TWI410094B - 傳送器及其方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種傳送器及其方法，且特別是有關於一種用以於頻率域進行處理之一種功率峰均值的傳送器及其方法。
在正交分頻多工(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)通訊系統中，過大的訊號功率峰均值(peak－to－average power ratio,PAPR)將會降低所傳送的訊號品質或影響到傳送器之傳送功率效率。此原因為，傳送器通常具有非線性之射頻(Radio frequency,RF)前端電路，例如功率放大器。第1圖為一種功率放大器之輸入功率Pin與輸出功率Pout之關係曲線圖。當輸入功率Pin的功率峰值到達非線性區NL時，功率放大器之輸出訊號將會有失真的現象產生而降低所傳送的訊號品質。若是降低輸入功率Pin使其落於功率放大器之線性區域，則會減低傳送功率的效率。
在多載波(Multi－carrier)傳輸系統當中，例如IEEE 802.16e標準之正交分頻多存取(Orthogonal Frequency－Division Multiple Access,OFDMA)模式中，基地台(Base－station,BS)可以保留一些子載波(sub－carrier)，並使用這些子載波來減少上述之PAPR過大的現象。請參照第2圖，其圖示乃傳統之一種減少PAPR之方法的示意圖。x(t)為時域(time－domain)之原始待傳送的訊號。由第2圖可看
出，原始待傳送的訊號x(t)有兩個超過臨界值TH之峰值(peak)。於傳統作法中，係藉由所保留的子載波，來產生峰值減少訊號P(t)，並將P(t)於時間軸上分別迴旋平移(cyclic shift)到時間點ni與nj，來分別產生訊號Pni
(t)與Pnj
(t)。將Pni
(t)與Pnj
(t)分別乘上相位參數與振幅參數，即β i
與μ i
及β j
及μ j
之後，再與訊號x(t)相加，即可得到功率峰值降低之修正後的待傳送訊號x’(t)。
然而，在傳統作法中，必需至少要有兩個反傅利葉轉換(Inverse Fast Fourier transform,IFFT)電路來分別產生訊號x(t)及P(t)。而且，為了使待傳送訊號x’(t)能保有所預期的低功率峰均值效果，傳統作法通常需對訊號進行四倍以上的過取樣(over－sampling)後，再進行上述之降低PAPR的處理。
有鑑於此，本發明之一範例為提供一種傳送器及其方法。藉由於頻率域中進行處理，可以不需多個反傅利葉轉換，且不需進行過取樣之動作即可達成。
根據本發明的另一範例，應用於一OFDM通訊系統之傳送器中。傳送器係使用N個子載波，N個子載波中之L個子載波係為被保留子載波，L小於N。此方法包括下列步驟：接收一資料訊號，資料訊號之封包功率可以被拆解成一固定功率與一擾動功率。產生位於被保留子載波之L個子載波之L個保留子載波符元。根據資料訊號更新L個保留
子載波符元，並據以產生一待合併訊號。於頻率域將待合併訊號與資料訊號結合。
根據本發明的另一方面，提出一種傳送器，應用於一正交分頻多工通訊系統中。傳送器係使用N個子載波，N個子載波中之L個子載波係為被保留子載波，L小於N。此傳送器包括一調變單元、一保留子載波符元產生單元及一合併單元。調變單元用以輸出一資料訊號，資料訊號之封包功率具有一固定功率與一擾動功率。保留子載波符元產生單元用以產生位於L個被保留子載波位置上之L個保留子載波符元，根據資料訊號更新L個保留子載波符元，並據以產生一待合併訊號。合併單元用以於頻率域將待合併訊號與資料訊號結合。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉多個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明係提出一種取得功率峰均值的方法，應用於一多載波(Multicarrier)傳輸系統之一傳送器中。傳送器係使用N個子載波，N個子載波中之L個子載波係為被保留子載波，L小於N，此方法包括下列步驟。接收一資料訊號，資料訊號之封包功率具有一固定功率與一擾動功率。產生位於被保留子載波上之L個子載波符元。根據資料訊號更新L個子載波符元，並據以產生一待合併訊號。於頻率域合併待合併訊號於資料訊號中，以使更新後之資料訊號所對應之擾
動功率變小，因而降低傳輸信號之功率峰均值。茲舉一實施例進一步地詳細說明如下。
