CN104753844A - 无线通信系统中的波峰因子降低方法和装置 - Google Patents

无线通信系统中的波峰因子降低方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种无线通信系统中的波峰因子降低方法，该方法包括以下步骤：a，基站比较输入信号的幅度与削峰幅度门限，定位各个峰值位置；b，基站对各个峰值位置附近信号的时域波形进行分析，如果峰值区域采样点数小于预定点数门限，则采用削峰方式一，否则采用削峰方式二；c，削峰方式一：基站对峰值区域时域信号进行直接限幅；削峰方式二：基站对峰值区域进行频谱分析，修改预置削峰波形，采用新削峰波形对峰值区域信号进行削峰处理。本发明可以最大限度减少对信号EVM的影响，以及预置削峰波形带宽取值对系统性能的影响。

Description

无线通信系统中的波峰因子降低方法和装置
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无线通信系统中的波峰因子降低方法。
背景技术
波峰因子降低（CFR，Crest Factor Reduction）是一种将输入信号的PAPR（Peak to Average Power Ratio，简称峰均比）保持在一定范围内的技术。无线通信系统中的信号最后需要经过功率放大器后发射出去，通常线性放大器用非线性的晶体管构成，当输入信号比较小时，可以保证晶体管呈现出线性。随着输入信号的增加，放大器的非线性失真也愈发明显。所以把信号的PAPR限制在一个较小值附近，可以提高功率放大器的效率，明显降低运营商供电和散热成本。
CFR的主要原理就是用户根据实际需要选择一个功率放大器的最大输入功率界限，当输入信号的幅度超过此界限时，用一系列算法将输入信号超出界限的部分削除，从而使输入信号的PAPR保持在一定范围内。由于CFR算法降低PAPR的同时会造成信号误差矢量幅度（EVM：Error Vector Magnitude）以及邻信道功率比（ACPR：Adjacent Channel Power Ratio）增加，所以目前比较优选的CFR技术是使用一个与信号带宽相同的削峰波形来削去多余的峰值，以同时保证PAPR、EVM及ACPR的性能。
随着OFDM及多载波技术的成熟，无线通信系统的带宽越来越宽，而在系统带宽内真正有效的带宽却是随着资源分配情况实时变化的，因此只用一个削峰波形进行削峰并不能满足系统性能需要。目前通常的做法为设计一个基本的削峰波形，然后根据带宽资源分配情况把削峰波形进行对应的频率偏移然后进行叠加，但这种方法存在几个不足：（1）当系统分配的两段有效带宽距离大于一个基本削峰波形带宽时，EVM性能下降比较严重。（2）基本削峰波形带宽取值会影响性能：若削峰波形带宽取值偏小，实际分配带宽比较大时，就需要多次的频移叠加，运算量比较大；若削峰波形带宽取值偏大，而实际分配带宽比较小时，ACPR性能会恶化。（3）削峰波形构造需要知道系统资源分配情况，系统设计接口复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线通信系统中的波峰因子降低（CFR）方法，基站首先对发射信号的各个峰值时域波形进行分析，判断采用何种削峰方法，然后采用不同的削峰方法对不同的峰值区域进行削峰处理，从而可以实时保证处理后信号的PAPR、EVM及ACPR的性能。
根据本发明的一个方面，提出的一种无线通信系统中CFR的方法，包含：a，基站把输入信号的幅度与削峰幅度门限进行比较，定位各个峰值位置；b，基站对各个峰值位置附近信号的时域波形进行分析，如果峰值位置所在的峰值区域时域采样点数小于预定点数门限，则采用步骤c中的削峰方式一，否则采用步骤c中的削峰方式二；c，削峰方式一：基站对峰值位置所在的峰值区域时域信号进行直接限幅操作；削峰方式二：基站对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，修改预置削峰波形以获得新削峰波形，采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理。
优选的，所述定位各个峰值位置具体为：如果输入信号中连续多个采样点都超过削峰幅度门限，则这多个采样点中幅度最大的采样点为峰值位置。
优选的，削峰方式一具体为：基站设置峰值位置所在的峰值区域时域信号幅度为预设值，同时保留限幅前峰值区域的信号相位不变。
