駱 希，黃榮鑫，顏 宏，張 舟

（重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶400030）

0 引 言

隨著信息技術(shù)與無(wú)人升空平臺(tái)的不斷發(fā)展，偵察、干擾、察打一體等無(wú)人機(jī)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用成為主流?；跓o(wú)人機(jī)升空平臺(tái)爭(zhēng)奪空域、信息域控制權(quán)，已成為新的重要戰(zhàn)略制高點(diǎn)。國(guó)內(nèi)軍用無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在裝備上已初具規(guī)模，“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”測(cè)控系統(tǒng)逐漸成為主流發(fā)展趨勢(shì)?！耙稽c(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”測(cè)控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)一個(gè)地面測(cè)控終端設(shè)備同時(shí)與多個(gè)機(jī)載測(cè)控終端設(shè)備遙控、遙測(cè)傳輸。多通道的波形合并會(huì)導(dǎo)致輸出波形存在較大的峰均比特性。功率放大器通常有一個(gè)極限的線性區(qū)域。當(dāng)信號(hào)超出功放的動(dòng)態(tài)范圍不能被線性放大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)失真。目前，主流的處理方式是功放回退。功放回退會(huì)造成系統(tǒng)傳輸增益的降低，影響測(cè)控鏈路裕量。傳輸高峰均比波形對(duì)通道的動(dòng)態(tài)范圍、線性度提出了較高的要求，尤其對(duì)射頻放大器的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

1 “一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的波形特性

為滿足測(cè)控系統(tǒng)”一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”同空協(xié)同飛行多個(gè)無(wú)人機(jī)的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)多址接入的技術(shù)體制實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈。系統(tǒng)選擇碼分多址的方案實(shí)現(xiàn)上行遙控鏈路，僅適度增加數(shù)字處理的復(fù)雜度，通過(guò)公用射頻發(fā)通道、載波頻率，實(shí)現(xiàn)最大規(guī)?！耙稽c(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的鏈路傳輸。

“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”測(cè)控系統(tǒng)在多通道同時(shí)發(fā)送時(shí)，多路波形疊加后出現(xiàn)高峰均比波形特性。峰均比PARR的定義為：

其中x(t)是調(diào)制后的時(shí)域連續(xù)信號(hào)，NT表示有效數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度。低階調(diào)制波形通常峰均比較低，其中恒包絡(luò)調(diào)制具備類似單音信號(hào)的低波峰因子特性，而常規(guī)的CPM、QPSK、8PSK、16QAM隨著低階至高階調(diào)制的演進(jìn)，波峰因子成單調(diào)遞增趨勢(shì)。

通常采用互補(bǔ)累計(jì)概率分布函數(shù)（CCDF）衡量一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)塊的峰均比超過(guò)給定門限值的概率。當(dāng)設(shè)計(jì)L波段的大功率功放時(shí)，考慮設(shè)計(jì)難度及整機(jī)功耗效率。通常，16QAM調(diào)制波形經(jīng)功放時(shí)將回退至不大于30 dBm的輸出功率狀態(tài)。本項(xiàng)目使用FPGA[1-4]實(shí)現(xiàn)，采用矢量擴(kuò)頻調(diào)制，波形特性為準(zhǔn)恒包絡(luò)，均有較優(yōu)良的峰均比特性?；凇耙稽c(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的應(yīng)用模式，多通道的載波聚合后波形峰均比將顯著提高。

圖1、圖2是單通道和多通道發(fā)端星座圖。采用CCDF對(duì)比分析16QAM與多通道載波聚合后的波形的峰均比特性，結(jié)果如圖3所示。圖3中X軸一格表示2 dBm，展示了16QAM、多通道合并、白噪聲的CCDF曲線。

圖1 單通道發(fā)端星座圖

圖2 多通道發(fā)端星座圖

圖3 16QAM與多通道CCDF對(duì)比

2 時(shí)域脈沖抵消峰均比抑制

主流的峰均比抑制（CFR[5-7]）技術(shù)可分為：信號(hào)預(yù)畸變類、編碼類和概率類。其中，信號(hào)預(yù)畸變類會(huì)引入袋內(nèi)信號(hào)失真、帶外頻譜泄露，需要嚴(yán)格控制削波的畸變程度。但是，相對(duì)編碼類、概率類的降峰均比方式，信號(hào)預(yù)畸變不需引入冗余信息，不需占用傳輸帶寬，接收端在出現(xiàn)錯(cuò)碼時(shí)也不引入誤碼擴(kuò)散?！耙稽c(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”測(cè)控系統(tǒng)選擇采用Xilinx、IT公司均推薦的PC-CFR峰均比抑制算法。

PC-CFR是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)域波形抵消OFDM調(diào)制時(shí)域信號(hào)中高峰均比的波形。抵消脈沖發(fā)生器的幅頻特性是基于信號(hào)頻譜的帶寬而設(shè)計(jì)，可保證峰值抵消后帶外頻譜泄漏和帶內(nèi)的非線性失真。峰值檢測(cè)與脈沖分配器實(shí)現(xiàn)脈沖抵消的同步定位。信號(hào)處理的原理，如圖4所示。

在PC-CFR方案中，由頻譜成形而再生的信號(hào)是基于峰值采樣點(diǎn)的。這一信號(hào)在經(jīng)過(guò)合適的延遲處理后，被用于削減超過(guò)閥值的原始峰值信號(hào)。圖5為削波門限、削波前、削波后的數(shù)據(jù)波形對(duì)比。

