OFDM系统中CF-ACE PAPR技术对功放非线性的抑制

纪静文,蔡超时,胡峰,梁云英

(中国传媒大学信息工程学院,北京 100024)

OFDM系统中CF-ACE PAPR技术对功放非线性的抑制

纪静文,蔡超时,胡峰,梁云英

(中国传媒大学信息工程学院,北京 100024)

过高的峰均比(PAPR,peak-to-average power ratio)是正交频分复用技术(OFDM,Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)的一个主要缺陷。PAPR抑制技术的应用可以最大限度地减小的非线性失真,提高功率放大器(HPA,High Power Amplifier)的效率。在OFDM系统中,随着载波数的增加,PAPR性能会变差。本文使用了一种削波滤波(CF,Clipping＆Filtering)与星座图扩展(ACE,Active Constellation Extension)相结合的方法,可以在无数据率损失的情况下减小PAPR。在本方案中,计算出一个标准OFDM信号的PAPR数据作为参考。先对信号进行CF操作,把信号的PAPR值限制到很低的幅度,再用星座图扩展的方法恢复MER指标,就可以让信号进入非线性功放之前降低PAPR,并保证带外噪声符合发射机的要求。最后,把经过处理的OFDM信号和原始OFDM信号同时送入不同功率回退(IBO)参数的HPA进行了对比。实验结果表明,把信号送入功率回退为7dB的HPA,经过PAPR抑制算法处理的信号带肩比可以改善2dB以上,MER改善1dB以上。

OFDM;PAPR;非线性抑制;削波滤波;星座图扩展;高功率放大器

1 引言

第四代移动通信系统是一种集语音、图像、数据为一体的多媒体通信系统,要求有较高的可靠性和传输速率。高速数据传输加大了对频带的需求,移动通信中还存在多径效应引入的时延等问题,同时传输特征会因为频率选择衰落(FSF)的影响而日益恶化。为了能够有效地解决上述问题,通信系统中引入了一种高效的传输技术——正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术[1]。OFDM技术把高速的数据流通过串/并变换,分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输,于是每个子信道中的符号周期会相对增加,由此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响[2]。由于OFDM信号是由若干个子载波经调制后形成的,根据中心极限定理,它的时域信号近似服从高斯分布,因此正交频分复用技术的一个主要缺点就是峰值平均功率比(PAPR)较高。这就要求系统中的功率放大器(PA)具有较大的动态范围,以避免信号失真引起传输信号的频谱扩散和带内失真引起的误码率增加,从而增加了系统的成本,降低了系统效率。

目前已经有一系列方法用来降低OFDM信号的PAPR[16],例如属于概率类方法的选择性映射(SLM)和部分传输序列(PTS)法[3],幅度剪切[4,5],编码方案[6,7],星座图扩展方法(ACE)[8],压缩扩张变换方法[9]等。从工程技术实现的角度来说,对非线性功放性能有明显改善的是基于幅度剪切的削波滤波-星座图扩展(CF-ACE)方法,优点是结构简单,无需边带冗余信息,不会降低系统的误码率性能。在数据量比较大的OFDM信号传输中,CFACE方法占有绝对的优势。

信号经过非线性部件放大之前先进行削波滤波处理,把信号PAPR降低到较低的幅度,滤波是为了降低带外噪声;然后进行星座图扩展操作,恢复系统的无码性能;最后滤掉带外噪声,就可以使峰值信号低于所允许的最大值。这样处理过的OFDM信号再通过非线性功放,其带肩比性能有明显改善作用。

2 功放模型及对信号的影响

2.1 功放模型

从广义的系统识别角度出发,PA模型可以根据所需数据提取类型而被分成两组[12]:物理模型(Physical Models)和实验/行为/黑箱模型 (Empirical/Behavioral/Black-Box Models)模型。一般情况我们更关心的是:在已知PA输入、输出数据情况下所使用的模型,即实验/行为/黑箱模型,可将其进一步分为两大类:无记忆PA模型和有记忆PA模型。

