RU2696092C2 - Method of reconfigurable filtration to reduce peak-factor ofdm-signals and device for its implementation - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to the field of discrete information transmission and is used in transmitting devices of wireless transmission systems with OFDM-modulation. For this, method involves joint implementation of two limiting and filtering decisions and backup subcarriers in one reconfigurable filter, wherein in filter configuration for allocation of standby subcarriers OFDM signal is subjected to special iterative processing, value of reserved subcarriers is calculated to generate "anti-peak" signal, and in filter configuration providing allocation of data subcarriers, signal after filter and "anti-peak" signal are summed.

EFFECT: high efficiency of the system by reducing the OFDM signal peak-factor with an allowable level of inband distortion, maintaining order of algorithm computational complexity and reducing signal processing delay.

4 cl, 5 dwg

Description

Способ реконфигурируемой фильтрации для понижения пик-фактора OFDM-сигналов и устройство для его реализацииConfigurable filtering method for lowering the peak factor of OFDM signals and device for its implementation

Изобретение относится к области передачи дискретной информации и используется в передающих устройствах беспроводных систем передачи с OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) модуляцией.The invention relates to the field of transmission of discrete information and is used in transmitters of wireless transmission systems with OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) modulation.

Благодаря высокой спектральной эффективности, увеличению помехоустойчивости в каналах с многолучевым распространением и высокой скорости передачи технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов OFDM широко используется для решения задачи беспроводной передачи данных.Due to its high spectral efficiency, increased noise immunity in multipath channels and high transmission rate, OFDM multiplexing technology with OFDM is widely used to solve the problem of wireless data transmission.

Известным основным недостатком систем с OFDM модуляцией является высокий пик-фактор передаваемых сигналов, который характеризуется отношением пиковой мощности сигнала к его средней мощности PAPR (Peak-to-Average Power Ratio). Из-за этого радиосигнал требует использования широкого линейного динамического диапазона усилителя мощности (УМ), что приводит к увеличению стоимости аппаратуры и к большому энергопотреблению. Для УМ с ограниченной линейной областью пики радиосигнала попадают в область насыщения, что приводит к нелинейным искажениям (внутриполосным и внеполосным). Поэтому эффективное решение для снижения пик-фактора с относительно простой аппаратной реализацией является важным вопросом при практическом применении OFDM технологии.A well-known main drawback of systems with OFDM modulation is the high peak factor of the transmitted signals, which is characterized by the ratio of the peak power of the signal to its average power PAPR (Peak-to-Average Power Ratio). Because of this, the radio signal requires the use of a wide linear dynamic range of the power amplifier (PA), which leads to an increase in the cost of the equipment and to a large power consumption. For an AM with a limited linear region, the peaks of the radio signal fall into the saturation region, which leads to nonlinear distortions (in-band and out-of-band). Therefore, an effective solution to reduce the peak factor with a relatively simple hardware implementation is an important issue in the practical application of OFDM technology.

Распространенный способ - это метод ограничения-и-фильтрации. Такой метод описан в статьях Armstrong J., "Peak-to-Average Power Reduction for OFDM by Repeated Clipping and Frequency Domain Filtering," IEEE Electronics Letters, vol. 38, no. 8, pp. 246-47, Feb. 2002 [1] и Zhu X., Pan W., Li H. and Tang Y., "Simplified Approach to Optimized Iterative Clipping and Filtering for PAPR Reduction of OFDM Signals," IEEE Transactions on Communications, vol. 61, no. 5, pp. 1891-1901, May 2013 [2].A common way is to restrict-and-filter. Such a method is described in Armstrong J., "Peak-to-Average Power Reduction for OFDM by Repeated Clipping and Frequency Domain Filtering," IEEE Electronics Letters, vol. 38, no. 8, pp. 246-47, Feb. 2002 [1] and Zhu X., Pan W., Li H. and Tang Y., "Simplified Approach to Optimized Iterative Clipping and Filtering for PAPR Reduction of OFDM Signals," IEEE Transactions on Communications, vol. 61, no. 5, pp. 1891-1901, May 2013 [2].

Это самый простой способ для уменьшения пик-фактора, который ограничивает OFDM сигналы на заданном пороговом значении. Однако он приводит к следующим проблемам:This is the easiest way to reduce the peak factor, which limits OFDM signals at a given threshold value. However, it leads to the following problems:

- Возникают внутриполосные искажения и внеполосное излучение. Внеполосное излучение приводят к увеличению уровня энергетических потерь, а внутриполосные искажения приводят к ухудшению показателей сигнала - увеличению вероятности битовых ошибок BER, уменьшению коэффициента ошибок модуляции MER - и к снижению помехоустойчивости приема;- In-band distortion and out-of-band emission occur. Out-of-band radiation leads to an increase in the level of energy loss, and in-band distortions lead to a deterioration in signal performance — an increase in the probability of BER bit errors, a decrease in the MER modulation error rate — and a decrease in reception noise immunity;

- Фильтрация, используемая для уменьшения внеполосного излучения, увеличивает внутриполосные искажения и приводит к появлению новых пиков сигнала, превышающих уровень ограничения. Повторная операция ограничения и фильтрации может уменьшить новые пики сигнала, однако при этом внутриполосные искажения увеличиваются.- The filtering used to reduce out-of-band emission increases in-band distortion and leads to new signal peaks that exceed the limit level. Repeated clipping and filtering can reduce new signal peaks, however, in-band distortion increases.

Производные типы метода ограничения-и-фильтрации заключаются в применении мягкого уровня ограничения, например, поиск оптимального соотношения ограничения в работах: Nechiporenko Т. and Nguyen Н.Н., "Optimal Clipping Value for PAR Reduction of OFDM," in the Proceedings of the International Conference on Wireless Communications and Networking (Kowloon, China), June 2007 [3] и патент US 20080101502, МПК H04K 1/02, публ. 01.05.2008 [4].Derived types of restriction-and-filtering method consist in applying a soft restriction level, for example, searching for the optimal constraint ratio in the works: Nechiporenko T. and Nguyen NN, "Optimal Clipping Value for PAR Reduction of OFDM," in the Proceedings of the International Conference on Wireless Communications and Networking (Kowloon, China), June 2007 [3] and US Pat. No. 20080101502, IPC H04K 1/02, publ. 05/01/2008 [4].

