Способ снижения значения пиковой мощности сигналов и многочастотная система для его реализации
Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано для повышения качества электросвязи, особенно в многочастотных системах беспроводной связи. Технический результат - сохранение высокой пропускной способности канала при упрошенной процедуре корректировки. Способ снижения отношения пиковой мощности сигнала к его средней мощности PAPR в многочастотных системах связи, в которых информационный символ образован множеством сигналов, каждый из которых центрирован на одной из множества несущих частот, характеризуется тем, что в передатчике множество несущих частот разбивают на несколько частей - подмножеств несущих частот, информационный символ, значение PAPR которого не превосходит требуемый порог PAPR0, передают на всех несущих информационный символ, значение PAPR которого превосходит требуемый порог PAPR0, разбивают на несколько частей - подсимволов, при этом количество этих частей равняется количеству подмножеств поднесущих, каждую часть символа передают как полный символ, в котором данные передают только на одной части несущих, остальные несущие не модулируют, в приемнике осуществляют идентификацию прихода неполного символа путем анализа амплитуд сигналов несущих, которые не модулируют в случае разбиения символа. Многочастотная система связи характеризуется конструкцией приемника и передатчика, адаптированных к выполнению операций, предусмотренных предложенным способом. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 12 ил.
Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано для повышения качества электросвязи, особенно в многочастотных системах беспроводной связи. Одной из фундаментальных проблем создания многочастотных систем беспроводной связи и, в частности, систем с применением технологии OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) является наличие кратковременных аномальных амплитудных выбросов сигнала, во много раз превосходящих среднее значение. Для того чтобы подобный сигнал был передан без искажений, необходимо использовать цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) очень большого диапазона (с большим количеством уровней квантования), что весьма затруднительно с технической точки зрения и требует больших финансовых затрат. Кроме того, повышаются требования к величине линейного диапазона усиления передающего тракта.
Поэтому проблема снижения величины отношения максимальной (пиковой) амплитуды сигнала или мгновенной мощности сигнала является крайне важной при проектировании цифрового передатчика многочастотного сигнала.
В специальной литературе величину отношения пиковой мощности сигнала к его средней мощности на интервале передачи называют PAPR (Peak to Average Power Ratio). Величину PAPR измеряют в децибелах. Особенностью многочастотных систем и в частности OFDM систем является то, что результирующий сигнал является смесью сигналов многих поднесущих, причем сигнал на каждой поднесущей промодулирован информационным сигналом. Таким образом, например, OFDM сигнал, состоящий из множества синусоид с разными значениями начальных фаз и амплитуд (возможное количество фаз и амплитуд зависит от вида модуляции), дает результирующий сигнал, который во временной области может принимать различные значения во время интервала передачи. Такие значения могут в отдельные моменты времени значительно превосходить средний уровень. Теория OFDM систем говорит о том, что распределение амплитуды результирующего сигнала весьма близко к нормальному распределению. Помимо самой величины PAPR важным параметром является вероятность того, что пиковая мощность сигнала превышает данное значение PAPR. Чем выше уровень модуляции (в OFDM системах обычно используют QAM модуляцию), тем выше вероятность события превышения пиковой мощности фиксированного порога PAPR.
Известны способы и системы для использования OFDM-технологий в беспроводной связи (см., например, патенты США №№6763591 [1], 6775254 [2], 6771591 [3]). В этих источниках описаны, помимо прочего, схемы передатчика и приемника многочастотного сигнала. Блок-схема типового передатчика многочастотного сигнала представлена на Фиг.1 Поток входных информационных символов распределяется по поднесущим в модуле 1. Каждая поднесущая модулируется информационным сигналом в соответствующих модулях 2-7. Потоки промодулированных поднесущих объединяются (мультиплексируются) в один выходной поток в блоке 8. В OFDM системах объединение поднесущих производится через обратное преобразование Фурье.
Блок-схема типового передатчика OFDM представлена на Фиг.2 Входной бинарный сигнал проходит через модуль 9 защитного кодирования (Forward Error Correction Module), затем через блок 10, содержащий интерливер и символьный кодировщик (Interleaver+Mapper), и поступает на вход модуля 11 обратного преобразования Фурье (IFFT). На выходе модуля 11 появляется временной сигнал, который представляет собой смесь из многих поднесущих, о которой говорилось выше. Дальнейшие преобразования (модули 12 и 13) связаны с цифровой фильтрацией и последующим преобразованием сигнала в РФ тракте (модули 14 и 15) и принципиально не меняют ситуацию с PAPR.
