TW201608856A - 降低峰值平均功率比的方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種降低峰值平均功率比的方法及裝置，該方法包括步驟：將通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu 與正交分量Yu ；設置壓縮該通訊訊號的參數K1 及K2 ；根據同向分量Xu 、正交分量Yu 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數計算壓縮後的同向分量Xu’ 及正交分量Yu’ ；以及根據計算得到的同向分量Xu’ 及正交分量Yu’ ，合成壓縮後的通訊訊號。本發明可以有效降低多載波通訊系統的通訊訊號的峰值平均功率比。

Description

降低峰值平均功率比的方法及裝置
本發明涉及一種通訊訊號處理技術，尤其是涉及一種降低通訊訊號的峰值平均功率比的方法及裝置。
在現有的多載波通訊系統架構中，用來傳輸資料的訊號在發送端經過映射、展頻、並串轉換、逆離散傅立葉轉換、模數轉換和功率放大器等一系列處理之後發送出去，接收端接收到發送的訊號後，經過數模轉換、離散傅立葉轉換、串並轉換、解展頻、解映射處理之後還原資料。
然而，多載波通訊系統中的訊號是由多個子載波通道訊號疊加得到，訊號的最大暫態功率可能會與平均功率相差很大，即會產生很高的峰值平均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）。峰值平均功率比過高就要求發射端的功率放大器具有較大的線性動態範圍，以避免訊號失真，這樣就增加了系統實現的難度和成本，所以降低訊號的峰值平均功率比對於訊號的可靠傳輸是非常必要的。
鑒於以上內容，有必要提供一種降低峰值平均功率比的方法及裝置，可以有效降低多載波通訊系統的通訊訊號的峰值平均功率比。
所述降低峰值平均功率比的方法包括步驟：將通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu 與正交分量Yu ；設置壓縮該通訊訊號的參數K1 及K2 ，其中參數K1 為允許同向分量Xu 與正交分量Yu 在壓縮後的最大取值的絕對值，參數K2 為根據需要壓縮的幅度設置的常數；根據同向分量Xu 、正交分量Yu 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數計算壓縮後的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ ；以及根據計算得到的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ ，合成壓縮後的通訊訊號。
所述降低峰值平均功率比的裝置包括：第一獲取模組，用於將通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu 與正交分量Yu ；第一設置模組，用於設置壓縮該通訊訊號的參數K1 及K2 ，其中參數K1 為允許同向分量Xu 與正交分量Yu 在壓縮後的最大取值的絕對值，參數K2 為根據需要壓縮的幅度設置的常數；第一計算模組，用於根據同向分量Xu 、正交分量Yu 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數計算壓縮後的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ ；以及第一合成模組，用於根據計算得到的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ ，合成壓縮後的通訊訊號。
相較於習知技術，本發明所述之降低峰值平均功率比的方法及裝置，能夠藉由在多載波通訊系統的發送端增加壓縮器，從而在發送端壓縮通訊訊號的振幅，以降低峰值平均功率比，減少訊號失真，然後在接收端增加擴張器以還原通訊訊號。
圖1係為本發明降低峰值平均功率比的裝置較佳實施方式的運行環境圖。
圖2係為本發明的多載波通訊系統中通訊訊號發送和接收的整體過程示意圖。
圖3係為本發明中壓縮器的較佳實施方式的功能模組圖。
圖4係為在不同參數條件下訊號分量壓縮前後的關係曲線的示意圖。
圖5係為本發明中擴張器的較佳實施方式的功能模組圖。
圖6係為本發明降低峰值平均功率比的方法較佳實施方式的壓縮過程的流程圖。
圖7係為本發明降低峰值平均功率比的方法較佳實施方式的擴張過程的流程圖。
