CN114244672A - 一种用于5g通信的削峰方法及装置 - Google Patents

一种用于5g通信的削峰方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于5G通信的削峰方法及装置，用于5G通信的削峰方法，首先在削峰前对信号源进行上采样，以提高信号频率分辨率；然后采用迭代脉冲抵消削峰，通过多次迭代削除大多数的峰值点；硬削峰处理漏掉的峰值点以获得更好的抑制效果；最后对削峰后信号进行抽取，恢复信号采样率。本发明针对5G通信中多载波信号峰值点密集的情况，通过设计阈值增量和峰值间隔参数，合理选择峰值位置，减少了CPG的调用频率，降低了硬件实现难度及复杂度；结合迭代脉冲抵消削峰和硬削峰，在相同指标下可取得更好的削峰效果。

Description

一种用于5G通信的削峰方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于5G通信的削峰方法及装置。
背景技术
5G通信系统下行链路传输多采用多载波波形，具有较高的PAPR(峰均功率比)，这给包括DAC(数模转换器)、HPA(射频功率放大器)在内的发射端设备提出了更为苛刻的要求，基站成本也随之提高。针对以上问题，CFR(削峰算法)应运而生。CFR算法本质是在降低信号PAPR的同时控制EVM(误差矢量幅度)及ACLR(邻道功率泄露比)恶化程度。PC-CFR(脉冲抵消削峰)作为工程中常用的削峰算法，可有效控制EVM和ACLR指标均衡，兼容不同波形制式，满足多种工作场景需求。
但现有的PC-CFR方法在对消密集的峰值点时，由于波形的相长干涉，会出现峰值再生的现象，从而导致EVM严重恶化。此外，目前5G通信技术提出的宽带传输、可靠低时延等要求对硬件处理速度也提出了新的挑战。
发明内容
本发明提供了一种用于5G通信的削峰方法及装置，节省硬件资源，灵活性强，在相同指标下可取得更好的削峰效果。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种用于5G通信的削峰方法，包括如下步骤：
S1、在削峰前对信号源进行上采样，以提高信号频率分辨率；
S2、采用迭代脉冲抵消削峰，通过多次迭代削除大多数的峰值点；
S3、硬削峰处理漏掉的峰值点以获得更好的抑制效果；
S4、对削峰后信号进行抽取，恢复信号采样率。
作为本发明的优化方案，在步骤S2的迭代脉冲抵消削峰处理中，具体包括以下步骤：
(1)确定迭代阈值，包括如下步骤：
S201、估算最小阈值Thrmin：计算单个符号的均方根r，集合记为R＝[r1,r2,r3,...,rL]，其中L为总符号数，最小均方根为rmin＝min(R)，由此估算最小阈值：
Figure BDA0003415279170000021
其中：TargetPAPRdB表示削峰后的目标峰均比；
S202、估算平均阈值Thrtarget：
Figure BDA0003415279170000022
其中：RMS(x)表示输入信号均方根；
S203、估算阈值增量ΔThr：
首先，由最小阈值及平均阈值得到阈值增量参考值：
Figure BDA0003415279170000023
其中：kiter表示迭代次数；
其次，以
Figure BDA0003415279170000024
为参考，调整阈值增量并做仿真估算PAPR及EVM，均衡两指标折中选择最优阈值增量ΔThr；
S204、确定迭代阈值：以最小阈值为起始阈值，以阈值增量为步进设定阈值，即迭代阈值分别为：
Thrmin,Thrmin+ΔThr,...,Thrmin+kiter*ΔThr；
(2)确定峰值点：包括如下步骤：
S211、利用CORDIC迭代算法计算信号采样点模值和相位；
S212、取过阈值部分的最大值点为峰值点：当输入信号采样点模值大于迭代阈值时，检测标志置为1，此后逐点比较得到较大值并保存相关信息；当模值再次低于迭代阈值时，检测标志置为0并记录此时最大值采样点位置到结束位置之间的延时，记为Delay；设定最大延时Delaymax，当Delay＝Delaymax时，确定当前最大值点为峰值点；
S213、两相邻峰值点间隔还应大于峰值间隔参数，如果是，则保存峰值点，如果否，则继续在原信号中搜索峰值，峰值间隔参数估算方法如下：
Figure BDA0003415279170000031