請參考第3圖，其圖示乃本發明一實施例之一種用以降低資料訊號之功率峰均值的傳送器之方塊圖。上述之多載波傳輸系統例如是OFDM通訊系統。傳送器300包括一調變單元302、一保留子載波符元產生單元304、及一合併單元306。調變單元302用以輸出一資料訊號Data，資料訊號Data之功率具有一固定功率與一擾動功率。保留子載波符元產生單元304用以產生位於被保留子載波之L個保留子載波符元，根據資料訊號Data更新L個保留子載波符元，並據以產生一待合併訊號Cmb。合併單元306用以於頻率域結合待合併訊號Cmb與資料訊號Data，以使調整後之資料訊號Data’所對應之擾動功率變小，因而降低傳輸信號之功率峰均值。
進一步來說，假設傳送器300所使用之N個子載波的子載波索引值為0至N－1，N個子載波中之被保留子載波的L個子載波索引值之集合為U，U
＝{k 0
,k 1
,...k L
－1
}。資料訊號Data具有位於N個子載波之N個資料符元X 0
,X 1
,...,X N－1
。定義資料向量X
＝[X 0
,X 1
,...X N
－1
] T
，X
i為第i個資料符元，i為0至N－1之整數。為了使傳輸信號不受保留子載波符元干擾，我們假設資料尚未與保留子載波符元合併前，當i U
時，X i
＝0，然而本發明之降低資料訊號之功率峰均值的方法不受限於此假設。
此外，定義上述之L個保留子載波符元為,,...，並定義保留子載波符元向量為。假設上述之待合併訊號Cmb具有N個合併符元C0
,C1
,...,CN－1
，定義合併向量C
＝[C 0
,C 1
,...,C N
－1
] T
，Ci
為第i個合併符元。同樣地，當i U
或i U C
時，C i
＝0，然而本發明之降低資料訊號之功率峰均值的方法不受限於此假設。
本實施例可以由下列式(1)來說明之：找出使得
其中，x和c分別代表時域之資料訊號Data與待合併訊號Cmb。F
代表N
×N
之IFFT矩陣，其中：
式(1)係指，將所有可能的c與x分別相加後，求出所有的c中使得向量x＋c之所有元素絕對值(norm)中之最大者為最小時的c值。這樣的c可以使得x＋c的功率峰值最小，而使得資料訊號Data’的功率峰值下降，以降低PAPR之值。要求出符合此條件的c，可藉由求出對應的C來達成。
茲將求得上述之C的方法說明如下。
OFDM之資料訊號Data之時域訊號x(t)定義為：
其中，0 t T
且T代表符元持續時間(symbol duration)。而訊號x(t)之封包功率(envelope power)定義為：
其中，定義
ρ
(μ
)稱為的非週期性自相關函數(Aperiodic Auto－correlation Function,AACF)。
茲定義式(3)之為固定功率，為擾動(fluctuation)功率。由於為固定功率，不會隨著時間t而改變，所以P x
(t
)的大小將會由會隨著時間t而改變的的大小所決定。因此，如果要最小化P x
(t
)，可藉由最小化擾動功率之值來達成。一般而言，要將會隨時間變化之擾動功率最小化並不容易，因此我們轉而希望AACF的p－絕對值(亦即是p次方的絕對值)的和能越小越好。其中，p>0或為正整數。
只要能求出一組，使得可以最小化的話，那麼我們就可預期擾動功率會因此而降低。以下將以p值等於2為例說明之，然而本實施例並不限於此。其中，本實施例係藉由改變中，對應至被保留子載波之保留子載波符元,,...,，來使最小化。本實施例係以陡降法(steepest descent)來改變保留子載波符元,,...,之
值，以使最小化。
茲詳細說明如下。經由計算，可得
對式(4)偏微分之後可得
其中i＝0,1,...,L－1且u
＋1 k i N
－u
－1。
接著，定義AACF向量為ρ
＝[ρ
(1),ρ
(2),...,ρ
(N
－1)] T
。定義ρ
的向量絕對值的平方(亦即∥ρ
∥2
)等於|ρ
(1)|2
＋|ρ
(2)|2
＋...＋|ρ
(N
－1)|2
(亦即)。因此，可以得到AACF向量之偏微分為
此外，定義保留子載波符元向量為。上述之改變XR
之陡降法為根據AACF向量之向量絕對值的平方(∥ρ
∥2
)對於保留子載波符元向量XR
的梯度(gradient)，來更新L個保留子載波符元,,...,。舉例來說，可藉由下式更新之：
本實施例藉由遞迴地(iteratively)計算XR
，來最小化∥ρ
∥2
。n代表更新次數。代表第n
＋1次更新後之X R
，代表第n
＋1次更新前之X R
。n＝0時代表未更新的，例如可等於原始之X R
，然亦可為其他值。μ
為步進單位(step size)。