Оптимальное значение ограничения находится для фиксированной вероятности ошибки BER. Достигается дополнительное снижение пик-фактора до нескольких десятых дБ по сравнению с классическим способом ограничения-и-фильтрации. Недостатком данного способа является значительная сложность процедуры поиска оптимального значения ограничения.The optimal limit value is for a fixed probability of a BER error. An additional reduction of the peak factor to several tenths of a dB is achieved compared to the classical method of restriction-and-filtering. The disadvantage of this method is the significant complexity of the procedure for finding the optimal value of the constraint.

Способы перестановки сигналов, включающие селективное отображение SLM (Selective Mapping) и частичную последовательность передачи PTS (Partial Transmit Sequence), уменьшают вероятность возникновения синфазных модулированных поднесущих. Такие подходы описаны в работах Yang L., Soo K.K., Li S.Q., and Siu Y.M., "PAPR reduction using low complexity PTS to construct of OFDM signals without side information," IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 57, no. 2, pp. 284-290, Jun. 2011 [5] и Li C.P., Wang S.H., Wang C.L., "Novel low-complexity SLM schemes for PAPR reduction in OFDM systems," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 58, no. 5, pp. 2916-2921 Feb. 2010 [6].Signal permutation techniques, including Selective Mapping (SLM) and Partial Transmit Sequence (PTS), reduce the likelihood of in-phase modulated subcarriers. Such approaches are described in Yang L., Soo K.K., Li S.Q., and Siu Y.M., "PAPR reduction using low complexity PTS to construct of OFDM signals without side information," IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 57, no. 2, pp. 284-290, Jun. 2011 [5] and Li C.P., Wang S.H., Wang C. L., "Novel low-complexity SLM schemes for PAPR reduction in OFDM systems," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 58, no. 5, pp. 2916-2921 Feb. 2010 [6].

При этом требуется большое количество вычислений ОДПФ (обратное дискретное преобразование Фурье) для нахождения оптимальных фазовых последовательностей. Поэтому для реализации этих методов необходимы повышенная вычислительная производительность и большой объем памяти. Другим недостатком этих методов является то, что для восстановления исходных данных от передатчика к приемнику должна быть передана дополнительная информация, а некорректная полученная дополнительная информация в приемнике приводит к ошибкам.In this case, a large number of DFT calculations (inverse discrete Fourier transform) are required to find the optimal phase sequences. Therefore, to implement these methods, increased computational performance and a large amount of memory are required. Another drawback of these methods is that additional information must be transmitted to restore the original data from the transmitter to the receiver, and incorrect received additional information in the receiver leads to errors.

В работах Kou Y.J., Lu W.S. and Antoniou A.A "New Peak-to-Average Power-Ratio Reduction Algorithm for OFDM Systems via Constellation Extension," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 6, no. 5, pp. 1823-1832, May 2007 [7], Zheng Z. and Li G., "An Efficient FPGA Design and Performance Testing of the ACE Algorithm for PAPR Reduction in DVB-T2 Systems," IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 63, no. 1, pp. 134-143, Mar. 2017 [8] и Bae K., Andrews J.G., and Powers E.J., "Adaptive active constellation extension algorithm for peak-to average ratio reduction in OFDM," IEEE Communications Letters, vol. 14, no. 1, pp. 39-41, Jan. 2010 [9] исследуется способ расширения активного созвездия АСЕ (Active Constellation Extension).In the works of Kou Y.J., Lu W.S. and Antoniou A.A "New Peak-to-Average Power-Ratio Reduction Algorithm for OFDM Systems via Constellation Extension," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 6, no. 5, pp. 1823-1832, May 2007 [7], Zheng Z. and Li G., "An Efficient FPGA Design and Performance Testing of the ACE Algorithm for PAPR Reduction in DVB-T2 Systems," IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 63, no. 1, pp. 134-143, Mar. 2017 [8] and Bae K., Andrews J.G., and Powers E.J., "Adaptive active constellation extension algorithm for peak-to average ratio reduction in OFDM," IEEE Communications Letters, vol. 14, no. 1, pp. 39-41, Jan. 2010 [9] explores a method of expanding the active constellation ACE (Active Constellation Extension).

Однако, способ АСЕ не может быть использован при повороте созвездия, а также неэффективен при модуляции QAM высокого порядка.However, the ACE method cannot be used when rotating the constellation, and is also ineffective in modulating high-order QAM.

Известен более эффективный способ снижения пик-фактора, основанный на использовании резервных поднесущих TR (Tone Reservation). Способ описан в публикациях Tellado J., "Peak to average power reduction for multicarrier modulation," Ph.D. dissertation, Stanford Univ., Stanford, CA, 2000 [10], патент US 6424681, МПК H04L 25/03, публ. 23.07.2002 г. [11] и "Digital video broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system," European Standard ETSI EN 302755, Jul. 2015 [12].A more efficient way to reduce the peak factor is known, based on the use of reserve subcarriers TR (Tone Reservation). The method is described in Tellado J., "Peak to average power reduction for multicarrier modulation," Ph.D. dissertation, Stanford Univ., Stanford, CA, 2000 [10], patent US 6424681, IPC H04L 25/03, publ. July 23, 2002 [11] and "Digital video broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system," European Standard ETSI EN 302755, Jul. 2015 [12].

Способ заключается в том, что сигнал подавления пиков формируется на основе импульсного ядра, генерируемого зарезервированными поднесущими. Этот способ имеет следующие недостатки:The method consists in the fact that the peak suppression signal is generated on the basis of the pulse core generated by the reserved subcarriers. This method has the following disadvantages:

- OFDM сигналы подвергают итеративной обработке, которая на каждой итерации подавляет один наибольший пик. В общем случае, чем больше число итераций, тем более низкое значение пик-фактора OFDM сигнала будет получено. Но это увеличивает вычислительную сложность и задержку обработки. Меньше 10 итераций рекомендуется в [12].- OFDM signals are iterated, which suppresses one largest peak at each iteration. In general, the larger the number of iterations, the lower the peak factor of the OFDM signal will be obtained. But this increases the computational complexity and processing delay. Less than 10 iterations are recommended in [12].