其中，
Figure BDA0003415279170000032
为峰值点幅度平均值，Thr为此次迭代中峰值检测的阈值，cqPulse为原型对消脉冲系数，ΔThr代表阈值增量，由上式计算得到cqPulse，可对应查找到其与脉冲系数峰值点处的位置间隔，即为所求峰值间隔参数。
(3)保存峰值点的位置、模值及相位信息到寄存器中用于产生相应的对消脉冲，最终输出低峰均比信号。
作为本发明的优化方案，在步骤S3中，硬削峰处理漏掉的峰值点即对峰值点信号幅度进行比例缩放，将其限制在硬削峰阈值以下，硬削峰阈值不小于Thrtarget。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种用于5G通信的削峰装置，包括上采样模块、迭代脉冲抵消削峰模块、硬削峰模块和下采样模块，高峰均比信号在削峰前首先经过上采样模块，上采样模块通过插值和滤波完成采样率变换后送入迭代脉冲抵消削峰模块，迭代脉冲抵消削峰模块多次削峰实现对大多数峰值点的削除，削除后的信号进入硬削峰模块，硬削峰模块削除漏掉的峰值点，从而输出低峰均比信号，最后下采样模块对削峰后信号进行抽取，恢复信号采样率。
作为本发明的优化方案，迭代脉冲抵消削峰模块包括峰值检测模块和峰值对消模块，峰值检测模块用于检测输入信号的峰值点，峰值对消模块用于产生与峰值点处对应的抵消脉冲，与输入信号合并后得到削峰后的信号。
作为本发明的优化方案，迭代脉冲抵消削峰模块和硬削峰模块后都跟有MUX数据选择器。
本发明具有积极的效果：
1)本发明针对5G通信中多载波信号峰值点密集的情况而设计，通过设计阈值增量和峰值间隔参数，合理选择峰值位置，减少了CPG(对消脉冲生成器)的调用频率，很大程度上节约了硬件资源，降低了硬件实现难度及复杂度；
2)本发明结合脉冲抵消削峰和硬削峰两种方法，可在相同指标下取得更好的峰值抑制效果；
3)本发明通过上采样、MUX模块增加工程实现的灵活性，可满足多种场景需求；
4)本发明可有效提高功放效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明用于5G通信的削峰方法的流程图；
图2是本发明确定迭代阈值方法的流程图；
图3是本发明峰值检测方法的流程图；
图4是本发明用于5G通信的削峰装置的原理框图；
图5是本发明迭代脉冲抵消削峰模块的结构示意图；
图6是本发明用于5G通信的削峰装置在5G小基站中位置示意图；
图7为一种5GNR信号经过本发明实施例削峰装置的处理和经过传统削峰装置处理后的峰均比CCDF性能对比曲线。
其中：10、上采样模块，20、迭代脉冲抵消削峰模块，30、硬削峰模块，40、下采样模块，201、峰值检测模块，202、峰值对消模块。
具体实施方式
本发明提供了一种用于5G通信的削峰方法及装置，更具体的说是降低5G通信系统中进入功率放大器之前的信号峰均比的方法和装置，尤其涉及一种针对峰值密集的多载波信号的削峰技术。以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅由于解释本发明，但不限定于本发明。
如图1所示，一种用于5G通信的削峰方法，包括如下步骤：
S1、在削峰前对信号源进行上采样，以提高信号频率分辨率；
S2、采用迭代脉冲抵消削峰，通过多次迭代削除大多数的峰值点；
S3、硬削峰处理漏掉的峰值点以获得更好的抑制效果；
S4、对削峰后信号进行抽取，恢复信号采样率。
在步骤S1中，对信号源进行上采样即通过插值和滤波完成采样率转换。其中包括内插因子设置及多相滤波器的设计，通过评估5G通信系统中CFR模块最大资源消耗及最大时延给出合理设计。其中，内插因子可灵活配置，例如1/2/4等，根据实际信号及削峰效果调整。
在步骤S2的迭代脉冲抵消削峰处理中，具体包括以下步骤：
(1)确定迭代阈值：峰值检测是一种过阈值检测，而迭代削峰中的阈值应随迭代次数的增加而增加，如图2所示，确定迭代阈值包括如下步骤：
S201、估算最小阈值Thrmin：计算单个符号的均方根r，集合记为R＝[r1,r2,r3,...,rL]，其中L为总符号数，最小均方根为rmin＝min(R)，由此估算最小阈值：
Figure BDA0003415279170000061
其中：TargetPAPRdB表示削峰后的目标峰均比；
S202、估算平均阈值Thrtarget：
