Оптимальная фильтрация при ограничении ПИК-фактора сигнала DRM+

В статье предпринята попытка решения актуальной научно-технической проблемы поиска оптимального метода фильтрации внеполосных излучений сигнала DRM+. Проведен анализ существующих методов фильтрации внеполосных излучений в процессе снижения пик-фактора в системе DRM, на основании которого происходит выбор оптимального алгоритма фильтрации после снижения пик-фактора для передатчиков стандарта DRM+.

После снижения пик-фактора сигнала DRM+ методами, основанными на искажении сигнала, в частности методом клиппинга или методом оконного взвешивания, значительно возрастают внеполосные составляющие в спектре сигнала. При их фильтрации проявляется нежелательный эффект повторного роста пиков сигнала, который в конечном итоге ведет к повторному росту PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) [1]. Данный эффект продемонстрирован на рис. 1.

Для борьбы с эффектом повторного роста PAPR применяют итеративные методы снижения пик-фактора, при которых процедуры клиппинга (или оконного взвешивания) и фильтрации повторяют циклически в течение нескольких итераций

вплоть до достижения требуемых уровней PAPR и внеполосных составляющих спектра сигнала. Фильтрация внеполосных составляющих, как правило, осуществляется с помощью цифрового фильтра на основе БПФ/ОБПФ.

1. Подавления внеполосных излучений с помощью цифрового фильтра на основе БПФ/ОБПФ

Фильтрация внеполосных излучений основе БПФ/ОБПФ описана в [2; 3].

Структурная схема блоков клиппинга и фильтрации приведена на рис. 2.

Обработка сигнала осуществляется в основной полосе квадратурных сигналов I и Q до квадратурного модулятора. Сигнал после клиппинга с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) преобразуется из временного домена в частотный. В блоке фильтрации производится вычисление максимального превышения уровня внеполосных излучений границы спектральной маски, установленной стандартом, после чего все внеполосные составляющие подавляются на данный уровень превышения. При этом может быть введен дополнительный запас для гарантированного нахождения уровня внеполосных излучений в границах маски после прохождения сигнала по всем цепям

Рис. 1. Повторный рост пиков сигнала после фильтрации

Fig. 1. Re-growth of signal peaks after filtering

Рис. 2. Структурная схема блоков клиппинга и фильтрации

Fig. 2. Block diagram of clipping and filtering blocks

Рис. 3. Спектры исходного сигнала, сигнала после снижения пик-фактора и сигнала после фильтрации

Fig. 3. Spectra of the original signal, the signal after the reduction of the crest factor and the signal after filtering

Рис. 4. Спектры исходного сигнала, сигнала после снижения пик-фактора и сигнала после фильтрации путем ограничения отсчетов по заданной маске

Fig. 4. Spectra of the original signal, the signal after reducing the crest factor and the signal after filtering by limiting the counts according to a given mask

передатчика. Составляющие спектра, относящиеся к полезной части сигнала, при этом не затрагиваются. На рис. 3 приведены спектры исходного сигнала, сигнала после снижения пик-фактора и сигнала после фильтрации.

2.    Критерии оценки эффективности фильтрации внеполосных излучений после снижения пик-фактора

Основным критерием эффективности методов снижения пик-фактора, включающих фильтрацию внеполосных излучений, является степень подавления пик-фактора, которую обычно выражают в дБ как разность PAPR до применения метода и PAPR после применения метода. При этом основные параметры сигнала не должны выходить за границы установленных норм.

При этом при подавлении пик-фактора должны контролироваться уровень внеполосных излучений и коэффициент ошибок модуляции MER, нормы на которые установлены в «Рекомендации МСЭ-R BS.1660-8 (06/2019) Техническая основа для планирования наземного цифрового звукового радиовещания в полосе ОВЧ» и в стандарте «ETSI EN 302 245 V2.1.1 (2018-06) Transmitting equipment for the Digital Radio Mondiale (DRM) sound broadcasting service; Harmonised Standard for access to radio spectrum» соответственно. В частности, MER для передатчиков стандарта DRM+ (в полосах частот выше 30 МГц) должен быть не хуже 21 дБ.

3.    Оптимизация фильтрации сигнала DRM+ после снижения пик-фактора

Предлагаемый в данной статье оптимизированный метод фильтрации после снижения пик-фактора основан на выборочном подавлении внеполосных составляющих. После БПФ блок фильтрации выполняет оценку соответствия заданной маске каждого отсчета внеполосных составляющих спектра сигнала. В случае если отсчет выходит за границу маски, то он ограничивается уровнем маски. Те отсчеты, которые не выходят за границу маски, не изменяются. На рис. 4 приведены спектры исходного сигнала, сигнала после снижения пик-фактора и сигнала после фильтрации методом ограничения по маске.

Далее приведены сравнительные результаты исследований снижения пик-фактора сигнала DRM+ (режим устойчивости Е, 213 поднесущих) методом клиппинга и фильтрации путем подавления всех отсчетов внеполосных излучений на максимальный уровень, а также фильтрации путем ограничения отсчетов по заданной маске. Все расчеты и алгоритмы настоящих исследований реализованы на программном обеспечении CrestFactorTest собственной разработки в среде C#.

На рис. 5 показан повторный рост пиков сигнала после фильтрации путем ограничения отсчетов по заданной маске. Из данного рисунка видно, что по сравнению с рис. 1 повторный рост пиков сигнала значительно ниже, что доказывает эффективность предложенного метода фильтрации.