圖8-9係為模擬不同條件下通訊訊號的互補累計分佈函數性能示意圖。
參閱圖1所示，係為本發明降低峰值平均功率比的裝置較佳實施方式的運行環境圖。所述降低峰值平均功率比的裝置12運用於多載波通訊系統10中，包括壓縮器20及擴張器40。其中壓縮器20運用於多載波通訊系統10的發送端2，擴張器40運用於多載波通訊系統10的接收端4。在本實施方式中，多載波通訊系統10為結合CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）與OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分複用）技術的通訊系統。壓縮器20用於對通訊訊號的同向分量和正交分量進行壓縮，從而壓縮通訊訊號的振幅，以降低峰值平均功率比。擴張器40用於對通訊訊號的同向分量和正交分量進行擴張，從而擴張通訊訊號的振幅，以還原通訊訊號。
參閱圖2所示，係為本發明的多載波通訊系統中通訊訊號發送和接收的整體過程示意圖。在本實施方式中，傳輸資料的通訊訊號在多載波通訊系統10的發送端2經過映射、展頻、並串轉換、逆離散傅立葉轉換、壓縮、模數轉換和功率放大器處理之後，經由通道6發送至接收端4。接收端4接收到該通訊訊號後，經過數模轉換、擴張、離散傅立葉轉換、串並轉換、解展頻、解映射處理之後還原資料。
值得注意的是，在多載波通訊系統10中，發送端2和接收端4的角色可能會互換，由接收端4發送通訊訊號，發送端2接收通訊訊號，因此一般情況下發送端2和接收端4還分別包括接收通訊訊號和發送通訊訊號的功能模組或裝置。例如，發送端2中也包括擴張器40，而接收端4中也包括壓縮器20。
參閱圖3所示，係為本發明中壓縮器的較佳實施方式的功能模組圖。壓縮器20中包括第一獲取模組22、第一設置模組24、第一計算模組26及第一合成模組28。其中第一計算模組26中還包括乘法器602與積分器604。
第一獲取模組22用於將通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu 與正交分量Yu 。在本實施方式中，該通訊訊號為在多載波通訊系統10的發送端2經過映射、展頻、並串轉換、逆離散傅立葉轉換處理之後得到的通訊訊號。所述向量分解是將通訊訊號分解為頻率相同、峰值幅度相同但相位相差90的兩個訊號分量，通常採用一個正弦訊號來描述同向分量Xu ，採用一個余弦訊號來描述正交分量Yu 。該通訊訊號的振幅ρu =。
第一設置模組24用於設置壓縮該通訊訊號的參數K1 及K2 。其中，參數K1 為允許訊號分量（同向分量Xu 與正交分量Yu ）在壓縮後的最大取值的絕對值，參數K2 為根據需要壓縮的幅度設置的一個常數，且參數K1 及K2 均為正實數。參閱圖4所示，係為在不同參數條件下訊號分量壓縮前後的關係曲線的示意圖。其中，橫軸表示壓縮前的訊號分量的值，縱軸表示壓縮後的訊號分量的值。
可見，參數K1 決定壓縮後的訊號分量的範圍，例如，當K1 =1時，壓縮後的訊號分量的範圍為[-1,1]；當K1 =2時，壓縮後的訊號分量的範圍為[-2,2]。而參數K2 決定所述關係曲線的形態，例如，當K2 ≧2時，所述關係曲線類似削減曲線，由於壓縮幅度較大，此時該通訊訊號的峰值平均功率比降幅較大，但誤差率也較大；當K2 ≦0.5時，所述關係曲線趨近於線性曲線，此時該通訊訊號的峰值平均功率比降幅較小，但誤差率也較小。因此，可以根據實際需要設置參數K1 及K2 的值，以達到理想的效果。
第一計算模組26用於根據同向分量Xu 、正交分量Yu 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數計算壓縮後的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ 。在本實施方式中，所述壓縮轉換函數為Xu ’ =K1 *erf(K2 *Xu )，Yu ’ =K1 *erf(K2 *Yu )。其中，erf表示誤差函數，也稱為高斯誤差函數。具體而言，第一計算模組26先控制乘法器602分別計算K2 *Xu 與K2 *Yu ，然後控制積分器604計算erf(K2 *Xu )與erf(K2 *Yu )，最後控制乘法器602將K1 分別與erf(K2 *Xu )、erf(K2 *Yu )相乘，得到Xu ’ 與Yu ’ 的值。