- Средняя мощность переданного сигнала увеличивается, и это приводит к тому, что УМ переходит в зону насыщения.- The average power of the transmitted signal increases, and this leads to the fact that the PA goes into the saturation zone.

Параллельная обработка М пиков позволяет снизить временные задержки при обработке сигнала (патент US 8170140, МПК H04L 27/28, публ. 01.05.2012 [13]).Parallel processing of M peaks can reduce time delays in signal processing (patent US 8170140, IPC H04L 27/28, publ. 01.05.2012 [13]).

Недостатками данного способа являются требования к ресурсам системы, такие как повышенная вычислительная сложность и большой объем памяти для М операций циклического сдвига импульсного ядра, а также необходимость указать определенное значение М при реализации аппаратуры.The disadvantages of this method are the requirements for system resources, such as increased computational complexity and a large amount of memory for M operations of cyclic shift of the pulse core, as well as the need to specify a specific value of M when implementing the equipment.

Может быть использовано изменение количества резервируемых поднесущих для каждого OFDM символа (патент ЕР 2056553, МПК H04L 27/26, публ. 06.05.2009 [14]). Количество резервируемых поднесущих динамически определяется на основе желательного снижения пик-фактора в процессе дополнительной оптимизации. За счет этого можно уменьшить значение пик-фактора.A change in the number of reserved subcarriers for each OFDM symbol can be used (patent EP 2056553, IPC H04L 27/26, publ. 05/06/2009 [14]). The number of redundant subcarriers is dynamically determined based on the desired reduction in peak factor during further optimization. Due to this, you can reduce the value of the peak factor.

Однако процедура изменения количества резервируемых поднесущих усложняет алгоритм. Кроме этого, на приемной стороне надо узнать номер и позицию всех резервных поднесущих. Если номер и позиция резервных поднесущих передаются в каждом OFDM символе, это приводит к значительному снижению спектральной эффективности. Поэтому этот способ серьезно ограничивает его применимость в практических задачах.However, the procedure for changing the number of reserved subcarriers complicates the algorithm. In addition, on the receiving side, you need to find out the number and position of all backup subcarriers. If the number and position of the spare subcarriers are transmitted in each OFDM symbol, this leads to a significant decrease in spectral efficiency. Therefore, this method seriously limits its applicability in practical problems.

Адаптивное управление уровнем ограничения сигнала также используется в способе TR для минимизации пик-фактора сигнала. Это решение описано в публикациях Вае K. and Powers Е.J., "Robust Peak-to-Average Ratio Reduction in OFDM with Adaptive Clipping Control," in the Proceedings of the International Conference on Signals, Systems and Computers (Pacific Grove, CA, USA), pp. 1738-1742, Apr. 2008 [15] и патенте RU 2280953, МПК H04B 7/26, публ. 27.07.2006 [16].Adaptive control of the signal clipping level is also used in the TR method to minimize the signal peak factor. This decision is described in publications by Bae K. and Powers E.J., "Robust Peak-to-Average Ratio Reduction in OFDM with Adaptive Clipping Control," in the Proceedings of the International Conference on Signals, Systems and Computers (Pacific Grove, CA , USA), pp. 1738-1742, Apr. 2008 [15] and patent RU 2280953, IPC H04B 7/26, publ. 07/27/2006 [16].

Такой подход требует обращения матриц больших размерностей для длинных OFDM символов, и процедура адаптивного управления уровнем ограничения имеет высокую вычислительную сложность, что затрудняет практическую реализацию. Кроме того, пики передаваемого сигнала для разных OFDM символов отличаются друг от друга. На практике желательны большое снижение пик-фактора и практически постоянная огибающая OFDM сигнала, чтобы достигнуть максимальной эффективности системы, когда УМ работает близко к зоне насыщения.This approach requires the inversion of large-dimensional matrices for long OFDM symbols, and the adaptive control of the restriction level has high computational complexity, which complicates practical implementation. In addition, the peaks of the transmitted signal for different OFDM symbols are different from each other. In practice, a large decrease in the peak factor and an almost constant envelope of the OFDM signal are desirable in order to achieve maximum system efficiency when the PA operates close to the saturation zone.

Таким образом, каждый из рассмотренных способов снижения пик-фактора имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих возможность их практического применения.Thus, each of the considered methods for reducing the peak factor has a number of significant drawbacks that limit the possibility of their practical application.

Наиболее близкими по совокупности признаков к заявляемому способу являются способы ограничения-и-фильтрации [1, 2] и резервных поднесущих [11, 12, 13].Closest to the totality of features of the claimed method are the methods of restriction-and-filtering [1, 2] and backup subcarriers [11, 12, 13].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство ограничения-и-фильтрации OFDM сигнала, описанное в [1, 2]. Это известное устройство состоит из ограничителя уровня OFDM сигнала и фильтра с помощью пары ДПФ/ОДПФ.Closest to the technical nature of the claimed device is a device limiting-and-filtering OFDM signal described in [1, 2]. This known device consists of an OFDM signal level limiter and a filter using a pair of DFT / DFT.

Сущностью изобретения являются способ и устройство совместной реализации методов ограничения-и-фильтрации и резервных поднесущих в одном реконфигурируемом фильтре.The essence of the invention is a method and device for the joint implementation of restriction-and-filtering methods and backup subcarriers in one reconfigurable filter.

