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2024年4月16日发(作者：java正则表达式判断字符)
第
17
卷第
1
期
Vol.17No.1
电子设计工程
ElectronicDesignEngineering
2009
年
1
月
Jan.2009
基于限幅算法降低峰均比在
WCDMA
中的应用
谢思雄
，
刘东
，
石江宏
（
厦门大学信息科学与技术学院
，
福建厦门
361005
）
摘要
:
介绍了峰均比及特性
，
给出了多载波
WCDMA
系统中需要降低峰均比的理由
。
采用一种改进的二次限幅算法
，
通过仿真验证了算法的可行性
。
硬件平台测试表明
，
该算法具有实现复杂度低
，
降低峰均比的效果较好
。
关键词
:WCDMA
；
峰均比
；
邻道泄漏比
；
削峰
；
无线通信系统
；
载波
文献标识码
：
A
文章编号
：
1006－6977
（
2009
）
01-0017-03
中图分类号
:TP393.02
Aplicationofpeak-to-averagepowerratioreductionbasedonchipping
algorithmtoWCDMA
XIESi-xiong,LIUDong,SHIJiang-hong
（
DepartmentofInformationScienceandTechnology,XiamenUniversity,Xiamen361005,China
）
Abstract
：
Thispaperdescribesthedefinitionandcharacteristicofthepeak-to-averagepowerratio
（
PAPR
）
,thengivesthe
ovedclippingalgorithmisadopted,andfeasibilityof
erimentalanalysisshowsthatthealgorithmhaslowcomplexityimplement
andhasrelativelygoodperformanceinPAPRreduce.
Keywords
：
widebandcodedivisionmultipleaccess(WCDMA)
；
peak-to-averagepowerratio(PAPR)
；
adjacentchannelleak-
ageratio(ACLR)
；
clipping;wirelesscommunicationsystem;carrierwave
1
引言
在
3G
系统中
，
WCDMA
为了抵抗频率选择性衰落
，
提高
式中
：
P
（
t
）
为信号
x
（
t
）
的功率
，
max[P
（
t
）
]
为信号
x
（
t
）
的峰值功
率
，
E[P
（
t
）
]
为信号
x
（
t
）
的平均功率
。
峰均比信息也常用另一个参数来表征
，
即波峰因数
（
CF,
频谱利用率
，
设计中采用了正交扩频
、
扰码以及多载波通信
等技术
[1]
。
由于存在多载波多用户信号的叠加
，
使得出现大幅
度信号的概率增加
，
由此带来较大的峰值平均功率比
(Peak-
CrestFactor
）
是信号的幅度峰值同信号功率均方值之比
[4]
：
CF=
姨
PAPR=
max[x
（
t
）
]
姨
E[P
（
t
）
]
（
2
）
to-AveragePowerRatio
，
简称
PAPR
），
简称峰均比
。
因此
，
高
[2]
峰值平均功率比是
WCDMA
系统的一个主要缺点
。
尽管高峰
值功率出现的概率不高
，
为了不失真的传输
WCDMA
信号
，
必须要求发送系统中的数
/
模和模
/
数转换器有足够大的动态
范围
，
同时要求发送功率放大器有很好的线性度
，
这些部件
的动态范围达不到要求
，
会引起削波失真
，
导致系统通信质
量下降
。
因此
，
在
WCDMA
数字直放站系统中
，
提高功放工作
效率的关键技术之一是降低峰均比
。
式中
，
max|x
（
t
）
|
是信号
x
（
t
）
的峰值
，
也是其包络的最大值
，
通
常情况下
，
一个信号出现其最大值的概率并不是很大
，
所以
用
max|x
（
t
）
|
计算没有实际意义
，
通常采用概率论的方法分析
峰均比
。
实际系统中
，
为了更好的展示
PAPR
特性
，
常引入
PAPR
的互补累积分布函数
(CCDF,ComplementaryCumulative
DistributionFunction)
的概念
。
它定义了信号功率高于某一给
定功率的统计情况
，
也即是多载波系统中峰均比高于某一门
限值的概率
：
2
峰均比的定义及特性
与大多数无线通信系统一样
，
WCDMA
系统采用了多载
P
（
PAPR＞z
）
=1-P
（
PAPR≤z
）（
3
）
对于一个载波数为
N
的多载波系统
，
假设每个符号周期
内每个采样值之间都是不相关的
，
那么
PAPR
都小于某一门
限值
z
的累积分布函数
(CDF)
应为
：
波通信技术
，
其信号的峰均比会随着载波数的增加而提高
。
实际应用中
，
通常用采样信号的峰均比来近似连续信号的峰
均比
。
就数字信号而言
，
