OFDM信號(hào)峰均比抑制FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

駱　希，黃榮鑫，陶　偉，萬(wàn)　毅

（重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶400030）

OFDM信號(hào)峰均比抑制FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

駱希，黃榮鑫，陶偉，萬(wàn)毅

（重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶400030）

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，通過減小和消除碼間串?dāng)_的影響來(lái)克服信道的頻率選擇性衰落。OFDM具有較大的峰值平均功率比，隨著子載波數(shù)量的增加而顯著提升，造成功率放大器的回退，它直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的運(yùn)行成本和效率。采用有效的峰均比抑制方案來(lái)減小多載波輸入信號(hào)的波峰因子，可明顯提高功放效率，提升通信設(shè)備的系統(tǒng)增益，降低設(shè)備功耗等。分析研究Constrained Clipping CFR的算法，在Matlab建模仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行FPGA硬件實(shí)現(xiàn)。峰均比抑制采用FFT／IFFT變換，對(duì)信號(hào)在時(shí)域、頻域分別進(jìn)行處理。參考WiMAX協(xié)議，確保削波信號(hào)的EVM、頻譜模板等參數(shù)，強(qiáng)調(diào)算法的工程可實(shí)現(xiàn)性和通用性。

峰均比；可編程邏輯陣列；正交頻分復(fù)用；誤差矢量幅度；削波；頻譜模板

1　引　言

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，通過減小和消除碼間串?dāng)_的影響來(lái)克服信道的頻率選擇性衰落。OFDM系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是：具有較大的峰值平均功率比。如果可以降低其峰均比就會(huì)提高其性能。

2　峰均比抑制的意義

對(duì)于有N個(gè)子載波的OFDM系統(tǒng)，一個(gè)極端情況是當(dāng)各個(gè)子載波上的信號(hào)恰好以同相相加時(shí)，其發(fā)送信號(hào)的峰值功率甚至可以達(dá)到平均功率的N倍。頻率信號(hào)經(jīng)IFFT變換，在時(shí)域波形上高斯分布，因此會(huì)顯示高振幅因子的特性。OFDM時(shí)域波形為x，波峰因子CF定義為：

RFPA的效率定義為在某一個(gè)工作點(diǎn)上平均輸出功率與直流（DC）功率之比：

為了實(shí)現(xiàn)更高的效率，RFPA輸出應(yīng)該被驅(qū)動(dòng)至接近飽和點(diǎn)（超過飽和點(diǎn)將出現(xiàn)非線性效果）。在實(shí)際工作時(shí)輸出功率要回退，主要是為了回避輸入信號(hào)中存在的CF問題。

功率放大器通常有一個(gè)極限的線性區(qū)域，當(dāng)信號(hào)超出功放的動(dòng)態(tài)范圍不能被線性放大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)失真，破壞各子載波之間的正交性，造成帶內(nèi)信號(hào)畸變和帶外頻譜彌散。圖1說明了輸入功率回退（IBO）和輸出功率回退（OBO）之間的關(guān)系。

圖1　功率放大曲線

OFDM信號(hào)的高CF問題主要有兩種方式可以解決。一種是采用有效的峰均比抑制（CFR）方案來(lái)減小多載波輸入信號(hào)的PAPR，第二種是采用數(shù)字預(yù)失真（DPD）來(lái)擴(kuò)展RFPA的線性工作范圍。采用CFR方案時(shí)，通過減小輸入至RFPA信號(hào)的PAPR的方式，將IBO縮減，從而保證RFPA在線性區(qū)域工作，使得RFPA效率提升。綜上，OFDM峰均比抑制（CFR）的意義：提高功率放大器效率；降低電路功耗，提高設(shè)備穩(wěn)定性，減少功放發(fā)射功率回退，提高無(wú)線通信設(shè)備系統(tǒng)增益。

3　CFR解決方案

CFR技術(shù)隨著OFDM調(diào)制方式的普遍應(yīng)用而得到廣泛研究。CFR解決方案目前分為三大類，信號(hào)預(yù)畸變類［1］、編碼類、概率類。在信號(hào)預(yù)畸變類中，典型代表是限幅—濾波降峰均比的處理方式，優(yōu)點(diǎn)是直觀，但是該方法在限制信號(hào)峰值的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)帶內(nèi)信號(hào)失真和帶外頻譜泄露，此類方法需要準(zhǔn)確控制預(yù)畸變后信號(hào)的EVM，使其滿足規(guī)范協(xié)議中所要求的發(fā)送端最大EVM的極限值。