第一合成模組28用於根據計算得到的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ ，合成壓縮後的通訊訊號。該壓縮後的通訊訊號的振幅βu =，透過壓縮同向分量Xu 和正交分量Yu ，從而壓縮了該通訊訊號的振幅，因此可以降低該通訊訊號的峰值平均功率比。在本實施方式中，該壓縮後的通訊訊號在經過模數轉換和功率放大器之後發送給接收端4。
參閱圖5所示，係為本發明中擴張器的較佳實施方式的功能模組圖。擴張器40中包括第二獲取模組42、第二設置模組44、第二計算模組46及第二合成模組48。其中第二計算模組46中還包括積分器604與除法器606。
第二獲取模組42用於將接收到的通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu ” 及正交分量Yu ” 。在本實施方式中，該接收到的通訊訊號為在多載波通訊系統10的接收端4接收並經過數模轉換後得到的通訊訊號。
第二設置模組44用於讀取所設置的參數K1 及K2 。在對同一個通訊訊號的發送和接收過程中，第二設置模組44讀取的參數K1 及K2 即為第一設置模組24設置的參數K1 及K2 。
第二計算模組46用於根據同向分量Xu ” 、正交分量Yu ” 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數的反函數計算擴張後的同向分量Xu 及正交分量Yu 。在本實施方式中，所述壓縮轉換函數的反函數為Xu =1/K2 *erfinv(Xu ” /K1 )，Yu =1/K2 *erfinv(Yu ” /K1 )。其中，erfinv表示反誤差函數，即誤差函數的反函數。具體而言，第二計算模組46先控制除法器606分別計算Xu ” /K1 與Yu ” /K1 ，然後控制積分器604計算erfinv(Xu ” /K1 )與erfinv(Yu ” /K1 )，最後控制除法器606將erfinv(Xu ” /K1 )與erfinv(Yu ” /K1 )分別除以K2 ，得到Xu 與Yu 的值。
第二合成模組48用於根據計算得到的同向分量Xu 及正交分量Yu ，合成擴張後的通訊訊號。在本實施方式中，該擴張後的通訊訊號在經過離散傅立葉轉換、串並轉換、解展頻、解映射處理之後還原資料。
參閱圖6所示，係為本發明降低峰值平均功率比的方法較佳實施方式的壓縮過程的流程圖。
步驟S12，第一獲取模組22將通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu 與正交分量Yu 。所述向量分解是將通訊訊號分解為頻率相同、峰值幅度相同但相位相差90的兩個訊號分量，通常採用一個正弦訊號來描述同向分量Xu ，採用一個余弦訊號來描述正交分量Yu 。該通訊訊號的振幅ρu =。
步驟S14，第一設置模組24設置壓縮該通訊訊號的參數K1 及K2 。其中，參數K1 為允許訊號分量在壓縮後的最大取值的絕對值，參數K2 為根據實際需要壓縮的幅度設置的一個常數，且參數K1 及K2 均為正實數。
步驟S16，第一計算模組26根據同向分量Xu 、正交分量Yu 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數計算壓縮後的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ 。在本實施方式中，所述壓縮轉換函數為Xu ’ =K1 *erf(K2 *Xu )，Yu ’ =K1 *erf(K2 *Yu )。具體而言，第一計算模組26先控制乘法器602分別計算K2 *Xu 與K2 *Yu ，然後控制積分器604計算erf(K2 *Xu )與erf(K2 *Yu )，最後控制乘法器602將K1 分別與erf(K2 *Xu )、erf(K2 *Yu )相乘，得到Xu ’ 與Yu ’ 的值。
步驟S18，第一合成模組28根據計算得到的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ ，合成壓縮後的通訊訊號。該壓縮後的通訊訊號的振幅βu =，透過壓縮同向分量Xu 和正交分量Yu ，從而壓縮了該通訊訊號的振幅，因此可以降低該通訊訊號的峰值平均功率比。
參閱圖7所示，係為本發明降低峰值平均功率比的方法較佳實施方式的擴張過程的流程圖。
步驟S22，第二獲取模組42將接收到的通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu ” 及正交分量Yu ” 。