Другая блок-схема приемника представлена на том же рисунке снизу. Сигнал проходит через РФ тракт (модули 16 и 17), АЦП 3. Дальнейшие модули (18-23) осуществляют цифровую фильтрацию сигнала, преобразование Фурье, демодуляцию и декодирование, (см. например IEEE P802.11a/D 7.0, July 1999 [4]).
Обратное преобразование Фурье записывается формулой:
где Xk - комплексная амплитуда поднесущей.
Параметр PAPR при этом определяют следующим образом:
Поскольку отсчеты x могут принимать различные значения, принято говорить о вероятности события, когда величина PAPR превышает некоторое заданное значение PAPR0:
Pr(PAPR>PAPR0).
В наиболее близком по замыслу патенте США №6424681 "Peak to Average Power Ratio Reduction" [5] предложен метод снижения величины PAPR путем резервирования части поднесущих. Таким образом одна часть поднесущих используется для передачи информационного сигнала, то есть поднесущие модулируются информационными символами, а другая часть поднесущих используется для генерации корректирующего сигнала, который вычитается из результирующего временного сигнала, полученного на выходе IFFT, приводя тем самым к снижению величины PAPR0 при одном и том же значении вероятности.
Математически эта операция описывается следующим образом: часть поднесущих модулируется информационным сигналом Xk
ноль означает, что данные поднесущие не модулируются информационными символами (резервируются).
При этом зарезервированные поднесущие модулируются специально подобранной последовательностью символов
такой что на выходе IFFT получается синтезированный сигнал
где Q - матрица IFFT, образованная элементами 
Символы Сk подбираются с целью минимизации величины
Блок-схема передатчика с резервированием поднесущих представлена на Фиг.3.
Входной информационный сигнал распределяется по нескольким поднесущим в модуле 1. При этом часть поднесущих не используется (резервируется). После объединения поднесущих в один временной сигнал в модуле 8 производится процедура коррекции сигнала в модуле 24 (Kernel Engine) с целью снижения величины PAPR. Данная коррекция производится за счет добавления к сигналу x, корректирующего сигнала С, такого, чтобы на выходе получить сигнал с величиной PAPR, не превосходящий установленный порог. Подбор оптимальных значений корректирующего сигнала с является достаточно сложной в математическом отношении задачей, требующей значительных временных и вычислительных ресурсов. Кроме того, недостатком данного метода является снижение пропускной способности канала, поскольку часть поднесущих используется не для передачи информационных символов, а для генерации корректирующего сигнала.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в сохранении высокой пропускной способности канала при упрощенной процедуре корректировки.
Технический результат достигается за счет использования нового метода снижения PAPR, который базируется на факте, что далеко не каждый многочастотный символ имеет временные отсчеты сигнала с аномальными отклонениями амплитуды. Подавляющее количество символов, напротив, не превышает заданного порога PAPR0, и таким образом не требует никаких дополнительных мер для его снижения. И лишь сравнительно небольшое количество символов содержит аномальные отсчеты. Данные символы в передатчике предлагается разделять на несколько подсимволов, например на два, каждый из которых содержит уменьшенное количество поднесущих, промодулированных входными данными. Остальные поднесущие не используются, они имеют нулевую амплитуду. При этом под символы уже не будут иметь аномальных отклонений амплитуды, поскольку при уменьшении количества поднесущих вероятность появления аномальных пиков снижается. В приемнике же предлагается производить детектирование таких сокращенных подсимволов, производить их демодуляцию (для этого используется модифицированный деинтерливер), после чего производить объединение демодулированных подсимволов в один таким образом, чтобы на выходе последовательность информационных символов совпадала с последовательностью при модуляции полного многочастотного символа; после чего дальнейшая обработка (декодирование) проходит аналогично традиционному приемнику. Блок-схема приемника для OFDM сигнала с разделенными символами представлена на Фиг.4. Входные информационные данные поступают в модуль 25 (Symbol Splitter), который распределяет сигналы по поднесущим. При этом сигналы могут быть распределены как по всем доступным поднесущим, так и по их части (например, по половине). В последнем случае многочастотный символ передается за несколько раз (в случае двойного разбиения сперва первая половина символа, затем вторая). После этого поднесущие модулируются в модулях 2-7 и объединяются во временной символ в модуле 8.
Более подробно алгоритм разбиения символа на 2 подсимвола проиллюстрирован на Фиг.5
Входные данные 32 направляют в модуль 25 (Symbol Splitter), с помощью которого осуществляют принятие решение о разбиении полного символа на подсимволы. Командой для принятия решения является результат сравнения синтезированного временного импульса с порогом PAPR0, производимого в модуле 26 (Peak Detector на Фиг.4).
