范曉晶1，張珅2

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

        摘要：OFDM系統(tǒng)由于子載波數(shù)目龐大，具有較大的動態(tài)信號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。較為先進的算法是利用峰值因數(shù)PAR對輸入信號進行加權(quán)，降低了峰均功率比PAPR，但該算法使得輸入信號大幅衰減，信噪比迅速減小，誤碼率增加?；谏鲜鰡栴}，提出新的，利用AMAPR（信號峰值與天線放大器極大值比）進行幀加權(quán)的計算方法，當某一幀最大功率大于放大器的線性區(qū)間，再對該幀實現(xiàn)線性補償方法。逐幀計算加權(quán)系數(shù)，盡最大可能提高輸入信號的信噪比。通過仿真，驗證了AMAPR幀加權(quán)算法能防止峰值削波，改進誤碼率性能，防止信號的大幅度衰減，實現(xiàn)了低成本天線放大器的線性補償。

　　關(guān)鍵詞： 信號峰值與天線放大器線性極大值比；正交頻分復用多載波調(diào)制；線性補償；峰值削波

　　中圖分類號：TP84;TN802文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.019

　　引用格式：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］.微型機與應(yīng)用，2017,36（8）：60-62，66.

0引言

　　正交頻分復用多載波調(diào)制技術(shù)（OFDM）［1］提供了相當高的頻譜效率，多徑時延擴展，抗頻率選擇性衰落渠道與動力效率。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線通信標準如數(shù)字視頻廣播（DVB）［2］和無線移動領(lǐng)域。由于子載波數(shù)目龐大，OFDM系統(tǒng)具有較大的動態(tài)信號范圍，非常高的峰均功率比（PeaktoAverage Power Ratio,PAPR）［3］。在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，高PAPR往往會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。

　　解決這個問題的常用方法是通過硬件改進，例如選用更為復雜、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)約成本并實現(xiàn)天線的小型化，軟件改進算法成為研究的熱點。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］對放大器的輸入信號進行加權(quán)，已達到降低了PAPR的目的［5］。但是在實際實現(xiàn)過程中, 如果峰值因數(shù)PAR過大［6］，加權(quán)后的輸入信號并不能杜絕峰值削波的發(fā)生并保證放大器輸入信號工作的線性范圍，其所帶來的負作用使輸入信號大幅衰減，信噪比迅速減?。?］，造成輸出端誤碼率大大增加。

　　為了保證輸入信號工作在放大器的線性區(qū)間，同時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，只有當某一幀最大功率大于放大器的線性區(qū)間，才對該幀實現(xiàn)線性補償方法，逐幀計算加權(quán)系數(shù)［8］，保證輸入信號工作在線性范圍，從而提高了輸入信號的信噪比，防止峰值削波，防止信號的大幅度衰減。

1定義AMAPR——信號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。當輸入功率大于PMax時,放大器的輸出便進入非線性區(qū)域， 輸出便會失真。

　　為了通過軟件實現(xiàn)天線放大器的線性化并防止發(fā)射信號峰值被削波，定義了一個新的計算參數(shù)AMAPR：

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)， 利用信號峰值與天線放大器功率比，對輸入放大器的信號x(t)進行加權(quán)處理。

　　2.1發(fā)射端的實現(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)射端實現(xiàn)具體步驟如下：

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

　　(2)找出每一幀的信號峰值：

　　|x|peak=max0≤t≤NTx［t］(5)

　　(3)根據(jù)式（4）計算幀加權(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別碼和幀加權(quán)系數(shù)；

　　(5)計算幀序列x’［n］ :

　　其中：N為幀的長度。

　　2.2接收端的實現(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

　　接收端具體實現(xiàn)步驟如下：

　　（1）用幀起始識別碼找到幀包頭和幀加權(quán)系數(shù)C;

　?。?）利用幀加權(quán)系數(shù)還原幀參數(shù)：

　　(3)利用常規(guī)OFDM 計算還原信號。

3實驗仿真

　　3.1仿真實驗一

　　本系統(tǒng)通過仿真軟件實現(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中放大器削峰仿真函數(shù)f(x)為：

　　偽真結(jié)果如圖5所示。

　　3.2仿真實驗二

　　本系統(tǒng)在仿真實驗一基礎(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。

　　3.3實驗結(jié)果分析

　　在仿真實驗一中，OFDM輸入信號經(jīng)過IFFT變換后，到達放大器輸入端。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，從而導致OFDM恢復信號大幅失真，本實驗的誤碼率高達27.35%。

　　在仿真實驗二中，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被重新加權(quán)計算，以便輸入信號中含有峰值的幀落入放大器的線性范圍，而其他沒有超出放大器線性范圍的信號依然保持不變，這樣有效地提高了信號的信噪比。經(jīng)過幀加權(quán)處理過的信號，經(jīng)過放大器削峰仿真函數(shù)的作用，恢復后的OFDM信號誤碼率僅僅為1.58%，大大提高了OFDM的抗失真性能。

　　3.4算法的FPGA實現(xiàn)

　　通過FPGA可以實現(xiàn)本算法的高速運行。FPGA芯片根據(jù)時鐘信號對數(shù)據(jù)流進行二級串轉(zhuǎn)并變換，在數(shù)據(jù)流中找到幀頭信號，利用程序中狀態(tài)機對幀頭進行檢測、捕捉、校驗，并根據(jù)編碼原則對數(shù)據(jù)進行解碼［9］，能夠在FPGA芯片上有效地實現(xiàn)本算法的高速運行。

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

4結(jié)論

　　通過對比仿真實驗中的OFDM恢復信號, 進一步證明了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)計算方法，有效地實現(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，實現(xiàn)了天線的小型化。本文提出的AMAPR加權(quán)算法，對其他領(lǐng)域的放大器非線性補償設(shè)計也有很好的參考價值。

參考文獻

　?。?］ 羅濤.空時編碼理論及其在OFDM移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用的研究［D］.北京：北京郵電大學，2002.

　?。?］ 羅濤，樂光新.多載波寬帶無線通信技術(shù)［M］.北京:北京郵電大學出版社，2004.

　　［3］ WONG K T, WANG B， CHEN J C. OFDM PAPR reduction by switching null subcarriers & datasubcarriers［J］. Electronics Letters, 2011，47（1）：62-63.

　?。?］ THOMPSON S C. Constant envelope OFDM phase modulation［C］. Military Communications Conference, 2005, 2:1129-1135.

　　［5］ MULLER S H， HUBER J B. OFDM with reduced peaktoaverage power ratio by optimum combination of partial transmit sequences［J］.Electronic Letters, 1997,33:368-369.

　?。?］ WUNDER G, BOCHE H. Upper bounds on the statistical distribution of the crestfactor in OFDM transmission［C］. IEEE Transactions on Information Theory, 2003,49:488-494.