优选的，削峰方式二步骤具体为：对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，获得信号频谱模板：在峰值位置左右各取ntaps个采样点，对这些采样点进行傅立叶变换，判断各频率点功率是否大于预定门限，大于预定门限则认为该频点存在有效信号，否则认为该频点只有噪声，ntaps的取值为预置削峰波形的长度的一半，以保证这段数据的频谱分辨率可以满足性能要求；根据信号频谱模板，对预置削峰波形进行修改，屏蔽掉只有噪声的频率点，以获得新的削峰波形，从而保证新的削峰波形带宽与实际发射信号的有效带宽相同；采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理：设削峰幅度门限与峰值信号幅度的差值为峰值度量，把峰值位置左右各ntaps个采样点的幅度减去峰值度量与归一化后的新削峰波形的乘积，同时保留这部分信号限幅前的相位不变。
根据本发明的另一方面，提出一种无线通信系统中的波峰因子降低装置，包括：定位模块，用于把输入信号的幅度与削峰幅度门限进行比较，定位各个峰值位置；分析模块，用于对各个峰值位置附近信号的时域波形进行分析；如果峰值位置所在的峰值区域时域采样点数小于预定点数门限，则采用第一处理模块进行削峰处理，否则采用第二处理模块进行处理；第一处理模块，用于对峰值位置所在的峰值区域时域信号进行直接限幅操作；第二处理模块，用于对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，修改预置削峰波形以获得新削峰波形，采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理。
优选的，所述定位模块定位各个峰值位置具体为：如果输入信号中连续多个采样点都超过削峰幅度门限，则其中幅度最大的采样点为峰值位置。
优选的，所述第一处理模块具体用于：设置峰值位置所在的峰值区域时域信号幅度为预设值，同时保留限幅前峰值区域的信号相位不变。
优选的，所述第二处理模块包括：第一子模块，用于对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，获得信号频谱模板：在峰值位置左右各取ntaps个采样点，对这些采样点进行傅立叶变换，判断各频率点功率是否大于预定门限，大于预定门限则认为该频点存在有效信号，否则认为该频点只有噪声，ntaps的取值为预置削峰波形的长度的一半；第二子模块，用于根据信号频谱模板，对预置削峰波形进行修改，屏蔽掉只有噪声的频率点，以获得新的削峰波形，从而保证新的削峰波形带宽与实际发射信号的有效带宽相同；第三子模块，用于采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理：设削峰幅度门限与峰值信号幅度的差值为峰值度量，把峰值位置左右各ntaps个采样点的幅度减去峰值度量与归一化后的新削峰波形的乘积，同时保留这部分信号限幅前的相位不变。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1，基站根据时域信号分析结果选择削峰方法，最大限度减少了对信号EVM的影响。2，基站根据发射信号实时更新削峰波形，从而保证当系统分配带宽比较离散时可以获得较小的EVM，以及预置削峰波形带宽取值对系统性能的影响。3，基站进行削峰处理时不需要知道系统资源分配情况，减少了削峰处理模块与系统高层的交互，简化系统设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的基站进行CFR处理的流程图；
图2是本发明实施例信号时域幅度的示意图；
图3是本发明实施例对峰值区域信号进行削峰处理的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明CFR的基本思想如图1所示，包括以下步骤：101基站把输入信号的幅度与削峰幅度门限进行比较，定位峰值位置；102基站对峰值位置附近信号的时域波形以及频谱进行分析，选择合适的削峰方式和削峰波形；103基站对峰值区域信号进行削峰处理。
具体的，本发明提出的无线通信系统中CFR的方法，包含：a，基站把输入信号的幅度与削峰幅度门限进行比较，定位各个峰值位置；b，基站对各个峰值位置附近信号的时域波形进行分析，如果峰值位置所在的峰值区域时域采样点数小于预定点数门限，则采用步骤c中的削峰方式一，否则采用步骤c中的削峰方式二；c，削峰方式一：基站对峰值位置所在的峰值区域时域信号进行直接限幅操作；削峰方式二：基站对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，修改预置削峰波形以获得新削峰波形，采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理。
优选的，所述定位各个峰值位置具体为：如果输入信号中连续多个采样点都超过削峰幅度门限，则这多个采样点中幅度最大的采样点为峰值位置。
优选的，削峰方式一具体为：基站设置峰值位置所在的峰值区域时域信号幅度为预设值，同时保留限幅前峰值区域的信号相位不变。
