CN1972265A - 4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，包括如下步骤：步骤1，首先对频域发送信号进行频域补零，然后作IFFT变换将信号变换到时域，得到2倍过采样的时域信号；步骤2，对所述的2倍过采样信号进行削峰处理；步骤3，对所述削峰处理后的信号进行2倍上采样，从而使信号的采样速率提高到4倍采样速率；步骤4，对所述4倍采样速率的信号，进行滤波。通过很低的计算复杂度，达到降低峰均功率比、符号带外频谱规范等要求，并且在接收端正常同步的前提下，基本上不影响系统误码率/误帧率性能。且在系统的接收端，不需要进行额外的处理。

Description

4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法

技术领域

本发明涉及一种4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统峰均比抑制方法，尤其涉及一种个人网络MC-SS系统的峰均比抑制方法。

背景技术

目前已经针对OFDM系统提出了多种抑制峰均功率比的技术，主要分为IFFT以前的峰均功率比抑制技术和IFFT之后的峰均功率比抑制技术两大类。

现有的针对OFDM系统的峰均功率比抑制中，在IFFT以前的操作方法，例如冗余分组编码方法等，大多需要消耗系统频谱资源，在IFFT以后的操作方法，包括限幅方法、压缩扩展变换方法等，其中压缩扩展变换需要在接收端做逆变换，复杂度较高，而限幅方法是复杂度最低的一类方法。现有的OFDM系统的限幅抑制峰均功率比方法中，主要采用FFT过采样后即作限幅滤波的结构。

多载波扩频(MC-SS)系统是欧盟组织开发的个人网络的高数据速率空中接口方案。由于功率放大器的非线性特性，多载波系统的峰均功率比会造成带外频谱泄漏、覆盖范围减小、功率效率下降、信号失真等问题。如果MC-SS系统也采用FFT过采样后即限幅滤波的方法，那么按照MC-SS系统的频谱规范要求，需要采用4倍的FFT过采样，对于个人网络的设备，复杂度过高。如果只考虑滤波器对频谱性能的改善来较为随意地设计滤波器，则会因为滤波器引入了符号间干扰而影响系统的误帧率性能。

目前个人网络的MC-SS系统方案中，尚未有单位根据MC-SS系统的特定要求，提出MC-SS系统的峰均比抑制的有效解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统(尤其是个人网络MC-SS系统)中，峰均比过高造成的带外频谱泄漏、覆盖范围减小、功率效率下降、信号失真等问题，并且保持很低的复杂度。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供一种4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，首先对频域发送信号进行频域补零，然后作IFFT变换将信号变换到时域，得到2倍过采样的时域信号；

步骤2、对所述的2倍过采样信号进行削峰处理；

步骤3、对所述削峰处理后的信号进行2倍上采样，从而使信号的采样速率提高到4倍采样速率；

步骤4、对所述4倍采样速率的信号，进行滤波。

进一步地，在所述步骤1后还包括步骤、对上述2倍过采样的时域信号，实施功率控制。

进一步地，所述步骤5中的滤波为无符号间干扰的有限冲激响应滤波，即，除了中间一个抽头系数为1，对应于原始信号外，其偶数位置的抽头系数均为零。

另外，本发明还提供一种4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，包括如下步骤：

步骤1，首先对频域发送信号进行频域补零，然后作IFFT变换将信号变换到时域，得到2倍过采样的时域信号；

步骤2、对所述2倍过采样信号进行2倍上采样，从而使信号的采样速率提高到4倍采样速率；

步骤3、对所述的4倍采样速率的发送信号进行削峰处理；

步骤4、对所述削峰后的信号，进行滤波。

进一步地，在所述步骤1之后还包括步骤：对上述2倍过采样的时域信号，实施功率控制。

本发明不需要采用复杂度高的4倍过采样(4倍DFT大小)，只需通过采用2倍过采样(2倍DFT大小)和2倍上采样(复杂度低)相结合，并后接与之相匹配而设计的无符号间干扰的滤波器，在同时满足个人网络的频谱规范要求的前提下，通过很低的计算复杂度，达到降低峰均功率比、符号带外频谱规范等要求，并且在接收端正常同步的前提下，基本上不影响系统误码率/误帧率性能。且在MC-SS系统的接收端，不需要进行额外的处理。

