home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Language/OS - Multiplatform Resource Library / LANGUAGE OS.iso / dsp / dspgroup / 00index.arc / CISDSP.ARC / CREST.TXT < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1988-07-28  |  12.9 KB  |  263 lines

  1. Crest Factor Evaluation of Multitone Waveforms under SSB Modulation
  2. Franklin Antonio, N6NKF,  4/19/88 5am edition
  3.  
  4. Summary:
  5. Crest Factor of a multitone waveform under SSB modulation is discussed.  
  6. Equations for crest factor of the transmitted waveform are developed.
  7. Crest Factor causes a loss in transmit power, which is calculated as
  8.  
  9.         Waveform        Xmit Power Loss
  10.         --------        ---------------
  11.         1-tone          0 db
  12.         2-tones         3 db (any phases, any frequencies)
  13.         3-tones         depends on frequencies and phases
  14.                         optimum unknown.  Probably >2 db
  15.  
  16.  
  17. Discussion:
  18.  
  19. Barry McLarnon has suggested the use of (n,m)-ary FSK modulation for an amateur
  20. radio HF modem.  During each modulation interval, the modulator would generate
  21. n out of m possible audio frequency sinusoids add them, and send them into the
  22. microphone input of an HF SSB transceiver.
  23.  
  24. An important characteristic of such multi-tone waveforms is their "crest
  25. factor".  This is the ratio of the waveform peak value to the waveform's RMS
  26. value.  Simple sine waves have a crest factor of sqrt(2), or 3db.  
  27.  
  28. The power amplifier in the HF transceiver is voltage limited, and we must 
  29. reduce the power level until the amplifer can handle the peaks.  (or at least 
  30. nearly so)  For example, if a PA is rated at 100W PEP (Peak Envelope Power), 
  31. and we feed it a waveform with a crest factor = CF, then we must reduce average
  32. power by 2/(CF^2).  If CF = 10, we must reduce our 100W rig to 2W, a 17db loss!
  33.  
  34. There has been some discussion of designing multi-tone waveforms specifically
  35. so that they will have a low crest factor.  One example in the literature is
  36. "Multitone Signals with Low Crest Factor", by Stephen Boyd, IEEE Ckts & Syst,
  37. Oct 1986, pp1018-1022, and "Comments on Multitone...", Ouderaa, Schoukens,
  38. Renneboog, IEEE C&S, Sept 1987, pp1125-1127.  
  39.  
  40. They looked at waveforms of the form..
  41.  
  42. s(t) = cos(W*t+P1) + cos(2*W*t+P2) + cos(3*W*t+P3) + ... + cos(n*W+Pn)    (1)
  43.  
  44. They then describe methods for choosing the phase offsets P1...Pn to minimize
  45. (or nearly minimize) the crest factor of s(t).  These guys have great sounding
  46. names, and they solve an interesting problem, but it isn't our problem.  
  47.  
  48. Important is the fact that we really care about the crest factor of the
  49. waveform AFTER SSB MODULATION.  (because that's where the power amp lives)
  50. SSB modulation changes the crest factor of a waveform.  To understand why,
  51. we have to do some math, which follows.  
  52.  
  53. Boyd, Ouderra, etc (BOSR) define crest-factor in a manner which doesn't 
  54. directly help us, because they didn't deal with SSB modulation, yet we must.
  55. You cannot derive the crest-factor after SSB modulation by knowing only the 
  56. crest-factor before modulation.  If you minimize the crest factor of a signal
  57. by varying some parameter of the signal (such as the relative phases of two
  58. sinusoidal components) then you haven't necessarily minimized the crest factor
  59. after SSB modulation.  Gobldegook, but it gets clearer later...
  60.  
  61. What is SSB modulation anyway?  It's really just a frequency shift, but that's
  62. easier to say than to write mathematically.  Consider a signal s(t).  Now
  63. what does that turn into when it's SSB modulated?
  64.  
  65. ssb(s(t))  =  cos(Wc*t+Pc)*s(t) - sin(Wc*t+Pc)*H(s(t))                     (2)
  66.  
