OFDM系統(tǒng)非線性自適應(yīng)功率放大效能分析*

楊　劍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

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OFDM系統(tǒng)非線性自適應(yīng)功率放大效能分析*

楊劍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

摘要：正交頻分復(fù)用(OFDM)信號(hào)具有高的功率峰均比(PAPR)，這就要求功率放大器必須具有大的功率回退以保證OFDM信號(hào)的線性度，其結(jié)果導(dǎo)致射頻功率放大器的能量轉(zhuǎn)換效率下降。討論采用三種不同自適應(yīng)偏置方案的非線性功率放大器對(duì)OFDM通訊系統(tǒng)性能的影響，并定義了一個(gè)反映系統(tǒng)無(wú)效功率的參數(shù)γ，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真獲得了OFDM系統(tǒng)無(wú)效功率和相鄰信道功率比(ACPR)，從分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)選擇合適的功率回退量和自適應(yīng)偏置方案可以大大降低OFDM系統(tǒng)的無(wú)效功耗。

關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用；無(wú)效功率；非線性功率放大器；相鄰信道功率比

0引言

低功耗和高速數(shù)據(jù)傳輸一直是移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要追求目標(biāo)。便攜移動(dòng)通信設(shè)備中的低功耗設(shè)計(jì)已是便攜設(shè)備最重要的影響要素，如移動(dòng)電話和便攜式電臺(tái)等。它們除需要滿足基本的語(yǔ)音通話功能以外，高速數(shù)據(jù)傳輸(例如照片、視頻等)也有越來(lái)越巨大的需求。

正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)是一種適用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Ф噍d波調(diào)制技術(shù)，它將高速串行數(shù)據(jù)分解為多個(gè)并行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，擴(kuò)展了單個(gè)符號(hào)的周期時(shí)間，極大的避免了符號(hào)間干擾(ISI)，非常有利于在多徑衰落信道中的傳輸[1]。然而，由于OFDM調(diào)制信號(hào)存在高的峰均比(PAPR)，一般需要采用線性功率放大器來(lái)滿足其要求，并且需要回退較多功率才能達(dá)到要求。對(duì)于采用固定直流電壓偏置方案的功率放大器，其結(jié)果是較低的能量轉(zhuǎn)換效率。

目前常采用信號(hào)預(yù)失真、編碼技術(shù)等方法抑制OFDM信號(hào)的峰均比[2]。本文討論在OFDM系統(tǒng)中采用非線性功率放大器直流偏置自適應(yīng)技術(shù)，使功率放大器同時(shí)獲取較高的能量轉(zhuǎn)換效率和功率放大線性度；并定義了一個(gè)反映OFDM系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)指標(biāo)γ。在保證OFDM系統(tǒng)通信質(zhì)量的情況下，通過(guò)對(duì)比三種不同自適應(yīng)直流偏置方案的系統(tǒng)模型，找到一個(gè)合適的γ，使非線性功率放大器有最優(yōu)的功率回退量和能量轉(zhuǎn)換效率。

1OFDM系統(tǒng)功率放大效能分析模型

1.1信號(hào)模型

Si(t)=Re{A(t)ej2πfct}=Vi(t)cos(2πfct+θ(t))

(1)

(2)

(3)

圖1　OFDM系統(tǒng)發(fā)射示意

So(t)=F(Vi(t))cos{2πfct+θ(t)+φ(Vi(t))}

(4)

(5)

(6)

Vi,max是保證功率放大器線性放大的最大輸入信號(hào)電壓包絡(luò)值。功率放大器輸入、輸出信號(hào)功率分別表示為：

(7)

功率放大器的輸出功率回退量H定義為：

(8)

2.2γ的表達(dá)函數(shù)

(9)

表1　不同直流偏置方案參數(shù)

為了優(yōu)化OFDM系統(tǒng)的功耗，采用一個(gè)參數(shù)γ來(lái)表示，其定義為：

(10)

(11)

(12)

式中，fe(e)是e(t)的概率密度函數(shù)。從上式可看出，當(dāng)H較大時(shí)，即：

(13)

同理可得：

(14)

(15)

3仿真結(jié)果

在OFDM系統(tǒng)中，相鄰信道功率比是重要的技術(shù)指標(biāo)，一般用ACPR來(lái)表示，它被定義為帶外干擾信號(hào)能量與帶內(nèi)有用信號(hào)能量的比值，即

(16)

式中，[-B，B]是有用信號(hào)帶寬，So(f)是功率放大器輸出信號(hào)So(t)的功率譜密度函數(shù)。

在系統(tǒng)仿真中，為了仿真結(jié)果的正確，ACPR需要比誤碼率計(jì)算更高的信號(hào)采樣率。信號(hào)每Ts秒采樣16次用于誤碼率計(jì)算，每Ts秒采樣32次用于ACPR計(jì)算。在發(fā)射和接收仿真系統(tǒng)中，濾波器選用滾降系數(shù)β=0.35的均方根升余弦函數(shù)濾波器。

圖2　三種不同偏置方案的γ仿真

圖 3為OFDM系統(tǒng)在BTs為0.675時(shí)ACPR隨功率回退量H變化的仿真曲線。ACPR隨H增大而緩慢下降，當(dāng)H是1dB時(shí)，ACPR是-15dB；當(dāng)H為7dB時(shí)，ACPR值可達(dá)到-33dB以下。

圖3　功率回退量H與ACPR關(guān)系

圖4　ACPR隨BTs變化

圖4顯示在不同的功率回退量下，OFDM系統(tǒng)的ACPR隨BTs值變化的曲線，可看出ACPR隨BTs的增大緩慢下降。

4結(jié)語(yǔ)

當(dāng)OFDM系統(tǒng)采用非線性功率放大器時(shí)，本文選取了三種不同的自適應(yīng)偏置方案，從發(fā)射和接收分系統(tǒng)定量分析了其性能指標(biāo)。在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的情況下，仿真結(jié)果提供了重要的減少系統(tǒng)功率損耗的方法。雙可控偏置方案的系統(tǒng)無(wú)效功率比單可控偏置方案降低1.7 dB以上，比固定偏置方案降低4 dB以上；這對(duì)于功耗要求非常苛刻的手持式或便攜式通訊設(shè)備是非常重要的，說(shuō)明雙可控自適應(yīng)偏置方案比單可控和固定偏置方案有較大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然在OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)無(wú)效功率和鄰道功率干擾；當(dāng)鄰道功率干擾是主要考慮因素時(shí)，系統(tǒng)需要大的功率回退，這一點(diǎn)尤其重要。

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Effectiveness Analysis of Nonlinear Adaptive Power Amplifier for OFDM System

YANG Jian

(No.10 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610036, China)

Abstract：OFDM system signal is of fairly high PAPR (Peak-to-Mean-Envelope-Power Ratio), and this would require large amplifier power back-off to ensure the linearity of OFDM system, thus leading to the decrease of power conversion efficiency of RF power-amplifier. The effects of three different adaptive bias schemes of nonlinear power amplifier on the performance of OFDM communication system are discussed, and a parameter γ that reflects the non-effective power of the system also defined. Computer simulation acquires the non-effective power and ACPR of OFDM system, and analysis indicates that the proper choice of amplifier power back-off and adaptive bias scheme could greatly reduce the non-effective power of OFDM system.

Key words：OFDM; non-effective power; nonlinear power amplifier; ACPR

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.04.005

*收稿日期：2015-11-09；修回日期：2016-02-20Received date:2015-11-09；Revised date：2016-02-20

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2016)04-0408-05

作者簡(jiǎn)介：

楊劍(1972—)，男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄓ嵪到y(tǒng)的研制。