一种降低Gb/sE频段无线通信系统中PAPR的方法

邵国媛

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种降低Gb/sE频段无线通信系统中PAPR的方法

邵国媛

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

近年来E频段中超过5 GHz的带宽允许的数据速率可达几十Gbps，为提高该类系统功率效率，峰均功率比抑制是其中关键技术之一。针对现有限幅法的输出信号过度衰减问题，提出一种峰包络平滑方法用来抑制峰均比，该方法由信号平滑后的峰包络计算衰减函数，将该衰减函数相称输入信号后得到输出信号。峰包络平滑法既不用峰探测也不采用其他措施来满足衰减函数的有效性。仿真结果表明，相比于现有限幅法，该方法解决了现有方法的过度衰减问题。

峰均比；限幅法；峰加窗法；峰包络平滑方法

AbstractA considerable progress has been made in recent years in developing high data rate mm-wave wireless links in the E-bands (71～76 GHz and 81～86 GHz).The bandwidth of over 5 GHz in the E-bands allows for multiple Gigabits per second (multi-Gb/s) data rates.One of the key innovations in such system is the novel peak-to-average power ratio (PAPR) reduction to increase power efficiency.After the clipping method of PAPR reduction and the peak windowing method of PAPR reduction are introduced,a wireless communication signal peak-to-average power ratio reduction method named an alternative peak windowing method of PAPR reduction is proposed.The simulation shows the differences between these methods in the performance.

Keywordspeak-to-average power ratio;the clipping method;the peak windowing method;the alternative peak windowing method

0 引言

E波段微波传输系统是超大容量点到点的无线传输系统，工作在71～76 GHz和81～86 GHz频段[1]，能够提供Gb/s以上的数据传输速率，是未来无线回传网络的解决方案[2]。正交频分复用(OFDM)技术是一种无线环境下的高速数据传输技术，采用相互正交的多载波传递信息，具有高效的频谱利用率、抗频率选择衰落性和适宜高速数据传输等优点，广泛应用于高速数据传输系统中。因此，OFDM技术常应用于E频段微波系统。但是，OFDM信号通常呈现大的PAPR[2]，而射频前端功率放大器(High Power Amplifier，HPA)的功率效率与通信系统发射信号的峰均比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)有很大关系[3]。此外，大PAPR的信号还要求系统的数模转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)要有足够大的动态范围以满足信号大峰值的需要[4]。综上所述，减小输入信号的PAPR是提高功率效率、增加通信距离、减小功率开销、降低E频段微波传输系统成本和复杂度的有效方法。

有关资料中提出诸多PAPR降低技术，这些技术包括限幅、编码、相位优化和非线性压缩扩展变化等。文献[5-9]中的PTS和SLM是无失真降低PAPR的算法，并可以有效降低PAPR，但是PTS和SLM算法都需要发送端发送边带信息给接收机，以便接收机能正确解调接收到的信息。发送边带信息需要占用一定的频谱资源，因此降低了频谱效率。文献[10-11]中的子载波注入法通过扩大星座图的星座点数目，使原星座图中的每一个星座点与扩展星座图中的几个星座点相对应，利用增加的星座点自由度来降低发送信号的PAPR。该方法的缺点是增加了信号的发送功率，并且最小化发送信号PAPR的运算复杂度较高。文献[12-17]中的编码类方法是一种利用具有检错与纠错能力的编码方案来降低发送信号PAPR的方法。这类方法在降低发送信号PAPR的同时，还可以利用编码的检错与纠错功能来检测与纠正系统的传输错误，其缺点是复杂度很高，并且会大大降低系统数据传输速率。

针对上述降低PAPR方法的缺点，本文提出一种峰包络平滑方法，以解决现有方法的算法复杂度高、频谱利用率低的问题。

1 限幅技术

限幅及其修正后的峰加窗方法是降低信号PAPR的最简单的方法，这些技术广泛应用于实际系统中，优点如下[18]：① 不需要任何关于数据调制的边带信息或者多余的虚构码或者传输子载波；② 不需要重复计算，因此与其他技术相比复杂度较低；③ 不需要对接收机的结构做修正，且适用于任意无线通信系统的任何信号波形。

1.1 传统的限幅技术

传统的限幅方法[19]使得输入信号x(n)的峰值包络限制到限幅门限A，但输入信号x(n)的其他部分不受影响，因此x(n)的PAPR降低。假设输入信号为x(n)，设定限幅门限为A，通常由PAPR相乘输入信号x(n)的RMS值得到。减小PAPR的传统限幅方法分为2步：

① 确定衰减函数c(n)：

(1)

② 计算限幅后输出数字信号y(n)：

y(n)=c(n)x(n)。

(2)

