基于“一点对多点”测控系统的峰均比抑制技术研究

基于“一点对多点”测控系统的峰均比抑制技术研究

鲍芬林

武汉贝斯特通信集团股份有限公司广东汕头515000

摘要：目前，“一点对多点”测控系统得到了广泛的发展。本文介绍了“一点对多点”测控系统的高峰均比波形特性，并针对此特性设计了适于工程应用的高效的峰均比抑制技术。经过建模仿真与实测应用表明：加载峰均比抑制后可发射机输出功率增加3dBm，且极限衰减值可多承受3dB。

关键词：测控系统；峰均比；抑制；实测应用

引言

随着航天测控领域的快速发展，“一点对多点”测控系统逐渐发展起来，并成为了主流发展趋势。“一点对多点”测控系统需实现一个地面测控终端设备同时与多个机载测控终端设备遥控、遥测传输。但多通道的波形合并会导致输出波形存在较大的峰均比特性，这将会影响系统的性能，因此需要加以限制。传输高峰均比波形对通道的动态范围、线性度提出了较高的要求，尤其对射频放大器的设计提出了挑战。鉴于此，本文就对“一点对多点”测控系统峰均比抑制技术进行研究。

1.“一点对多点”的波形特性

为满足测控系统“一点对多点”同空协同飞行多个无人机的技术要求，设计多址接入的技术体制实现“一点对多点”的测控数据链。系统选择码分多址的方案实现上行遥控链路，仅适度增加数字处理的复杂度，通过公用射频发通道、载波频率，实现最大规模“一点对多点”的链路传输[1]。

“一点对多点”测控系统在多通道同时发送时，多路波形叠加后出现高峰均比波形特性。峰均比PARR的定义为：

其中x（t）是调制后的时域连续信号，NT表示有效数据块的长度。低阶调制波形通常峰均比较低，其中恒包络调制具备类似单音信号的低波峰因子特性，而常规的CPM、QPSK、8PSK、16QAM随着低阶至高阶调制的演进，波峰因子成单调递增趋势。通常采用互补累计概率分布函数（CCDF）衡量一个发送数据块的峰均比超过给定门限值的概率。当设计L波段的大功率功放时，考虑设计难度及整机功耗效率。

通常，16QAM调制波形经功放时将回退至不大于30dBm的输出功率状态。本项目使用FPGA实现，采用矢量扩频调制，波形特性为准恒包络，均有较优良的峰均比特性。基于“一点对多点”的应用模式，多通道的载波聚合后波形峰均比将显著提高[2]。

图1、图2是单通道和多通道发端星座图。采用CCDF对比分析16QAM与多通道载波聚合后的波形的峰均比特性，结果如图3所示。图3中X轴一格表示2dBm，展示了16QAM、多通道合并、白噪声的CCDF曲线。

图1单通道发端星座图

图2多通道发端星座图

图316QAM与多通道CCDF对比

2.时域脉冲抵消峰均比抑制

主流的峰均比抑制（CFR）技术可分为：信号预畸变类、编码类和概率类。其中，信号预畸变类会引入袋内信号失真、带外频谱泄露，需要严格控制削波的畸变程度。但是，相对编码类、概率类的降峰均比方式，信号预畸变不需引入冗余信息，不需占用传输带宽，接收端在出现错码时也不引入误码扩散。“一点对多点”测控系统选择采用Xilinx、IT公司均推荐的PC-CFR峰均比抑制算法[3]。

PC-CFR是脉冲发生器产生时域波形抵消OFDM调制时域信号中高峰均比的波形。抵消脉冲发生器的幅频特性是基于信号频谱的带宽而设计，可保证峰值抵消后带外频谱泄漏和带内的非线性失真。峰值检测与脉冲分配器实现脉冲抵消的同步定位。信号处理的原理，如图4所示。

在PC-CFR方案中，由频谱成形而再生的信号是基于峰值采样点的。这一信号在经过合适的延迟处理后，被用于削减超过阀值的原始峰值信号。图5为削波门限、削波前、削波后的数据波形对比。

图4PC-CFR原理

图5削波前后波形对比

作为只用峰值采样点进行消减的简化方法，它的失真度较小，且需更少的计算开销。

在每一个PC-CFR过程中，包含高达4个消除脉冲发生器（CPG），并具有涉及复杂缩放的峰值缩放功能。

PC-CFR算法具有以下几个特点：

（1）时域抵消脉冲严格按照传输信号幅频特性设计生成，时域相减后可充分保证对频谱带外泄漏的抑制；

（2）针对时域调制波形进行削波，基带信号和带通信号均可采用；

（3）一次削波后可能引入新的高峰值波形，至少需要进行2次的迭代运算；

（4）抵消脉冲滤波器可采用查找表设计，硬件资源消耗量较小；

（5）时域削波无法精确控制每个子载波的EVM，从概率上存在超过EVM门限的子载波信号。

3.建模仿真与实测应用

建模采用MATLAB软件进行浮点仿真，发现一次削波后可能引入新的高峰值波形，而脉冲抵消需进行2～3次迭代运算。综合削波性能、处理延时、实现代价等因素，最终选定2次迭代的脉冲抵消方案。编程设计PC-CFR模块的VHDL程序，通过Modelsim软件进行语法检查、功能性仿真，采用Xilinx公司ISE14.4软件对硬件描述语言进行综合、布线，生产目标程序下载至型号为XC7K160T的FPGA芯片进行上电调试。仿真信源为地面测控终端多通道合并后的基带调制信号，利用R&S仪器测试其性能。削波前后的CCDF如图6所示。

其中，X轴一格表示2dBm。图6代表了削波前、削波后、白噪声的CCDF。可以看出，脉冲抵消峰均比抑制技术有效较低了基带调制波形的波峰因子。但是，削波会引入一定程度的发送端波形信噪比恶化。削波门限将折中选取，在保证接收灵敏度不下降的前提下，进行削波抑制处理。

图6多通道削波前后CCDF对比

对比测试加载峰均比抑制技术后对系统传输增益的影响。系统传输增益由发射功率、收/发天线增益、接收灵敏度等共同决定。设备连接如图7所示，将发射机功放设置为最大功率输出状态，分别测试加载峰均比抑制模块前后接收机可正常接收（误码率≤10-5）的最大衰减值。实测结果：加载峰均比抑制后可发射机输出功率增加3dBm（功率计测量），且极限衰减值可多承受3dB。

图7效果验证设备连接图

4.结语

综上所述，峰均比抑制可降低对射频功放线性度的设计要求，提高功放效率以及降低设备功耗，且增加系统传输增益。经实测表明，本测控系统加载峰均比抑制技术后，可实现不影响接收灵敏度的前提下提高信号发射功率3dBm，系统传输增益增加3dB，链路传输抗衰落的能力得到了显著的提升。

参考文献：

[1]张永刚.OFDM系统中峰均比抑制技术研究[D].西安电子科技大学，2012.

[2]刘杨欢.下一代无线局域网（WLAN）系统中峰均比抑制技术的研究[D].西南交通大学，2016.

[3]王东，田小兵，陈书浩.基于OFDM系统的峰均比抑制技术研究[J].中国新通信，2014（9）：125-126.