CN116827388A - 一种基于fpga开发的适用于中压载波通信系统的pc-cfr算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA开发的适用于中压载波通信系统的PC‑CFR算法，属于电力线通信技术领域。其技术方案包括：输入数据通过峰值检测模块计算出复值信号的幅值和相位以及记录信号超过门限值的幅值和相位；峰值缩放模块检查峰值和阈值的幅度差值；脉冲发生器(CPG)模块，输出未被缩放的削峰脉冲波形，与峰值位置相对齐；分配器，分配器控制削峰运算中的CPG资源分配。本发明优化了基于FPGA开发的PC‑CFR算法，通过设置分配器，使得占用的FPGA内部资源减少。
Description
技术领域
本发明属于电力线通信技术领域，具体涉及一种基于FPGA开发的适用于中压载波通信系统的PC-CFR算法。
背景技术
中压载波系统通信主要使用的技术为OFDM(orthogonal frequency divisionmultiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(multi carrier modulation)多载波调制的一种，因为其具有较高的频谱利用率、良好的网络结构可扩展性和抗多径干扰能力强等优点得到了普遍应用。但是，OFDM信号是由不同振幅、不同频率的多个子载波信号进行叠加成的，因此会产生很高的峰均功率比(PAPR)。而PAPR过大，则其对线性高功率放大器线性放大的要求也会相应的提高，从而使系统的实现难度和造价大大增加，同时也使得射频功率放大器的效率大幅降低，因此抑制峰均比是提高OFDM性能的重要手段之一。
目前，降低OFDM系统PAPR的方法一般分为3大类：编码类、概率类和限幅类。其中编码类方法的带宽效率和编码率比较低，且当子载波数较多的情况编码效率很低；概率类虽然可以大大减少峰值信号出现的概率，但是代价极大，需要进行额外的大量的IFFT运算，占用大量的板间逻辑资源，而且接收机又需要得知所选择的随机相位序列矢量，而且要严格确保接收机可以正确地接收到随机矢量信息，难以实现。而限幅滤波是直接对信号的幅值进行限制，操作实现上较为简单，但此方法在限制信号峰值的同时也会产生带外频谱泄露和带内失真的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种利用限幅类中的峰值脉冲抵消方法(PC-CFR)，通过从超过给定门限值的信号峰值中减去谱状脉冲，从而达到减小信号功率的峰值-均值比(PAPR)。用于削峰的脉冲应设计成具有与CFR输入信号相同的频谱，这样不会产生带外干扰。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于FPGA开发的适用于中压载波通信系统的PC-CFR算法，具体包括以下步骤：
通过从超过给定门限值的信号峰值中减去谱状脉冲，从而达到减小信号功率的峰值平均功率比(PAPR)；
用于削峰的脉冲应设计成具有与CFR输入信号相同的频谱，这样不会产生带外干扰；
设计峰值检测模块要完成两个功能：一是计算出输入信号的幅值和相位，二是将信号超过门限值的幅值和相位一同记录；
设计峰值缩放模块检查峰值和阈值的幅度差值；
幅度差值与相位信息相结合产生复数加权，用来缩放削峰脉冲的系数；
设计脉冲发生器(CPG)模块，输出未被缩放的削峰脉冲波形，与峰值位置相对齐；
设计分配器，分配器控制削峰运算中的CPG资源分配。
进一步的，计算OFDM符号的峰均比PAPR，公式为：
其中xn为OFDM符号中第n个子载波的幅值，max(|xn|2)表示OFDM符号各个子载波的最大能量值，E(|xn|2)表示OFDM符号的平均功率，PAPR的单位为dB。
进一步的，定义OFDM符号如下：
式中，f0是信号s(t)的基频，Ak是第k个子载波信号的幅值，Δf0是相邻子载波间的频率间隔，θk是第k个随机相位序列的相位。
当子载波信号的幅值在整个时域上相等时，信号s(t)的瞬时功率值为：
由此可知功率幅值为EP(t)＝NA2+2A2P0(t)，其中：
根据PAPR定义可知：
式中，|s(t)|2为信号s(t)的幅值，NA2为信号s(t)的平均功率，N为子载波个数。
由此可知，要想找到比较小PAPR值，就应该使用更优的相位组合。
进一步地，削峰门限Threshold的计算公式为Threshold＝sqrt(100.1×clipp_ratio_dB×var(x))，其中clipp_ratio_dB为削峰门限值功率与输入信号平均功率的比值，即期望的PAPR的dB值，var(x)为输入信号的平均功率。