Первоначально с помощью модуля 25 формируют полный символ 27 (Full Symbol). После модуляции поднесущих (модуль 10) и преобразовании во временной символ в модуле 8, производят сравнение пиковой мощности временного символа с порогом PAPR0. Если превышения порога нет, то такой полный символ выводят на выход. В случае превышения порога полный символ не выводят. Вместо этого с помощью модуля 25 производят разбиение символа на два подсимвола 28 и 29, которые последовательно подвергают процедуре модуляции, преобразования во временной символ и выдают на выход. При этом, поскольку при генерации таких символов используют лишь половину поднесущих, превышения порога не происходит. Таким образом, вместо одного полного многочастотного символа с аномальным превышением порога на выход последовательно выдают два полусимвола уже без аномальных выбросов.
Разумеется, это приводит к увеличению времени трансляции информационных фреймов, однако, поскольку процентное соотношение аномальных символов к общему количеству символов невелико, увеличение времени передачи также оказывается небольшим. Для ускорения времени генерации многочастотного символа следует производить процедуру модуляции и преобразования из частотной во временную область для полного символа и для его первой половины в параллель. Тогда в случае фиксации аномального пика в модуле 26, на выход сразу же получают первую половину символа. Блок-схема приемника многочастотного сигнала с разбиением символов представлена на Фиг.6. Входные данные после блока 21 преобразования из временной области в частотную поступают в блок 33 детектирования прихода неполного символа (Half/Full Symbol Detector). Поскольку частоты, на которых передаются информационные символы в случае разбиения символа известны (фиксированы), то блок 33 производит анализ амплитуды сигнала на поднесущих, которые в случае разбиения символа на подсимволы не модулируются (т.е. их амплитуда равна нулю). Таким образом сравнивая, например, сумму амплитуд (модуль комплексной огибающей) сигналов на этих поднесущих или сумму квадратов амплитуд с соответствующим порогом R0, можно диагностировать событие прихода неполного полусимвола. В случае детектирования события неполного символа демодулятор 34 демодулирует не все поднесущие, а лишь те из них на которых передаются информационные символы. Соответственно деинтерливер 22 производит преобразование символов, переданных на части поднесущих во временную последовательность символов. При этом преобразование происходит таким образом, чтобы временная последовательность оставалась такой же, как и в случае передачи полного символа. После обработки первого полусимвола приемник производит обработку второго полусимвола. При этом уже нет необходимости детектировать событие прихода неполного символа, поскольку очевидно, что за первым полусимволом должен последовать второй. Алгоритм обработки многочастотного сигнала с разбиением на подсимволы проиллюстрирован Фиг.7.
На Фиг.8 показана блок-схема передатчика OFDM сигнала с разбиением на подсимволы.
Сигнал после защитного кодирования в модуле 9 поступает в модуль 25, на выходе которого формируются две последовательности информационных символов - для полного многочастотного символа и для половинного символа (первая половина полного символа). Обе последовательности проходят параллельное преобразование во временную область в блоках 111 и 112. Сигнал с выхода блока 111 (полный символ) анализируют модулем 39 на предмет наличия аномального PAPR. Если аномального PAPR не зафиксировано, сигнал выдается на выход, проходя стандартные процедуры добавления защитного интервала 12, полосовой фильтрации 13, преобразования в аналоговый сигнал (14 и 15).
Соответствующая блок-схема OFDM приемника с разбиением символов представлена на Фиг.9.
Сигнал после стандартной обработки в модулях 16-20 после блока FFT 21 обрабатывается модулем 33, который детектирует наличие неполного символа, например символа, где только половина поднесущих промодулирована информационным сигналом, а остальные имеют нулевую амплитуду, т.е. отсутствуют. В случае детектирования неполного символа демодуляция такого неполного символа ведется с помощью модифицированного деинтерливера 22, который учитывает тот факт, что не все поднесущие использованы для передачи информации. После демодуляции всех подсимволов, которые образуют начальный полный символ, их объединяют в выходной информационный поток таким образом, чтобы порядок демодулированных символов соответствовал порядку символов исходного информационного потока, который затем направляется в декодер 23.
Расчеты показывают, что применяя данный способ, можно добиться аналогичного лучшего снижения величины PAPR по сравнению со способом резервирования поднесущих без заметного снижения информационной скорости (снижение в пределах 1-10%). Для оценки эффективности предложенного способа (способа разбиения символов) было проведено моделирование. Результаты приводятся в сравнении с итерационным способом, основанным на резервировании поднесущих, описанным в статье "PAPR reduction in Multicarrier Transmission Systems", Jose Tellado and John M. Cioffi, Stanford University [6] (так называемым градиентным алгоритмом).
