基于瞬时与平均功率比的提高混合载波系统PA效率的线性尺度变换的信号发射和接收方法

摘要

基于瞬时与平均功率比的提高混合载波系统PA效率的线性尺度变换的信号发射和接收方法，涉及通信领域，本发明是为了解决功率放大器的功率效率低的问题。本发明的要点：1、在基于4-WFRFT的混合载波无线通信系统中，通过线性尺度因子来控制输入PA信号发生非线性失真的概率，来提高PA的功率效率。2、通过IAPR的CCDF来得到IAPR0。3、信号在输入PA前与线性尺度因子相乘，并且提出了线性尺度因子的确定方法。本发明适用于基于4-WFRFT的混合载波无线通信系统中，以提高发射端PA功率效率。

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种提高混合载波系统功率放大器效率的线性尺度变 换方法。

背景技术

功率放大器(Power Amplifier,PA)是现代无线通信系统中的关键部件，其功能是将 信号放大到一个足够大的功率值，再经天线发送出去，接收端才能获得足够大的信噪比以 解调出原始信号。PA的性能指标主要集中于PA的效率和非线性失真。如果通信系统采 用单载波恒包络调制方式，PA的非线性失真就会小。因为这种载波方式及调制方式产生 的突发高峰值概率小，可以采用高效率的PA来放大信号，如丙类放大器。随着移动终端 用户数量的飞速增长，客户对各类服务需求也已增大，如可视电话、多媒体服务等，这些 服务对频谱效率提出了更高的要求。为此，现代无线通信系统采用了频谱效率更高的混合 载波/多载波体制和非恒包络的线性调制方式。这就造成远大于发射信号平均功率的峰值 功率出现概率增大，非线性失真发生概率也随之增大，这对功率放大器的线性度提出了很 高的要求。

传统改善PA非线性失真问题的方法是使用线性度较好的甲类或甲乙类功率放大器结 构，并使输入PA信号从饱和功率点回退足够的功率以防止非线性失真发生。但为了满足 线性度的要求，PA的线性范围要很大，这类PA的价格昂贵且功率回退会造成功率效率 低。本发明旨在解决功率放大器功率效率低的问题。

文献1：1996年，D.Wulich公开的《Peak factor in orthogonal multicarrier modulation with  variable levels》；

文献2：2003年H.Ochiai公开的《Performance analysis of peak power and band-limited  OFDM system with linear scaling》；

文献3：2005年R.Raich、Q.Hua和G.T.Zhou公开的《Optimization of SNDR for  amplitude-limited nonlinearities》；

文献4：2007年R.J.Baxley和G.T.Zhou公开的《A comparison of SNDR maximization  techniques for OFDM》；

均提出在信号进入PA前使用线性尺度(Linear Scaling)处理。文献1和文献2中的 方法是根据每一个数据块中的峰值信号功率来确定线性尺度因子(Linear Scaling Factor)， 以使PA输出的信号不发生非线性失真。这类方法可以理解为是根据每个数据块的信号峰 值与平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)来确定线性尺度因子。该方法的 问题在于，当不同数据块的峰值功率不同时，信号在进入PA前有可能被放大或缩小。这 会提高接收端对信道估计的复杂性，因为以数据块为单位的连续信号经历统计独立的线性 尺度变化会加大基于时域插值的信道估计难度。

根据Bussgang定理，当输入信号是高斯分布时，PA输出的信号如果发生非线性失真， 可以表示为两部分和：与输入信号线性相关部分以及非线性失真部分，且两部分不相关。 文献[3、4]中使用该定理建模，提出使PA输出最大信号与非线性失真噪声功率比的线性 尺度因子。但是，该模型对基于4-WFRFT的混合载波系统并不适用。因为混合载波信号 (阶数不等于±1)并不服从高斯分布。

文献5：Q.Liu、X.Ma、G.T.Zhou和J.Wu 2005年公开的《Peak-to-average power ratio  versus instantaneous-to-average power ratio for OFDM》；

文献5中对比了系统信号PAPR和瞬时与平均功率比(Instantaneous-to-Average Power  Ratio，IAPR)两个参数在提高PA性能中的应用。当不允许发生非线性失真时，根据PAPR 参数能够准确确定线性尺度因子。当允许发生非线性失真，为了得到较好的信号与非线性 失真功率比时，IAPR更有参考意义。

文献6：2005年华为技术有限公司公开的《一种提高功率放大器效率的方法》；

文献6公开了一种通过将N链路功率放大器的工作范围划分为多于N个的工作区间 来提高PA效率的方法。例如该方法需要两链路功率放大器，链路1功率放大器饱和功率 小于链路2功率放大器饱和功率，实质上它是根据输入信号不同功率峰值来匹配具有不同 饱和值的PA，该方法需要多个PA并行工作，提高了器件成本。