峰均比的定义可以表示为
[3]
：
P
（
PAPR≤z
）
=
（
1-exp
（
-z
））
N
则互补累积分布函数
(CCDF)
[5]
为
：
（
1
）
稿件编号
：
200809029
（
4
）
（
5
）
max[P
（
t
）
]
PAPR=
E[P
（
t
）
]
收稿日期
：
2008-09-08
P
（
PAPR＞z
）
=1-P
（
PAPR≤z
）
=1-
（
1-exp
（
-z
））
N
3
降低峰均比的方法
为降低信号的峰均功率比
，
国内外学者进行了大量研
基金项目
：
福建省重大专项基金项目
（
2007HZ003
）
作者简介
：
谢思雄
(1983-)
，
男
，
福建晋江人
，
硕士研究生
。
研究方向
：
无线通信技术
。
－17－
《
电子设计工程
》
2009
年第
1
期
究
，
其研究方法可分为三大类
：
信号畸变技术
；
信号扰码技
术
；
编码技术
。
信号畸变技术降低峰均的比性能比其它
2
种
技术差
，
但由于其硬件实现的复杂度比较小
，
故在工程应用
中一般采用信号畸变技术来降低峰均比
，
尤其以其中的直接
限幅算法最为常见
。
值信号的功率分别近似为输入信号的方差
var(x
（
t
）
),max|x
（
t
）
|
2
。
由式
(6)
，
可以得到下式
:
Max|x
（
t
）
|=sqrt(10
0.1PAPR_dB
var(x
（
t
）））（
7
）
在限幅模块中
，
一个比较重要的参数就是限幅门限值的
确定
。
通常
，
定义限幅比率
(ClippingRatio)
为限幅门限值功率
同输入信号平均功率的比值
。
削峰门限值可近似由式
（
8
）
计
算
，
由于限幅过程会使输入信号的平均功率下降
，
则
PAPR
值将会高于限幅比率
：
3.1
直接限幅算法
[5]
直接限幅的方式比较简单
，
降低峰均比的效果明显
；
但
由于限幅是个非线性过程
，
会造成带内失真
，
增加误码率
；
同
时会造成带外辐射
，
降低频谱利用率
。
如果采用限幅后滤波
，
虽然消除了带外辐射
，
但可能导致峰值再生
。
这样就需要多
次限幅
[6]
。
在进行直接限幅处理时
，
会产生相位误差和幅度误
差
；
其中
，
相位误差对误差矢量
(EVM
，
ErrorVectorMagnitude)
指标的影响最大
，
因此一般都采用极性削峰的方法
，
即保留
原始信号的相位不变
。
信号经过极性削峰后
，
其邻道泄漏比
(ACLR
，
Adjacent
TH=sqrt(10
0.1clipping_ratio_dB
var(x
（
t
）
)
PAPR
的
dB
值
。
（
8
）
式中
，
TH
表示限幅门限值
，
clipping_ratio_dB
近似为期望
图
2
中噪声整形滤波器的实现框图与图
1
相同
。
实际设
计中
，
可以采用内插级联滤波器
[7]
代替噪声整形滤波器各个
通道中的低通滤波器
，
特别在
FPGA
设计中可以节约乘法
器
，
为硬件设计节约成本
。
ChannelLeakageRatio)
指标会变差
，
因此传统做法都是采用
削峰之后再滤波
。
目前常用的滤波方法是采用低通滤波器
，
图
1
给出低通滤波器框图
。
4
算法仿真
仿真条件
：
未削峰的原始信号是符合
3GPPTS25.141
的
4.1
仿真条件及参数
测试模式
1
的
32DPCH
（
DedicatedPhysicalChannel
）
的
4
载
波
WCDMA
，
15000
组符号输入
；
在仿真中
，
2
种算法的
2
次
限幅门限都选择相同
，
限幅比率分别为
5dB
，
6.5dB
。
4.2
仿真结果
图
1
低通滤波器框图
图
3
、
图
4
给出其仿真结果
。
3.2
改进的限幅算法
改进的直接限幅方法是采用二次极性削峰设计
。
图
2
给
出二次限幅结构方案
。
图
2
二次限幅结构框图
图
2
中输入为原始高峰均比信号
，
2
次限幅均采用极性削
波的方法
。
可以看出
，
原始信号与一次限幅门限值相减便可得
到误差噪声信号
。
由于一次限幅过程带外辐射相当严重
，
这时
把得到的误差信号送入噪声整形滤波器
。
其主要作用是把噪声
信号限制在与输入信号相同的带内
，
以降低对其他信道的干
扰
。
原始信号通过与噪声整形滤波后的信号相减便得到了一次
限幅后的信号
，
由于在整形滤波等运算过程中可能产生峰值再
生
，
所以采用第二次限幅
，
以达到降低峰均比的目的
[6]
。
由式
（
1
），
可得
PAPR
的
dB
值
PAPR_dB
：
图
3
采用不同的二次限幅方法得到的
CCDF
曲线
PAPR_dB=10lg
（
max[P
（
t
）
]
）
E[P
（
t
）
]
（
6
）
对于
WCDMA
信号
，
由于其信号
x
（
t
）
经过伪随机处理
，
输入信号的均值
E[x
（
t
）
]
近似为零
。
而采样的数字信号
，
其峰
值功率可近似
max|x
（
t
）
|
2
。
这样输入信号的平均功率
，
以及峰
图
4
采用不同的二次限幅方法的
ACLR
对比
－18－
谢思雄
，
等基于限幅算法降低峰均比在
WCDMA
中的应用
通过仿真结果
，
可以得到表
1
的数据
。
原始信号的