Результаты моделирования представлены на Фиг.10 и 11. Использовались следующие параметры моделирования:
- случайных символов 107
- модуляция 16 QAM
- для IFFT 64 точки
- метода резервирования тонов:
- количество резервных тонов 10% (6)
- количество итераций градиентного метода 2 и 4
метода разбиения символов:
- порог 8 dB и 9 dB
- для IFFT 256 точек
- метода резервирования тонов:
- количество резервных тонов 10% (25)
- количество итераций градиентного метода 2 и 30
метода разбиения символов:
- порог 8.8 dB и 9.5 dB
Расчеты для 64-точечного IFFT показывают, что при пороге разбиения символов в 8 dB потеря в информационной скорости составит 10%, что соответствует аналогичной потере в скорости при резервировании 10% тонов. При пороге разбиения в 9 dB потеря в скорости составит 1.9%.
Расчеты для 256-точечного IFFT показывают, что при пороге разбиения символов 8.8 dB потеря в информационной скорости составит 10%, что соответствует аналогичной потере в скорости при резервировании 10% тонов. При пороге разбиения в 9.5 dB потеря в скорости составит 2.6%. Поскольку при разбиении OFDM символа часть информационных поднесущих не используют, появляется возможность объединения предложенного метода с методом резервирования поднесущих. В этом случае на неиспользуемых поднесущих генерируют корректирующий импульс, который приводит к дополнительному снижению PAPR в тех случаях, когда в каком-либо подсимволе произошло превышение амплитуды сигнала (мгновенной мощности) над порогом. Блок-схема на Фиг.12 иллюстрирует передатчик, использующий метод разбиения OFDM символа совместно с генерацией корректирующего импульса на неиспользуемых (зарезервированных) поднесущих.
1. Способ снижения отношения пиковой мощности сигнала к его средней мощности PAPR в многочастотных системах связи, в которых информационный символ образован множеством сигналов, каждый из которых центрирован на одной из множества несущих частот, отличающийся тем, что в передатчике множество несущих частот разбивают на несколько частей-подмножеств несущих частот, информационный символ, значение PAPR которого не превосходит требуемый порог PAPR0, передают на всех несущих, информационный символ, значение PAPR которого превосходит требуемый порог PAPR0, разбивают на несколько частей-подсимволов, при этом количество этих частей равняется количеству подмножеств поднесущих, каждую часть символа передают как полный символ, в котором данные передают только на одной части несущих, остальные несущие не модулируют, в приемнике осуществляют идентификацию прихода неполного символа путем анализа амплитуд сигналов несущих, которые не модулируют в случае разбиения символа.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что несущие разбивают на две равные части, информационный символ, значение PAPR которого превосходит требуемый порог PAPR0, также разбивают на две равные части.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть несущих, которую при разбиении символа на подсимволы не модулируют информационными сигналами, используют для формирования корректирующего сигнала, снижающего значение PAPR подсимвола в случае его превышения над требуемым порогом PAPR0.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после разбиения полного символа на подсимволы для каждого из подсимволов производят сравнение величины PAPR подсимвола с требуемым порогом PAPR0, в случае если порог не превышен, подсимвол передают, при превышении порога подсимвол дополнительно разбивают на более мелкие подсимволы, которые передают на меньшем количестве несущих с целью дальнейшего снижения величины PAPR.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что несущие разбивают на равные части; информационный символ, значение PAPR которого превосходит требуемый порог PAPR0, разбивают на такое же количество равных частей.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что после разбиения полного символа на подсимволы для каждого из подсимволов производят сравнение величины PAPR подсимвола с требуемым порогом PAPR0, в случае если порог не превышен, подсимвол передают на первой части несущих, при превышении порога подсимвол распределяют на другую часть поднесущих, для этой части поднесущих производят сравнение величины PAPR подсимвола с требуемым порогом PAPR0, в случае если порог не превышен, подсимвол передают на этой части несущих, при превышении порога подсимвол распределяют на следующую часть поднесущих, перераспределение производят до тех пор, пока требование по PAPR0 не будет выполнено.