Constrained Clipping CFR［2］解決方案是采用限幅削波［3］的方式（Constrained Clipping），對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行限幅削波，在頻域中對(duì)帶內(nèi)的每個(gè)子載波進(jìn)行EVM評(píng)估，修正超過期望門限的子載波點(diǎn)，在頻域中對(duì)帶外的每個(gè)子載波用標(biāo)準(zhǔn)頻譜模板進(jìn)行約束，消除發(fā)送信號(hào)的帶外頻譜彌散。限幅削波算法強(qiáng)調(diào)了發(fā)送波形的EVM和ACLR兩項(xiàng)重要參數(shù)，保證了模塊在系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

4　算法信號(hào)處理框圖

工程設(shè)計(jì)選擇Constrained Clipping CFR解決方案。它的基本原理是將IFFT變換后的時(shí)域信號(hào)通過限幅，使輸出信號(hào)的幅度被限制在一個(gè)給定的門限值以下。削減時(shí)域波形的幅度后，會(huì)產(chǎn)生帶內(nèi)失真和帶外輻射，需要帶內(nèi)和帶外的相關(guān)處理來(lái)完善削波過程，以保證鄰近信道泄漏功率比（ACLR）和誤差矢量幅度（EVM）的性能［4］。

圖2是描述限幅削波峰均比抑制的信號(hào)處理流程框圖。主要針對(duì)發(fā)送端的頻域波形進(jìn)行處理，在CFR模塊內(nèi)部分為頻率插值、IFFT轉(zhuǎn)換、限幅削波、FFT轉(zhuǎn)換、頻域波形帶內(nèi)處理、頻域波形帶外處理。

圖2　CFR處理流程

對(duì)于長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)塊，經(jīng)過N點(diǎn)的IFFT變換得到N點(diǎn)樣值，但Nyquist速率下的采樣值并不能夠準(zhǔn)確反映時(shí)域連續(xù)信號(hào)的峰均比特性，而在4倍以上過采樣下得到的信號(hào)方能得到足夠精確的結(jié)果。設(shè)L為采樣倍數(shù)，L≧1，則經(jīng)過采樣后的離散信號(hào)為：

IFFT運(yùn)算時(shí)，需要在原始的N個(gè)輸入值中間添加（L－1）N個(gè)零。本次仿真取值L＝4，輸入的N個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)可通過4倍過采樣得到更加精確地反映連續(xù)信號(hào)變換的時(shí)域離散采樣點(diǎn)，可以在IFFT輸入的頻域數(shù)據(jù)符號(hào)中間補(bǔ)充3N個(gè)零，即構(gòu)成：

然后再實(shí)施4N點(diǎn)的IFFT，則可以按4倍過采樣得到4N個(gè)時(shí)域離散采樣點(diǎn)。

將時(shí)域削波后的信號(hào)轉(zhuǎn)換至頻域，準(zhǔn)備對(duì)時(shí)域削波引入的頻域帶內(nèi)和帶外的噪聲進(jìn)行消減。轉(zhuǎn)換時(shí)，由于數(shù)據(jù)經(jīng)插值處理，所以還原頻域時(shí)仍采用1024點(diǎn)的FFT運(yùn)算。

限幅削波處理主要是使時(shí)域波形通過限幅器，對(duì)高峰值波形進(jìn)行限制的處理。設(shè)置Athreshold為限幅門限，當(dāng)輸入波形小于或等于此門限時(shí)，限幅器不對(duì)其做任何處理，當(dāng)輸入波形大于此門限時(shí)，限幅器將在保持輸入信號(hào)相角的基礎(chǔ)上，對(duì)模值進(jìn)行縮放，將其模值縮放至門限值。

根據(jù)參考文獻(xiàn)，限幅率CR的選擇范圍通常在4．0～6．0之間，同時(shí)，還需結(jié)合峰均比抑制后對(duì)EVM的要求。

時(shí)域的限幅削波處理會(huì)造成頻域帶內(nèi)信號(hào)的畸變，等同于引入噪聲，降低了系統(tǒng)的接收性能，因此必須對(duì)發(fā)送端時(shí)域波形的EVM和ACRL進(jìn)行控制。