优选的，削峰方式二步骤具体为：对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，获得信号频谱模板：在峰值位置左右各取ntaps个采样点，对这些采样点进行傅立叶变换，判断各频率点功率是否大于预定门限，大于预定门限则认为该频点存在有效信号，否则认为该频点只有噪声，ntaps的取值为预置削峰波形的长度的一半，以保证这段数据的频谱分辨率可以满足性能要求；根据信号频谱模板，对预置削峰波形进行修改，屏蔽掉只有噪声的频率点，以获得新的削峰波形，从而保证新的削峰波形带宽与实际发射信号的有效带宽相同；采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理：设削峰幅度门限与峰值信号幅度的差值为峰值度量，把峰值位置左右各ntaps个采样点的幅度减去峰值度量与归一化后的新削峰波形的乘积，同时保留这部分信号限幅前的相位不变。
本发明具体实施例给出一段时域信号，这段信号的幅度曲线如图2所示。图中横轴为采样点数，纵轴为信号幅度，通过把信号幅度与削峰幅度门限（Th1=14637）比较，得到两个峰值P1和P2。
下面分别对这两个峰值所在的峰值区域进行削峰处理，具体流程参见图3。
对峰值P1附近区域进行时域分析可见，该区域有连续的Pcount=3个采样点超过Th1，假设门限Th_count=5，因为Pcount小于Th_count，所以对该段信号采用直接限幅的处理：设置时域信号幅度为预设值（这里假定与削峰幅度门限相同），同时保留原信号的相位不变。假设这三个采样点信号为：
n=1,2,3，
则限幅后的信号为
对峰值P2附近区域进行时域分析可见，该区域有连续的Pcount=10个采样点超过Th1，Pcount大于Th_count，所以还需对该段信号进行频谱分析，然后再进行削峰处理。
在P2左右各取ntaps个采样点，得到待削峰信号：
n=1,2,...,2*ntaps+1，
其中AP2(n)为信号幅度，(n)为信号相位，ntaps的取值为预置削峰波形的长度的一半。
对sP2(n)进行Nfft点的傅立叶变换得到频域信号：
sfP2(m)=FFT(sP2),m=1,2,...,Nfft，把信号频谱功率与预定门限Th_noise比较，得到信号的频谱模板：
form=1,2,...,Nfft
if|sfP2(m)|2>Th_noise
spP2(m)=1
else
spP2(m)=0
endif
endfor
假设预置的削峰波形为hpulse(n),n=1,2,...,2*ntaps+1，频域信号为hfpulse(m)=FFT(hpulse),m=1,2,...,Nfft，用上述频谱模板对预置削峰波形的频域进行修正：
hfmodified(m)=hfpulse(m)*spp2(m),m=1,2,...,Nfft
把频域信号变换到时域，得到新的削峰波形：
hpulse_m=IFFT(hfmodified)，
其中hpulse_m的长度为2*ntaps+1
计算峰值度量:
Scale=A(ntaps+1)-Th1，其中A(ntaps+1)是峰值P2的信号幅度。
进行削峰，得到削峰后信号：
n=1,2,...,2*ntaps+1，
其中max(|hpulse_m|)是新削峰波形的（2*ntaps+1）个点中的最大信号幅度，是归一化后的新削峰波形。
基于相同的构思，本发明还提出一种无线通信系统中的波峰因子降低装置，包括：定位模块，用于把输入信号的幅度与削峰幅度门限进行比较，定位各个峰值位置；分析模块，用于对各个峰值位置附近信号的时域波形进行分析；如果峰值位置所在的峰值区域时域采样点数小于预定点数门限，则采用第一处理模块进行削峰处理，否则采用第二处理模块进行处理；第一处理模块，用于对峰值位置所在的峰值区域时域信号进行直接限幅操作；第二处理模块，用于对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，修改预置削峰波形以获得新削峰波形，采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理。
优选的，所述定位模块定位各个峰值位置具体为：如果输入信号中连续多个采样点都超过削峰幅度门限，则其中幅度最大的采样点为峰值位置。
优选的，所述第一处理模块具体用于：设置峰值位置所在的峰值区域时域信号幅度为预设值，同时保留限幅前峰值区域的信号相位不变。
优选的，所述第二处理模块包括：第一子模块，用于对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，获得信号频谱模板：在峰值位置左右各取ntaps个采样点，对这些采样点进行傅立叶变换，判断各频率点功率是否大于预定门限，大于预定门限则认为该频点存在有效信号，否则认为该频点只有噪声，ntaps的取值为预置削峰波形的长度的一半；第二子模块，用于根据信号频谱模板，对预置削峰波形进行修改，屏蔽掉只有噪声的频率点，以获得新的削峰波形，从而保证新的削峰波形带宽与实际发射信号的有效带宽相同；第三子模块，用于采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理：设削峰幅度门限与峰值信号幅度的差值为峰值度量，把峰值位置左右各ntaps个采样点的幅度减去峰值度量与归一化后的新削峰波形的乘积，同时保留这部分信号限幅前的相位不变。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种无线通信系统中的波峰因子降低方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a，基站把输入信号的幅度与削峰幅度门限进行比较，定位各个峰值位置；