7. Многочастотная система связи, в которой многочастотный информационный символ образован множеством сигналов, каждый из которых центрирован на одной из множества несущих частот и который характеризуется величиной отношения пиковой мощности сигнала к его средней мощности PAPR, состоящая из передатчика и приемника, отличающаяся тем, что:
в передатчике последовательность информационных данных поступает на вход устройства разбиения, которое в соответствии с заданным режимом работы способно выдавать на выходе полный информационный символ либо последовательно несколько подсимволов, образующих полный символ, на другой вход устройства разбиения поступает управляющий сигнал, выход устройства разбиения соединен с входом интерливера, который производит разбиение входных информационных данных, из которых состоит информационный символ, на подмножества, модулирующие каждую из несущих, выход интерливера соединен с входом модулятора, который модулирует несущие многочастотного сигнала сигналами, образованными подмножеством информационных данных таким образом, что на его выходе получается многочастотный символ, состоящий из множества несущих, выход модулятора соединен с пороговым устройством, в котором происходит сравнение значения величины PAPR многочастотного символа с требуемым порогом, один выход которого соединен с входом радиочастотного тракта передатчика, а другой выход соединен с управляющим входом устройства разбиения, при этом в случае, если полный многочастотный символ обладает величиной PAPR больше заданного порога, пороговое устройство посылает команду устройству разбиения на разбиение полного символа на подсимволы, при этом каждый подсимвол передается на уменьшенном количестве несущих;
в приемнике, в котором входной многочастотный сигнал поступает на вход устройства преобразования в частотную область, осуществляющего выделение из общего многочастотного сигнала сигнал, модулирующий каждую несущую, выход устройства преобразования в частотную область соединен с входом устройства детектирования прихода неполного символа, которое путем сравнения амплитуды несущих, не модулируемых в случае разбиения полного символа на подсимволы, с пороговым значением детектирует наличие прихода неполного символа, выход устройства детектирования прихода неполного символа соединен с входом демодулятора, который в случае прихода полного символа демодулирует сигнал на всех несущих, а в случае прихода полусимвола демодулирует сигнал на части несущих, выход демодулятора соединен со входом деинтерливера, который осуществляет преобразования параллельного потока данных, передаваемого на множестве несущих, в последовательный поток и который в случае разбиения полного символа на подсимволы осуществляет преобразование параллельного потока данных в последовательный поток для каждого подсимвола таким образом, что выходной последовательный поток данных для символа, разбитого на несколько подсимволов, совпадает с выходным потоком данных полного символа.
8. Многочастотная система связи по п.7, в которой многочастотный информационный символ образован множеством сигналов с ортогональной частотной модуляцией OFDM, и который характеризуется величиной отношения пиковой мощности сигнала к его средней мощности PAPR, состоящая из передатчика и приемника, отличающаяся тем, что:
в передатчике последовательность информационных данных поступает на вход устройства разбиения, которое в соответствии с заданным режимом работы способно выдавать на выходе полный информационный символ либо последовательно несколько подсимволов, образующих полный символ, причем количество подсимволов пропорционально степени 2, на другой вход устройства разбиения поступает управляющий сигнал, выход устройства разбиения соединен с входом интерливера, который производит разбиение входных информационных данных, из которых состоит информационный символ, на подмножества, модулирующие каждую из несущих, выход интерливера соединен с входом модулятора, который посредством обратного преобразования Фурье модулирует несущие многочастотного сигнала сигналами, образованными подмножеством информационных данных таким образом, что на его выходе получается многочастотный символ, состоящий из множества несущих, выход модулятора соединен с пороговым устройством, в котором происходит сравнение значения величины PAPR многочастотного символа с требуемым порогом, один выход которого соединен с входом радиочастотного тракта передатчика, а другой выход соединен с управляющим входом устройства разбиения, при этом в случае, если полный многочастотный символ обладает величиной PAPR больше заданного порога, пороговое устройство посылает команду устройству разбиения на разбиение полного символа на подсимволы, при этом каждый подсимвол передается на уменьшенном количестве несущих;
в приемнике, в котором входной многочастотный сигнал поступает на вход устройства преобразования в частотную область посредством прямого преобразования Фурье, осуществляющего выделение из общего многочастотного сигнала сигнал, модулирующий каждую несущую, выход устройства преобразования в частотную область соединен с входом устройства детектирования прихода неполного символа, которое путем сравнения амплитуды несущих, не модулируемых в случае разбиения полного символа на подсимволы, с пороговым значением детектирует наличие прихода неполного символа, выход устройства детектирования прихода неполного символа соединен с входом демодулятора, который в случае прихода полного символа демодулирует сигнал на всех несущих, а в случае прихода полусимвола демодулирует сигнал на части несущих, выход демодулятора соединен с входом деинтерливера, который осуществляет преобразования параллельного потока данных, передаваемого на множестве несущих, в последовательный поток и который в случае разбиения полного символа на подсимволы осуществляет преобразование параллельного потока данных в последовательный поток для каждого подсимвола таким образом, что выходной последовательный поток данных для символа, разбитого на несколько подсимволов, совпадает с выходным потоком данных полного символа.