步驟S24，第二設置模組44讀取所設置的參數K1 及K2 。在對同一個通訊訊號的發送和接收過程中，第二設置模組44讀取的參數K1 及K2 即為第一設置模組24設置的參數K1 及K2 。
步驟S26，第二計算模組46用於根據同向分量Xu ” 、正交分量Yu ” 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數的反函數計算擴張後的同向分量Xu 及正交分量Yu 。在本實施方式中，所述壓縮轉換函數的反函數為Xu =1/K2 *erfinv(Xu ” /K1 )，Yu =1/K2 *erfinv(Yu ” /K1 )。具體而言，第二計算模組46先控制除法器606分別計算Xu ” /K1 與Yu ” /K1 ，然後控制積分器604計算erfinv(Xu ” /K1 )與erfinv(Yu ” /K1 )，最後控制除法器606將erfinv(Xu ” /K1 )與erfinv(Yu ” /K1 )分別除以K2 ，得到Xu 與Yu 的值。
步驟S28，第二合成模組48根據計算得到的同向分量Xu 及正交分量Yu ，合成擴張後的通訊訊號。
參閱圖8-9所示，係為模擬不同條件下通訊訊號的互補累計分佈函數（Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF）性能示意圖。所述CCDF表示峰值平均功率比PAPR超過門限值PAPR0 的概率。
其中，圖8中的模擬條件為：位元傳輸率（Rb ）為100kbps，展頻增益（SF）為8，子載波數（U）為128，參數K1 為24，參數K2 為0.04，每次發送的通訊訊號的最大振幅（Aρ max ）為50，每次發送的通訊訊號振幅的平均值（Aρ av ）為14，功率放大器不操作在非線性區間所能容忍的最大輸入振幅值（APA max ）為34。圖9中的模擬條件為：位元傳輸率為100kbps，展頻增益為16，子載波數為256，參數K1 為39，參數K2 為0.025，每次發送的通訊訊號的最大振幅（Aρ max ）為70，每次發送的通訊訊號振幅的平均值（Aρ av ）為20，功率放大器不操作在非線性區間所能容忍的最大輸入振幅值（APA max ）為52。
可見，本發明降低峰值平均功率比的方法（本方法）相對於原先不採用壓縮器20和擴張器40對通訊訊號進行壓縮和擴張的方法（原方法），峰值平均功率比PAPR超過門限值PAPR0 的概率要低，即本方法可以有效降低通訊訊號的降低峰值平均功率比，減少訊號失真。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅爲本發明之較佳實施方式，本發明之範圍並不以上述實施方式爲限，舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧多載波通訊系統
2‧‧‧發送端
4‧‧‧接收端
6‧‧‧通道
12‧‧‧降低峰值平均功率比的裝置
20‧‧‧壓縮器
40‧‧‧擴張器
22‧‧‧第一獲取模組
24‧‧‧第一設置模組
26‧‧‧第一計算模組
28‧‧‧第一合成模組
42‧‧‧第二獲取模組
44‧‧‧第二設置模組
46‧‧‧第二計算模組
48‧‧‧第二合成模組
602‧‧‧乘法器
604‧‧‧積分器
606‧‧‧除法器
S12‧‧‧將通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu與正交分量Yu
S14‧‧‧設置壓縮該通訊訊號的參數K1及K2
S16‧‧‧根據同向分量Xu、正交分量Yu、參數K1、參數K2及壓縮轉換函數計算壓縮後的同向分量Xu ’及正交分量Yu ’
S18‧‧‧根據計算得到的同向分量Xu ’及正交分量Yu ’，合成壓縮後的通訊訊號
無
S12‧‧‧將通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu與正交分量Yu
S14‧‧‧設置壓縮該通訊訊號的參數K1及K2
S16‧‧‧根據同向分量Xu、正交分量Yu、參數K1、參數K2及壓縮轉換函數計算壓縮後的同向分量Xu ’及正交分量Yu ’
S18‧‧‧根據計算得到的同向分量Xu ’及正交分量Yu ’，合成壓縮後的通訊訊號

Claims (8)

  1. 一種降低峰值平均功率比的方法，該方法包括步驟：
    將通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu 與正交分量Yu ；