PAPR
随着概率分布减小
，
其峰均比增加是比较大的
，
这对功放管
是个考验
。
而采用传统的
2
次直接限幅后滤波的方法降低峰
均比
，
其峰均比大概在
10.5dB
后增加就不明显了
。
改进型的
二次限幅方法
，
其峰均比则可以很好的限制在
8.4dB
。
在同
概率为
10
-4
分布时
，
改进型的二次限幅方法降低了
4.9dB,
而
传统的二次限幅方法则只降低了
2.8dB
。
图
5
硬件测试平台
综合仿真结果以及
3GPPTS25.141
规定的
ACLR
指标
，
如表
2
所示
。
限幅前信号的
ACLR
指标与规定指标相比有
6
结语
峰均比降低模块是介于数字上下变频模块和数字预失
20dB
的裕量
；
采用传统的二次限幅后信号的
ACLR
与限幅
前信号的基本相同
。
采用改进型的二次削峰之后
，
其
ACLR
恶化了
16dB
，
但其不仅满足
3GPPTS25.141
的
ACLR
指标
要求而且还有裕量
。
同时
，
削峰后信号的
EVM
指标
[8]
还可以
满足
3GPPTS25.141
的
EVM
指标要求
。
真模块之间
；
通过性能参数的优化
，
该模块可以正常的工作
，
并与数字上变频通过联合测试
。
该峰均比降低算法对于其他
高峰均比的通信系统
，
同样是适用的
。
参考文献
：
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技术与系统设计
[M].
陈泽强
，
译
.3
版
.
北京
：
机械工业出版社
，
2005.
[2]TarokhV,omputationandReductionof
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tions[J].ansactions,2000,48
（
1
）
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[3]FischerRFH,MullerSH,threduced
peak-to-averagepowerratiobymultiplesignalrepresentation
[J].InAnnalsofTelecommunications,1997,52(1-2):58-67.
5
硬件验证平台
通过仿真可以得出
，
采用改进型的二次限幅方法的缺点
[4]arriersignalswithlowcrestfactor[J].
IEEETransactionsonCircuitsandSystems,1986,CAS-33
（
10
）
:1018-1022.
在于
ACLR
指标相对比较差
，
但是还是满足
3GPPTS25.141
规定的指标
；
改进型的二次限幅方法降低
PAPR
的效果优于
传统的方法的效果
，
而且其硬件设计成本远低于传统的方
法
。
由于传统的二次限幅方法每次限幅后都需要滤波处理
，
无疑增加了硬件设计成本
。
因此采用了改进型二次限幅方
法
，
在
Xilinx
的
Virtex4FPGA
里验证该算法
，
图
5
给出其硬
件测试平台
。
测试数据表明
，
在
PAPR
降低
5dB
时
，
其输出削峰信号
的
EVM
为
8.5%
，
一般来说
，
射频电路的
EVM
约为
3%~4%
。
这
样
，
数字中频同射频级联后
，
EVM
值仍小于
12.5%
，
所以该系统
[5]
苗晓伟
.OFDM
系统中峰均功率比问题的研究
[D].
大连
：
大
连理工大学
,2006.
[6]LiX,sofclippingandfilteringontheper-
formanceofOFDM[J].s,1998,2
（
5
）
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133.
[7]
闻翔
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陈国杰
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王志刚
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信号分析系统中的极窄带滤波器
的设计与实现
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微计算机信息
,2005
（
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）：
85,104-105.
[8]Wan-JongKim,Kyoung-JoonCho,ton,Jong-
cientcrestfactorreductiontechniquefor
widebandapplications[J].AnalogIntegratedCircuitsandSig-
nalProcessing,2007
（
4
）
:19-26.
EVM
值达到指标要求
。
整个削峰模块消耗的资源如表
3
所示
。
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