多载波跳频通信系统削峰方法 【技术领域】
本发明涉及应用在GSM和EDGE之类的跳频通信系统中的一种多载波跳频通信系统削峰方法。
背景技术
在现行的主流移动通信系统中，GSM和EDGE都是多载波跳频通信系统的典型代表。
多载波系统相比于单载波系统，由于多个载波信号在时域上的叠加，其具有较高的峰均功率比(PAPR)。为了无失真的传输这些高峰均功率比的信号，对一些部件(如功率放大器)的线性要求很高，若信号的变化范围超出器件的线性范围，则会产生明显的带内失真和带外辐射，从而导致误码率的升高。所以信号峰均功率比的大小对多载波系统性能有着直接的影响。因此，有效地降低系统的峰均功率比就显得十分必要，这将直接关系到整个系统的性能和实现成本。
跳频就是按跳频序列随机地改变一个载波信号占有的频道频率，即改变载波的中心频点的技术。在一个频道组内各跳频序列应是正交的，各信道在跳频传输过程中不能碰撞。跳频技术能减小多径瑞利衰落对信号的影响，改善误码性能，收到频率分集的效果。跳频的另一个作用是干扰分集。蜂窝小区中的同频干扰，由于不相关的跳频，分离了来自许多小区的强干扰，有效地减轻了远近效应影响。另外，跳频使空中接口信息传输愈益随机化，提高了移动无线系统安全性。
综上所述，多载波跳频系统具有如下的特点：
1)较高的峰均功率比(PAPR)；
2)各载波的中心频点随着时间按跳频序列而变化；
3)系统带宽和系统中心频点随着各载波中心频点的变化而相应的改变。
因此，在设计多载波跳频通信系统的削峰方法时需要考虑该系统的特点，才能更为有效地降低多载波跳频通信系统的峰均功率比(PAPR)。
现有一种PC削峰算法可有效降低系统的峰均功率比，其主要原理为利用具有与输入信号相同频谱模板(Spectrum Mask)的滤波器冲激响应来生成削峰脉冲，对输入信号中超过幅度门限值的点进行削峰。原理如图1和图2所示。
图1中的上图为时域信号幅度曲线，Ath为幅度门限，A为检测到的峰值幅度；图1中的下图为构造好的削峰脉冲。
先检测到输入信号峰值，将滤波器冲激响应移位，使其峰值与检测到的信号峰值位置对准，设此时具有与输入信号相同频谱模板(Spectrum Mask)的滤波器冲激响应为H(n)，1≤n≤L，n和L为整数，L表示滤波器冲激响应的阶数，利用公式(1)构造出削峰脉冲：
CP_val(n)＝(A-Ath)*ejθ*H(n)，1≤n≤L (1)
其中e为自然对数的底数，j为虚部符号，j=-1,]]>θ为信号峰值的相位，ejθ＝cosθ+j·sinθ。构造好削峰脉冲之后用原始信号减去削峰脉冲，结果可见图2。
由图2可见，超过幅度门限值Ath的峰值已经被削到门限值以下，并且削下的峰值是圆滑的，这是因为滤波器冲激响应的尖峰是圆滑的，所以本算法相比于其它削峰算法具有较好的频谱性能。
PC削峰算法优点在于：
1)可有效地降低输入信号的峰均功率比；
2)由于使用具有与输入信号相同频谱模板(Spectrum Mask)的滤波器冲激响应进行削峰，因此引入的带外噪声很小；
3)与其它削峰方法相比较，本算法对信号的EVM(误差向量幅度)性能影响小。
由于这一算法采用滤波器脉冲来削峰，便需要在进行削峰处理之前将滤波器系数设定好，这在载波中心频点不变，带宽不变的通信系统(例如WiMAX系统)中实现时比较简单，只需将具有与输入信号频谱模板相对应的滤波器系数直接设定好即可。
但是，对于GSM和EDGE之类的跳频通信系统来说，其载波中心频点与系统带宽是随时间而变化地，在这种情况下滤波器的频谱特性也应随信号频谱特性的改变而改变，因此，滤波器系数不该是唯一确定的，而应是可变的。
这就必然要求业内需要针对多载波跳频通信系统提出合适的自适应调节滤波器系统的解决方案，以便滤波器能构建出较好的削峰脉冲用于完成信号的削峰操作。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多载波跳频通信系统削峰方法，通过在跳频通信系统削峰过程中及时自适应调节滤波器的系数，以便准确构建削峰脉冲以对输入信号进行有效削峰处理。
为实现该目的，本发明采取如下技术方案：