本文采用无记忆PA模型中的Saleh's的 TWT(traveling-wave tube)作为研究的功放模型[13],是根据对行波管功率放大器TWTA的输入、输出数据进行统计分析后得到的,假设PA输入信号:

则PA输出信号可表示为:

其中,A(r)(AM/AM)和 Φ(r)(AM/PM)分别表示放大器工作在非线性区域时的两个畸变:因输入信号幅度引起的输出信号在幅度以及在相位上的畸变。

2.2 输入功率回退(IBO)

功率放大器的非线性动态范围会对信号造成影响,为减小这种非线性影响,可以减小输入信号的功率,使功率放大器尽量工作在线性范围之内。这是一种以损失功率效率为代价的方法。因此,我们引入了输入功率回退(IBO:Output Back Off)的概念:

其中Pin_sat为功率放大器达到饱和时的输入信号功率,Pin_av是输入信号平均功率。

2.3 高PAPR对功放的影响

高PAPR带来的最严重的影响是在发射端和接收端的功率放大器上,其输入输出模型一般可由下式表示[14]:

其中p为一个整数,在现有实用放大器中通常取值为3,对于较大的p值来说,可以近视的被看作软限幅器,即只要小于最大输出值,该放大器就是线性的,而一旦超过动态范围,则对该峰值信号进行限幅,如图1所示。

图1 p取不同值时功率放大器的输入输出示意图

由于一般的功率放大器的动态范围都是有限的,所以当OFDM系统内这种变化范围较大的信号进入放大器的非线性区域时,信号就会产生非线性失真,造成较明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变,导致整个系统性能的下降。

3 CF-ACE PAPR技术对功放非线性的抑制

3.1 峰均功率比(PAPR)的分布及PAPR的互补累计分布函数(CCDF)

对于一个具有N个子载波OFDM系统,OFDM的复数基带信号可表述为:

其中△f为子载波间的频率间隔,Xn为第n个子载波上的传输符号,可为四进制相移键控(QPSK)信号或者正交幅度调制(QAM)信号,T为OFDM信号的发射周期。

OFDM信号的PAPR定义为:每帧OFDM信号中的峰值功率与OFDM信号的均值功率的比值,其数学表达如下:

其中E[·]表示均值。

OFDM信号的PAPR比较大的原因在于:根据式(1),OFDM信号是调制符号数据的叠加,当要传输的信息序列的一致性较大,且此时子载波调制的相位一致时,就会产生很大的峰值信号,导致OFDM信号具有很大的PAPR。降低OFDM信号PAPR的关键在于避免子载波调制数据的相位一致性,使得OFDM的峰值信号大大降低,从而降低OFDM信号的PAPR。

根据中心极限定理,当N较大时,X(t)的实部和虚部都服从高斯分布,因此OFDM信号的幅度服从瑞利分布,其功率服从零均值自由度为2的 χ2分布,表示如下:

现在我们假设没有采用过采样(这样可以认为抽样值彼此互不相关),这样峰均功率比大于某个门限值z的概率(即互补累计分布函数CCDF)为:

其中,N表示子载波的个数。

3.2 削波滤波PAPR技术(CF)

削波Clipping是一种最简单的降低 PAPR算法。信号在经过非线性部件放大之前进行Clipping操作,就可以使得峰值信号低于所允许的最大电平值。削波后的信号可用式(3)表示:

其中xk为削波前信号,yk为削波后信号,A为允许的最大电平值,N为子载波个数。从式(5)可以看出,削波是对OFDM时域信号xk作了非线性修正。虽然削波非常简单,但是它也会给OFDM系统带来相应的问题。首先,对OFDM符号幅度进行畸变处理,会对系统造成自身干扰,从而导致系统的MER性能降低;其次,OFDM信号的非线性畸变会导致带外辐射功率值的增加。如果成功地解决了这些问题,削波方法不失为一种好方法。