之後，保留子載波符元產生單元將根據產生合併訊號Cmb。於合併訊號Cmb之N個合併符元C0
,C1
,...,CN－1
中，對於符元Ci
而言，當i U
時，。然後，合併單元306將於頻率域合併待合併訊號Cmb於資料訊號Data中，而產生調整後的資料訊號Data’。資料訊號Data’可以Y0
,Y1
,...,YN－1
來表示。對於符元Yi
而言，當i U
時，Y i
＝C i
。當i U
時，Y i
＝X i
。傳送器300具有一轉換單元308，用以將合併單元306處理後之資料訊號Data’進行轉換，以對應地產生時域之一傳送訊號Data＂以傳送出去。轉換單元308例如是IFFT轉換器。
傳送器300例如更包括一開關312，用以於遞迴地計算XR
時，使保留子載波符元產生單元304可以根據調整後之資料訊號Data’，來計算更新後的XR
之值，並更新資料訊
號Data’。然後再以更新後的資料訊號Data’，再一次地更新XR
，直到更新次數達到所預定之遞迴次數為止。
此外，傳送器300也具有一保留載波索引值產生器310，用以產生上述之被保留子載波之L個子載波的索引值。其所產生之索引值將輸出給保留子載波符元產生單元304。
茲將式(7)之物理意義說明如下。請參照第4圖，其顯示假設被保留子載波的個數為3，而保留子載波符元為Xa
、Xb
、及Xc
時之∥ρ
∥2
值之一例。
若已知，令向量。由於向量可視為∥ρ
∥2
值改變量最大的方向，因此，依據來求的話，所得到之將會比更接近∥ρ
∥2
之極值，例如是P點。因此，藉由找出來更新XR
，可以得到使∥ρ
∥2
之值更接近P點的保留子載波符元Xa
、Xb
、及Xc
，而合乎所求。
此外，上述之為步進單位μ
為讓式(7)可以收斂之值。μ
的取法例如是可參照預先設定之一查表(look－up table)來得到。此查表可以依照傳送器之各種通訊參數來設定，這些通訊參數例如是所使用之子載波的個數N，或是進行快速傅利葉轉換(FFT)時之大小(size)等。
請參照第5圖，其繪示乃本實施例之模擬結果圖。本模擬係以FFT大小為1024、傳送器所使用之子載波的個數N為1024、被保留子載波之個數L為72，被保留子載波的子載波索引值為隨機最佳化(Random optimized)選取，過取樣率(Over－sampling Rate)為4，內差法使用頻率域零填塞
(Frequency domain zero－padding)，遞迴次數為4次之設定來進行模擬。
於第5圖中，橫軸代表PAPR，縱軸為互補累計分佈函數值(Complementary cumulative distribution function,CCDF)。CCDF係指大於對應之PAPR之值的機率和。CCDF值愈小，代表傳輸信號之功率峰均值越小。第5圖之曲線502與504為原始之資料訊號Data之CCDF值，曲線506與508為進行本實施例之降低資料訊號之PAPR的方法後之資料訊號Data’之CCDF值。曲線502與506係為過取樣後之模擬結果，而曲線504與508係奈奎斯(Nyquist)取樣率下的模擬結果。由第5圖可看出，經由本實施例的方法處理後，PAPR值大致上可降低2dB，故實具有使所要傳送之資料訊號Data’之功率峰均值降低及訊號品質提高。
請參照第6圖，其繪示乃本發明另一實施例之一種用以降低資料訊號之功率峰均值的傳送器600之方塊圖。與前一實施例不同的是，於本實施例中，上述L個保留子載波符元係分為多組保留子載波符元。本實施例於更新L個保留子載波符元之時，係藉由依序地更新這些組保留子載波符元的方式，來更新此L個保留子載波符元。
於傳送器600中，切換器614係選擇性地與調變單元602及合併單元606電性連接，而切換器612則是選擇性地與轉換單元608及合併單元606電性連接。
藉由使保留子載波索引值產生器610依序地分別輸出不同組的保留子載波符元之索引值，來使保留子載波符元產
生單元604僅針對某組保留子載波符元來進行更新，以產生合併訊號Cmb_1。若尚有保留子載波符元尚未更新完畢，則切換器612與614會使合併單元606所輸出之資料訊號Data’_1迴授至保留子載波符元產生單元604，以使保留子載波符元產生單元604對下一組保留子載波符元進行更新。而當所有組之保留子載波符元均更新完畢之後，切換器612會使資料訊號Data’_1輸出至轉換單元608。
請參照第7圖，其繪示乃本實施例之模擬結果圖。曲線702為將L個保留子載波符元分成一組，且遞迴次數為2次時之模擬結果。曲線704為將L個保留子載波符元分成一組，且遞迴次數為4次時之模擬結果。曲線706為將L個保留子載波符元分成四組，且遞迴次數為4次時之模擬結果。由曲線706可以看出，將L個保留子載波符元分成多組保留子載波符元，且依序地更新這些組保留子載波符元的作法，將使得訊號功率峰均值更為降低。