  67. where, Wc and Pc are the frequency and phase of the local oscillator, and
  68. H() represents a Hilbert Transform.  The Hilbert Transform of a signal is
  69. simply the signal with every frequency component phase shifted 90 degrees.
  70.  
  71. Now let's try it with an example signal.  How about a square wave?
  72. [Square wave example was Barry's idea]  A square wave has the marvelous 
  73. property that it's crest factor = 1 !!!  Can't do better than that.  Would it 
  74. be a reasonable waveform to stick into an SSB modulator?  
  75.  
  76. Remember a description of a square wave from some class on Fourier theory...
  77.  
  78. s(t)    =  sin(t) + (1/3)sin(3t) + (1/5)sin(5t) + ...                 (3)
  79.  
  80. Because it's represented here as a sum of sin()'s, we immediately know how
  81. to compute it's Hilbert transform too.  Shift a sin() 90 degrees, and you just
  82. get a -cos()..
  83.  
  84. H(s(t)) = - cos(t) - (1/3)cos(3t) - (1/5)cos(5t) - ...                 (4)
  85.  
  86. Now note that while this example s(t) is very well behaved (ie CF=1), it's
  87. Hilbert Transform is very badly behaved.  It's crest factor is infinite!
  88. In particular, at t=0, we have 
  89.  
  90.           - 1 - (1/3) - (1/5) - ...
  91.  
  92. which is a series that doesn't converge, ie is infinite. (minus infinite
  93. actually)  Right here we have a hint that something that wasn't immediately
  94. obvious is going on.  
  95.  
  96. Substituting (3) and (4) into (2)...
  97.  
  98. ssb(s(t)) =   cos(Wc*t+Pc) * [ sin(t)+(1/3)sin(3t)+(1/5)sin(5t)... ]
  99.             - sin(Wc*t+Pc) * [ cos(t)+(1/3)cos(3t)+(1/5)cos(5t)... ]   (5)
  100.  
  101. We can decide what waveform we generate and send to the SSB modulator, and
  102. might, in some systems, be able to control the LO frequency Wc, but typically
  103. we will be entirely unable to control the LO phase Pc.  If we could choose
  104. Wc and Pc precisely, then we could make the large peaks of the cos(t)+...
  105. term occur when sin(Wc*t+Pc) was exactly zero.  We get to choose the signal
  106. we generate, but the devil can choose Pc, so to "rotate" our waveform thru
  107. any phase angle he chooses.  In the example, this means that ssb(s(t)) can take
  108. on very large (infinite actually) values.  All the devil has to do is choose
  109. Pc to make Wc*t+Pc be nonzero at time t=0, and the resulting ssb(t) blows up.
  110. Actually, because the frequency of the carrier, Wc, is large (maybe 14 MHz)
  111. relative to the frequency components of the input signal (audio frequencies),
  112. the carrier is whipping around so fast (ie Wc*t+Pc is changing so rapidly) that
  113. the carrier samples all the good and bad parts of both s(t) and H(s(t)).
  114. BOSR only deals with the case where Wc=0, Pc=0, hence they ignore H(s(t)).  
  115.  
  116. We took a waveform with Crest Factor = 1, and put it thru an SSB modulator.
  117. What came out had Crest Factor = Infinity.  This is not good.  
  118.  
  119. Now it turns out that luckily most waveforms are more well behaved than square
  120. waves under SSB modulation.  Most waveforms don't blow up like this, but the
  121. lesson is that we must look for the maximum value of the crest factor of 
  122. ssb(t) under all possible local oscillator phases.  Lets define a new measure,
  123. call it.. Peak/Avg Envelope Ratio (PAR):
  124.  
  125.    PAR(s(t)) = MAX [ CrestFactor( ssb(s(t)) ) ] / sqrt(2)                (6)
  126.                maximum taken over time and 
  127.                all possible values of Pc.
  128.  
