OFDM系統非線性自適應功率放大效能分析*

楊　劍

(中國電子科技集團公司第十研究所， 四川 成都 610036)

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OFDM系統非線性自適應功率放大效能分析*

楊劍

(中國電子科技集團公司第十研究所， 四川 成都 610036)

摘要：正交頻分復用(OFDM)信號具有高的功率峰均比(PAPR)，這就要求功率放大器必須具有大的功率回退以保證OFDM信號的線性度，其結果導致射頻功率放大器的能量轉換效率下降。討論采用三種不同自適應偏置方案的非線性功率放大器對OFDM通訊系統性能的影響，并定義了一個反映系統無效功率的參數γ，通過計算機仿真獲得了OFDM系統無效功率和相鄰信道功率比(ACPR)，從分析結果發現選擇合適的功率回退量和自適應偏置方案可以大大降低OFDM系統的無效功耗。

關鍵詞：正交頻分復用；無效功率；非線性功率放大器；相鄰信道功率比

0引言

低功耗和高速數據傳輸一直是移動通信系統的主要追求目標。便攜移動通信設備中的低功耗設計已是便攜設備最重要的影響要素，如移動電話和便攜式電臺等。它們除需要滿足基本的語音通話功能以外，高速數據傳輸(例如照片、視頻等)也有越來越巨大的需求。

正交頻分復用技術(OFDM)是一種適用于高速數據傳輸的高效多載波調制技術，它將高速串行數據分解為多個并行數據進行傳輸，擴展了單個符號的周期時間，極大的避免了符號間干擾(ISI)，非常有利于在多徑衰落信道中的傳輸[1]。然而，由于OFDM調制信號存在高的峰均比(PAPR)，一般需要采用線性功率放大器來滿足其要求，并且需要回退較多功率才能達到要求。對于采用固定直流電壓偏置方案的功率放大器，其結果是較低的能量轉換效率。

目前常采用信號預失真、編碼技術等方法抑制OFDM信號的峰均比[2]。本文討論在OFDM系統中采用非線性功率放大器直流偏置自適應技術，使功率放大器同時獲取較高的能量轉換效率和功率放大線性度；并定義了一個反映OFDM系統能量轉換效率的技術指標γ。在保證OFDM系統通信質量的情況下，通過對比三種不同自適應直流偏置方案的系統模型，找到一個合適的γ，使非線性功率放大器有最優的功率回退量和能量轉換效率。

1OFDM系統功率放大效能分析模型

1.1信號模型

Si(t)=Re{A(t)ej2πfct}=Vi(t)cos(2πfct+θ(t))

(1)

(2)

(3)

圖1　OFDM系統發射示意

So(t)=F(Vi(t))cos{2πfct+θ(t)+φ(Vi(t))}

(4)

(5)

(6)

Vi,max是保證功率放大器線性放大的最大輸入信號電壓包絡值。功率放大器輸入、輸出信號功率分別表示為：

(7)

功率放大器的輸出功率回退量H定義為：

(8)

2.2γ的表達函數

(9)

表1　不同直流偏置方案參數

為了優化OFDM系統的功耗，采用一個參數γ來表示，其定義為：

(10)

(11)

(12)

式中，fe(e)是e(t)的概率密度函數。從上式可看出，當H較大時，即：

(13)

同理可得：

(14)

(15)

3仿真結果

在OFDM系統中，相鄰信道功率比是重要的技術指標，一般用ACPR來表示，它被定義為帶外干擾信號能量與帶內有用信號能量的比值，即

(16)

式中，[-B，B]是有用信號帶寬，So(f)是功率放大器輸出信號So(t)的功率譜密度函數。

在系統仿真中，為了仿真結果的正確，ACPR需要比誤碼率計算更高的信號采樣率。信號每Ts秒采樣16次用于誤碼率計算，每Ts秒采樣32次用于ACPR計算。在發射和接收仿真系統中，濾波器選用滾降系數β=0.35的均方根升余弦函數濾波器。

圖2　三種不同偏置方案的γ仿真

圖 3為OFDM系統在BTs為0.675時ACPR隨功率回退量H變化的仿真曲線。ACPR隨H增大而緩慢下降，當H是1dB時，ACPR是-15dB；當H為7dB時，ACPR值可達到-33dB以下。

圖3　功率回退量H與ACPR關系

圖4　ACPR隨BTs變化

圖4顯示在不同的功率回退量下，OFDM系統的ACPR隨BTs值變化的曲線，可看出ACPR隨BTs的增大緩慢下降。

4結語

當OFDM系統采用非線性功率放大器時，本文選取了三種不同的自適應偏置方案，從發射和接收分系統定量分析了其性能指標。在保證系統誤碼率指標的情況下，仿真結果提供了重要的減少系統功率損耗的方法。雙可控偏置方案的系統無效功率比單可控偏置方案降低1.7 dB以上，比固定偏置方案降低4 dB以上；這對于功耗要求非常苛刻的手持式或便攜式通訊設備是非常重要的，說明雙可控自適應偏置方案比單可控和固定偏置方案有較大優勢。當然在OFDM系統設計中，需要統籌考慮系統無效功率和鄰道功率干擾；當鄰道功率干擾是主要考慮因素時，系統需要大的功率回退，這一點尤其重要。

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Effectiveness Analysis of Nonlinear Adaptive Power Amplifier for OFDM System

YANG Jian

(No.10 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610036, China)

Abstract：OFDM system signal is of fairly high PAPR (Peak-to-Mean-Envelope-Power Ratio), and this would require large amplifier power back-off to ensure the linearity of OFDM system, thus leading to the decrease of power conversion efficiency of RF power-amplifier. The effects of three different adaptive bias schemes of nonlinear power amplifier on the performance of OFDM communication system are discussed, and a parameter γ that reflects the non-effective power of the system also defined. Computer simulation acquires the non-effective power and ACPR of OFDM system, and analysis indicates that the proper choice of amplifier power back-off and adaptive bias scheme could greatly reduce the non-effective power of OFDM system.

Key words：OFDM; non-effective power; nonlinear power amplifier; ACPR

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.04.005

*收稿日期：2015-11-09；修回日期：2016-02-20Received date:2015-11-09；Revised date：2016-02-20

中圖分類號：TN911

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)04-0408-05

作者簡介：

楊劍(1972—)，男，學士，工程師，主要研究方向為通訊系統的研制。