本发明多载波跳频通信系统削峰方法，通过在跳频通信系统削峰过程中及时自适应调节滤波器的系数，准确构建削峰脉冲对输入信号进行有效削峰处理，包括如下实时步骤：
1)利用当前输入的系统信号的数字序列判断当前时刻的信号带宽相对于前一相邻时刻是否发生改变，若改变则跳转执行步骤3)，否则执行步骤2)；
2)计算当前系统信号与前一相邻时刻的中心频点的频差，利用该频差对滤波器进行移频处理使其中心频点与当前系统信号的中心频点保持一致，跳转执行步骤4)；
3)重新构造满足当前系统信号的数字带宽、中心频点和频谱模板要求的滤波器，执行步骤4)；
4)构造出削峰脉冲后，以滤波器冲激响应的峰值对准系统信号的峰值，用系统信号减去削峰脉冲。
更具体的，步骤2)中应用如下公式利用频差进行移频：
Htk+1(n)=Htk(n)*ej*Δω*n,1≤n≤Ltk+1,Ltk+1=Ltk,]]>
其中，k为整数，tk与tk+1分别表示相邻的前后两个时刻，Δω为前后两个中心频点的频差，表示移频前后的滤波器冲激响应数字序列，n为整数，表示滤波器冲激响应数字序列的序号，L表示滤波器阶数。
步骤2)中，当所述频差为零时，不需进行移频，滤波器冲激响应保持不变，跳转执行步骤4)。
根据本发明的一个实施例，步骤3)中重新构造的滤波器为带通滤波器，其数字带宽、中心频点及频谱模板均满足当前系统信号的要求。
根据本发明的较佳实施例所揭示，步骤3)中先行构造数字带宽和频谱模板满足当前系统信号要求的低通滤波器，然后再通过移频处理将该低通滤波器的中心频点从零频搬移至与当前系统信号的中心频点保持一致，将低通滤波器变换为带通滤波器。
该较佳实施在所述步骤3)中，构造低通滤波器的具体步骤如下：
3.1、以如下公式确定逼近理想频响函数Hd(ejω)：
Hd(ejω)=e-jωa,0≤|ω|≤ωc0,ωc<|ω|,]]>
其中，ω为归一化的数字频率，ωc为系统信号的数字带宽，也即滤波器频谱特性的归一化带宽，d为重新构建的低通滤波器的标识符；
3.2、L为低通滤波器的阶数，设α＝(L-1)/2，以如下公式求出逼近理想低通冲激响应Hd(n)：
Hd(n)=12π∫-ππHd(ejω)ejωndω]]>
=12π∫-ωcωce-jωαejωndω=sin[ωc(n-α)]π(n-α),0≤n≤L-1,]]>
n为整数，表示低通滤波器冲激响应数字序列的序号；
3.3、确定一窗函数类型，估算窗函数长度即为滤波器阶数L，根据窗函数表达式计算窗函数系数win(n)，0≤n≤L-1；
3.4、通过下式计算当前时刻的滤波器冲激响应
Hdtk+1(n)=Hd(n)*win(n)=sin[ωc(n-α)]π(n-α)*win(n),0≤n≤L-1,]]>
tk+1为当前时刻的标识符；
完成上述步骤后，形成满足当前系统信号的数字带宽和频谱模板要求的低通滤波器。
所述窗函数可以为矩形窗、三角窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗及凯塞窗中任意一种，但不局限于所述的几种，所有公知的窗函数都可以为本发明所采用。
此外，所述步骤3)中，采用如下公式进行移频处理：
Htk+1(n)=Hdtk+1(n)*ej*ωcenter(tk+1)*n,1≤n≤Ltk+1,]]>
其中，ωcenter(tk+1)为当前时刻系统信号中心频点，为移频前后的滤波器冲激响应数字序列。
所述步骤4)中，采用如下公式构造削峰脉冲：
CP_val(n)=(A-Ath)*ejθ*Htk+1(n),1≤n≤Ltk+1]]>
其中，A为检测到的峰值幅度，Ath为峰值的幅度门限，e为自然对数的底数，j为虚部符号，j=-1,]]>θ为信号峰值的相位，ejθ＝cosθ+j·sinθ，n为整数，1≤n≤Ltk+1.]]>
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、以数字化处理的思维进行信号处理，适于在诸如FPGA、DSP之类的数字芯片中编程实现；
2、通过比较前后两个相邻时刻的数字带宽和中心频率的变化，实时做出响应，在带宽不变、中心频点改变的情况下即时进行频率搬移操作，而在带宽改变时则通过重新构建滤波器使之适应当前系统信号，换言之，保证滤波器的系数可实现自适应调整，以保证系统信号的连续性处理，从而使滤波器可准确地构造出削峰脉冲，保证对系统信号进行削峰后的优良性能；