帶內(nèi)處理模塊完成頻域信息的帶內(nèi)子載波的EVM控制，檢測(cè)出超過EVM門限值的子載波，在其相角的基礎(chǔ)上縮放幅度，嚴(yán)格控制星座圖的發(fā)散程度。

通常用限幅率CR描述限幅的程度，門限值由輸入信號(hào)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)特性與CR共同決定。CR定義如下：

圖3　頻譜模板

帶外處理模塊完成OFDM時(shí)域波形的頻譜特性約束，提高鄰道功率比。降低頻譜彌撒。歸一化時(shí)域波形的幅頻特性，以圖3提供的頻譜模板作為參考，抑制超過模板特性的帶外子載波幅度，提高信號(hào)的ACLR。

5　CFR評(píng)估參數(shù)

峰均比抑制算法的性能可由EVM、PAPR、ACLR三個(gè)參數(shù)進(jìn)行定量描述，在識(shí)別CFR解決方案、仿真、編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，這幾個(gè)重要的評(píng)估參數(shù)可作為評(píng)估驗(yàn)證依據(jù)。對(duì)比CFR單元輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的PAPR增益，可直觀的定量估測(cè)信號(hào)峰均比的下降程度。EVM是評(píng)估信號(hào)經(jīng)CFR后引入的星座圖惡化指標(biāo)，限幅削波在降低信號(hào)峰均比的同時(shí)，引入一定程度的星座圖發(fā)散。

OFDM調(diào)制后的時(shí)域基帶信號(hào)為：

通常采用互補(bǔ)累計(jì)概率分布函數(shù)（CCDF）衡量降低OFDM信號(hào)峰均比的技術(shù)性能，CCDF表明了一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)塊的峰均比超過給定門限值的概率。dPAPR是定量考核CFR削波性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

EVM（矢量誤差幅度）是用來(lái)表征系統(tǒng)調(diào)制質(zhì)量的參數(shù)，它表示在一個(gè)給定時(shí)刻理想基準(zhǔn)信號(hào)與實(shí)際發(fā)射信號(hào)的矢量差。EVM可以反映發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量，EVM數(shù)值越小，信號(hào)質(zhì)量越高。CFR處理后的調(diào)制波形，必須對(duì)抑制峰均比后的信號(hào)進(jìn)行EVM修正。

IEEE 802．11協(xié)議中對(duì)64QAM調(diào)制的EVM描述，要求在發(fā)送端應(yīng)滿足EVM＜3%。其中CFR模塊對(duì)信號(hào)處理后引入的EVM惡化一般占發(fā)送端EVM下降量的0．25－0．75之間。所以，可推算經(jīng)CFR后，EVM可在0．25×0．03－0．75×0．03之間。即：針對(duì)64QAM調(diào)制信號(hào)進(jìn)行波峰因子抑制后EVM應(yīng)控制在2．25%以內(nèi)。

6　仿真效果評(píng)估

目前分別針對(duì)不同F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)的64QAM的OFDM信號(hào)進(jìn)行仿真評(píng)估。主要評(píng)估dPAPR、EVM兩個(gè)參數(shù)，EVM要控制在2．25%以內(nèi)。

NFFT＝1024的OFDM調(diào)制信號(hào)的CFR仿真評(píng)估，dPAPR的增益效果隨著NFFT點(diǎn)數(shù)的增大而增加。隨著子載波增加，CFR單元的抑制效果也明顯增強(qiáng)。仿真曲線和星座圖效果如圖4所示。

圖4　NFFT＝1024調(diào)制方式64QAM的CCDF

根據(jù)圖4的仿真結(jié)果，右邊曲線表示加CFR前，左邊曲線表示加CFR后，以0．001為基準(zhǔn)，NFFT＝1024點(diǎn)的64QAM調(diào)制方式經(jīng)CFR處理后的dPAPR為3．5db。