文献7：2003年三星电子株式会社公开的《提高在大的峰值对平均功率比下运行的功 率放大器的效率的装置和方法》；

文献7公开了一种提高PA功率效率的方法，具体为：检测输入信号峰值并将其降低； 对峰值降低信号进行放大；对信号峰值差进行放大并与之前已经放大信号求和。可以看出 该方法通过两次放大与一次求和来提高PA的功率效率，这会加大器件工作复杂度与运算 时间。

发明内容

本发明是为了解决功率放大器的功率效率低的问题，从而提出一种基于瞬时与平均功 率比的提高混合载波系统PA效率的线性尺度变换的信号发射和接收方法。

基于瞬时与平均功率比的提高混合载波系统PA效率的线性尺度变换的信号发射和接 收方法，

它的信号发射方法为：

步骤一、将离散时间信号经过数字基带映射得到数据X₀(n)，其中X₀(n)具有N个子载 波；N为正整数；

步骤二、将步骤一获得的数据X₀(n)进行α阶WFRFT变换，得到经N点4-WFRFT 调制后的离散时间信号Y(n)；对该离散时间信号Y(n)插入循环前缀、并进行D/A变换， 获得变换后数据；α为实数；

步骤三、根据基带映射方式与4-WFRFT的变换阶数得到信号的平均功率P_av；

步骤四、根据基带映射方式、4-WFRFT的变换阶数、设定的信号非线性失真概率P₀， 应用瞬时与平均功率比IAPR的互补累计分布函数CCDF定义得到对应概率P₀的IAPR 阀值IAPR₀；

步骤五、将步骤三中得到的P_av和步骤四中得到的IAPR₀以及PA的线性区饱和阀值 A_sat通过公式：

$\beta =\frac{A_{\mathrm{sat}}}{\sqrt{P_{\mathrm{av}}·{\mathrm{IAPR}}_0}}$

获得线性尺度因子β；

步骤六、将步骤二中获得的变换后数据与步骤五中得到的尺度因子β相乘，获得相乘 结果；

步骤七、将步骤六中获得的相乘结果经过发射前端处理和功率放大后发射至信道；

它的信号接收方法为：

步骤八、从信道接收发射端发射的信号，进行A/D变换和去循环前缀处理，获得处 理后的数据；

步骤九、将步骤八获得的处理后的数据进行N点-α阶4-WFRFT变换，获得变换后的 数据；

步骤十、将步骤九获得的变换后的结果经过基带反映射处理，获得恢复后的数据并输 出。

步骤四中，瞬时与平均功率比IAPR的互补累计分布函数CCDF定义为：

CCDF(IAPR₀)＝P(IAPR≥IAPR₀)

P为概率。

本发明提出基于IAPR的线性尺度变换方法来改善PA的功率效率，该方法能够在功 率效率与非线性失真两项指标中寻求折中，以可接受的非线性失真为代价来提高PA功率 效率，通过仿真证明该方法与传统方法使用峰值与平均功率比(Peak-to-Average Power  Ratio，PAPR)指标相比能够更有效、更准确的确定线性尺度因子以提高PA功率效率。

附图说明

图1是本发明的信号发射和接收原理示意图；

图2是当α＝0.5时，4-WFRFT信号IAPR与PAPR的CCDF仿真曲线对比示意图； 图中：Probability为概率；其中曲线21表示IAPR；曲线22表示PAPR；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，基于瞬时与平均功率比的提高混合 载波系统功率放大器效率的线性尺度变换方法，具体实施步骤如下：

步骤一：离散时间信号经过数字基带映射得到具有N个子载波的数据X₀(n)。

步骤二：基带映射信号经过α阶WFRFT模块，得到经N点4-WFRFT调制后的离散 时间信号Y(n)。并对其插入循环前缀、D/A处理等。

步骤三：根据基带映射方式与4-WFRFT的变换阶数得到信号的平均功率P_av。

步骤四：根据基带映射方式、4-WFRFT的变换阶数、设定的信号非线性失真概率P₀， 应用IAPR的CCDF定义，如公式(6)所示，得到对应概率P₀的IAPR阀值IAPR₀。

步骤五：将步骤三、四中得到的P_av与IAPR₀以及PA的线性区饱和阀值A_sat代入公 式(8)得到线性尺度因子β。

步骤六：将步骤二中得到的数据与步骤五中得到的尺度因子β相乘。

步骤七：将步骤六中得到的结果经过必要的前端处理和PA后进行发送。

在接收端，经过前端处理后的数据，分别经过必要的处理之后，如A/D变换与去循 环前缀等，将处理后的数据进行N点-α阶4-WFRFT，再经过基带反映射处理，输出结果 即为恢复后的数据。

本发明用到的数学工具是加权分数傅立叶变换(WFRFT)及IAPR定义

离散时间信号X₀(n)的α阶4-WFRFT：

Y(n)＝F^α[X₀(n)]＝ω₀(α)X₀(n)+ω₁(α)X₁(n)+ω₂(α)X₂(n)+ω₃(α)X₃(n)   (1)