附图说明

图1是本发明的峰均功率比抑制方法的流程图

图2是本发明的IFFT模块的输入信号位置模块图

图3是23抽头有限冲激响应滤波器的频谱特性图

图4是MC-SS系统经过4db限幅后尚未滤波的信号频谱图

图5是MC-SS系统经过4db限幅后，通过滤波器滤波后的信号频谱图

图6是MC-SS系统通过所述峰均功率比抑制处理后的峰均功率比统计分布图

图7是功率放大器回退等于8.5dB时，MC-SS系统经峰均功率比抑制后的误帧率性能

图8是功率放大器回退等于7dB时，MC-SS系统经峰均功率比抑制后的误帧率性能

图9是功率放大器回退等于5.5dB时，MC-SS系统经峰均功率比抑制后的误帧率性能

图10是在各种不同的功率放大器回退下，MC-SS系统经峰均功率比抑制后的误帧率性能比较。

具体实施方式

下面以40MHz采样频率的MC-SS基本系统为例，具体说明本发明在个人网络中的应用方法。

对40MHz采样频率的MC-SS系统，其基本系统参数如表1所示。

表一40MHz采样频率MC-SS系统的基本参数

定义其子载波序号为-127，-126，…，127，128，其中DC所对应的子载波序号为0，有效子载波(包括数据子载波和导频子载波)所对应的序号为-105，-104，…，-2，-1以及1，2，…，104，105。将频域发送信号表示为S(n)，其中n为子载波序号。

在发射端所实施的峰均功率比抑制方法步骤如下：

步骤1、对该MC-SS系统的频域发射信号S(k)，除了在n＝0的直流位置补一个零和在n＝-128，-126，…，-106以及n＝106，107，…，127的保护边带子载波位置补45个零外，同时在n＝-256，-254，…，-129以及n＝128，130，…，255的高频段子载波位置补256个零，然后做512点的IFFT将信号变换到时域，插入20点的循环前缀，得到2倍过采样的MC-SS时域信号。

对于512点的IFFT模块，该MC-SS系统的频域信号S(n)所对应的输入位置如图2所示。

该512点IFFT模块的输出为时域信号s’(m)，m＝0，1，…，511。插入20点的循环前缀后，该2倍过采样信号在一个MC-SS符号中的时域输出序列s(k)为s’(492)，s’(493)，…，s’(511)，s’(0)，s’(1)，…，s’(511)，长度为532。

步骤2、对以上2倍过采样的时域离散信号s(k)，实施功率控制，按照功率控制指令的要求，调节时域信号的平均发射功率。

s_PC(k)＝α·s(k)

其中α为功率控制用的实标量乘法因子。

步骤3、对以上功率控制后的2倍过采样信号s_PC(k)，将功率超过阈值P_CL的基带信号，保持其相位不变，而将其幅度限制到 $A_{\mathrm{CL}}=\sqrt{P_{\mathrm{CL}}},$ 得到限幅以后的信号s_CL(k)。

$s_{\mathrm{CL}}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{PC}}\left(k\right)& \left|s_{\mathrm{PC}}\left(k\right)\right|\≤A_{\mathrm{CL}}\\ A_{\mathrm{CL}}\·\arg \left\{s_{\mathrm{PC}}\left(k\right)\right\}& \left|s_{\mathrm{PC}}\left(k\right)\right|>A_{\mathrm{CL}}\end{array}\right.$