    設置壓縮所述通訊訊號的參數K1 及K2 ，其中所述參數K1 為允許所述同向分量Xu 與正交分量Yu 在壓縮後的最大取值的絕對值，所述參數K2 為根據需要壓縮的幅度設置的常數；
    根據所述同向分量Xu 、正交分量Yu 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數計算壓縮後的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ ；以及
    根據計算得到的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ ，合成壓縮後的通訊訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之降低峰值平均功率比的方法，其中，所述壓縮轉換函數為Xu ’ =K1 *erf(K2 *Xu )，Yu ’ =K1 *erf(K2 *Yu )。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之降低峰值平均功率比的方法，其中，該方法還包括步驟：
    將接收到的通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu ” 及正交分量Yu ” ；
    讀取所設置的參數K1 及K2 ；
    根據所述同向分量Xu ” 、正交分量Yu ” 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數的反函數計算擴張後的同向分量Xu 及正交分量Yu ；以及
    根據計算得到的同向分量Xu 及正交分量Yu ，合成擴張後的通訊訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之降低峰值平均功率比的方法，其中，所述壓縮轉換函數的反函數為Xu =1/K2 *erfinv(Xu ” /K1 )，Yu =1/K2 *erfinv(Yu ” /K1 )。
  5. 一種降低峰值平均功率比的裝置，該裝置包括：
    第一獲取模組，用於將通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu 與正交分量Yu ；
    第一設置模組，用於設置壓縮所述通訊訊號的參數K1 及K2 ，其中所述參數K1 為允許所述同向分量Xu 與正交分量Yu 在壓縮後的最大取值的絕對值，所述參數K2 為根據需要壓縮的幅度設置的常數；
    第一計算模組，用於根據所述同向分量Xu 、正交分量Yu 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數計算壓縮後的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ ；以及
    第一合成模組，用於根據計算得到的同向分量Xu ’ 及正交分量Yu ’ ，合成壓縮後的通訊訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之降低峰值平均功率比的裝置，其中，所述壓縮轉換函數為Xu ’ =K1 *erf(K2 *Xu )，Yu ’ =K1 *erf(K2 *Yu )。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之降低峰值平均功率比的裝置，其中，該裝置還包括：
    第二獲取模組，用於將接收到的通訊訊號進行向量分解，得到同向分量Xu ” 及正交分量Yu ” ；
    第二設置模組，用於讀取所設置的參數K1 及K2 ；
    第二計算模組，用於根據所述同向分量Xu ” 、正交分量Yu ” 、參數K1 、參數K2 及壓縮轉換函數的反函數計算擴張後的同向分量Xu 及正交分量Yu ；以及
    第二合成模組，用於根據計算得到的同向分量Xu 及正交分量Yu ，合成擴張後的通訊訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之降低峰值平均功率比的裝置，其中，所述壓縮轉換函數的反函數為Xu =1/K2 *erfinv(Xu ” /K1 )，Yu =1/K2 *erfinv(Yu ” /K1 )。
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