一种正交频分复用系统的非线性补偿技术

袁红林，刘成云，包志华

(1.南通大学　电子信息学院，江苏　南通　226019;2.肯特大学，肯特 CT27NZ)



一种正交频分复用系统的非线性补偿技术

袁红林1,2，刘成云1，包志华1

(1.南通大学电子信息学院，江苏南通226019;2.肯特大学，肯特 CT27NZ)

摘要:针对正交频分复用(OFDM)系统在功率放大器(PA)非线性较强时的性能问题，基于一种无线设备非线性与无线信道的联合估计技术，提出了一种基于训练序列的OFDM非线性信道估计与补偿技术。首先基于最小二乘(LS)算法进行发射机非线性与无线信道单位脉冲响应的联合估计，然后依次进行无线信道与发射机非线性的补偿。仿真结果显示，提出方法可逼近不考虑PA非线性时OFDM无线通信系统的完美均衡理论解析值。

关键词:OFDM；非线性信道；信道估计；信道补偿；LS

由于具有高带宽效率、高传输容量与抗多径衰落等优点，正交频分复用(OFDM)技术已广泛应用于数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、数字用户线路(DSL)以及电视频带的无线区域网(IEEE802.22)与第五代(5G)移动通信的物理层传输。OFDM系统中，信道估计对于干扰压制、相干检测与解码都具有非常重要的作用。一般的OFDM信道估计技术把无线设备的发射机部分近似为线性系统；然而，由于功率放大器(PA)等器件的存在，实际的无线设备发射机具有非线性。当这种非线性较强时，会损伤OFDM系统子载波的正交性，产生子载波干扰(ICI)与符号间干扰(ISI)，使OFDM系统的通信性能下降。

文献[1]提出了一种基于最小二乘(LS)支持向量机的OFDM非线性信道估计算法，仿真结果比传统算法有了一定的性能改善；文献[2]使用Hammerstein模型和维纳模型代替Volterra级数模型来模拟非线性结构以降低运算复杂度，提出了一种非线性信道传输系统模型及3种均衡算法；文献[3]提出了一种应用于MIMO信道的非线性估计与补偿方法；文献[4]提出了一种基于维纳模型的非线性信道接收端均衡方案，该方案把非线性信道建模为Hammerstein系统，在接收端采用LS估计算法分别进行线性与非线性部分的均衡，取得了一定的效果。

与已有相关文献不同，本文提出了一种新的OFDM系统非线性信道估计与补偿技术。提出技术首先基于OFDM帧训练序列的先验导频符号，进行无线发射机非线性与无线信道的联合估计；然后再依次分别进行无线信道的频域补偿与无线发射机非线性的时域补偿。仿真结果显示，基于提出技术的非线性OFDM系统性能可逼近不考虑非线性PA的OFDM系统进行完美均衡时的通信性能。

1系统模型

提出方法所采用OFDM系统的基带等效模型如图1所示。

图1中，发送数据源符号经映射器、串/并变换、IFFT后变为时域序列，加循环前缀(CP)后经功率放大器(PA)发送到无线信道，再经加性高斯白噪声(AWGN)v(n)后为接收序列r(n)。

在传统的OFDM均衡方案中，r(n)直接经去CP、串/并变换、FFT、信道估计、信道均衡、并/串变换、解映射模块后到达数据接收器。

本文提出的方法中，接收信号r(n)首先经参量联合估计后，得到无线信道单位脉冲响应与PA非线性模型系数的估计；接收信号r(n)采用联合估计得到的两参量，经无线信道频域补偿、PA非线性时域补偿后再送至其他模块。

2理论推导

设多径衰落信道的单位脉冲响应为h(n)，则有如下卷积关系

r[n]=x[n]*h[n]+v[n]

(1)

假设PA为泰勒级数模型，则

(2)

式中：p=1,2,…,p，p为模型的非线性阶数，bp是相应的多项式因子，并假设b1=1。式(2)可写成矢量形式

(3)

式中：dp(n)是由p枚举而成的d[n]|d[n]|p-1构成的列矢量；bp是由相应bp构成的列矢量。

设无线信道单位脉冲响应长度为M，h=[h(0),h(1),…,h(M-1)]T，把式(3)代入式(1)，可得

(4)

提出的基于先验导频的OFDM系统非线性信道估计与均衡技术的步骤可总结为图2所示。

(5)

根据式(2)，可得图2中步骤3进行PA非线性时域补偿后结果

(6)

3仿真实验

假设OFDM系统采用图3所示块状类型的导频排列结构[5]。

仿真实验分两部分，首先进行PA非线性与无线信道联合估计与补偿的样本仿真，然后进行基于Monte Carlo的系统误比特率(BER)性能仿真。

样本仿真时，OFDM符号随机生成。每个OFDM符号长1 152，其中循环前缀长128，FFT长1 024。基带OFDM频域数据符号采用16QAM调制。PA阶数为7，无线信道径数为3，PA非线性因子与一次无线信道单位脉冲响应的实际值见表1。