式(1)表明衰减函数c(n)满足条件0≤c(n)≤1。

1.2 峰加窗限幅法

峰加窗限幅法[20]的核心是对传统限幅方法的衰减函数c(n)进行平滑处理。峰值加窗具体步骤如下：

(3)

(4)

(5)

式中，ni-表示第i个峰上升沿的时间指数，在此处x(ni-)第一次超过限幅门限A；ni+表示第i个峰下降沿的时间指数，在此处xni+第一次低于限幅门限A；第i个峰的宽度为(ni+-ni-)。

(6)

④ 计算平滑后的衰减函数b(n)：

(7)

⑤ 将输入信号x(n)与平滑后的衰减函数b(n)相乘，得到输出信号y(n)：

y(n)=b(n)x(n)。

(8)

为确保输出信号y(n)的包络未超过限幅门限A，经过平滑处理的衰减函数b(n)必须满足

b(n)≤c(n)。

(9)

其中，窗函数w(n)定义如下：

(10)

仿真时，设定窗函数的宽度L=23。

1.3 性能分析

输入信号x(n)和经过峰窗函数法的输出信号y(n)的包络以及使用限幅方法得到的衰减函数c(n)和峰加窗法得到的衰减函数b(n)的包络，如图1所示。

图1 限幅方法

1.4 算法改进

(11)

图2 改进的峰加窗限幅方法

2 峰包络平滑方法

2.1 实现过程

图3 峰包络平滑方法实现流程

该方法的具体步骤如下：

① 由输入信号x(n)的包络使用限幅门限A计算峰包络p(n)，即进行限幅操作，

(12)

② 使用窗函数w(n)平滑峰包络p(n)，此处平滑是卷积操作：

(13)

式中，L为窗函数w(n)的宽度，且必须是奇数，一般取值在10～30之间。另外，平滑处理也可以是式(11)中的“最大包络”操作：

(14)

③ 平滑后的峰包络s(n)使用限幅门限映射到衰减函数e(n)，映射如下：

(15)

④ 衰减函数e(n)应用到输入信号x(n)，以此获得输出信号y(n)：

y(n)=e(n)x(n)。

(16)

2.2 性能分析

输入信号x(n)和经过峰包络平滑法方法的输出信号y(n)的包络，以及使用限幅法得到的衰减函数c(n)、峰加窗法得到的衰减函数b(n)和峰包络平滑法得到的衰减函数e(n)(使用式(14)进行平滑处理)如图4所示。当输入信号x(n)的值低于门限值时，衰减函数e(n)等于1，因此输入信号未发生变化，这便保护了输入信号的平均功率。当输入信号x(n)超出限幅门限A时，衰减函数e(n)会将输入信号x(n)的峰限制到A。

图4 峰包络平滑方法

对比图1和图4可以看出，图1采用传统限幅法后，输入信号x(n)的归一化幅度由0.61骤降到0.25，而图4中x(n)的幅度降为0.45，从而可以看出峰包络平滑法避免了过度衰减的问题。

峰包络平滑方法与前面所述的峰加窗法相比有许多优点：① 假设窗函数w(n)非负，平滑后的峰包络也非负，那么衰减函数e(n)总在0≤e(n)≤1的范围内。与由基于补偿衰减函数的峰加窗法得到的衰减函数b(n)相比，b(n)有可能是负数；② 假设窗函数w(n)非负，由峰包络平滑法得到的衰减函数e(n)总满足条件e(n)≤c(n)，其中c(n)是由限幅法得到的衰减函数。如果没有平滑处理，2个衰减函数相等，这将确保输出信号y(n)的包络绝不会超出限幅门限A(例如没有衰减不足)，而峰加窗法可能会出现衰减函数b(n)>c(n)；③ 峰包络平滑法比之前描述的峰加窗法简单，因为它既不用峰探测也不用采用其他措施来满足衰减函数有效的要求。

3 结束语

本文提出的峰包络平滑法与原有算法相比，不需要进行峰探测便可有效解决现有算法过度衰减输入信号的问题，同时，该方法也能保证传统限幅法的优点，即避免了频谱再生成现象的出现。该方法较低复杂度和较高性能，能有效解决OFDM在E频段高速数据传输系统中的高功率峰均比问题，所以该方法的提出具有重要的意义。

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TheMethodofPAPRReductionforGb/sE-bandWirelessCommunicationSystem

SHAO Guo-yuan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

TN929

A

1003-3106(2017)11-0045-04

邵国媛女，(1987—)，工程师。主要研究方向：毫米波通信等。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.10

邵国媛.一种降低Gb/s E频段无线通信系统中PAPR的方法[J].无线电工程,2017,47(11):45-48，62.[SHAO Guoyuan.The Method of PAPR Reduction for Gb/s E-band Wireless Communication System[J].Radio Engineering,2017,47(11)：45-48，62.]

2017-03-17

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2014AA01A701)。