圖4 PC-CFR原理

圖5 削波前后波形對(duì)比

作為只用峰值采樣點(diǎn)進(jìn)行消減的簡(jiǎn)化方法，它的失真度較小，且需更少的計(jì)算開(kāi)銷。

在每一個(gè)PC-CFR過(guò)程中，包含高達(dá)4個(gè)消除脈沖發(fā)生器（CPG），并具有涉及復(fù)雜縮放的峰值縮放功能。

PC-CFR算法具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）時(shí)域抵消脈沖嚴(yán)格按照傳輸信號(hào)幅頻特性設(shè)計(jì)生成，時(shí)域相減后可充分保證對(duì)頻譜帶外泄漏的抑制；

（2）針對(duì)時(shí)域調(diào)制波形進(jìn)行削波，基帶信號(hào)和帶通信號(hào)均可采用；

（3）一次削波后可能引入新的高峰值波形，至少需要進(jìn)行2次的迭代運(yùn)算；

（4）抵消脈沖濾波器可采用查找表設(shè)計(jì)，硬件資源消耗量較??；

（5）時(shí)域削波無(wú)法精確控制每個(gè)子載波的EVM[8]，從概率上存在超過(guò)EVM門限的子載波信號(hào)。

3 建模仿真與實(shí)測(cè)應(yīng)用

建模采用MATLAB軟件進(jìn)行浮點(diǎn)仿真，發(fā)現(xiàn)一次削波后可能引入新的高峰值波形，而脈沖抵消需進(jìn)行2～3次迭代運(yùn)算。綜合削波性能、處理延時(shí)、實(shí)現(xiàn)代價(jià)等因素，最終選定2次迭代的脈沖抵消方案。編程設(shè)計(jì)PC-CFR模塊的VHDL程序，通過(guò)Modelsim軟件進(jìn)行語(yǔ)法檢查、功能性仿真，采用Xilinx公司ISE14.4軟件對(duì)硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行綜合、布線，生產(chǎn)目標(biāo)程序下載至型號(hào)為XC7K160T的FPGA芯片進(jìn)行上電調(diào)試。仿真信源為地面測(cè)控終端多通道合并后的基帶調(diào)制信號(hào)，利用R&S儀器測(cè)試其性能。削波前后的CCDF如圖6所示。

圖6 多通道削波前后CCDF對(duì)比

其中，X軸一格表示2 dBm。圖6代表了削波前、削波后、白噪聲的CCDF?？梢钥闯?，脈沖抵消峰均比抑制技術(shù)有效較低了基帶調(diào)制波形的波峰因子。但是，削波會(huì)引入一定程度的發(fā)送端波形信噪比惡化。削波門限將折中選取，在保證接收靈敏度不下降的前提下，進(jìn)行削波抑制處理。

對(duì)比測(cè)試加載峰均比抑制技術(shù)后對(duì)系統(tǒng)傳輸增益的影響。系統(tǒng)傳輸增益由發(fā)射功率、收/發(fā)天線增益、接收靈敏度等共同決定。設(shè)備連接如圖7所示，將發(fā)射機(jī)功放設(shè)置為最大功率輸出狀態(tài)，分別測(cè)試加載峰均比抑制模塊前后接收機(jī)可正常接收（誤碼率≤10-5）的最大衰減值。實(shí)測(cè)結(jié)果：加載峰均比抑制后可發(fā)射機(jī)輸出功率增加3 dBm（功率計(jì)測(cè)量），且極限衰減值可多承受3 dB。

圖7 效果驗(yàn)證設(shè)備連接圖

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)實(shí)測(cè)，本測(cè)控系統(tǒng)加載峰均比抑制技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)不影響接收靈敏度的前提下提高信號(hào)發(fā)射功率3 dBm，最終系統(tǒng)傳輸增益增加3 dB，顯著提升了鏈路傳輸抗衰落的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] Lyons R.Understanding Digital Signal Processing[M].Prentice Hall,2001.

[2] ALTERA White Paper.Implementation of CORDIC-based QRD-RLS Algorithm[J].Altera Stratix FPGA with Embedded NiosSoft Processor Technology,2005:1-8.

[3] Someone.FPGAs[J].ACM/SIGDA,1998(06):191-200.

[4] He S,Torkelson M.A New Approach to Pipeline FFT Processor[J].The 10th International Parallel Processing Symposium(IPPS),1996:766-770.

[5] Zhao C,Baxley R G,Zhou G T,et al.Constrained Clipping for Crest Factor Reduction in Multipleuser OFDM[C].Proc. IEEE Radio and Wireless Symposium,2007(01):341-344.

[6] Sharif M,Khalaj B H.Peak to Mean Envelope Power Ratioof Over-Sampled OFDM Signals:an Analytical Approach[C].Proc. IEEEInternational Conference onCom munications,2001,5(06):1476-1480.

[7] Wang C L,Ouyang Y.Low-complexity Selected Mapping Schemesfor Peak-To-Average Power Ratio Reduction in OFDM Systems[J].IEEETransactions on Signal Processi ng,2005,53(12):4652-4660.

[8] Yaghoobi H.Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 WirelessMAN[J].Intel Technology Journal,2004,8(03):201-212.