Техническим результатом изобретения являются новый разработанный алгоритм и схема его аппаратной реализации для снижения пик-фактора, которые эффективно снижают пиковую мощность OFDM сигнала при допустимом уровне внутриполосного искажения, сохранении порядка вычислительной сложности алгоритма и снижении задержки обработки сигналов.The technical result of the invention is a new developed algorithm and a circuit of its hardware implementation to reduce the peak factor, which effectively reduce the peak power of the OFDM signal with an acceptable level of in-band distortion, preserving the order of the computational complexity of the algorithm and reducing the signal processing delay.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что обработка каждого OFDM символа производится в реконфигурируемом фильтре. Обработка состоит из двух последовательных этапов, причем на первом этапе задают начальную конфигурацию фильтра для выполнения метода резервных поднесущих, OFDM-сигнал подвергают итеративной обработке и вычисляют значение зарезервированных поднесущих для формирования сигнала подавления пиков; на втором этапе реконфигурируют фильтр для выполнения метода ограничения-и-фильтрации, генерируют фильтрованный ограниченный OFDM-сигнал, суммируют фильтрованный ограниченный OFDM-сигнал и сигнал подавления пиков для формирования передаваемого сигнала.The technical result of the invention is achieved due to the fact that the processing of each OFDM symbol is performed in a reconfigurable filter. The processing consists of two successive steps, the first step setting the initial configuration of the filter to perform the backup subcarrier method, the OFDM signal is iteratively processed, and the value of the reserved subcarriers to generate the peak suppression signal is calculated; in the second step, the filter is reconfigured to perform the restriction-and-filtering method, a filtered limited OFDM signal is generated, and the filtered limited OFDM signal and peak suppression signal are added to form a transmitted signal.

При проведении патентных исследований не обнаружены технические решения, идентичные заявленным, и сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенный способ изобретения соответствует критерию «новизна».When conducting patent research, no technical solutions were found that are identical to those declared, and the essence of the invention does not follow explicitly from the known solutions, therefore, the proposed method of the invention meets the criterion of "novelty."

Сущность и результаты заявляемого способа поясняются нижеперечисленными графическими материалами.The essence and results of the proposed method are illustrated by the following graphic materials.

На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема заявляемого устройства, где приняты следующие буквенные обозначения:In FIG. 1 shows a functional block diagram of the inventive device, where the following letter designations are accepted:

х - необработанный OFDM-сигнал или сигнал до снижения пик-фактора;x is the raw OFDM signal or signal until the peak factor decreases;

с⁽ⁱ⁾ - обновленный сигнал подавления пиков в i-й итерации;c ⁽ⁱ⁾ - updated peak suppression signal in the i-th iteration;

х_вх - входной сигнал блока ограничителя уровня сигнала;x _I - the input signal of the limiter block signal level;

- OFDM-сигнал после ограничения и фильтрации;

- OFDM signal after restriction and filtering;

- передаваемый OFDM-сигнал.

- transmitted OFDM signal.

Необработанный OFDM-сигнал и OFDM-сигнал в итеративной обработке на выходе блока сложения 8 подаются соответственно на входы первого ключа, обеспечивающего подключение необработанного OFDM-сигнала в первой итерации и OFDM-сигнала в других итерациях к выходу, который соединен с входом блока ограничителя уровня сигнала 1.The raw OFDM signal and the OFDM signal in the iterative processing at the output of the addition unit 8 are supplied respectively to the inputs of the first key, which connects the raw OFDM signal in the first iteration and the OFDM signal in other iterations to the output, which is connected to the input of the signal level limiter block one.

Блок ограничителя уровня сигнала 1 ограничивает входной сигнал и/или рассчитывает шум ограничения. Выходной сигнал блока 1, представляющий собой шум ограничения на первом этапе или ограниченный сигнал на втором этапе, поступает на вход блока ДПФ 2.The signal level limiter block 1 limits the input signal and / or calculates the noise limit. The output signal of block 1, which is the restriction noise in the first stage or a limited signal in the second stage, is input to the DFT block 2.

Выход блока 2 представляет собой отсчеты в частотной области шума ограничения на первом этапе или ограниченного сигнала на втором этапе, поступающие на вход блока 3 для выделения необходимых поднесущих (резервных поднесущих или поднесущих данных) при соответствующей конфигурации фильтра. Частотные составляющие, выделенные блоком 3, подаются на вход блока ОДПФ 4.The output of block 2 is a sample in the frequency domain of the noise of the restriction in the first stage or of the limited signal in the second stage, which are fed to the input of block 3 to allocate the necessary subcarriers (backup subcarriers or data subcarriers) with the appropriate filter configuration. The frequency components selected by block 3 are fed to the input of the ODF 4 block.

Блок ОДПФ преобразует частотные составляющие на входе в отсчеты временной области. На первом этапе отсчеты на выходе блока 4 - это коррекция, соединенная с входом блока масштабирования 5, а на втором этапе эти отсчеты - фильтрованный ограниченный OFDM сигнал, поступающий на вход второго ключа.The ODPF block converts the frequency components at the input to the time domain samples. At the first stage, the samples at the output of block 4 are the corrections connected to the input of the scaling unit 5, and at the second stage, these samples are the filtered limited OFDM signal received at the input of the second key.

На первом этапе сигнал подавления пиков обновляется в блоке 7 и подается на вход блока сложения 8, на другой вход которого поступает необработанный OFDM-сигнал, сохраненный в буфере 6.At the first stage, the peak suppression signal is updated in block 7 and fed to the input of addition block 8, to the other input of which an unprocessed OFDM signal stored in buffer 6 is received.

Блок 8 суммирует необработанный OFDM-сигнал и обновленный сигнал подавления пиков. Сигнал с его выхода подается на вход ограничителя уровня сигнала через первый ключ, чтобы начать следующий шаг итерации.Block 8 summarizes the raw OFDM signal and the updated peak rejection signal. The signal from its output is fed to the input of the signal level limiter through the first key to begin the next iteration step.

На втором этапе второй ключ подключает фильтрованный ограниченный OFDM сигнал к входу блока сложения 9, на другой вход которого подается обновленный сигнал подавления пиков. Блок 9 суммирует фильтрованный ограниченный OFDM сигнал и сигнал подавления пиков для формирования передаваемого OFDM-сигнала.At the second stage, the second switch connects the filtered limited OFDM signal to the input of addition unit 9, to the other input of which an updated peak suppression signal is supplied. Block 9 summarizes the filtered limited OFDM signal and the peak rejection signal to form the transmitted OFDM signal.