  129. PAR() is the measure we should care about.  The sqrt(2) divisor makes PAR=1 
  130. (ie 0db) for a single sine wave.  When we look at other signals, PAR tells us 
  131. how far we have to turn down the signal power at the power-amplifer RELATIVE to
  132. the power level we could handle for a single sine wave.  A simpler definition
  133. of PAR() follows.  The math will get easier, and the sqrt(2) will go away.
  134.  
  135. Fortunately, we don't have to compute ssb(s(t)) for all possible Pc to figure
  136. out PAR(s(t)).  We can do it algebraically.  
  137.  
  138. I prefer to do the algebra with complex exponentials instead of sin()'s and
  139. cos()'s.  Sometimes it's simpler.  We use,
  140.  
  141.        exp(j*(W1*t+P1))                                                   (7)
  142.  
  143. to represent a sinusoid.  Here, j = sqrt(-1).  This seems gnarly to those who
  144. aren't used to it.  Remember in the above calculations, i had to evaluate the
  145. Hilbert Transform of signals.  You may think about the complex exponential as 
  146. mathematical trick that carries the Hilbert Transform around with every 
  147. signal, so that i don't have to calculate it as i go.  This is sometimes
  148. called the complex signal model.  Such complex signals are also sometimes
  149. called phasors.  I will try to use capital leters for phasors, and lowercase 
  150. for scalar (ie ordinary) signals.  Also, re[], and im[] mean the real and 
  151. imaginary part of a phasor.  For example,
  152.  
  153.         re[ Exp(j*W1*t+P1) ]  =  cos(W1*t+P1)                             (8)
  154.         im[ Exp(j*W1*t+P1) ]  =  sin(W1*t+P1)
  155.  
  156. In this notation, the formula for SSB modulation is simpler than before...
  157.  
  158.         ssb(S(t)) = re[ exp(j*(Wc*t+Pc)) * S(t) ]                         (9)
  159.  
  160. SSB modulation simply means multiply the signal phasor by the carrier phasor,
  161. then take the real part.  
  162.  
  163. We can also now redefine Peak-to-Average Envelope Ratio now in phasor terms.
  164. It becomes...
  165.  
  166.        PAR(S(t)) = MAX [ Mag(S(t)) ] / RMS[ Mag(S(t)) ]                   (10)
  167.  
  168. Now i only need take the MAX over time, whereas before the MAX was also over
  169. all possible LO phases.  The phasors carry around with them all the info i
  170. need to evaluate all phases simultaniously.  This definition is equivalent to
  171. the the previous one.
  172.  
  173.  
  174. Phasors on stun! ...
  175.  
  176. Let's immediately jump to some useful waveforms, ie (n,m)-ary FSK, for which
  177. each waveform of interest is a sum of n equal amplitude sinusoids of specified
  178. phase, and compute PAR.  Start with (2,m)-ary FSK.
  179.  
  180. If i generate a signal by adding two equal amplitude tones, can i cleverly
  181. pick the relative phases of the two tones to minimize the Peak-to-Average 
  182. Envelope ratio?  Here's such a two-tone signal, represented as a phasor.  The
  183. sqrt(2) normalizes S(t) so that it's RMS value is 1.
  184.  
  185.      S(t) = (1/sqrt(2)) * [ Exp(j*W1*t+P1) + Exp(j*W2*t+P2) ]             (11)
  186.  
  187. Now, using the following identities...
  188.             Exp(j*x) = cos(x) + j*sin(x)
  189.             sin(a) + sin(b) = 2 * sin((1/2)*(a+b)) * cos((1/2)*(a-b))
  190.             cos(a) + cos(b) = 2 * cos((1/2)*(a+b)) * cos((1/2)*(a-b))
  191.  
  192. we can put S(t) into a more form which makes it's properties more intuitive..
  193.  
  194.   S(t) =    sqrt(2) 
  195.           * cos[  ((W1-W2)*t+(P1-P2))/2] 
  196.           * Exp[j*((W1+W2)*t+(P1+P2))/2]                                  (12)
  197.  
