、例如矩阵运算的情况下计算或者确定系数C_k。

图5示出在图1中所示的系统的另一实施例。根据该实施例，系数确定器404被构造用于既接收受限信号S也接收待限制信号。因此，在确定系数C_k时，也引入未受限信号。因此，信号的峰值的减小在附加地考虑未受限信号的情况下进行。

图6示出根据本发明的系统的另一实施例。根据该实施例，该系统被构造用于根据复输入符号产生并输出以两级或者更多级减小的时域信号。该系统具有转换器410和两个或者更多个串联连接的装置400。

转换器410被构造用于对复输入符号实施IFFT，以便产生信号并将该信号提供给第一装置400。可以是前述装置400中的任意一个的第一装置400被构造用于接收信号并将该信号作为减小的信号提供给第二装置400。

第二装置400又可以是前述装置400中的任意一个。这意味着，可以将被级联的装置400相同地或者不同地进行构造。第二装置400被构造用于从第一装置400接收减小的信号并且再次进行减小。

在每个分别相应于PAPR减小块的装置400中，可以单独地选择限制阈值和对系数的加权。被级联的装置400的数目不受限制并且可以根据情况进行选择。

本发明根据移动无线电发送系统进行了描述，然而不限于这种系统。更确切地说，根据本发明的方案可被用于所有系统，在这些系统中希望限制信号。

附图标记

134基带限制

136插值

138中频限制

150调制

210变换

232保护间隔插入器

400装置

402限制器

404系数确定器

406信号发生器

408组合器

410转换器

Claims (12)

1.一种用于为具有多个子载波的信号产生减小信号的装置(400)，包括：

-限制器(402)，该限制器(402)被构造用于根据所述具有多个子载波的信号产生受限信号(S)；

-系数确定器(404)，该系数确定器(404)被构造用于根据所述受限信号为所述具有多个子载波的信号的未被使用的子载波确定系数(C_k)；以及

-信号发生器(406)，该信号发生器(406)被构造用于根据所述系数来生成所述减小信号(X_n)，所述减小信号(X_n)能够与所述具有多个子载波的信号组合，以便形成减小的信号，

所述装置此外具有组合器(408)，该组合器(408)被构造用于将所述具有多个子载波的信号与所述减小信号(X_n)组合，以便形成所述减小的信号，

所述具有多个子载波的信号是针对每个符号具有多于两个可能的信息状态的调制信号，并且其中所述系数确定器(404)被构造用于通过将所述受限信号(S)以符号的方式投射到第k个基函数

$e^{+2\mathrm{\πj}\frac{(k-1)(n-1)}{N}}$

上来确定所述系数(C_k)，所述受限信号(S)针对每个符号s_n；n＝1...N包括N个采样值，所述第k个基函数被分配给第k个未被使用的子载波。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述系数确定器(404)被构造用于在将加权因子包括在内的情况下确定所述系数(C_k)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述系数确定器(404)被构造用于根据下面的公式为第k个未被使用的子载波计算系数(C_k)：

${{C_k=\frac{1}{N}\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}s}_n\·e}^{+2\mathrm{\πj}\frac{(k-1)(n-1)}{N}},1\≤k\≤N.$

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述信号发生器406被构造用于根据下面的公式计算所述减小信号(X_n)：

${X_n=\underset{k=\mathrm{unused}}{\mathrm{\Σ}}{C}_k\·e}^{+2\mathrm{\πj}\frac{(k-1)(n-1)}{N}},n=1...N.$

5.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，

所述系数确定器(404)被构造用于根据所述受限信号(S)和所述信号来确定所述系数(C_k)。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，

所述系数确定器(404)被构造用于借助于矩阵运算根据所述信号和所述受限信号(S)来确定所述系数。

7.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，

所述限制器(402)具有可调节的限制阈值，所述限制阈值定义所述受限信号(S)的最大功率。

8.一种用于根据复输入符号产生时域信号的系统，包括：

-转换器(410)，该转换器(410)被构造用于根据预定的变换将所述复输入符号变换成具有多个子载波的信号；以及

-根据权利要求1至7之一所述的用于为具有多个子载波的信号产生减小信号的装置(400)，将所述具有多个子载波的信号输送给该装置以形成减小的信号，其中所述减小的信号相应于所述时域信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，

所述系统此外具有另外的根据权利要求1至6之一所述的装置(400)，其中所述装置和所述另外的装置串联连接。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，

所述预定的变换是傅立叶逆变换。

11.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，

所述系统是基于OFDM或OFDMA的发送系统。

12.一种用于为具有多个子载波的信号产生减小信号的方法，该方法包括下列步骤：

-根据所述具有多个子载波的信号产生受限信号(S)；

-根据所述受限信号为所述具有多个子载波的信号的未被使用的子载波确定系数(C_k)；

-根据所述系数生成减小信号(X_n)，所述减小信号(X_n)能够与所述具有多个子载波的信号组合以便获得减小的信号，以及

-将所述具有多个子载波的信号与所述减小信号(X_n)组合，以便形成所述减小的信号，

-所述具有多个子载波的信号是针对每个符号具有多于两个可能的信息状态的调制信号，并且

-通过将所述受限信号(S)以符号的方式投射到第k个基函数

$e^{+2\mathrm{\πj}\frac{(k-1)(n-1)}{N}}$

上来确定所述系数(C_k)，所述受限信号(S)针对每个符号s_n；n＝1...N包括N个采样值，所述第k个基函数被分配给第k个未被使用的子载波。

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