На фиг. 2 показана структурная схема ограничителя уровня сигнала, где приняты следующие буквенные обозначения:In FIG. 2 shows a block diagram of a signal level limiter, where the following letter designations are adopted:

х_вх - входной сигнал блока ограничителя уровня сигнала;x _I - the input signal of the limiter block signal level;

- амплитуда входного сигнала;

- amplitude of the input signal;

θ - фаза входного сигнала;θ is the phase of the input signal;

А - желаемое значение ограничения уровня;A is the desired value of the level limit;

- амплитуда ограниченного входного сигнала;

- amplitude of the limited input signal;

- амплитуда шума ограничения;

- amplitude of noise constraints;

e^jθ - сигнал e^jθ;e ^jθ is the signal e ^jθ ;

x_вых - выходной сигнал.x _o - output signal.

На фиг. 3 проиллюстрированы результаты снижения пик-фактора для разного количества итераций.In FIG. 3 illustrates the results of reducing the peak factor for a different number of iterations.

На фиг. 4 показаны результаты снижения пик-фактора при тех же параметрах для способа ограничения-и-фильтрации, классического способа TR и предлагаемого способа.In FIG. 4 shows the results of reducing the peak factor at the same parameters for the restriction-and-filtering method, the classical TR method, and the proposed method.

На фиг. 5 проиллюстрирован результат работы устройства, реализованного на ПЛИС.In FIG. 5 illustrates the result of the operation of the device implemented on the FPGA.

Рассмотрены OFDM-системы, в которых в каждом символе с N_act активными поднесущими используется множество N_r резервных поднесущих с индексным набором ℜ. N_c из активных поднесущих с индексным набором ℜ предназначены для передачи данных (N_act=N_c+N_r). Пусть С(k) (k - индексы поднесущих) представляет значения зарезервированных поднесущих, а Х(k) представляет значения поднесущих данных; с - сигнал подавления пиков во временной области, с=ОДПФ(С); х - сигнал данных во временной области, х=ОДПФ(Х).OFDM systems are considered in which in each symbol with N _act active subcarriers a set of N _r spare subcarriers with index set используется is used. N _c from active subcarriers with index set ℜ are intended for data transmission (N _act = N _c + N _r ). Let C (k) (k are the subcarrier indices) represent the values of the reserved subcarriers, and X (k) represent the values of the data subcarriers; c - peak suppression signal in the time domain, c = ODPF (C); x is the data signal in the time domain, x = ODPF (X).

Реконфигурируемый фильтр обрабатывает сигнал с целью снижения пик-фактора в MaxIter итерациях. Начальная конфигурация фильтра задается в (MaxIter - 1) первых итерациях и обеспечивает выполнение первого этапа снижения пик-фактора, а вторая конфигурация фильтра устанавливается в последней итерации и обеспечивает выполнение второго этапа снижения пик-фактора.A reconfigurable filter processes the signal in order to reduce the peak factor in MaxIter iterations. The initial filter configuration is specified in the (MaxIter - 1) first iterations and ensures the first stage of the peak factor reduction, and the second filter configuration is set in the last iteration and ensures the second stage of the peak factor reduction.

При начальной конфигурации фильтр характеризуется следующей частотной и импульсной характеристиками:At the initial configuration, the filter is characterized by the following frequency and pulse characteristics:

где

называют коэффициентом масштаба.Where

called the scale factor.

При этой конфигурации входной сигнал фильтра представляет собой шум ограничения на выходе ограничителя уровня сигнала (см. фиг. 1 и фиг. 2), представляющийся следующим образом:With this configuration, the input filter signal is the noise of the restriction at the output of the signal level limiter (see Fig. 1 and Fig. 2), which is represented as follows:

где

- ограниченная версия OFDM-сигнала s(n), полученная какWhere

- limited version of the OFDM signal s (n) obtained as

А - желаемый уровень ограничения, θ_n - фаза n-го отсчета s(n). При первой итерации s=х (т.к. при этом, с(n)=0 на всех точках n), а в других итерациях s=х+с, где с - сигнал подавления пиков, обновленный в предыдущей итерации.A is the desired level of limitation, θ _n is the phase of the nth reference s (n). At the first iteration, s = x (because in this case, c (n) = 0 at all points n), and at other iterations, s = x + c, where c is the peak suppression signal updated in the previous iteration.

Коррекция значения резервных поднесущих на выходе фильтра в частотной области представлена следующим образом:The correction of the reserve subcarrier values at the filter output in the frequency domain is presented as follows:

где F(k)=ДПФ(ƒ).where F (k) = DFT (ƒ).

Из выражений (3) и (4) следует, что шум ограничения имеет вид серии импульсов. Предположим, что существуют Р пиков, превышающих пороговое значение А. Они появляются в позициях n₁, n₂, …, n_P. Индексный набор пиков обозначим S_P. При этом шум ограничения можно переписать какFrom the expressions (3) and (4) it follows that the noise of the restriction has the form of a series of pulses. Suppose that there are P peaks that exceed threshold A. They appear at positions n ₁ , n ₂ , ..., n _P. The index set of peaks is denoted by S _P. In this case, noise restrictions can be rewritten as

где δ(n) - дельта-функция Кронекера.where δ (n) is the Kronecker delta function.

Сначала рассмотрим частный случай, когда под ограничение попал только один пик в положении n_i ∈ S_P. В этом случае шум ограничения имеет вид импульса и может быть выражен следующим образом:First, we consider a particular case where only one peak in the position n _i ∈ S _P falls under the restriction. In this case, the restriction noise has the form of a pulse and can be expressed as follows:

Сигнал коррекции в Z-области выражен следующим образом (Романюк Ю.А. Основы цифровой обработки сигналов. Часть 1. Свойства и преобразования дискретных сигналов: Учебное пособие. - М.: МФТИ):The correction signal in the Z-region is expressed as follows (Yu. A. Romanyuk. Fundamentals of digital signal processing. Part 1. Properties and transformations of discrete signals: Textbook. - M .: MIPT):

Из уравнения (8) видно, что сигнал коррекции представляет собой произведение величины шума ограничения на позиции n_i и импульсной характеристики, циклически сдвинутой на n_i. Таким образом, в частном случае фильтр эквивалентен способу TR с использованием градиентного алгоритма [11, 12]. Амплитуда сигнала коррекции равна амплитуде импульса шума ограничения, и позиция пика сигнала коррекции совпадает с позицией пика шума ограничения.From equation (8) it can be seen that the correction signal is the product of the noise of the constraint at position n _i and the impulse response cyclically shifted by n _i . Thus, in the particular case, the filter is equivalent to the TR method using the gradient algorithm [11, 12]. The amplitude of the correction signal is equal to the amplitude of the noise pulse of the restriction, and the position of the peak of the correction signal coincides with the position of the peak of the noise of the restriction.

