Способ реконфигурируемой фильтрации для понижения пик-фактора OFDM-сигналов и устройство для его реализации
METHOD OF RECONFIGURABLE FILTRATION TO REDUCE PEAK-FACTOR OFDM-SIGNALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ реконфигурируемой фильтрации для понижения пик-фактора OFDM-сигналов и устройство для его реализации
Изобретение относится к области передачи дискретной информации и используется в передающих устройствах беспроводных систем передачи с OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) модуляцией.
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.
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.
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].
Это самый простой способ для уменьшения пик-фактора, который ограничивает OFDM сигналы на заданном пороговом значении. Однако он приводит к следующим проблемам:
- 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;
- 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.
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].
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.
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].
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.
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).
Однако, способ АСЕ не может быть использован при повороте созвездия, а также неэффективен при модуляции QAM высокого порядка.
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].
Способ заключается в том, что сигнал подавления пиков формируется на основе импульсного ядра, генерируемого зарезервированными поднесущими. Этот способ имеет следующие недостатки:
- 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].
- Средняя мощность переданного сигнала увеличивается, и это приводит к тому, что УМ переходит в зону насыщения.
Параллельная обработка М пиков позволяет снизить временные задержки при обработке сигнала (патент US 8170140, МПК H04L 27/28, публ. 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.
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.
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.
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].
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.
Таким образом, каждый из рассмотренных способов снижения пик-фактора имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих возможность их практического применения.
Наиболее близкими по совокупности признаков к заявляемому способу являются способы ограничения-и-фильтрации [1, 2] и резервных поднесущих [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.
Сущностью изобретения являются способ и устройство совместной реализации методов ограничения-и-фильтрации и резервных поднесущих в одном реконфигурируемом фильтре.
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.
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.
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».
Сущность и результаты заявляемого способа поясняются нижеперечисленными графическими материалами.
На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема заявляемого устройства, где приняты следующие буквенные обозначения:
х - необработанный OFDM-сигнал или сигнал до снижения пик-фактора;
(i)
с - обновленный сигнал подавления пиков в i-й итерации;
вх
х - входной сигнал блока ограничителя уровня сигнала;
- OFDM-сигнал после ограничения и фильтрации;
- передаваемый OFDM-сигнал.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
На фиг. 2 показана структурная схема ограничителя уровня сигнала, где приняты следующие буквенные обозначения:
вх
х - входной сигнал блока ограничителя уровня сигнала;
- амплитуда входного сигнала;
θ - фаза входного сигнала;
А - желаемое значение ограничения уровня;
- амплитуда ограниченного входного сигнала;
- амплитуда шума ограничения;
jθ
jθ
e - сигнал e;
вых
x - выходной сигнал.
На фиг. 3 проиллюстрированы результаты снижения пик-фактора для разного количества итераций.
На фиг. 4 показаны результаты снижения пик-фактора при тех же параметрах для способа ограничения-и-фильтрации, классического способа TR и предлагаемого способа.
На фиг. 5 проиллюстрирован результат работы устройства, реализованного на ПЛИС.
act
r
c
act
c
r
Рассмотрены OFDM-системы, в которых в каждом символе с N активными поднесущими используется множество N резервных поднесущих с индексным набором ℜ. N из активных поднесущих с индексным набором  ℜ предназначены для передачи данных (N=N+N). 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).
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.
При начальной конфигурации фильтр характеризуется следующей частотной и импульсной характеристиками:
где  называют коэффициентом масштаба.
При этой конфигурации входной сигнал фильтра представляет собой шум ограничения на выходе ограничителя уровня сигнала (см. фиг. 1 и фиг. 2), представляющийся следующим образом:
где  - ограниченная версия OFDM-сигнала s(n), полученная как
n
А - желаемый уровень ограничения, θ - 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.
Коррекция значения резервных поднесущих на выходе фильтра в частотной области представлена следующим образом:
где F(k)=ДПФ(ƒ).
1
2
P
P
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 n, n, …, n. Индексный набор пиков обозначим S. При этом шум ограничения можно переписать как
где δ(n) - дельта-функция Кронекера.
i
P
Сначала рассмотрим частный случай, когда под ограничение попал только один пик в положении n ∈ S. В этом случае шум ограничения имеет вид импульса и может быть выражен следующим образом:
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):
i
i
Из уравнения (8) видно, что сигнал коррекции представляет собой произведение величины шума ограничения на позиции n и импульсной характеристики, циклически сдвинутой на n. 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.
В общем случае, когда существуют Р пиков, сигнал коррекции в Z-области выражен следующим образом:
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.
При начальной конфигурации фильтр выполняет способ, называемый методом резервных поднесущих.
Во второй конфигурации фильтр характеризуется следующей частотной характеристикой:
c
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 и составляющие, равные нулям во всех остальных позициях.
При этой конфигурации предлагаемый фильтр выполняет способ, называемый методом ограничения-и-фильтрации и вносит искажение только в поднесущие данных.
Входной сигнал фильтра представляет собой отсчеты , и фильтр генерирует фильтрованный ограниченный OFDM сигнал, представленный в частотной и временной областях как
(m)
(m)
Более подробно, заявленный способ включает последовательность нижеследующих операций, поясняющих принцип работы предлагаемого алгоритма. Исходно сигнал х=x, где x - сигнал m-го символа OFDM, и исходно сигнал подавления пиков , где N - число отсчетов в символе. Далее производится итерационный процесс:
1. i начинается с 1.
2. Вычисляется шум ограничения ƒ(n).
(i)
(i-1)
3. Обновляется сигнал подавления пиков: с=с-ОДПФ(С).
4. i увеличивается на 1. Если i<MaxIter, выполняется возврат к шагу 2. В противном случае выполняется переход к шагу 5.
5. Вычисляются ограниченные отсчеты .
6. Вычисляются ограниченные отсчеты .
7. Образуется передаваемый сигнал .
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.
В заявляемом устройстве реконфигурация или изменение конфигурации фильтра и итерационная операция выполняются с помощью ключей (см. фиг. 1 и фиг. 2).
-4
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, 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).
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.