防止OFDM天線放大器峰值削波的AMAPR幀加權(quán)方法

范曉晶，張 珅

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，安徽 合肥 230601；2.華為軟件技術(shù)有限公司,江蘇 南京 21001)

防止OFDM天線放大器峰值削波的AMAPR幀加權(quán)方法

范曉晶1，張 珅2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，安徽 合肥 230601；2.華為軟件技術(shù)有限公司,江蘇 南京 21001)

OFDM系統(tǒng)由于子載波數(shù)目龐大，具有較大的動(dòng)態(tài)信號(hào)范圍和非常高的峰均功率比(PAPR),往往造成天線放大器的非線性失真和峰值削波,從而增加系統(tǒng)的誤碼率。較為先進(jìn)的算法是利用峰值因數(shù)PAR對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，降低了峰均功率比PAPR，但該算法使得輸入信號(hào)大幅衰減，信噪比迅速減小，誤碼率增加?；谏鲜鰡?wèn)題，提出新的，利用AMAPR(信號(hào)峰值與天線放大器極大值比)進(jìn)行幀加權(quán)的計(jì)算方法，當(dāng)某一幀最大功率大于放大器的線性區(qū)間，再對(duì)該幀實(shí)現(xiàn)線性補(bǔ)償方法。逐幀計(jì)算加權(quán)系數(shù)，盡最大可能提高輸入信號(hào)的信噪比。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了AMAPR幀加權(quán)算法能防止峰值削波，改進(jìn)誤碼率性能，防止信號(hào)的大幅度衰減，實(shí)現(xiàn)了低成本天線放大器的線性補(bǔ)償。

信號(hào)峰值與天線放大器線性極大值比；正交頻分復(fù)用多載波調(diào)制；線性補(bǔ)償；峰值削波

0 引言

正交頻分復(fù)用多載波調(diào)制技術(shù)(OFDM)[1]提供了相當(dāng)高的頻譜效率，多徑時(shí)延擴(kuò)展，抗頻率選擇性衰落渠道與動(dòng)力效率。因此，OFDM技術(shù)用于高數(shù)據(jù)速率通信，并已廣泛部署在許多無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)如數(shù)字視頻廣播(DVB)[2]和無(wú)線移動(dòng)領(lǐng)域。由于子載波數(shù)目龐大，OFDM系統(tǒng)具有較大的動(dòng)態(tài)信號(hào)范圍，非常高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)[3]。在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中，高PAPR往往會(huì)造成天線放大器的非線性失真和峰值削波，從而增加系統(tǒng)的誤碼率。

解決這個(gè)問(wèn)題的常用方法是通過(guò)硬件改進(jìn)，例如選用更為復(fù)雜、昂貴的功率放大器和發(fā)射天線，保證它工作在線性區(qū)域。但是不幸的是，這種解決方案為實(shí)現(xiàn)大范圍的線性特征，并保證足夠的區(qū)域覆蓋，通常需要大功率放大器和高功率天線，難以實(shí)現(xiàn)終端小型化，并使系統(tǒng)成本大大增加。

為了節(jié)約成本并實(shí)現(xiàn)天線的小型化，軟件改進(jìn)算法成為研究的熱點(diǎn)。目前較新的算法多是基于PAPR,利用峰值因數(shù)PAR(Peak-to-Average Ratio)[4]對(duì)放大器的輸入信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，已達(dá)到降低了PAPR的目的[5]。但是在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中, 如果峰值因數(shù)PAR過(guò)大[6]，加權(quán)后的輸入信號(hào)并不能杜絕峰值削波的發(fā)生并保證放大器輸入信號(hào)工作的線性范圍，其所帶來(lái)的負(fù)作用使輸入信號(hào)大幅衰減，信噪比迅速減小[7]，造成輸出端誤碼率大大增加。

為了保證輸入信號(hào)工作在放大器的線性區(qū)間，同時(shí)解決信噪比迅速減小的矛盾，本文創(chuàng)造性地提出了基于信號(hào)峰值與天線放大器線性極大值比(AMAPR)的幀加權(quán)算法，只有當(dāng)某一幀最大功率大于放大器的線性區(qū)間，才對(duì)該幀實(shí)現(xiàn)線性補(bǔ)償方法，逐幀計(jì)算加權(quán)系數(shù)[8]，保證輸入信號(hào)工作在線性范圍，從而提高了輸入信號(hào)的信噪比，防止峰值削波，防止信號(hào)的大幅度衰減。

1 定義AMAPR——信號(hào)峰值與天線放大器線性極大值比

圖1顯示了功率放大器的輸入輸出特征。當(dāng)輸入功率大于PMax時(shí),放大器的輸出便進(jìn)入非線性區(qū)域， 輸出便會(huì)失真。

圖1 功率放大器的輸入輸出特征

為了通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)天線放大器的線性化并防止發(fā)射信號(hào)峰值被削波，定義了一個(gè)新的計(jì)算參數(shù)AMAPR：

(1)

在一般情況下，OFDM的PMAPR信號(hào)定義為：

(2)

(3)

波峰因數(shù)為：

(4)

2 應(yīng)用PMAPR到OFDM系統(tǒng)

為了保證放大器工作在線性范圍內(nèi)， 利用信號(hào)峰值與天線放大器功率比，對(duì)輸入放大器的信號(hào)x(t)進(jìn)行加權(quán)處理。

2.1 發(fā)射端的實(shí)現(xiàn)步驟

附加了峰值處理模塊的OFDM發(fā)送模型如圖2所示。

發(fā)射端實(shí)現(xiàn)具體步驟如下：

(1)對(duì)x(t)設(shè)定幀的長(zhǎng)度為N，例如設(shè)定0.5 s為一幀;