Figure BDA0003415279170000062
其中：RMS(x)表示输入信号均方根；
S203、估算阈值增量ΔThr：
首先，由最小阈值及平均阈值得到阈值增量参考值：
Figure BDA0003415279170000063
其中：kiter表示迭代次数；
其次，以
Figure BDA0003415279170000064
为参考，调整阈值增量并做仿真估算PAPR及EVM，均衡两指标折中选择最优阈值增量ΔThr；
S204、确定迭代阈值：以最小阈值为起始阈值，以阈值增量为步进设定阈值，即迭代阈值分别为：
Thrmin,Thrmin+ΔThr,...,Thrmin+kiter*ΔThr；
(2)确定峰值点：如图3所示，包括如下步骤：
S211、利用CORDIC迭代算法计算信号采样点模值和相位；
S212、取过阈值部分的最大值点为峰值点：当输入信号采样点模值大于迭代阈值时，检测标志置为1，此后逐点比较得到较大值并保存相关信息；当模值再次低于迭代阈值时，检测标志置为0并记录此时最大值采样点位置到结束位置之间的延时，记为Delay；设定最大延时Delaymax，当Delay＝Delaymax时，确定当前最大值点为峰值点；
S213、两相邻峰值点间隔还应大于峰值间隔参数，如果是，则保存峰值点，如果否，则继续在原信号中搜索峰值，峰值间隔参数估算方法如下：
Figure BDA0003415279170000071
其中，
Figure BDA0003415279170000072
为峰值点幅度平均值，Thr为此次迭代中峰值检测的阈值，cqPulse为原型对消脉冲系数，ΔThr代表阈值增量，由上式计算得到cqPulse，可对应查找到其与脉冲系数峰值点处的位置间隔，即为所求峰值间隔参数，不等式左边表示抵消脉冲对峰值附近点幅度的影响，当将其控制在阈值增量以内时，即可忽略由峰值再生产生的小峰值。
(3)保存峰值点的位置、模值及相位信息到寄存器中用于产生相应的对消脉冲，最终输出低峰均比信号。即在步骤S2脉冲抵消削峰方法中，在获取峰值点后，还包括：记录峰值点的位置、模值和相位，调用预先存储在Memory中的原型对消脉冲，乘以缩放因子，得到对消脉冲信号，与延迟的输入信号对消，输出低峰均比信号。
步骤S2，对上采样后的信号进行削峰处理，首先采用脉冲抵消削峰方法，即在检测到峰值后触发CPG模块，利用缩放因子控制信号的幅度及相位，最后在峰值点处减去与其相对应的原型对消脉冲和缩放因子的乘积，得到低峰均比信号。
其中，由于峰值点较为密集，并不能做到每个峰值点在初次削峰处理时都能分配到CPG。因此，削峰需多次迭代直至削除大多数的峰值点。迭代次数需根据算法延迟及最终削峰效果设定。
此外，原型对消脉冲信号由最小二乘FIR滤波器产生，根据滤波性能、所占资源及时延合理设计滤波器阶数。同一波形制式可采用同一组信号，针对S1中不同的采样率可对脉冲系数进行抽取。
步骤S213所述峰值间隔参数，针对不同制式波形，对消脉冲系数不同，相应的峰值间隔不同。由此，事先设计不同的峰值窗间隔，生成峰值间隔查找表。
在步骤S3中，硬削峰处理漏掉的峰值点即对峰值点信号幅度进行比例缩放，将其限制在阈值以下，硬削峰阈值不小于Thrtarget。由于硬削峰会带来严重的频谱扩散，硬削峰阈值不应小于脉冲抵消削峰的阈值Thrtarget(迭代中的阈值是变化的，此处采用平均阈值表示)。
在步骤S4中，对削峰后信号进行下采样即采用抽取的方式恢复信号的采样率，抽取因子和滤波器的设计与上采样对应。
如图4所示，本发明还公开了一种用于5G通信的削峰装置，包括上采样模块10、迭代脉冲抵消削峰模块20、硬削峰模块30和下采样模块40，高峰均比信号在削峰前首先经过上采样模块10，上采样模块10通过插值和滤波完成采样率变换后送入迭代脉冲抵消削峰模块20，迭代脉冲抵消削峰模块20多次削峰实现对大多数峰值点的削除，削除后的信号进入硬削峰模块30，硬削峰模块30削除漏掉的峰值点，从而输出低峰均比信号，最后下采样模块40对削峰后信号进行抽取，恢复信号采样率。
如图5所示，迭代脉冲抵消削峰模块20包括峰值检测模块201和峰值对消模块202，峰值检测模块201用于检测输入信号的峰值点，峰值对消模块202用于产生与峰值点处对应的抵消脉冲，与输入信号并后得到削峰后的信号。
迭代脉冲抵消削峰模块20和硬削峰模块30后都跟有MUX数据选择器。可灵活适应算法结构更改，满足多种工作场景需求。
