范曉晶1，張珅2

　?。?.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）

        摘要：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。

　　關(guān)鍵詞： 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

　　中圖分類號(hào)：TP84;TN802文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jī)與應(yīng)用，2017,36（8）：60-62，66.

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。

　　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：

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：

　　|x|peak=max0≤t≤NTx［t］(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］ :

　　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：

　?。?）用幀起始識(shí)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(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(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。

　　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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