В общем случае, когда существуют Р пиков, сигнал коррекции в Z-области выражен следующим образом:In the general case, when there are P peaks, the correction signal in the Z-region is expressed as follows:

Тогда сигнал коррекции представляет собой сумму коррекций каждого пика, следовательно, фильтр эквивалентен способу TR параллельной обработки Р пиков [13]. В отличие от способа [13] для предлагаемого метода нет необходимости указывать определенное значение Р и использовать Р операций циклического сдвига импульсного ядра, а фильтр при начальной конфигурации подавляет все пики (или любое число пиков) в одной итерации. Однако отсчеты сигнала коррекции в других позициях не равны нулю, это приводит к тому, что новые пики, называемые вторичными пиками, могут появиться в любой из N позиций отсчетов OFDM сигнала. Поэтому повторный процесс фильтрации при данной конфигурации уменьшает вторичные пики.Then the correction signal is the sum of the corrections of each peak, therefore, the filter is equivalent to the method TR of parallel processing of P peaks [13]. In contrast to the method [13], for the proposed method, it is not necessary to indicate a specific value of P and use the P operations of cyclic shift of the pulse core, and the filter at the initial configuration suppresses all peaks (or any number of peaks) in one iteration. However, the correction signal samples at other positions are not equal to zero, this leads to the fact that new peaks, called secondary peaks, can appear at any of the N positions of the OFDM signal samples. Therefore, the repeated filtering process with this configuration reduces secondary peaks.

При начальной конфигурации фильтр выполняет способ, называемый методом резервных поднесущих.In the initial configuration, the filter performs a method called the backup subcarrier method.

Во второй конфигурации фильтр характеризуется следующей частотной характеристикой:In the second configuration, the filter is characterized by the following frequency response:

Частотная характеристика, описанная в статье [2], основана на прямоугольном окне, где все поднесущие OFDM-символа считаются поднесущими данных. На практике, кроме поднесущих данных, в каждом OFDM-символе имеются резервные, служебные и неиспользуемые поднесущие. При этом искажение вносится в служебные поднесущие, что приводит на приемной стороне к снижению эффективности оценки канала, синхронизации и другим эффектам. Поэтому в предлагаемом фильтре частотная характеристика содержит дискретные частотные составляющие, равные единицам только в позициях, соответствующих индексам набора данных ℜ_c и составляющие, равные нулям во всех остальных позициях.The frequency response described in [2] is based on a rectangular window where all OFDM symbol subcarriers are considered data subcarriers. In practice, in addition to data subcarriers, each OFDM symbol has backup, service, and unused subcarriers. In this case, the distortion is introduced into the service subcarriers, which leads to a decrease in the channel estimation efficiency, synchronization, and other effects at the receiving side. Therefore, in the proposed filter, the frequency response contains discrete frequency components equal to units only in the positions corresponding to the data set indices ℜ _c and components equal to zeros in all other positions.

При этой конфигурации предлагаемый фильтр выполняет способ, называемый методом ограничения-и-фильтрации и вносит искажение только в поднесущие данных.With this configuration, the proposed filter performs a method called the restriction-and-filtering method and introduces distortion only in the data subcarriers.

Входной сигнал фильтра представляет собой отсчеты

, и фильтр генерирует фильтрованный ограниченный OFDM сигнал, представленный в частотной и временной областях какFilter input is samples

, and the filter generates a filtered limited OFDM signal, presented in the frequency and time domains as

Более подробно, заявленный способ включает последовательность нижеследующих операций, поясняющих принцип работы предлагаемого алгоритма. Исходно сигнал х=x^(m), где x^(m) - сигнал m-го символа OFDM, и исходно сигнал подавления пиков

, где N - число отсчетов в символе. Далее производится итерационный процесс:In more detail, the claimed method includes a sequence of the following operations, explaining the principle of operation of the proposed algorithm. The original signal is x = x ^(m) , where x ^(m) is the signal of the mth OFDM symbol, and the original peak suppression signal

where N is the number of samples in the symbol. Next, an iterative process is performed:

1. i начинается с 1.1. i starts with 1.

2. Вычисляется шум ограничения ƒ(n).2. The noise of the constraint ƒ (n) is calculated.

3. Обновляется сигнал подавления пиков: с⁽ⁱ⁾=с^(i-1)-ОДПФ(С).3. The peak suppression signal is updated: s ⁽ⁱ⁾ = s ^(i-1) -ODPF (C).

4. i увеличивается на 1. Если i<MaxIter, выполняется возврат к шагу 2. В противном случае выполняется переход к шагу 5.4. i increases by 1. If i <MaxIter, it returns to step 2. Otherwise, it proceeds to step 5.

5. Вычисляются ограниченные отсчеты

.5. Limited samples are calculated.

.

6. Вычисляются ограниченные отсчеты

.6. Limited samples are calculated.

.

7. Образуется передаваемый сигнал

.7. A transmitted signal is generated.

.

В предлагаемом алгоритме начальная конфигурация фильтра используется в шагах 2 и 3. Итерационная операция выполняется в шаге 4. Вторая конфигурация фильтра используется в шагах 5 и 6.In the proposed algorithm, the initial filter configuration is used in steps 2 and 3. The iterative operation is performed in step 4. The second filter configuration is used in steps 5 and 6.

В заявляемом устройстве реконфигурация или изменение конфигурации фильтра и итерационная операция выполняются с помощью ключей (см. фиг. 1 и фиг. 2).In the inventive device, reconfiguration or configuration change of the filter and iterative operation are performed using keys (see Fig. 1 and Fig. 2).