表1PA与无线信道参数

PA的基本放大倍数为15，表1中PA的多项式因子采用基本放大倍数进行了归一化。PA的输入与输出符号对比见图4与图5。其中，PA输入为OFDM时域符号。

图5是图4的局部放大。由图5可知，低幅值符号基本没有非线性效应，而高幅值符号经PA放大后发生了失真。

首先基于LS算法，进行PA非线性因子与无线信道单位脉冲响应的联合估计。当SNR=20 dB时，PA的非线性因子与相应无线信道脉冲响应的估计样本见表2。

表2PA与无线信道的估计参数

接着基于表2中无线信道的估计参量，根据式(5)对接收信号进行频域补偿，频域补偿前后的符号星座如图6与图7所示。

然后根据表2中PA非线性因子的估计参量，根据式(6)进行时域非线性补偿，时域补偿后的基带接收符号星座如图8所示。

由图8可知，经频域补偿与时域补偿后，接收基带符号在20 dB信噪比时易于进行后续的数字解映射等处理。

BER性能的Monte Carlo仿真时，无线信道设为瑞利衰落信道，Monte Carlo仿真得到的不同SNR下的BER性能如图9所示。

图9中的“Rayleigh衰落信道理论值”为16-QAM信号在瑞利衰落信道下的BER解析理论曲线，即在发射机无非线性情况下进行完美无线信道均衡时的BER性能。由图9可知，在本仿真实例中，相同条件下得到的BER性能逼近无非线性时完美均衡条件下的理论解析曲线。

由提出方法的理论推导可知，提出方法大大增加了算法的复杂度，这是提出方法付出的代价。

4结束语

本文提出了一种基于无线发射机非线性与无线信道联合估计的OFDM系统非线性信道估计与补偿技术。理论推导与原码仿真结果显示，提出技术具有有效克服发射机非线性的潜力，可集成到相关OFDM宽带应用中。如果在系统中增加信源与信道编码，可进一步提高系统性能，这是下一步的研究工作。

致谢：

感谢已毕业硕士研究生江立伟对文中Kronecker积推导与非线性估计实验相关工作的贡献。

参考文献：

[1]缪科，张太镒，孙建成，等.正交频分复用系统非线性信道估计算法[J].西安交通大学学报，2005(6)：637-640.

[2]刘顺兰，蒋树南.非线性信道的均衡算法研究[J].电子学报，2010(10)：2219-2223.

[3]LIU M W,DOHERTY J F.Frequency-selective multiple-input multiple-output channel estimation with transmit-ternon-linearities[J].Signal processing,IET，2009，3(6)：467-475.

[4]宋玙薇，杨守义，齐林.基于维纳模型的非线性信道接收端均衡方案[J].电视技术，2012，36(5)：83-85.

[5]赵勇洙.MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现[M].北京：电子工业出版社，2013.

袁红林(1971— )，博士，副教授，研究方向为无线通信系统与信息处理；

刘成云(1989— )，硕士生，研究方向为无线通信系统；

包志华(1955— )，教授，研究方向为通信与信息系统、认知无线电、射频/微波电路等。

责任编辑：许盈

Nonlinearity compensation technology for OFDM systems

YUAN Honglin1,2,LIU Chengyun1,BAO Zhihua1

(1.SchoolofElectronicsandInformation,NantongUniversity,JiangsuNantong226019,China;2.UniversityofKent,KentCT27NZ,UK)

Key words:OFDM; nonlinear channel; channel estimation; channel compensation; LS

Abstract:Aiming at the problem of communication performance of OFDM systems when the Power Amplifier (PA) nonlinearity is strong, and based on a kind of combined estimation technology for nonlinearity of transmitters and wireless channels, a nonlinear channel estimation and equalization technique of OFDM system is proposed based on training sequences. Firstly, the transmitter nonlinearity and unit impulse response of wireless channel are estimated with least squares (LS) algorithm, then the compensation of wireless channel and transmitter nonlinearity are done successively. Simulation results show that the proposed method may approach the result of OFDM wireless communication systems without nonlinearity under the perfect compensation of wireless channel.

中图分类号：TN92

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.017

基金项目：国家自然科学基金项目(61371111)；交通运输部应用基础研究项目(2012-319-813-270)；江苏政府留学奖学金(2012)

作者简介：

收稿日期：2015-11-05

文献引用格式：袁红林，刘成云，包志华.一种正交频分复用系统的非线性补偿技术[J].电视技术，2016，40(1)：87-90.

YUAN H L,LIU C Y,BAO Z H.Nonlinearity compensation technology for OFDM systems[J].Video engineering，2016，40(1)：87-90.

发明专利：基于射频指纹的无线发射机的识别方法(2011100742224)；一种从BPSK信号中获取稳健RFF的方法(201210577844.3)