设功率放大器的饱和功率为P_sat，功率控制指令所规定的平均发射功率为P_ave，则A_CL由两者之差backoff＝P_sat-P_ave决定。从backoff值到A_CL的值的映射关系，应当根据功率控制步长和所选择的功率放大器硬件的饱和功率等参数，通过离线性能优化，建立一个映射表，在线工作时通过查表的方法，根据当前的backoff值，综合考虑频谱、性能、功耗等因素，确定当前最优的A_CL值。8、根据权利要求1或7所述的4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，所述步骤3中的削峰处理方法，还包括最优阈值的选择步骤：根据功率控制步长和所选择的功率放入大器硬件的饱各功率等参数，通过离线性能优化，建立一个映射表，在线工作时通过查表的方法，根据当前的平均发射功率与饱和发射功率之间的差异值，综合考虑频谱、性能、功耗等因素，确定最优的阈值。本具体实施例中，采用的映射表建立方法的一个例子为：首先根据功率控制步长，例如1.5dB，确定功放回退参数的取值集合，例如1dB，2.5dB，4dB，5.5dB，…；然后在每种功放回退参数取值下，离线用各种削峰阈值进行，例如以1dB为步长，可以有1dB，2dB，3dB，…，去除其中使系统频谱性能不能满足频谱规范要求的削峰阈值，例如功放回退参数取值为5.5dB时，削峰阈值若超过4dB，频谱规范就不能很好地满足，因此必须取为4dB以下；此后可以按照系统误帧率等其它性能要求，选取各功放回退参数取值所对应的最优削峰阈值。

步骤4、对以上削峰后的信号s_CL(k)，进行2倍上采样，即在每两个相邻采样点之间插入一个零，获得4倍采样速率的信号s_US(k)。

s_US(2k)＝s_CL(k)，s_US(2k+1)＝0，k＝0，1，…，531

步骤5、对以上经过上采样的信号s_US(k)，进行无符号间干扰的有限冲激响应滤波，以控制带外频谱达到频谱规范要求。

s_FIR(k)＝g(k)*s_US(k)

其中g(k)为FIR滤波器系数序列，符号*表示卷积运算。

为不引入符号间干扰，可以利用2倍上采样信号的特性，设计g(k)序列使其除对应于原信号的抽头位置外，其它所有偶数位置处的抽头系数均等于零。这里给出一个23抽头的滤波器的系数作为示例：

C_filter＝[-0.0055，0.0000，0.0152，-0.0000，-0.0383，0.0000，0.0839，-0.0000，-0.1836，0.0000，0.6266，1.0000，0.6266，0.0000，-0.1836，-0.0000，0.0839，0.0000，-0.0383，-0.0000，0.0152，0.0000，-0.0055]

该有限冲激响应滤波器的长度在原信号s(k)的6倍采样周期时间内。除了中间一个抽头系数为非零值，对应于原始信号外(本具体实施例中，该值为1)，其偶数位置的抽头系数均等于零，因此对于本发明中的经过2倍上采样的信号，可以很好地消除符号间干扰。

所述步骤3和步骤4可以交换，不影响性能，但复杂度会略有一点增加。

该滤波器的频谱特性如图3所示。

在进行4dB限幅的条件下，滤波前的信号s_CL(k)的频谱特性如图4所示。由于采用了2倍上采样，所以在两侧形成了镜像频谱。在进行4dB限幅的条件下，经过上述有限冲激响应滤波器滤波后的信号s_FIR(k)的频谱特性如图5所示。在图4和图5中，红色的折线为MC-SS系统的频谱规范要求。

滤波后的峰均功率比的统计分布特性如图6所示。由图可见，由于采用了2倍过采样，所以通过有限冲激响应滤波后产生的峰值再生并不大，可以通过控制限幅阈值参数，来控制滤波后的峰均功率比的统计分布。

图7，图8和图9分别给出了当功率放大器回退等于8.5dB，7dB和5.5dB时，经过以上峰均功率比抑制处理后，MC-SS系统的误帧率性能。采用QPSK调制，1/2卷积编码，MATRICE功率放大器模型，HIPERLAN2多径衰落信道。

