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OFDM系統非線性失真自適應補償技術

2008-06-18
作者:劉應廷, 黃 煒, 張忠培

  摘 要:提出了一種將部分傳輸序列" title="部分傳輸序列">部分傳輸序列與遞歸" title="遞歸">遞歸最小二乘法相結合的OFDM非線性失真" title="非線性失真">非線性失真自適應補償技術。利用部分傳輸序列降低OFDM信號的峰均比;使用遞歸最小二乘法擬合高功率放大器的幅度/幅度和幅度/相位特性曲線,對OFDM信號進行預失真" title="預失真">預失真處理,以補償系統的非線性失真。仿真結果表明,所提出的方法收斂速度快,能對高功率放大器引入的非線性失真進行有效的補償。
  關鍵詞:正交頻分復用 非線性失真 部分傳輸序列 遞歸最小二乘法


  無線通信業務的多媒體化是其未來發展的方向之一,而多媒體業務要求有高速的數據傳輸來支撐,因此寬帶傳輸是無線通信發展的必然趨勢。正交頻分復用[1]OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術可以有效地對抗信號波形間干擾,具有優異的抗噪聲性能和抗多徑衰落的能力,頻譜利用率高,適合于存在多徑傳播和多普勒頻移的無線移動信道中高速傳輸數據。目前,OFDM技術憑借其固有的對抗時延擴展的能力和較高的頻譜利用率迅速成為研究的焦點,成為下一代無線通信的核心技術。
  眾所周知,OFDM信號具有很高的峰均功率比,對高功率放大器HPA(High Power Amplifier)的線性度要求很高,否則就會產生非線性失真,造成頻譜擴展以及帶內信號畸變,使系統的性能惡化,因此必須對系統的非線性失真進行抑制。
  本文提出了一種將部分傳輸序列PTS(Partial Transmit Sequences)與遞歸最小二乘法RLS(Recursive Least Squares)相結合的失真補償技術,可以有效地減小高功率放大器的非線性失真。
1 傳輸系統結構
  OFDM的基本思想是將高速率的數據流變換成多路數據子流,然后用相互正交的子載波對數據子流分別進行調制。本文討論的發射系統框圖如圖1所示。由于重點分析OFDM信號的基帶自適應補償技術,為簡單起見,系統省略了加入保護間隔和上變頻部分。


  OFDM發射機中普遍采用行波管(TWT)作為高功率放大器,它是一種無記憶的非線性器件[2],其AM/AM和AM/PM特性為:
  
2 自適應補償技術
2.1部分傳輸序列
  部分傳輸序列[3](PTS)先將每個OFDM符號分為V個子塊,給每個子塊乘上一個相位因子,得:
  
  再對X′(k)進行IFFT運算,得到x′(n)。相位因子bi的選取應使x′(n)的峰均功率比最低,即:
  
2.2自適應補償
  假設x′(n)經過預失真器的輸出為:

  因此,幅度預失真通過對HPA的AM/AM特性曲線求逆實現,相位預失真則通過從原始信號的相位中減去HPA的AM/PM響應實現。
3 仿真結果分析
  考慮子載波數N=256的OFDM系統,子載波采用16QAM調制,PTS分塊數V=4,相鄰分割方式,采用4倍過采樣產生OFDM時域信號,δ=0.004,λ=1,ωA(0)=0,ωP(0)=0。
  在通信系統中,預失真性能通常與多徑衰落無關,因此假設信道為理想的加性高斯白噪聲信道,不存在符號間干擾,收發端時鐘精確同步。
  為了描述不同的功率輸出水平,定義HPA的輸出功率回退為:
  
  其中,Pmax表示放大器的最大輸出功率,P0表示放大器輸出信號的平均功率。圖2給出了不同的輸出功率回退條件下,無預失真和有預失真時接收端的信號星座圖。從中可以看出,預失真可以有效地補償功率放大器引起的非線性失真(圖2(a)、(b))。同時也可看到,隨著輸出功率回退的減小,高功率放大器進入了限幅區,這時,即使預失真也無法完全消除功率放大器引入的非線性失真(圖2(c)、(d))。

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  在OBO=4.5dB時,有/無預失真系統的誤比特率曲線如圖3所示。要使高功率放大器最有效地工作,需要在放大器最大輸出功率與OFDM信號最小非線性失真之間進行折中,為此,定義系統的總退化TD(Total Degradation)為:
  
  其中, Eb/N0(HPA)表示在特定的誤碼率條件下,使用非線性功率放大器時所需的最低Eb/N0;Eb/N0(AWGN)表示在相同的誤碼率條件下,不使用非線性功率放大器時所需的最低Eb/N0。系統總退化隨輸出功率回退的改變而改變,存在一個最小值,對應的OBO值稱為最優功率回退,其值通常用來評估失真補償算法性能的好壞。圖4畫出了在誤比特率BER=10-3時系統總退化曲線圖。


  本文提出了一種將部分傳輸序列與預失真相結合來補償OFDM系統非線性失真的方法。首先利用部分傳輸序列對OFDM信號的峰均功率比進行控制,降低大峰值功率出現的概率,然后利用RLS算法對HPA的AM/AM和AM/PM特性進行擬合。仿真結果表明,在誤比特率為10-3時,無預失真系統的最優回退為10.3dB,總退化為11.8dB,經過前置PTS自適應預失真后,最優回退為4.3dB,總退化為5.2dB。最優回退減小了6dB,總退化減小了6.6dB,驗證了該方法能有效地補償高功率放大器引入的非線性失真。
參考文獻
1 Harvatin D T, Ziemer R E. Orthogonal frequency division multiplexing performance in delay and doppler spread chan-nels[J]. IEEE 47th vehicular technology conference, 1997;(3):1644~1648
2 Saleh A A M. Frequency-independent and frequency- dependent nonlinear models of TWT amplifiers[J]. IEEE transactions on communications, 1981;29(11):1715~1720
3 周 毅, 朱雪龍. OFDM系統中基于部分傳輸序列圓周移位最優和的降低峰值平均功率比的算法[J]. 電子學報, 1999;27(8):108~110

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