此外，於本發明之再另一實施例中，上述L個保留子載波符元亦可分為多組保留子載波符元。本實施例於更新L個保留子載波符元之時，係藉由並列地更新這些組保留子載波符元的方式，來更新此L個保留子載波符元。在並列處理之時，未處理到的保留子載波符元可視作非保留子載波符元來進行處理。
請參照第8圖，其繪示本發明更另一實施例之傳送器800之方塊圖。與第3圖之實施例不同的是，傳送器800更具有一濾波器816、一第一乘法器818及一第二乘法器820。
濾波器816具有頻率響應函數H，而Hk表示在第k個子載波之頻率響應係數值。第一乘法器818用以將N個資料符元分別乘以相對應之頻率響應係數Hk。保留子載波符元產生單元804係根據乘以Hk後之N個資料符元更新L個保留子載波符元，並產生待合併訊號Cmb_2。第二乘法器820用以將待合併訊號Cmb_2乘以1/Hk並輸出至合併單元806。轉換單元808用以將合併單元806處理後之資料訊號Data’_2進行轉換，以對應地產生時域之傳送訊號Data”_2，並輸出至濾波器816。
於此實施例中，由於更新L個保留子載波符元的過程所參考的資料訊號係等效於經過濾波器816處裡後之資料訊號，因此，此實施例所產生之更新後的L個保留子載波符元更能夠進一步地消除濾波器816對於資料訊號之封包功率之峰值所可能造成的影響。
本發明上述實施例之用以降低資料訊號之功率峰均值的其方法係於頻率域中完成，所以可以不需如傳統作法般必需進行多次的傅利葉轉換。
綜上所述，雖然本發明已以一實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
300、600、800‧‧‧傳送器
302、602‧‧‧調變單元
304、604、804‧‧‧保留子載波符元產生單元
306、606、806‧‧‧合併單元
308、608、808‧‧‧轉換單元
310、610‧‧‧保留載波索引值產生器
312‧‧‧開關
502、504、506、508、702、704、706‧‧‧曲線
612、614‧‧‧切換器
816‧‧‧濾波器
818‧‧‧第一乘法器
820‧‧‧第二乘法器
第1圖繪示一種功率放大器之輸入功率Pin與輸出功
率Pout之關係曲線圖。
第2圖繪示乃傳統之一種減少PAPR之方法的示意圖。
第3圖繪示乃本發明一實施例之一種用以降低資料訊號之功率峰均值的傳送器之方塊圖。
第4圖顯示假設被保留子載波的個數為3，而保留子載波符元為Xa
、Xb
、及Xc
時之∥ρ
∥2
值之一例。
第5圖繪示乃第3圖之實施例之模擬結果圖。
第6圖繪示乃本發明另一實施例之一種用以降低資料訊號之功率峰均值的傳送器之方塊圖。
第7圖繪示乃第6圖之實施例之模擬結果圖。
第8圖繪示本發明更另一實施例之傳送器之方塊圖。
300‧‧‧傳送器
302‧‧‧調變單元
304‧‧‧保留子載波符元產生單元
306‧‧‧合併單元
308‧‧‧轉換單元
310‧‧‧保留載波索引值產生器
312‧‧‧開關
Claims (12)
- 一種取得功率峰均值的方法，應用於一多載波傳輸系統之一傳送器中，該傳送器係使用N個子載波，該N個子載波中之L個子載波係為被保留子載波，L小於N，該方法包括：接收一資料訊號，該資料訊號之封包功率具有一固定功率與一擾動功率；產生位於被保留子載波之L個子載波之L個保留子載波符元；根據該資料訊號更新該L個保留子載波符元，並據以產生一待合併訊號；以及於頻率域合併該待合併訊號於該資料訊號中，其中，該資料訊號具有位於N個子載波之N個資料符元，該N個資料符元係對應至一非週期性自相關函數(Aperiodic Auto-correlation Function,AACF)向量，該L個保留子載波符元係對應至一保留子載波符元向量，於更新該L個保留子載波符元之步驟中，係根據該AACF向量之向量絕對值的平方對於該保留子載波符元向量的梯度，來更新該L個保留子載波符元，或根據向量絕對值的p 次方來做為更新，p大於0。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該被保留子載波之L個子載波之子載波索引值之集合為U，U ={k 0 ,k 1 ,...k L -1 }，該資料訊號之N個資料符元為X 0 ,X 1 ,...,X N-1 ，定義資料向量X =[X 0 ,X 1 ,...X N -1 ] T ，其中Xi 為第i個資料 符元，i為0至N-1之整數，當資料尚未與保留子載波符元合併前，假設i U ，X i =0，該AACF向量為ρ ，該L個保留子載波符元為，該保留子載波符元向量為，代表更新後之XR ，代表更新前之XR ，則ρ =[ρ (1),ρ (2),...,ρ (N -1)] T ，