如图6所示，为用于5G通信的削峰装置在5G小基站中位置示意图。CFR位于RRU(射频拉远单元)的数字处理模块，用于降低进入功率放大器之前的基带信号峰均比，从而提升功放的整体效率，降低基站功耗及成本。
实施时，进入RRU的高峰均比信号在削峰前首先经过上采样模块10，即通过插值和滤波完成采样率变换。其次，将输出信号送入迭代脉冲抵消削峰模块20，经过多次削峰实现对大多数峰值点的削除。然后，信号进入硬削峰模块30，削除漏掉的峰值点，从而输出低峰均比信号。最后，下采样模块40对削峰后信号进行抽取，恢复信号采样率。
上采样模块10涉及内插因子设置和多相滤波器的设计，通过评估系统中CFR模块最大资源消耗及最大时延给出合理设计。其中，内插因子可灵活配置，例如1/2/4等，根据实际信号及削峰效果调整。
迭代脉冲抵消削峰模块20中，每一次迭代完成一次脉冲抵消削峰，图5为本发明一种脉冲抵消削峰装置的结构示意图。峰值检测模块201涉及以下内容：
首先，确定迭代阈值。求解步骤为：首先，估算最小阈值Thrmin，计算单个符号的均方根并求解最小值值rmin，由此估算最小阈值Thrmin：
Figure BDA0003415279170000091
其次，估算平均阈值Thrtarget：
Figure BDA0003415279170000092
然后，估算阈值增量ΔThr，以阈值增量参考值
Figure BDA0003415279170000093
为依据，调整阈值增量并做仿真估算PAPR及EVM，均衡两指标折中选择最优阈值增量ΔThr；最后，确定迭代阈值为：Thrmin,Thrmin+ΔThr,...,Thrmin+kiter*ΔThr。
然后，确定峰值点。求解步骤为：首先，利用CORDIC迭代算法计算信号采样点模值和相位；然后，取过阈值部分的最大值点为峰值点：当输入信号采样点模值大于迭代阈值时，检测标志置为1，此后逐点比较得到较大值并保存相关信息。当模值再次低于迭代阈值时，检测标志置为0并记录此时最大值采样点位置到结束位置之间的延时，记为Delay。设定最大延时Delaymax，当Delay＝Delaymax时，确定当前最大值点为峰值点；最后，判断两相邻峰值点间隔还应大于峰值间隔参数，如果是，则保存峰值点，如果否，则继续在原信号中搜索峰值。峰值间隔参数由步骤S213所得。
峰值对消模块202，在检测到峰值后触发CPG，调用原型对消脉冲，乘以缩放因子，得到对消脉冲信号，与延迟的原信号对消，即可输出低峰均比信号。
在峰值对消模块202中，CPG模块由最小二乘FIR滤波器产生，根据滤波性能、所占资源及时延合理设计滤波器阶数。此步骤离线完成，原型抵消脉冲系数预先存放在Memory中。
硬削峰模块30中硬削峰阈值不小于Thrtarget，通过将峰值点信号幅度进行比例缩放，将其限制在硬削峰阈值以下。
下采样模块40中抽取因子和滤波器的设计与上采样模块10对应。
图7所示是5G基带信号(100MHzNR信号，30kHzSCS，273RBs)经本发明实施例中削峰装置和传统削峰装置处理后峰均比CCDF性能对比曲线。从图中可看出，本发明实施例削峰后信号PAPR有明显降低，由削峰前的12.98dB(0.01％@CCDF)降为8.49dB。而与传统削峰方法比，在相同指标下性能提高近1dB。本发明针对5G通信中的削峰处理，尤其是峰值点密集的情况，可取得更好的峰值抑制效果。
本发明尤其针对峰值点密集情况而设计，通过设计阈值增量和峰值间隔参数，合理选择峰值位置，不仅避免了峰值再生，而且减少了CPG的调用频率。以10ms实施例中信号为例：采用传统及本发明峰值检测方法得到的峰值点个数分别为2161个和2157个，即通过本发明方法平均每秒可减少约400个CPG的消耗。
本发明考虑到实际通信系统设计中的硬件资源消耗，阈值增量、原型对消脉冲、峰值间隔查找表都由离线得出，并由硬件直接调用。通过上采样、MUX模块增加工程实现的灵活性，可满足多种场景。本发明不限于只处理峰值密集的载波配置情况，其它情况其削峰效果也与传统技术相当。本发明设计的削峰装置适用于5G通信系统中进入功放之前的部分，例如BBU、RRU等部分均适用。