进一步地，设计峰值检测模块，利用坐标旋转法(CORDIC)计算输入信号的幅值与相位，设计稍高于阈值的门限值来致力于检测超过门限一定范围的峰值。
进一步地，设计峰值缩放模块，利用极坐标模式计算缩放的幅度与相位，计算公式为α＝(|x|-γ)×ejθ，其中α为复数缩放值，|x|为信号峰值的幅度，γ为裁剪阈值，θ为信号峰值的相位。
进一步地，设计脉冲发生器模块(CPG)，产生一个所存的削峰脉冲的未缩放拷贝。该削峰脉冲被设计成与输入信号占据相同的频带。削峰脉冲的系数可以通过任何首选的滤波器设计方法得到，系数计算完成后被写入到PC-CFR设计中。设计外围的存储器可以根据预先确定的载波配置，存储多组削峰脉冲系数。使用简单的选择器电路，可以传输一组选定的系数到PC-CFR存储器中。
进一步地，设计分配器，分配器控制削峰运算中的CPG资源分配。在上电时，所有的CPG均闲置。第一个信号峰值来到时，分配器分配第一个CPG进行削峰，同时标记该CPG已被占用。CPG一旦被分配，在整个削峰脉冲长度(以样本数计)内均被占用。当下个峰值来到时，分配器检查每个CPG的状态，分配第一个闲置的。当所有的CPG均被占用，此时来到的峰值不会被削减，必须由算法的下一级迭代完成。
本发明的有益效果：本发明优化了基于FPGA开发的PC-CFR算法，通过设置分配器，使得占用的FPGA内部资源减少，在达到削峰的同时抑制了带外频谱泄露和带内失真。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于FPGA开发的适用于中压载波通信系统的PC-CFR算法流程图。
图2为本发明PC-CFR模块顶层框图。
图3为本发明一次迭代框图。
图4位本发明仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例：如图1所示，本发明的包括以下步骤：
步骤1：输入PC-CFR模块的数据经过峰值检测模块，通过坐标旋转算法，利用基本的加和移位运算代替乘除运算，来计算输入信号的幅值和相位。通过采用一个比门限值稍高的检测门限值来定位输入信号的峰值，它使该坐标旋转算法忽略恰好超过门限值的峰值，只致力于超过门限值一定范围的峰值。
这样做可以提升性能的主要原因是这样的：当峰值再生，会产生一些近门限值峰值。在第二次迭代中给这些小峰值分配CPG资源会产生最小的PAPR减小，同时存在漏掉在第一次迭代中未削弱的较大峰值的风险。
步骤2：峰值缩放模块，利用极坐标模式，对输入信号步骤一处理后的信号进行缩放，并根据公式α＝(|x|-γ)×ejθ计算输入信号缩放的倍数。
步骤3：通过分配器控制削峰运算中的CPG资源分配。
在上电时，所有的CPG均闲置。当进入分配器的信号第一个信号峰值来到时，分配器分配第一个CPG对信号进行削峰，同时标记该CPG已被占用。CPG一旦被分配，在整个削峰脉冲长度(以样本数计)内均被占用。当下一个峰值来到时，分配器检查每个CPG的状态，分配第一个被检查到闲置的CPG对信号进行削峰。
步骤4：每个CPG，产生一个削峰脉冲。该削峰脉冲被设计成与输入信号占据相同的频带。削峰脉冲的系数可以通过任何首选的滤波器设计方法得到，系数计算完成后被写入到PC-CFR设计中。对于多载波配置，首先设置一个原型滤波器，该滤波器与一个单子载波的频谱相匹配，然后对该原型滤波器进行频率搬移，搬移后的原型滤波器复制品被放置在每路载波的中心频率处，之后可以通过相加得到一个复合的多频带滤波器，原型滤波器通过MATLAB中的fdatool完成。复合多路载波系数由公式 其中M为子载波的数量，N为滤波器长度，fi为第i路载波的频率，fs为采样频率，g(k)为原型滤波器。
如图2所示，为本发明PC-CFR顶层模块，系统时钟频率为80MHz，数据采样频率为240MHz，每个迭代模块是相同模块的调用。
如图3所示，为本发明的PC-CFR一次迭代框图，其中：cordic_xy_r计算出信号的幅值和相位；peak_detect模块利用信号幅值信息确定信号峰值的位置；peak_scale模块计算出信号幅值与削峰门限的差值，再根据信号的相位信息计算出每个峰值减去门限后的复坐标；peak_align模块和peak_scale_delay模块用来对其减后的值与峰值位置的信号。而c_pulses模块将经过模块处理的信号与输入本模块的信号进行对应，根据同相位相减，不同相位相加达到削峰抑制效果。data_in_delay模块将输入信号延时适当时延，最终在substract模块将输入与削峰波形相减得到削峰后信号。
如图4所示，为本发明的时序仿真图，其中绿线为输入PCCFR模块的仿真图，红线为PCCFR模块的输出仿真图，通过仿真图可以看出能够达到很好的削峰抑制效果。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。