(2)找出每一幀的信號(hào)峰值：

圖2 附加了峰值處理模塊的OFDM發(fā)送模型

(5)

(3)根據(jù)式(4)計(jì)算幀加權(quán)系數(shù)；

(4)用幀發(fā)生器構(gòu)造新的幀，幀包頭包含幀起始識(shí)別碼和幀加權(quán)系數(shù)；

(5)計(jì)算幀序列x’[n] :

(6)

其中：N為幀的長(zhǎng)度。

2.2 接收端的實(shí)現(xiàn)步驟

附加了峰值處理模塊的OFDM接收模型如圖3所示。

圖3 附加了峰值處理模塊的OFDM接收模型

接收端具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)用幀起始識(shí)別碼找到幀包頭和幀加權(quán)系數(shù)C;

(2)利用幀加權(quán)系數(shù)還原幀參數(shù)：

(7)

(3)利用常規(guī)OFDM計(jì)算還原信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)一

本系統(tǒng)通過(guò)仿真軟件實(shí)現(xiàn)OFDM, 加入非線性函數(shù)仿真非線性放大器，如圖4所示。

圖4 含非線性功率放大器的OFDM系統(tǒng)

圖4中放大器削峰仿真函數(shù)f(x)為：

(8)

偽真結(jié)果如圖5所示。

圖5 帶非線性放大器語(yǔ)音仿真結(jié)果

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)二

本系統(tǒng)在仿真實(shí)驗(yàn)一基礎(chǔ)上，加入峰值處理模塊如圖6所示。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 含峰值處理模塊和非線性功率放大器的的OFDM系統(tǒng)

圖7 加入峰值處理模塊語(yǔ)音仿真結(jié)果

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在仿真實(shí)驗(yàn)一中，OFDM輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)IFFT變換后，到達(dá)放大器輸入端。由于放大器削峰仿真函數(shù)的作用，OFDM接收端與OFDM發(fā)射端相比，峰值被裁剪，從而導(dǎo)致OFDM恢復(fù)信號(hào)大幅失真，本實(shí)驗(yàn)的誤碼率高達(dá)27.35%。

在仿真實(shí)驗(yàn)二中，在放大器前后加入了基于PMAPR的幀加權(quán)技術(shù)，放大器的輸入峰值信號(hào)被重新加權(quán)計(jì)算，以便輸入信號(hào)中含有峰值的幀落入放大器的線性范圍，而其他沒(méi)有超出放大器線性范圍的信號(hào)依然保持不變，這樣有效地提高了信號(hào)的信噪比。經(jīng)過(guò)幀加權(quán)處理過(guò)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器削峰仿真函數(shù)的作用，恢復(fù)后的OFDM信號(hào)誤碼率僅僅為1.58%，大大提高了OFDM的抗失真性能。

3.4 算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

通過(guò)FPGA可以實(shí)現(xiàn)本算法的高速運(yùn)行。FPGA芯片根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行二級(jí)串轉(zhuǎn)并變換，在數(shù)據(jù)流中找到幀頭信號(hào)，利用程序中狀態(tài)機(jī)對(duì)幀頭進(jìn)行檢測(cè)、捕捉、校驗(yàn)，并根據(jù)編碼原則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼[9]，能夠在FPGA芯片上有效地實(shí)現(xiàn)本算法的高速運(yùn)行。

如果再結(jié)合軟加權(quán)映射的局部聚類向量表示方法[10]，能提高編解碼的識(shí)別率。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)中的OFDM恢復(fù)信號(hào), 進(jìn)一步證明了AMAPR的加權(quán)算法能很好地防止數(shù)據(jù)射頻發(fā)送失真。本文所提出的加權(quán)計(jì)算方法，有效地實(shí)現(xiàn)了 OFDM放大器的線性化處理，避免了峰值削波，降低了放大器成本，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。本文提出的AMAPR加權(quán)算法，對(duì)其他領(lǐng)域的放大器非線性補(bǔ)償設(shè)計(jì)也有很好的參考價(jià)值。

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Using AMAPR frame weighting method to achieve linear output for power of OFDM antenna amplifier

Fan Xiaojing1， Zhang Shen2

(1. Engineer Training Center, Hefei University of Technology, Hefei 230601， China;2.Huawei Technologies Co., Ltd., Najing 210012, China)

The number of subcarriers for OFDM system causes large dynamic signal range and a very high PAPR (peak-to-average power ratio), which often causes nonlinear distortion of antenna amplifier and peak clipping and increases the bit error rate of the system. A more advanced algorithm for this issue is to use the peak factor PAR (peak-to-average ratio) as weight to reduce the PAPR, but the algorithm makes the input signal significantly attenuated, the signal to noise ratio decreased rapidly, and bit error rate increased. Based on the above problems, a new algorithm is proposed that is to use AMAPR (peak signal and antenna amplifier maximum ratio) to calculate weight of each frame. Only when the max power of input signal is greater than a maximum frame of power amplifier of the linear interval, then the linear compensation method is realized frame by frame. Calculation of the weighted coefficient will improve the signal to noise ratio as much as possible. Through simulation, the AMAPR frame weighting algorithm is proved that it can prevent peak clipping, improve the BER performance, and prevent signal attenuation. The new algorithm realizes the low cost antenna amplifier linear compensation.

AMAPR; OFDM; linear compensation; peak clipping

TP84;TN802

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.019

范曉晶，張珅.防止OFDM天線放大器峰值削波的AMAPR幀加權(quán)方法[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(8)：60-62，66.

2016-11-16)

范曉晶(1964-)，女，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：數(shù)控機(jī)床，計(jì)算機(jī)仿真。

張珅(1989-)，男，本科，項(xiàng)目經(jīng)理，主要研究方向：通信軟件管理。

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