b，基站对各个峰值位置附近信号的时域波形进行分析，如果峰值位置所在的峰值区域时域采样点数小于预定点数门限，则采用步骤c中的削峰方式一，否则采用步骤c中的削峰方式二；
c，削峰方式一：基站对峰值位置所在的峰值区域时域信号进行直接限幅操作；削峰方式二：基站对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，修改预置削峰波形以获得新削峰波形，采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，所述定位各个峰值位置具体为：如果输入信号中连续多个采样点都超过削峰幅度门限，则这多个采样点中幅度最大的采样点为峰值位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c，削峰方式一具体为：基站设置峰值位置所在的峰值区域时域信号幅度为预设值，同时保留限幅前峰值区域的信号相位不变。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c，削峰方式二步骤具体为：
4.1，对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，获得信号频谱模板：在峰值位置左右各取ntaps个采样点，对这些采样点进行傅立叶变换，判断各频率点功率是否大于预定门限，大于预定门限则认为该频点存在有效信号，否则认为该频点只有噪声，ntaps的取值为预置削峰波形的长度的一半；
4.2，根据信号频谱模板，对预置削峰波形进行修改，屏蔽掉只有噪声的频率点，以获得新的削峰波形，从而保证新的削峰波形带宽与实际发射信号的有效带宽相同；
4.3，采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理：设削峰幅度门限与峰值信号幅度的差值为峰值度量，把峰值位置左右各ntaps个采样点的幅度减去峰值度量与归一化后的新削峰波形的乘积，同时保留这部分信号限幅前的相位不变。
5.一种无线通信系统中的波峰因子降低装置，其特征在于，所述装置包括：
定位模块，用于把输入信号的幅度与削峰幅度门限进行比较，定位各个峰值位置；
分析模块，用于对各个峰值位置附近信号的时域波形进行分析；如果峰值位置所在的峰值区域时域采样点数小于预定点数门限，则采用第一处理模块进行削峰处理，否则采用第二处理模块进行处理；
第一处理模块，用于对峰值位置所在的峰值区域时域信号进行直接限幅操作；
第二处理模块，用于对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，修改预置削峰波形以获得新削峰波形，采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述定位模块定位各个峰值位置具体为：如果输入信号中连续多个采样点都超过削峰幅度门限，则这多个采样点中幅度最大的采样点为峰值位置。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一处理模块具体用于：设置峰值位置所在的峰值区域时域信号幅度为预设值，同时保留限幅前峰值区域的信号相位不变。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二处理模块包括：
第一子模块，用于对峰值位置所在的峰值区域进行频谱分析，获得信号频谱模板：在峰值位置左右各取ntaps个采样点，对这些采样点进行傅立叶变换，判断各频率点功率是否大于预定门限，大于预定门限则认为该频点存在有效信号，否则认为该频点只有噪声，ntaps的取值为预置削峰波形的长度的一半；
第二子模块，用于根据信号频谱模板，对预置削峰波形进行修改，屏蔽掉只有噪声的频率点，以获得新的削峰波形，从而保证新的削峰波形带宽与实际发射信号的有效带宽相同；
第三子模块，用于采用新削峰波形对峰值位置所在的峰值区域信号进行削峰处理：设削峰幅度门限与峰值信号幅度的差值为峰值度量，把峰值位置左右各ntaps个采样点的幅度减去峰值度量与归一化后的新削峰波形的乘积，同时保留这部分信号限幅前的相位不变。
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