其中[X₀(n),X₁(n),X₂(n),X₃(n)]分别是X₀(n)的0～3次离散傅里叶变换(Discrete Fourier  Transform,DFT)，DFT采用式(2)所示进行计算。

$\left(\begin{array}{c}X\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}x\left(n\right)e^{-i\frac{2\pi }{N}\mathrm{kn}}\\ x\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}X\left(k\right)e^{i\frac{2\pi }{N}\mathrm{kn}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

使用的加权系数定义式为：

${\omega }_l\left(\alpha \right)=\cos \left[\frac{(\alpha -l)\pi }{4}\right]\cos \left[\frac{2(\alpha -l)\pi }{4}\right]\exp [-\frac{3(\alpha -l)\mathrm{\pi i}}{4}],(l=\mathrm{0,1,2,3})---\left(3\right)$

假设4-WFRFT系统使用块传输，Y(n)(0≤n≤N-1)是一组基带映射信号经过4-WFRFT 后的离散时间信号，对于Y(n)的瞬时与平均功率比(IAPR)定义为：

$\mathrm{IAPR}\left(n\right)\stackrel{\Delta }{=}\frac{{\left|Y\left(n\right)\right|}^2}{E\left({\left|Y\left(n\right)\right|}^2\right)},0\le n\le N-1---\left(4\right)$

其中，E[·]表示期望。

为了对比，同样给出数据块Y(n)的峰值与平均功率比(PAPR)定义：

$\mathrm{PAPR}\left[Y\left(n\right)\right]\stackrel{\Delta }{=}\frac{\underset{0\le n\le N-1}{\max }\left[{\left|Y\left(n\right)\right|}^2\right]}{E\left({\left|Y\left(n\right)\right|}^2\right)}---\left(5\right)$

IAPR与PAPR的互补累计分布函数(CCDF)定义为：

CCDF(IAPR₀)＝P(IAPR≥IAPR₀)        (6)

CCDF(PAPR₀)＝P(PAPR≥IAPR₀)       (7)

设要求输入PA信号以不高于P₀的概率进入非线性区，对应IAPR边界值设为IAPR₀， 则线性尺度因子(Linear Scaling Factor)β可以表示为：

$\beta =\frac{A_{\mathrm{sat}}}{\sqrt{P_{\mathrm{av}}·{\mathrm{IAPR}}_0}}---\left(8\right)$

其中A_sat是PA的线性区饱和阀值，P_av是输入PA信号的平均功率。

本发明提出了一种基于IAPR的提高混合载波系统功率放大器效率的线性尺度变换 方法。该方法通过控制PA输出信号发生非线性失真的概率来提高PA的功率效率，即以 信号小概率失真为条件换取PA功率效率的提升。该方法较基于PAPR的传统方法能够有 效提高混合载波系统PA功率效率，如表1所示，表1是分别基于IAPR与PAPR指标的 仿真结果对比表(信号失真概率小于10^-3情况)；在4-WFRFT阶数为0.2时，功率效率提 高了4.95个百分点。

以QPSK(1+i，-1+i，-1-i，1-i，)基带映射为例，基带信号平均功率为2。对QPSK 映射的混合载波系统进行仿真，如图1所示：(1)对基带信号IAPR和PAPR的CCDF仿 真，并将曲线进行对比。(2)在信号通过PA发生非线性失真概率不大于10^-3条件下，统 计不同变换阶数的混合载波信号的信号与非线性失真功率比(SDNR)以及PA的功率效 率。

仿真条件为：

子载波数：512；

子载波映射方式：QPSK；

4-WFRFT变换阶数：0.2，0.3，0.5，0.8；

过采样因子：L＝8；

PA的电压增益G＝10；

PA的饱和阀值A_sat＝3；

表1

在相同条件下的IAPR与PAPR的CCDF对比图如图2所示(以阶数α＝0.5为例)；

从表1可以看出，基带信号经过基于IAPR指标的线性尺度变换可以使PA的功率效 率更高，即IAPR较PAPR能更准确的体现信号功率的分布特性。

从IAPR与PAPR的CCDF曲线对比图，如图2，可以看出二者有着很大的不同。PAPR 反映出信号每个数据块的峰值信号的分布特性，而IAPR反映出信号整体的分布特性，也 更符合PA对信号失真概率的严格要求。

本发明与文献1-4中所提方法不同的是，本发明创新性的提出根据混合载波信号的特 性，通过控制信号发生非线性失真概率来提高PA的功率效率。

与文献5提出方案的不同之处在于，本发明提出利用信号的IAPR参数来控制线性尺 度因子进而控制PA发生非线性失真概率。

且本发明在原理的实质上与文献6完全不同，并弥补了背景技术中所提及的文献7 的缺点。

本发明应用于基于4-WFRFT的混合载波无线通信系统中以提高发射端PA功率效率。 也可以使用在其它应用PA的系统中以提高PA功率效率。