在以上三个误帧率的仿真图中，限幅阈值的取值范围均保证了带外频谱能够满足MC-SS系统要求。横坐标为总的Eb/N0，即同时考虑了功率放大器回退之后的比特信噪比水平。

通过进行以上这样一些仿真，即可以确定在每个功率回退取值(即对应于发射功率值)时，在满足带外频谱要求的前提下，误帧率性能最优的限幅阈值参数。

图10是根据以上结果得出的不同功率回退取值时，采用最优限幅阈值的MC-SS系统误帧率性能。为公平比较，横坐标采用当功率放大器采用饱和功率时的参考Eb/N0水平。参考Eb/N0水平同前面所用的总Eb/N0的换算关系为：总Eb/N0＝采用饱和发射功率时的参考Eb/N0-功率放大器回退。例如：当功率放大器回退等于7dB时，12dB的参考Eb/N0对应于5dB的总Eb/N0。

由图10可见，通常情况下，随着功率放大器回退的增大，误码率性能变差，这是因为发射功率降低对MC-SS系统误帧率性能的影响，超过了最优削峰阈值增大使信号非线性失真减小对MC-SS系统性能的改善。

当信道信噪比较好时，参考Eb/N0较大，若干种参数配置下的误帧率性能都满足系统的服务质量要求，此时可以采用功率放大器回退最大的配置，以降低发射机功耗。此时最优削峰阈值很高，系统基本上工作于线性区。当信道信噪比较大时，参考Eb/N0较小，只有当功率放大器回退小于一定的值时，误帧率才能够满足系统的服务质量要求，此时发射机功率必须提高到足够的水平。当信道状况非常差时，参考Eb/N0非常低，此时无论怎样提高发射机功率，都不能够在满足带外频谱规范的同时，达到系统的误帧率性能要求。因此，通过以上一些过程，就可以获得在不同信道条件下，峰均功率比抑制模块的最优参数。

Claims (10)

1、一种4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，首先对频域发送信号进行频域补零，然后作IFFT变换将信号变换到时域，得到2倍过采样的时域信号；

步骤2、对所述2倍过采样信号进行削峰处理；

步骤3、对所述削峰处理后的信号进行2倍上采样，从而使信号的采样速率提高到4倍采样速率；

步骤4、对所述4倍采样速率的信号，进行滤波。

2、根据权利要求1所述的4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，所述步骤4中的滤波为无符号间干扰的有限冲激响应滤波，即，除了中间一个抽头系数为非零值，对应于原始信号外，其偶数位置的抽头系数均为零。

3、根据权利要求1所述的4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，步骤3中进行2倍上采样的方法是在每两个相邻采样点之间插入一个零。

4、根据权利要求1所述的4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，在所述步骤1后还包括步骤、对上述2倍过采样的时域信号，实施功率控制。

5、根据权利要求4所述的4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，所述的功率控制公式为：s_PC(k)＝α·s(k)

其中α为功率控制用的实标量乘法因子，s(k)时域离散信号，S_pc(K)是功率控制后的信号。

6、根据权利要求1所述的4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，步骤2中的削峰处理方法为将功率超过阈值限制的基带信号，保持其相位不变，而将其功率减小到阈值。

7、根据权利要求6所述的4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，所述的阈值由功率控制指令所规定的平均发射功率，同非线性功率放大器的饱和发射功率之间的差异决定。

8、根据权利要求1所述的4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，所述步骤1中，在IFFT变换后插入相应的循环前缀。

9、一种4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，首先对频域发送信号进行频域补零，然后作IFFT变换将信号变换到时域，得到2倍过采样的时域信号；

步骤2、对所述2倍过采样信号进行2倍上采样，从而使信号的采样速率提高到4倍采样速率；

步骤3、对所述的4倍采样速率的发送信号进行削峰处理；

步骤4、对所述削峰后的信号，进行滤波。

10、根据权利要求9所述的4倍带宽范围内频谱规范的多载波系统的峰均比抑制方法，其特征在于，在所述步骤1之后还包括步骤：对上述2倍过采样的时域信号，实施功率控制。

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