本发明用于5G通信的削峰装置可有效提高射频功率放大器的效率，降低硬件成本及运营成本。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于5G通信的削峰方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、在削峰前对信号源进行上采样，以提高信号频率分辨率；
S2、采用迭代脉冲抵消削峰，通过多次迭代削除大多数的峰值点；
S3、硬削峰处理漏掉的峰值点以获得更好的抑制效果；
S4、对削峰后信号进行抽取，恢复信号采样率。
2.根据权利要求1所述的一种用于5G通信的削峰方法，其特征在于：在步骤S2的迭代脉冲抵消削峰处理中，具体包括以下步骤：
(1)确定迭代阈值，包括如下步骤：
S201、估算最小阈值Thrmin：计算单个符号的均方根r，集合记为R＝[r1,r2,r3,...,rL]，其中L为总符号数，最小均方根为rmin＝min(R)，由此估算最小阈值：
Figure FDA0003415279160000011
其中：TargetPAPRdB表示削峰后的目标峰均比；
S202、估算平均阈值Thrtarget：
Figure FDA0003415279160000012
其中：RMS(x)表示输入信号均方根；
S203、估算阈值增量ΔThr：
首先，由最小阈值及平均阈值得到阈值增量参考值：
Figure FDA0003415279160000013
其中：kiter表示迭代次数；
其次，以
Figure FDA0003415279160000014
为参考，调整阈值增量并做仿真估算PAPR及EVM，均衡两指标折中选择最优阈值增量ΔThr；
S204、确定迭代阈值：以最小阈值为起始阈值，以阈值增量为步进设定阈值，即迭代阈值分别为：
Thrmin,Thrmin+ΔThr,...,Thrmin+kiter*ΔThr；
(2)确定峰值点：包括如下步骤：
S211、利用CORDIC迭代算法计算信号采样点模值和相位；
S212、取过阈值部分的最大值点为峰值点：当输入信号采样点模值大于迭代阈值时，检测标志置为1，此后逐点比较得到较大值并保存相关信息；当模值再次低于迭代阈值时，检测标志置为0并记录此时最大值采样点位置到结束位置之间的延时，记为Delay；设定最大延时Delaymax，当Delay＝Delaymax时，确定当前最大值点为峰值点；
S213、两相邻峰值点间隔还应大于峰值间隔参数，如果是，则保存峰值点，如果否，则继续在原信号中搜索峰值，峰值间隔参数估算方法如下：
Figure FDA0003415279160000021
其中，
Figure FDA0003415279160000022
为峰值点幅度平均值，Thr为此次迭代中峰值检测的阈值，cqPulse为原型对消脉冲系数，ΔThr代表阈值增量，由上式计算得到cqPulse，可对应查找到其与脉冲系数峰值点处的位置间隔，即为所求峰值间隔参数。
(3)保存峰值点的位置、模值及相位信息到寄存器中用于产生相应的对消脉冲，最终输出低峰均比信号。
3.根据权利要求2所述的一种用于5G通信的削峰方法，其特征在于：在步骤S3中，硬削峰处理漏掉的峰值点即对峰值点信号幅度进行比例缩放，将其限制在硬削峰阈值以下，硬削峰阈值不小于Thrtarget。
4.一种用于5G通信的削峰装置，其特征在于：包括上采样模块(10)、迭代脉冲抵消削峰模块(20)、硬削峰模块(30)和下采样模块(40)，高峰均比信号在削峰前首先经过上采样模块(10)，上采样模块(10)通过插值和滤波完成采样率变换后送入迭代脉冲抵消削峰模块(20)，迭代脉冲抵消削峰模块(20)多次削峰实现对大多数峰值点的削除，削除后的信号进入硬削峰模块(30)，硬削峰模块(30)削除漏掉的峰值点，从而输出低峰均比信号，最后下采样模块(40)对削峰后信号进行抽取，恢复信号采样率。
5.根据权利要求4所述的一种用于5G通信的削峰装置，其特征在于：所述迭代脉冲抵消削峰模块(20)包括峰值检测模块(201)和峰值对消模块(202)，所述的峰值检测模块(201)用于检测输入信号的峰值点，所述的峰值对消模块(202)用于产生与峰值点处对应的抵消脉冲，与输入信号合并后得到削峰后的信号。
6.根据权利要求5所述的一种用于5G通信的削峰装置，其特征在于：迭代脉冲抵消削峰模块(20)和硬削峰模块(30)后都跟有MUX数据选择器。
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