  198. Ok, so at first it doesn't look very intuitive.  Ignore the stuff inside the
  199. parenthesis for a moment.  The Exp[] is a complex exponential which always
  200. has magnitude = 1.  The cos[] has it's maximum value = 1.  So, by immediate
  201. observation, we see that
  202.  
  203.      PAR(S(t)) = sqrt(2)                                                  (13)
  204.  
  205. You can choose the relative phases of the two sinusoids, P1 & P2, but you won't
  206. affect the Peak-to-Average Envelope!  It's always sqrt(2).  Ie you have to turn
  207. down the power by 3db to xmit the sum of two sinusoids.  How about that for a
  208. no-hope answer!  Interestingly, it doesn't generalize...
  209.  
  210. What happens for a sum of 3 sinusoids?  (ie for (3,m)-ary FSK)
  211.  
  212.    S(t) = (1/sqrt(3)) * [  Exp(j*W1*t+P1) 
  213.                          + Exp(j*W2*t+P2)  
  214.                          + Exp(j*W3*t+P3) ]                               (14)
  215.  
  216. The trig identity gods aren't with us this time, so the thing doesn't pop
  217. out magically into something obvious.  (at least not under my hand)  But we 
  218. can get an interesting result.  We want to put this thing into the form
  219.  
  220.    S(t) = a(t) * Exp( b(t) )                                              (15)
  221.  
  222. where a(t) and b(t) are real, just as before.  Then we'll look at the maximum
  223. of a(t), and ignore b(t).  I'll spare you the intermediate trig doodles...
  224.  
  225.  a(t) = sqrt[ 1 + (2/3)*cos((W1-W2)*t+(P1-P2))                           (16)
  226.                 + (2/3)*cos((W2-W3)*t+(P2-P3))   
  227.                 + (2/3)*cos((W3-W1)*t+(P3-P1))  ]
  228.  
  229. Now, because we started with the goal of doing (3,m)-ary FSK, we know the
  230. frequencies of the tones we want to generate, so W1,W2,W3 are known and fixed.
  231. We now get to pick the relative phases RP1=P1-P2, and RP2=P2-P3. 
  232.  
  233. For the case W1,W2,W3 = 1,2,3, the phases RP1=0, RP2=pi produce PAR(S(t))=1.29,
  234. (ie 2.2 db) which is probably near optimum for this choice of frequencies.  
  235. Other frequency triplets will have other optimum phases.
  236.  
  237. So for every set of (W1,W2,W3) in the (n,m)-ary FSK, we can optimize RP1,RP2 
  238. to minimize PAR(S(t)).  Because minimizing sqrt(x) is the same as minimizing 
  239. x, we can drop the sqrt[] function and minimize what's inside.  Interestingly,
  240. this looks a lot like what BOSR were doing, but it isn't the same.  In the 
  241. case of a 3-tone signal, they chose phases to minimize
  242.  
  243.            abs [ cos(W1*t+P1) + cos(W2*t+P2) + cos(W3*t+P3) ]             (17)
  244.  
  245. and instead, we choose phases to minimize
  246.  
  247.                 1 + (2/3)*cos((W1-W2)*t+(P1-P2)) 
  248.                   + (2/3)*cos((W2-W3)*t+(P2-P3)) 
  249.                   + (2/3)*cos((W3-W1)*t+(P3-P1))                          (18)
  250.  
  251. which, amazingly, is a nearly equivalent form.  Unfortunately, the phase 
  252. values that minimize one do not necessarily minimize the other.
  253.  
  254. The equations above for the 3-tone case can be easily generalized for the 
  255. n-tone case.  I haven't been able to solve for the optimal values of PAR
  256. or the phases producing same directly, but a computer program could be easily
  257. written to evaluate (18) for every frequency triple (W1,W2,W3), trying phases
  258. RP1,RP2 each in [0,2pi], on a 64x64 grid, for each calculation varying t in 
  259. [0,lcm periods 1/W1,1/W2,1/W3].
  260.  
  261.  
  262. Franklin Antonio, N6NKF
  263.