3、利用带通滤波器与低通滤波器之间频率差异的特性，既允许通过直接构建带通滤波器来达到更新滤波器系数的目的，也允许通过先构建低通滤波器再行移频转换为带通滤波器来达到相同目的，进一步保证了多载波跳频系统的削峰效果和处理灵活性。
【附图说明】
图1为传统的削峰方法的信号峰值检测与削峰脉冲的波形示意图；
图2为图1的削峰方法在削峰前后的信号功率曲线示意图；
图3为多载波通信系统的频谱示意图。
【具体实施方式】
如下结合附图和实施例进行说明：
本发明的多载波跳频通信系统削峰方法适合以程序的形式集成于FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、DSP(Digital SignalProcessor，数字信号处理器)之类的数字芯片中，这种芯片大量应用于移动通信系统中，因而具有广泛的代表性，在本实施例中被用以辅助阐述，但是，本领域内普通技术人员所公知的其它具有可编程能力的数字芯片，以及将来被开发出具有同等能力的新型数字芯片不应被排除在本发明的保护范围之外。
对于多载波跳频通信系统而言，其各个载波的中心频点随着时间按跳频序列而变化，系统带宽和系统中心频点随着各载波中心频点的变化而相应的改变。因此，用于生成削峰脉冲的滤波器冲激响应应当具有自适应调节的功能。本发明多载波跳频通信系统削峰方法正是基于此而提出的。
为了后续表述的方便，首先介绍多载波跳频通信系统所涉及的系统参数。本文以N载波跳频通信系统为例阐述本发明的内容，N为大于1的整数。在各载波频率没有发生变化的时间段内，一个N载波跳频通信系统即为一个普通的N载波通信系统，其频谱示意图如图3所示。图3的纵坐标为功率谱密度Pω，横坐标为归一化的数字频率ω：
ω=ffs·2π]]>
其中，f表示模拟频率，fs表示系统的采样率。图3中每载波的载波数字带宽都为B，从左至右各个载波的数字中心频点依次为ω1，ω2，…ωN。图3所示意的多载波通信系统的系统数字带宽为BW，BW＝ωN-ω1+B，系统的数字中心频点为ωcenter，ωcenter＝(ω1+ωN)/2。需要特别指出的是当B＜＜BW时，BW≈ωN-ω1。
对于N载波跳频通信系统，上述的各载波的中心频点随着时间按跳频序列而变化，系统数字带宽和系统数字中心频点随着各载波中心频点的变化而相应的改变，即都为时间t的函数：ω1(t)，ω2(t)，…ωN(t)，BW(t)＝ωN(t)-ω1(t)+B，ωcenter(t)＝[ω1(t)+ωN(t)]/2。
假设tk，tk+1为载波频点跳变的相邻两个时刻(k为整数，仅起标识时刻作用，如k＝0，下同)，其对应的系统参数分别为：
1)tk时刻：
载波频点：ω1(tk)，ω2(tk)，…ωN(tk)，
系统数字带宽：BW(tk)＝ωN(tk)-ω1(tk)+B，
系统数字中心频点：ωcenter(tk)＝[ω1(tk)+ωN(tk)]/2。
2)tk+1时刻：
载波频点：ω1(tk+1)，ω2(tk+1)，…ωN(tk+1)，
系统数字带宽：BW(tk+1)＝ωN(tk+1)-ω1(tk+1)+B，
系统数字中心频点：ωcenter(tk+1)＝[ω1(tk+1)+ωN(tk+1)]/2。
系统初始状态可以看成是tk为负无穷，tk+1为0时刻的特殊情况。
假设在tk时刻，根据系统数字带宽BW(tk)、系统数字中心频点ωcenter(tk)以及系统频谱模板要求设定的滤波器冲激响应为1≤n≤Ltk,]]>n和为整数，表示此时滤波器的阶数。
从tk时刻到tk+1时刻，系统的载波频点发生了变化，此时的滤波器冲激响应也需要做相应的改变，1≤n≤Ltk+1,]]>n和为整数，表示此时滤波器的阶数。
滤波器冲激响应变化的方法如下：
1)首先判断系统数字带宽是否改变，即BW(tk+1)是否等于BW(tk)，如果相等则执行步骤2)，否则跳转执行步骤3)；
2)系统数字带宽既未改变，即行计算两个时刻系统数字中心频点的频差Δω＝ωcenter(tk+1)-ωcenter(tk)。