Эффективность предлагаемого способа заключается в том, что разработанный алгоритм дает больший выигрыш в снижении пик-фактора OFDM-сигнала при допустимом уровне внутриполосного искажения, сохранении порядка вычислительной сложности алгоритма и снижении задержки обработки сигналов; предлагаемое устройство обладает относительно простой аппаратной реализацией. Эффективность разработанного алгоритма достигается благодаря тому, что метод резервных поднесущих при начальной конфигурации выполняет параллельную обработку всех пиков, возникших в первой итерации, а также вторичных пиков, возникших в следующих итерациях, и метод ограничения-и-фильтрации подавляет пик-фактор OFDM-сигнала в последней итерации, на которой снижение пик-фактора сравнительно невелико (составляет примерно 1 дБ при вероятности 10^-4, см. фиг. 3), что вызывает незначительные внутриполосные искажения на поднесущих данных. Однако, при этом пики OFDM-сигнала быстро доводятся до желаемого уровня ограничения и вторичные пики не появляются. Простота предлагаемого устройства достигается тем, что применяется структурная схема метода ограничения-и-фильтрации [1, 2] (это самый простой метод ограничения пик-фактора).The effectiveness of the proposed method lies in the fact that the developed algorithm gives a greater gain in reducing the peak factor of the OFDM signal with an acceptable level of in-band distortion, maintaining the order of the computational complexity of the algorithm and reducing the signal processing delay; the proposed device has a relatively simple hardware implementation. The efficiency of the developed algorithm is achieved due to the fact that the backup subcarrier method during the initial configuration performs parallel processing of all peaks that occurred in the first iteration, as well as secondary peaks that occurred in the following iterations, and the restriction-and-filtering method suppresses the peak factor of the OFDM signal in of the last iteration, at which the decrease in the peak factor is relatively small (approximately 1 dB at a probability of 10 ^-4 , see Fig. 3), which causes slight in-band distortion on the data subcarriers. However, the peaks of the OFDM signal are quickly brought to the desired level of limitation, and secondary peaks do not appear. The simplicity of the proposed device is achieved by the fact that a block diagram of the restriction-and-filtering method is used [1, 2] (this is the simplest method for limiting the peak factor).

Кроме того, реконфигурация фильтра производится посредством ключей. Следовательно, предлагаемый способ используется для выполнения обоих методов ограничения-и-фильтрации и резервных поднесущих, и его реализация на ПЛИС затрачивает те же аппаратные ресурсы, что и реализация устройства метода ограничения-и-фильтрации [1, 2], причем не требуется изменение структуры демодуляции OFDM-сигнала.In addition, the filter is reconfigured using keys. Therefore, the proposed method is used to perform both restriction-and-filtering methods and reserve subcarriers, and its implementation on the FPGA consumes the same hardware resources as the implementation of the restriction-and-filtering device [1, 2], and a structure change is not required demodulation of the OFDM signal.

Предлагаемое устройство реализовано с помощью аппаратных средств на ПЛИС с представлением 16-битного числа с фиксированной запятой. Для проектирования устройства изобретения использован пакет Vivado System Generator for DSP.The proposed device is implemented using hardware on the FPGA with the representation of a 16-bit fixed-point number. For the design of the device of the invention used the package Vivado System Generator for DSP.

Эффективность предлагаемого способа была оценена в среде Matlab с помощью функции выборочного вероятностного распределения CCDF (complementary cumulative distribution function) и уровня ошибок модуляции MER (modulation error ratio), где CCDF представляет собой вероятность того, что пик-фактор превышает заданный порог PAPR0. Были использованы нормированные символы модуляции 64-QAM в качестве входа системы OFDM, количество поднесущих N=1024, доля резервных поднесущих - 5% от общего количества активных несущих, амплитуда ограничения А≈6,2 дБ.The effectiveness of the proposed method was evaluated in the Matlab environment using the function of the selective probability distribution CCDF (complementary cumulative distribution function) and the level of modulation errors MER (modulation error ratio), where CCDF is the probability that the peak factor exceeds a given threshold PAPR0. We used normalized 64-QAM modulation symbols as an input to the OFDM system, the number of subcarriers N = 1024, the share of reserve subcarriers - 5% of the total number of active carriers, and the limitation amplitude A ≈ 6.2 dB.

Результаты способа изобретения представлены на фиг. 3 при различном количестве итераций. После четырех итераций пиковая мощность снижается с 13,24 дБ до 6,20 дБ (т.е. выигрыш составляет 7,04 дБ). MER сигнала после обработки снижения пик-фактора составляет 49,04 дБ. Увеличение средней мощности переданного сигнала незначительное (0,14 дБ). Можно дополнительно уменьшить пик-фактор сигнала при снижении амплитуды отсечения А. Значение MER увеличивается при росте количества итераций.The results of the method of the invention are presented in FIG. 3 with a different number of iterations. After four iterations, the peak power decreases from 13.24 dB to 6.20 dB (i.e., the gain is 7.04 dB). The MER of the signal after processing the peak factor reduction is 49.04 dB. The increase in average transmit power is negligible (0.14 dB). You can further reduce the peak factor of the signal while reducing the cutoff amplitude A. The MER value increases with increasing number of iterations.

На фиг. 4 приведены результаты сравнения с такими способами, как метод ограничения-и-фильтрации [1, 2] при MER=49,2 дБ и классический метод резервных поднесущих с использованием градиентного алгоритма [11, 12] при использовании четырех итераций. Сравнение с техническими решениями прототипов показывает, что предлагаемые способ и устройство реконфигурируемой фильтрации для снижения пик-фактора OFDM-сигналов имеют больший выигрыш в снижении пик-фактора OFDM-сигнала при незначительном уровне внутриполосного искажения. Из этого следует, что заявляемый способ повышает совокупную эффективность системы.In FIG. Figure 4 shows the results of comparison with such methods as the restriction-and-filtering method [1, 2] at MER = 49.2 dB and the classical method of reserve subcarriers using the gradient algorithm [11, 12] using four iterations. A comparison with the technical solutions of the prototypes shows that the proposed reconfigurable filtering method and apparatus for reducing the peak factor of OFDM signals has a greater gain in reducing the peak factor of the OFDM signal with a slight level of in-band distortion. It follows that the inventive method improves the overall efficiency of the system.