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該更新該L個保留子載波符元的步驟包括以遞迴的方式更新該L個保留子載波符元。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該L個保留子載波符元係分為複數組保留子載波符元，於更新該L個保留子載波符元之步驟中，係藉由依序地更新該些組保留子載波符元的方式，來更新該L個保留子載波符元。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該L個保留子載波符元係分為複數組保留子載波符元，於更新該L個保留子載波符元之步驟中，係藉由並列地更新該些組保留子載波符元的方式，來更新該L個保留子載波符元。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該傳送器係具有一濾波器，該濾波器之頻率響應函數為H，Hk表示在第k個子載波之頻率響應係數值，該資料訊號具有位於N個子載波之N個資料符元，該更新該L個保留子載波符 元之步驟包括：將該N個資料符元分別乘以相對應之Hk；根據乘以Hk後之該N個資料符元更新該L個保留子載波符元，並對應地產生該待合併訊號；以及將該待合併訊號乘以1/Hk；其中，乘以1/Hk之該待合併訊號係作為合併步驟中之用以與該資料訊號合併之該待合併訊號。
- 一種傳送器，應用於一正交分頻多工通訊系統中，該傳送器係使用N個子載波，該N個子載波中之L個子載波係為被保留子載波，L小於N，該傳送器包括：一調變單元，用以輸出一資料訊號，該資料訊號之封包功率具有一固定功率與一擾動功率；一保留子載波符元產生單元，用以產生位於被保留子載波之L個子載波之L個保留子載波符元，根據該資料訊號更新該L個保留子載波符元，並據以產生一待合併訊號；一合併單元，用以於頻率域合併該待合併訊號於該資料訊號中，其中，該資料訊號具有位於N個子載波之N個資料符元，該N個資料符元係對應至一AACF向量，該L個保留子載波符元係對應至一保留子載波符元向量，該調變單元係根據該AACF向量之向量絕對值的平方對於該保留子載波符元向量的梯度，來更新該L個保留子載波符元，或根據向量絕對值的p 次方來做為更新，p大於0。
- 如申請專利範圍第7項所述之傳送器，其中，該被保留子載波之L個子載波之子載波索引值之集合為U， U ={k 0 ,k 0 ,...k L -1 }，該資料訊號之N個資料符元為X 0 ,X 1 ,...,X N-1 ，定義資料向量X =[X 0 ,X 1 ,...X N -1 ] T ，其中X i為第i個資料符元，i為0至N-1之整數，資料尚未與保留子載波符元合併前，假設當i U 時，X i =0，該AACF向量為ρ ，該L個保留子載波符元為，該保留子載波符元向量為，代表第n +1次更新後之X R ，代表第n +1次更新前之XR ，則ρ =[ρ (1),ρ (2),...,ρ (N -1)] T ，
- 如申請專利範圍第7項所述之傳送器，其中，該調變單元係以遞迴的方式更新該L個保留子載波符元。
- 如申請專利範圍第7項所述之傳送器，其中，該L個保留子載波符元係包含複數組保留子載波符元，該調變單元係藉由依序地更新該些組保留子載波符元的方式，來更新該L個保留子載波符元。
- 如申請專利範圍第7項所述之傳送器，其中，該L個保留子載波符元係包含複數組保留子載波符元，該調變單元係藉由並列地更新該些組保留子載波符元的方式，來更新該L個保留子載波符元。
- 如申請專利範圍第7項所述之傳送器，其中，該資料訊號具有位於N個子載波之N個資料符元，該傳送器更具有： 一濾波器，具有頻率響應函數H，Hk表示在第k個子載波之頻率響應係數值；一第一乘法器，用以將該N個資料符元分別乘以Hk，該保留子載波符元產生單元係根據乘以Hk後之該N個資料符元更新該L個保留子載波符元，並對應地產生該待合併訊號；一第二乘法器，用以將該待合併訊號乘以1/Hk並輸出至該合併單元；一轉換單元，用以將該合併單元處理後之該資料訊號進行轉換，以對應地產生時域之一傳送訊號，並輸出至該濾波器。
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