Рис. 5. Повторный рост пиков сигнала после фильтрации путем ограничения отсчетов по заданной маске Fig. 5. Re-growth of signal peaks after filtering by limiting the samples by a given mask

1 ^ CCDF				I									---И exo; Сниж --Фиты	эние ПФ рация
											\
								1
										1	0         1	1                  1	2           1	3       14 РАРР.^Б

Рис. 6. CCDF пик-фактора сигнала DRM+ с модуляцией 4-QAM, стандартная фильтрация

• Fig. 6.    CCDF of DRM+ signal with 4-QAM modulation, standard filtering

1-, CCDF														---Hexoj Сниж --- Фигь	ение ПФ грация
												\
							т
											1	0          1	1                  1	2          1	3        14

PAPR. дБ

Рис. 7. CCDF пик-фактора сигнала DRM+ с модуляцией 4-QAM, фильтрация по маске

• Fig. 7.    CCDF of DRM+ signal with 4-QAM modulation, mask filtering

  Морозов К.Ю. Оптимальная фильтрация при ограничении пик-фактора сигнала DRM+

  

  PAPP,дБ

  Рис. 8. CCDF пик-фактора сигнала DRM+ с модуляцией 16-QAM, стандартная фильтрация

  
  
  

  PAPR. дБ

  Рис. 9. CCDF пик-фактора сигнала DRM+ с модуляцией 16-QAM, фильтрация по маске

  Fig. 9. CCDF crest factor of DRM+ signal with 16-QAM modulation, mask filtering

  
  

  На рис. 6–9 приведены графики комплементарной интегральной функции распределения CCDF пик-фактора для сигналов DRM+ модуляцией 4-QAM и 16-QAM после клиппинга и фильтраций с помощью стандартной и предложенной методик. Для анализа использовалось 10 000 символов OFDM. Размерность БПФ/ОБПФ – 2048. Коэффициент клиппинга CR, определяемый выражением (1), был равен 1,6.

CR = ^A , (1)

X ñêç где A – уровень клиппинга; xскз – среднеквадратичное значение амплитуды комплексного OFDM-сигнала в основной полосе. MER при этом находился на уровне 23,2 дБ.

На рис. 10–13 приведены графики зависимости MER от пик-фактора PAPR для сигналов DRM+ модуляцией 4-QAM и 16-QAM после клиппинга и фильтраций с помощью стандартной и предложенной методик.

Результаты анализа графиков с рис. 6–9 сведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что предложенный метод фильтрации по маске сигнала DRM+ после клип-пинга при уровнях MER в районе 23,2 дБ обеспечивает повторное возрастание пик-фактора на 1,45 дБ меньше при модуляции 4-QAM и на 1,3 дБ меньше при модуляции 16-QAM по сравнению со стандартным методом фильтрации.

Результаты анализа графиков с рис. 10–13 сведены в табл. 2.

Рис. 10. Зависимость MER от PAPR-сигнала DRM+ с модуляцией 4-QAM, стандартная фильтрация

Fig. 10. MER versus PAPR of DRM+ signal with 4-QAM modulation, standard filtering

Рис. 12. Зависимость MER от PAPR-сигнала DRM+ с модуляцией 16-QAM, стандартная фильтрация

Fig. 12. MER versus PAPR of DRM+ signal with 16-QAM modulation, standard filtering

Рис. 11. Зависимость MER от PAPR-сигнала DRM+ с модуляцией 4-QAM, фильтрация по маске

Fig. 11. MER versus PAPR of DRM+ signal with 4-QAM modulation, filtering by mask

Рис. 13. Зависимость MER от PAPR-сигнала DRM+ с модуляцией 16-QAM, фильтрация по маске

Fig. 13. Dependence of MER on PAPR of DRM+ signal with 16-QAM modulation, filtering by mask

Табл. 1

Table 1

	Пик-фактор до фильтрации PAPR1, дБ	Пик-фактор после фильтрации PAPR2, дБ	PAPR2-PAPR1, дБ
Стандартная фильтрация: – 4-QAM – 16-QAM	4,73 5,04	7,67 7,74	2,94 2,70
Фильтрация по маске: – 4-QAM – 16-QAM	4,73 5,04	6,18 6,34	1,45 1,30

Табл. 2

Table 2

Режим	PAPR, дБ, при MER = 21 дБ
Стандартная фильтрация: – 4-QAM – 16-QAM	5,90 5,92
Фильтрация по маске: – 4-QAM – 16-QAM	5,00 5,01

Из табл. 2 видно: при MER, равном 21 дБ, что соответствует граничному требованию ETSI EN 302 245, предложенный метод фильтрации обеспечивает выигрыш PAPR на 0,9 дБ по сравнению со стандартным методом фильтрации.

Заключение

Предложен оптимизированный метод фильтрации сигнала DRM+ после снижения пик-фактора на основе переноса сигнала из временного домена в частотный с помощью БПФ, выборочного ограничения внеполосных составляющих спектра сигнала по установленной маске и обратного

переноса полученного сигнала из частотного домена во временной с помощью ОБПФ. Сравнение стандартного метода фильтрации, основанного на ограничении всех внеполосных составляющих спектра на общий заданный уровень с предложенным методом, показало достаточно высокую эффективность последнего, что позволяет рекомендовать его к применению в современных передатчиках стандарта DRM+.

Полученные результаты позволят повысить эффективность снижения пик-фактора в радиовещательных передатчиках стандарта DRM+, тем самым позволив увеличить их КПД.