Экспериментальные результаты предлагаемого способа на ПЛИС в среде System Generator for DSP представлены на фиг. 5 на примере одного OFDM символа. На фиг. 5 показано, что амплитуда необработанного OFDM-сигнала составляет примерно 4,5, амплитуда сигнала после снижения пик-фактора составляет примерно 2,0. Таким образом, отношение пиковой амплитуды OFDM-сигнала до и после обработки будет более двух, т.е. пиковая мощность снижается больше, чем на 6 дБ

The experimental results of the proposed FPGA method in a System Generator for DSP environment are presented in FIG. 5 using one OFDM symbol as an example. In FIG. 5 shows that the amplitude of the unprocessed OFDM signal is about 4.5, the signal amplitude after decreasing the peak factor is about 2.0. Thus, the ratio of the peak amplitude of the OFDM signal before and after processing will be more than two, i.e. peak power decreases by more than 6 dB

По сравнению со способом ограничения-и-фильтрации [1, 2] в блок-схеме заявляемого устройства присутствуют блок буфера х, блоки сложения 7, 8 и 9, и ключи. Это незначительно увеличивает вычислительные затраты аппаратуры.Compared to the restriction-and-filtering method [1, 2], the block diagram of the inventive device contains a buffer block x, addition blocks 7, 8, and 9, and keys. This slightly increases the computational cost of the equipment.

Claims (18)

1. Способ реконфигурируемой фильтрации для понижения пик-фактора OFDM-сигналов, состоящий из двух последовательных этапов, на каждом из которых производят фильтрацию сигналов OFDM для подавления пик-фактора с помощью реконфигурируемого фильтра, и отличающийся тем, что выполнение двух методов - ограничения-и-фильтрации и резервных поднесущих - осуществляется в одном реконфигурируемом фильтре, в начальной конфигурации которого на первом этапе для выполнения метода резервных поднесущих OFDM-сигнал подвергается итеративной обработке для формирования сигнала подавления пиков и во второй конфигурации которого на втором этапе для выполнения метода ограничения-и-фильтрации формируется фильтрованный ограниченный OFDM-сигнал, после чего суммируются фильтрованный ограниченный OFDM-сигнал и сигнал подавления пиков для формирования результирующего сигнала.1. The method of reconfigurable filtering to reduce the peak factor of OFDM signals, consisting of two consecutive steps, each of which filtering OFDM signals to suppress the peak factor using a reconfigurable filter, and characterized in that the execution of the two methods are restrictions -filtration and reserve subcarriers - is carried out in one reconfigurable filter, in the initial configuration of which, at the first stage, the OFDM signal is iteratively processed for generating the reserve subcarrier method the peak suppression signal and in the second configuration of which, in the second stage, to perform the restriction-and-filtering method, a filtered limited OFDM signal is generated, and then the filtered limited OFDM signal and peak suppression signal are summed to form the resulting signal. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в конфигурации фильтра для выполнения метода резервных поднесущих, частотная характеристика фильтра определяется следующим образом:2. The method according to p. 1, characterized in that in the filter configuration for performing the backup subcarrier method, the frequency response of the filter is determined as follows:

где ℜ - индексный набор N_r резервных поднесущих, N_act - число активных поднесущих OFDM-символа,where ℜ is the index set of N _r spare subcarriers, N _act is the number of active subcarriers of the OFDM symbol, вычисляют коррекцию для сигнала подавления пиков, представленную в частотной и временной областях формулами:calculate the correction for the peak suppression signal, presented in the frequency and time domains by the formulas:

где F(k) - шум ограничения в частотной области,where F (k) is the noise constraint in the frequency domain, и фильтр при данной конфигурации подавляет все пики в первой итерации, повторный процесс фильтрации уменьшает вторичные пики.and the filter with this configuration suppresses all peaks in the first iteration, the repeated filtering process reduces secondary peaks. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во второй конфигурации фильтра для выполнения метода ограничения-и-фильтрации частотная характеристика фильтра определяется следующим образом:3. The method according to p. 1, characterized in that in the second filter configuration for performing the restriction-and-filtering method, the frequency response of the filter is determined as follows:

где ℜ_c - индексный набор поднесущих данных,where ℜ _c is the index set of data subcarriers, генерируют фильтрованный ограниченный OFDM-сигнал, представленный в частотной и временной областях какgenerate a filtered limited OFDM signal, presented in the frequency and time domains as

где

- ограниченный OFDM-сигнал во временной области,Where

- limited OFDM signal in the time domain, и частотная характеристика фильтра содержит дискретные частотные составляющие, равные единицам только в позициях, соответствующих индексам набора данных R_c, и составляющие, равные нулям не только во внеполосных, но и в резервных, служебных и неиспользуемых позициях.and the filter’s frequency response contains discrete frequency components equal to units only in positions corresponding to the data set indices R _c and components equal to zeros not only in out-of-band but also in reserve, service and unused positions. 4. Устройство реконфигурируемой фильтрации для понижения пик-фактора OFDM-сигналов, основанное на устройстве ограничения-и-фильтрации, включающем ограничитель уровня сигнала и фильтр, использующий пару ДПФ/ОДПФ, и отличающееся тем, что ограничитель уровня сигнала вычисляет шум ограничения при начальной конфигурации или ограниченный OFDM-сигнал при второй конфигурации, а фильтр выделяет резервные поднесущие для формирования сигнала подавления пиков при начальной конфигурации или формирует фильтрованный ограниченный OFDM-сигнал при второй конфигурации, после чего генерируется передаваемый сигнал, и изменение конфигурации фильтра выполняется с помощью ключей.4. A reconfigurable filtering device for reducing the peak factor of OFDM signals, based on a restriction-and-filtering device including a signal level limiter and a filter using an DFT / ODPF pair, and characterized in that the signal level limiter calculates the restriction noise during initial configuration or a limited OFDM signal in the second configuration, and the filter allocates redundant subcarriers to generate a peak rejection signal in the initial configuration or generates a filtered limited OFDM signal in the second onfiguratsii then generates a transmission signal and changing the filter configuration is performed using keys.

Images