若Δω≠0，则系统数字中心频点已发生改变，利用如下公式进行移频，将滤波器冲激响应的中心频点移至与当前系统信号的中心频点保持一致：
Htk+1(n)=Htk(n)*ej*Δω*n,1≤n≤Ltk+1,Ltk+1=Ltk,]]>
反之，若Δω＝0，则系统数字带宽及系统数字中心频点均未发生改变，仍采用原来的滤波器冲激响应，即：
Htk+1(n)=Htk(n),1≤n≤Ltk+1;]]>
上述两种情况被处理后，完成移频工作，便可跳转至步骤4)进行具体的削峰操作；
3)在系统带宽已发生变化时，按照本领域所公知的多种低通滤波器设计方法设计满足系统数字带宽BW(tk+1)和系统频谱模板要求的低通滤波器冲激响应，得到Hdtk+1(n),1≤n≤Ltk+1,]]>由于设计的滤波器为低通滤波器，其数字中心频点为零频，需要将其搬频至此时的系统信号的系统数字中心频点ωcenter(tk+1)，形成适合本发明使用的带通滤波器，即执行如下公式：
Htk+1(n)=Hdtk+1(n)*ej*ωcenter(tk+1)*n,1≤n≤Ltk+1.]]>
这样，便保证重新构造的滤波器的系统数字中心频点与当前系统信号的数字中心频点保持一致，可进一步进行步骤4)的削峰操作。
4)本实施例因基于传统的削峰方法进行优化，在步骤2)或3)中得到满足当前系统带宽和频谱要求的滤波器冲激响应之后，构造削峰脉冲和削峰的方式与传统削峰方法中的方式是相同的，即检测输入信号峰值，将滤波器冲激响应移位，使其峰值与检测到的信号峰值位置对准，然后构造削峰脉冲进行削峰。
因而，其主要原理仍然是利用与输入信号的系统数字带宽和频谱模板(Spectrum Mask)相同的滤波器的冲激响应(也即滤波器系数)来生成削峰脉冲，对原系统信号中超过预设的幅度门限值的点进行削峰。故可参阅图1和图2所揭示的公知的构造削峰脉冲的方法，构造削峰脉冲的方程式同于背景技术所引用的公式：
CP_val(n)=(A-Ath)*ejθ*Htk+1(n),1≤n≤Ltk+1]]>
其中，A为检测到的峰值幅度，Ath为峰值的幅度门限，e为自然对数的底数，j为虚部符号，j=-1,]]>θ为信号峰值的相位，ejθ＝cosθ+j·sinθ，n为整数，1≤n≤Ltk+1,]]>tk+1仅起标识作用，用于表示当前时刻。
为使本发明的阐述更为可读，现进一步揭示步骤3)的更具体的子步骤：
3.1、首先由如下公式确定逼近理想低通频响函数Hd(ejω)：
Hd(ejω)=e-jωa,0≤|ω|≤ωc0,ωc<|ω|,]]>
其中ωc为信号的数字带宽，即滤波器频谱特性的归一化带宽，d为重新构建的低通滤波器的标识符；
3.2、因滤波器阶数为L，设α＝(L-1)/2，接着由如下公式求出逼近理想低通冲激响应Hd(n)：
Hd(n)=12π∫-ππHd(ejω)ejωndω]]>
=12π∫-ωcωce-jωαejωndω=sin[ωc(n-α)]π(n-α),0≤n≤L-1;]]>
3.3、然后选择窗函数类型，几种常用的窗函数有：矩形窗、三角窗、汉宁(Hanning)窗、海明(Hamming)窗、布莱克曼(Blackman)窗、凯塞(Kaiser)窗，这些窗函数的表达式为本领域所公知，故不行赘述；
3.4、窗函数长度即为滤波器阶数L，根据窗函数表达式得到窗函数系数win(n)，0≤n≤L-1，通过如下公式计算数字低通滤波器冲激响应(即滤波器系数)：
Hdtk+1(n)=Hd(n)*win(n)=sin[ωc(n-α)]π(n-α)*win(n),0≤n≤L-1.]]>
需要进一步指出的是，以上仅为本发明的较佳实施例，其采用先行构建低通滤波器然后将其移频实现带通滤波器的方法来实现，但前述步骤3)中，还可通过直接构建满足系统信号数字带宽、数字中心频点以及频谱模板要求的带通滤波器实现。此外，构造低通滤波器的方法也不受上述所列限制。本领域内普通技术人员在通读本发明后，应当可举一反三，通过多种等效替换的方式，而本发明为简洁起见，对各知公知的等效替换步骤不行赘述。
综上所述，本发明多载波跳频通信系统削峰方法，能根据系统载波频点变化而自适应调整用于构造削峰脉冲的滤波器系数，从而保证削峰效果优于传统技术。