防止OFDM天線放大器峰值削波的AMAPR幀加權方法

范曉晶，張 珅

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

防止OFDM天線放大器峰值削波的AMAPR幀加權方法

范曉晶1，張 珅2

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

OFDM系統由于子載波數目龐大，具有較大的動態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,從而增加系統的誤碼率。較為先進的算法是利用峰值因數PAR對輸入信號進行加權，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。基于上述問題，提出新的，利用AMAPR(信號峰值與天線放大器極大值比)進行幀加權的計算方法，當某一幀最大功率大于放大器的線性區間，再對該幀實現線性補償方法。逐幀計算加權系數，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，實現了低成本天線放大器的線性補償。

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制；線性補償；峰值削波

0 引言

正交頻分復用多載波調制技術(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技術用于高數據速率通信，并已廣泛部署在許多無線通信標準如數字視頻廣播(DVB)[2]和無線移動領域。由于子載波數目龐大，OFDM系統具有較大的動態信號范圍，非常高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)[3]。在現代無線通信系統中，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射天線，保證它工作在線性區域。但是不幸的是，這種解決方案為實現大范圍的線性特征，并保證足夠的區域覆蓋，通常需要大功率放大器和高功率天線，難以實現終端小型化，并使系統成本大大增加。

為了節約成本并實現天線的小型化，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PAR(Peak-to-Average Ratio)[4]對放大器的輸入信號進行加權，已達到降低了PAPR的目的[5]。但是在實際實現過程中, 如果峰值因數PAR過大[6]，加權后的輸入信號并不能杜絕峰值削波的發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，信噪比迅速減小[7]，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間，同時解決信噪比迅速減小的矛盾，本文創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)的幀加權算法，只有當某一幀最大功率大于放大器的線性區間，才對該幀實現線性補償方法，逐幀計算加權系數[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域， 輸出便會失真。

圖1 功率放大器的輸入輸出特征

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

(1)

在一般情況下，OFDM的PMAPR信號定義為：

(2)

(3)

波峰因數為：

(4)

2 應用PMAPR到OFDM系統

為了保證放大器工作在線性范圍內， 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)進行加權處理。

2.1 發射端的實現步驟

附加了峰值處理模塊的OFDM發送模型如圖2所示。

發射端實現具體步驟如下：

(1)對x(t)設定幀的長度為N，例如設定0.5 s為一幀;

(2)找出每一幀的信號峰值：

圖2 附加了峰值處理模塊的OFDM發送模型

(5)

(3)根據式(4)計算幀加權系數；

(4)用幀發生器構造新的幀，幀包頭包含幀起始識別碼和幀加權系數；

(5)計算幀序列x’[n] :

(6)

其中：N為幀的長度。

2.2 接收端的實現步驟

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

接收端具體實現步驟如下：

(1)用幀起始識別碼找到幀包頭和幀加權系數C;

(2)利用幀加權系數還原幀參數：

(7)

(3)利用常規OFDM計算還原信號。

3 實驗仿真

3.1 仿真實驗一

本系統通過仿真軟件實現OFDM, 加入非線性函數仿真非線性放大器，如圖4所示。

圖4 含非線性功率放大器的OFDM系統

圖4中放大器削峰仿真函數f(x)為：

(8)

偽真結果如圖5所示。

圖5 帶非線性放大器語音仿真結果

3.2 仿真實驗二

本系統在仿真實驗一基礎上，加入峰值處理模塊如圖6所示。仿真結果如圖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

圖7 加入峰值處理模塊語音仿真結果

3.3 實驗結果分析

在仿真實驗一中，OFDM輸入信號經過IFFT變換后，到達放大器輸入端。由于放大器削峰仿真函數的作用，OFDM接收端與OFDM發射端相比，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的幀加權技術，放大器的輸入峰值信號被重新加權計算，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。經過幀加權處理過的信號，經過放大器削峰仿真函數的作用，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

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

如果再結合軟加權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的加權算法能很好地防止數據射頻發送失真。本文所提出的加權計算方法，有效地實現了 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，實現了天線的小型化。本文提出的AMAPR加權算法，對其他領域的放大器非線性補償設計也有很好的參考價值。

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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幀加權方法[J].微型機與應用，2017,36(8)：60-62，66.

2016-11-16)

范曉晶(1964-)，女，本科，高級工程師，主要研究方向：數控機床，計算機仿真。

張珅(1989-)，男，本科，項目經理，主要研究方向：通信軟件管理。

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