针对上述问题,国内外专家学者提出了许多解决方法。削波加滤波方法可以有效地降低带外噪声,但会引起峰值再生问题。为了降低峰值再生,文献[10,11]提出重复削波加滤波(repeated Clipping-and-Filtering)算法,该算法通过重复削波加滤波操作达到所允许的最大电平值,降低了峰值再生。总的来说,重复削波滤波经过多次迭代之后才会达到比较理想的幅度范围。当重复削波滤波和其他PAPR缩减技术—起使用时,PAPR的缩减效果会比较明显,但会降低信号的MER。

3.3 星座图扩展法(ACE)

扩展星座图的方法是一种非双射的星座图技术。对于QPSK信号来说,在加性Gauss信道下,接收机的最大似然判决区域就是以坐标轴为边界的4个象限。也就是说,对接收机接收的信号而言,只要是接收的数据符号没有跑到其他的象限中,那么数据接收就是正确的。在每一个时钟周期中,星座图中的4个星座点只能有一个点被传输,如果接收到的数据星座点在其他的3个象限中,则产生一个错误。如果我们把相应星座点的位置向外扩展,就相当于增大了QPSK星座点间的欧氏距离,那么接收的数据错误率不但不会增加,反而会降低。在这一前提下,我们能够适当地扩展传输信号的星座图,使得传输信号的幅度和相位发生改变,从而能够避免子载波调制的相位一致情况。这样,OFDM信号就不会出现大的峰值,从而降低了OFDM信号的PAPR值。

星座图扩展算法产生一个新的频域信号XACE,代替初始频域信号X,首先对原始频域信号X进行IFFT变换,升采样,滤波,削波,再滤波,降采样,FFT变换,得到X′,再对 X′的实部虚部分别进行式(6)(7)所示的饱和操作,保证幅度都小于给定值L,得到X″。边界L是ACE算法中一个常量。

XACE是X和X″的实部虚部分别通过如下选择后直接组合得到:

星座图扩展不同于限幅滤波、噪成形、峰值加窗等,它以稍微增加信号的平均功率为代价换取信号PAPR的降低,而信号平均功率的增加也使得信号抗干扰能力增强。ACE具有与其他信号预畸变类技术相同的优点,不需要边信息,接收机不需要做任何改动。

通常,星座图扩展会和削波滤波一起使用来降低OFDM系统峰均比[15]。

3.4 CF-ACE PAPR技术在HPA模型中的应用

下面结合QPSK调制为例来具体说明CFACE算法步骤,如图2所示。算法整体上可以分为三部分,首先对时域信号作限幅和滤波操作,然后对限幅后的频域信号进行星座图扩展,最后进行通过非线性功放HPA,画出信号频谱。

具体处理过程包括如下步骤:

(1)以CMMB系统的OFDM信号为例,对要发送的3067点频域符号X插入虚拟子载波,进行IFFT变换,三倍升采样,滤波,得到时域数据x1,对x1进行限幅操作,得到x2,限幅方法与式(5)相同。对x2进行降采样,剔除虚拟子载波部分,然后进行FFT变换,得到N个点的频域信号X1。

(2)对X1进行星座图扩展。应用星座扩展区域限制条件修正X1,在可扩展区域内的则保留,在可扩展区域外的则按规则修正。修正规则如图3所示。假设的频域数据的原始载波位置位于原始星座图中的点B处,如果x2落在A点,则保持虚部不变修正实部将 A修正为A′;如果X1落在B点,则同时修正实部和虚部将B修正为 B′;如果X1落在C点,则保持实部不变修正虚部,将C修正为C′;如果X1落在D点,由于在可扩展区域内因此无需修正。应用星座扩展区域限制条件修正X1后,记为 X2。

(3)把X2进行插入虚拟子载波和IFFT变换的操作,得到时域信号x2,然后三倍升采样,滤波。这时可以得到PAPR较小的时域信号。

(4)让信号通过非线性功放(HPA),画出频谱图,求带肩比。

3.5 ACE方法中的理想滤波的实现

滤波的方法分为两种:频域滤波和时域滤波。上面的分析是从频域的角度滤波的方法,即将时域信号转换成频域信号,再用滤波器滤出的方法。另—种方法是采用时域滤波的方式,即让时域信号通过按要求设计的FIR时域滤波器,将噪声滤去的方法。这两种方法各有自己的特点,但是相比较而言,频域滤波对带外噪声的抑制作用更明显。