7　FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

采用FPGA［5－8］平臺(tái)進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，基于Xilinx公司xc5vlx110FPGA芯片進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。CFR模塊設(shè)計(jì)與發(fā)送端的數(shù)字前端，端口輸入是符號(hào)級(jí)處理的頻域信息。以O(shè)FDM符號(hào)為單位輸入CFR模塊，輸出信號(hào)發(fā)送端調(diào)制波形輸出至DAC端口。

將CFR模塊加載到已有平臺(tái)上，利用R＆S儀器測(cè)試其性能，其中X軸一格表示2db，圖5靠右的曲線表示CFR前的CCDF，靠左的曲線表示CFR后的CCDF，紅色線表示高斯白噪聲的CCDF，VHDL的截位有一定誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明matlab仿真與實(shí)際結(jié)果相符。

8　結(jié)束語(yǔ)

為了解決OFDM方式的PAPR過高的問題，從經(jīng)濟(jì)、性能和實(shí)現(xiàn)難度方面綜合評(píng)估幾種解決PAPR的方案，最終選擇了在時(shí)域上進(jìn)行門限削波，在頻域進(jìn)行EVM控制和消除頻譜彌散的方案。根據(jù)選擇的CFR方案，建立模型利用matlab進(jìn)行仿真，再根據(jù)仿真模型在FPGA上實(shí)現(xiàn)CFR來(lái)進(jìn)行峰均比抑制，并利用專業(yè)的R＆S儀器測(cè)試CCDF結(jié)果，從實(shí)現(xiàn)結(jié)果來(lái)說比較理想。

圖5　R＆S儀器測(cè)試的CFR前后對(duì)比

［1］C Zhao，R J Baxley，G T Zhou，so on．Constrained Clipping for Crest Factor Reduction in Multiple－user OFDM［C］．in Proc．IEEE Radio and Wireless Symposium，Jan．2007：341－344．

［2］M．Sharif，B．H．Khalaj．Peak to mean envelope power ratio of over－sampled OFDM signals：an analytical approach［C］．in Proc．IEEE International Conference on Communications，2001（5）：1476－1480．

［3］C．L．Wang，Y．Ouyang．Low－complexity selected mapping schemes for peak－to－average power ratio reduction in OFDM systems［J］．IEEE Transactions on Signal Processing，2005，53（12）：4652－4660．

［4］H Yaghoobi．Scalable OFDMA physical layer in IEEE 802．16 wirelessMAN［J］．Intel Technology Journal，2004，8（3）：201－212．

［5］R Lyons，Understanding Digital Signal Processing［M］．Prentice Hall，2001．

［6］ALTERA White Paper．Implementation of CORDIC－based QRD－RLS Algorithm［J］．on Altera Stratix FPGA with Embedded Nios Soft Processor Technology，2005：1－8．

［7］ACM／SIGDA sixth international symposium on FPGAs［J］．February 1998：191－200．

［8］S．He，M．Torkelson．A New Approach to Pipeline FFT Processor［J］．The 10th International Parallel Processing Symposium（IPPS），1996：766－770．

Design implementation of PAPR OFDM signal suppression FPGA

Luo Xi，Huang Rongxin，Tao Wei，Wan Yi
（Chongqing Jinmei Communication Co．，Ltd．，Chongqing 400030，China）

Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM）technology，as a multi－carrier modulation technology，overcomes the channel of frequency selective fading by reduction and elimination of ISI influence．OFDM has a larger peak to average power ratio and is significantly improved with increasing in the number of sub－carriers to result in a power amplifier back off，which directly affects the operating costs and the efficiency of the entire communication system．The effective programs are used to reduce PAPR suppression multicarrier input signal crest factor，significantly improve power amplifier efficiency and the system gain of the communications equipment，and reduce power consumption．Constrained Clipping CFR algorithms are researched and FPGA hardware is implemented based on Matlab modeling and simulation analysis．PAPR suppression，using FFT／IFFT transform，separately processes the signal in time domain and frequency one．In the reference of WiMAX agreement，clipping signal EVM，spectrum mask and other parameters are ensured，and the algorithm can be realized and universal．

PAPR；FPGA；OFDM；EVM；CLIP；Spectrum mask

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．007

TN710

B

1002－2279（2016）05－0025－04

駱希（1983－），男，重慶市（江北區(qū)）人，工程師，碩士研究生，主研方向：信號(hào)處理，F(xiàn)PGA。

2015－12－01