Claims (6)
1.一种基于FPGA开发的适用于中压载波通信系统的PC-CFR算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过从超过给定门限值的信号峰值中减去谱状脉冲，从而达到减小信号功率的峰值平均功率比(PAPR)；
S2：用于削峰的脉冲应设计成具有与CFR输入信号相同的频谱，这样不会产生带外干扰；
S3：设计峰值检测模块检查该模块要完成两个功能：一是计算出复值信号的幅值和相位，二是将信号超过门限值的幅值和相位一同记录；
S4：设计峰值缩放模块检查峰值和阈值的幅度差值；
S5：幅度差值与相位信息相结合产生复数加权，用来缩放削峰脉冲的系数；
S6：设计脉冲发生器(CPG)模块，输出未被缩放的削峰脉冲波形，与峰值位置相对齐；
S7：设计分配器，分配器控制削峰运算中的CPG资源分配。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA开发的适用于中压载波通信系统的PC-CFR算法，其特征在于，CFR输入信号和削峰脉冲都是复数，峰值搜索是基于信号的幅度。削峰门限Threshold的计算公式为Threshold＝sqrt(100.1×clipp_ratio_dB×var(x))，其中clipp_ratio_dB为削峰门限值功率与输入信号平均功率的比值，即期望的PAPR的d B值，var(x)为输入信号的平均功率。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA开发的适用于中压载波通信系统的PC-CFR算法，其特征在于，所述峰值检测模块，利用坐标旋转法(CORDIC)计算复值信号的幅值与相位，设计稍高于阈值的门限值来致力于检测超过门限一定范围的峰值。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA开发的适用于中压载波通信系统的PC-CFR算法，其特征在于，所述峰值缩放模块，利用极坐标模式计算缩放的幅度与相位，计算公式为α＝(|x|-γ)×ejθ，其中α为复数缩放值，|x|为信号峰值的幅度，γ为裁剪阈值，θ为信号峰值的相位。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA开发的适用于中压载波通信系统的PC-CFR算法，其特征在于，所述脉冲发生器模块(CPG)，产生一个所存的削峰脉冲的未缩放拷贝。该削峰脉冲被设计成与输入信号占据相同的频带。削峰脉冲的系数可以通过任何首选的滤波器设计方法得到，系数计算完成后被写入到PC-CFR设计中。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA开发的适用于中压载波通信系统的PC-CFR算法，其特征在于，所述分配器，分配器控制削峰运算中的CPG资源分配。在上电时，所有的CPG均闲置。第一个信号峰值来到时，分配器分配第一个CPG进行削峰，同时标记该CPG已被占用。CPG一旦被分配，在整个削峰脉冲长度(以样本数计)内均被占用。当下个峰值来到时，分配器检查每个CPG的状态，分配第一个闲置的。当所有的CPG均被占用，此时来到的峰值不会被削减，必须由算法的下一级迭代完成。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117278185A (zh) * | 2023-11-24 | 2023-12-22 | 四川恒湾科技有限公司 | 一种基于ofdm系统的峰值削减系统及方法 |
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2023
- 2023-07-25 CN CN202310911781.9A patent/CN116827388A/zh active Pending
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| CN117278185A (zh) * | 2023-11-24 | 2023-12-22 | 四川恒湾科技有限公司 | 一种基于ofdm系统的峰值削减系统及方法 |
| CN117278185B (zh) * | 2023-11-24 | 2024-02-20 | 四川恒湾科技有限公司 | 一种基于ofdm系统的峰值削减系统及方法 |
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