图4a 削波后的信号分布和MER值

本文在ACE过程中,完全可以顺带实现频域滤波的作用,与同类方法相比ACE过程中处理带外噪声可以获得更好的带肩比。

4 实验结果分析

实验基于 CMMB系统的OFDM信号,采用QPSK调制技术,选取3076个数据子载波,1020个虚拟子载波。对时域信号的处理是采用三倍升采样和理想低通滤波的方法。为了保证峰均比数据的准确性,削波之后取出有效的4096个数据,升采样之后再滤波,通过计算得到PAPR。

原始信号经过升采样,滤波,然后削波5dB之后,频域信号分布如图4a所示,发射端MER为23.3513dB;星座图扩展后,频域信号分布如图4b所示,若不考虑扩展部分(90°角)对 MER的影响,这时发射端MER为30.4547dB,可见星座图扩展把提高了信号的MER提高了7dB左右。

星座图扩展之后的信号进行IFFT变换得到时域信号,然后进行升采样,滤波,送入输入功率回退(IBO)为7dB的功放。从图5的PAPR性能对比曲线可以看出,经过非线性放大器(HPA)以后,CFACE处理后的信号与没有进行处理的信号,PAPR基本相同。

图6a和图6b是两种情况下经过IBO为7dB的功放之后信号频谱的对比。可以看出,经过CFACE处理之后的信号,带肩比由-36.52dB下降到-38.83dB,性能改善了2dB以上。

图4b 星座图扩展后的信号分布

表1是CF-ACE算法处理前后的信号通过不同IBO的非线性功放后的性能比较,以IBO为7dB为例,经过 PAPR抑制算法处理的信号带肩比由-36.52dB下降到 -38.83dB,改善了2dB以上;MER有35.02dB上升到36.16dB,改善了1dB以上。

表1 CF-ACE算法处理前后的信号通过非线性功放的性能比较

5 结束语

本文针对OFDM中存在的峰均功率比过高的缺陷,分析了CF-ACE算法对通过非线性功放的信号性能的改善。通过削波滤波-星座图扩展来来降低峰均比,同时又不影响信号的抗干扰能力。通过仿真实验证明了这种方案的有效性,把信号送入功率回退为7dB的HPA,经过PAPR抑制算法处理的信号带肩比可以改善2dB以上,MER改善1dB以上。

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The CF-ACE PAPR Technology of OFDM System Used to Suppression the Nonlinearization of a Power Amplifier

JI Jing-wen,CAI Chao-shi,HU Feng,LIANG Yun-ying
(Information Engineering School,Communication University of China,Beijing 100024)

High peak-to-average power ratio(PAPR)is one of the major drawbacks of Orthogonal Frequency-Division Multiplexing(OFDM).PAPR reduction can be utilized to decrease the nonlinear distortion and to improve the power efficiency of the nonlinear HPA(high power amplifier).In an OFDM system,as the frame size increases,the PAPR probability performance will get worse.In this paper,a novel approach,clipping-and-filtering(CF)scheme with the proposed active constellation extension(ACE)algorithm is presented to reduce the PAPR without any date rate loss.In our proposal,the target PAPR is firstly set and the level clipping is fundamentally used.ACE algorithm is then applied to improve be MER performance characteristics for the OFDM system.Finally,we analyze the PAPR reduction effects on HPA and show the performance variation in the HPA nonlinear characteristic according to change of IBO(input back off)value.By the results of proposed method,we can confirm that the proposed combined system shows better MER and shoulder level performance even in when the effect of HPA is considered.

OFDM;PAPR;nonlinear suppression;clipping and filtering;active constellation extension;high-power amplifier

TN92

A

1673-4793(2011)03-0023-07

2011-04-12

纪静文(1988-),女(汉族),安徽亳州人,中国传媒大学硕士.E-mail:ji-jingwen@cuc.edu.cn

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(责任编辑

:龙学锋)