一種基于多項式的非線性均衡器結構*

樊小琴，吉　磊，王　菊

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

一種基于多項式的非線性均衡器結構*

樊小琴，吉磊，王菊

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

提出一種基于多項式的接收端判決反饋非線性均衡器結構，并以QAM信號為例，進行理論分析與數值仿真。結果表明，當功放的飽和功率回退為3.5 dB時，所提非線性均衡器能顯著改善功放帶來的非線性失真，矯正接收星座點的幅度和相位畸變，使接收星座點更清晰，在誤碼率10-2處帶來解調信噪比收益約4.4 dB。同時，發射端功放無需更多的功率回退來保證接收線性度，等效提升了發射功率。此外，所提非線性均衡器結構相對簡單，且易于工程實現。

M-QAM調制；誤碼率；功放非線性；非線性均衡

0　引 言

隨著社會的發展，人們對通信帶寬的要求越來越高，而有限的頻譜資源迫使廠商提升頻譜效率。提升頻譜效率的一種方案就是增加正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）的調制階數。例如，第二代移動通信（2G）采用恒包絡高斯最小鍵控（Gaussian Minimum Shift Keying，GMSK）［1］，而第四代移動通信（LTE-A）則采用了更高階的64QAM調制［2］。

隨著調制階數上升，信號的峰均比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）相應增加，對功放的線性度要求也更嚴格。常見的功放非線性補償機制可分為兩大類（如圖1所示）：第一，發射信號預失真（Predistortion）［3-5］；第二，接收非線性均衡［6-11］。其中，非線性均衡不需要反饋通道，更容易實現。

圖1　功放非線性補償的兩種方式

針對非線性均衡，文獻［6］、文獻［8］和文獻［10］采用維納模型、Volterra級數建模非線性，并采用遞推最小二乘（RLS）更新Volterra級數的系數，實現非線性均衡。文獻［7］采用Volterra級數建模非線性，并采用最小二乘法計算非線性系數。文獻［9］采用神經Chebyshev多項式建模非線性，并采用梯度算法更新系數。文獻［11］采用Volterra級數建模非線性，并采用基于最小誤碼率準則的滑窗隨機梯度算法更新系數。

總結已有非線性均衡算法，主要區別在于非線性的建模方式和系數更新方法。在建模方式中，Volterra級數、神經Chebyshev多項式的實現復雜度高；系數更新方法中，最小二乘法需要矩陣求逆，RLS算法需要除法運算，不利于工程實現。

為考慮工程實現代價，本文提出一種基于多項式的判決反饋非線性均衡器結構，并通過仿真驗證均衡器對功放非線性的補償能力。

1　系統模型

接收信號可表示為：

式中，x是發射的理想信號；n為雙邊功率譜為N0/2的加性白高斯噪聲；A（x）、φ（x）是發射放大器帶來的幅度和相位畸變，其使接收信號y出現非線性分量；反映在頻譜上，即3階“鼓包”現象。

本文所提出的均衡器結構如圖2所示。

圖2　基于多項式的非線性 均衡器模型

基于多項式的接收非線性均衡器可以表示為：

式中，c1、c3、c5是非線性均衡器的1階、3階和5階系數，其中c3、c5用于補償功放的非線性；y是非線性均衡器的輸入信號，y?是非線性均衡器的輸出信號。

非線性均衡器通過c1、c3、c5多項式擬合，補償幅度失真A（x）和相位失真φ（x）的影響，以提升解調性能。

2　功放模型

本文的功放模型采用經典的行波管功率放大器（Travelling Wave Tube Amplifier，TWTA），幅度失真（AM-AM）和相位失真（AM-PM）模型分別為［12］：

（1）分析表格中淀粉量的變化情況，推測磷酸化酶的具體功能包括_______________________。

輸出功率回退（Output Back-Off，OBO）定義為：

式中，Pmax是功放的最大輸出功率，Po表示功放的當前輸出功率。

3　非線性均衡系數的計算

多項式系數c1、c3、c5有兩種計算方案：靜態計算和動態計算。

3.1靜態計算

3.2動態計算

為方便工程實現，系數更新過程可以用判決反饋獲得誤差，并采用最小均方誤差（Least Mean Square，LMS）算法迭代更新非線性均衡器系數。

（2）1階系數更新：

（3）3階系數更新：

（4）5階系數更新：

4　仿真結果及分析

圖3、圖4依次為非線性均衡前、后的星座點。通過對比可看出，采用非線性均衡后的星座點更清晰，但外圈的星座點受非線性影響更大，矯正效果不如內圈點。

圖5和圖6展示了非線性均衡前后的AM-AM曲線和AM-PM曲線。可以看出，非線性均衡器確實能在一定程度上補償功放的非線性。但AM-AM曲線中，高幅值的點較為散亂，補償效果變差。對應到圖4中，即外圈星座點變差。

圖3　非線性均衡前的星座點

圖4　非線性均衡后的星座點（OBO=3.5 dB）

圖5　非線性 均衡前后的AM-AM曲線（OBO= 3.5 dB）

圖6 非線性均衡前后的AM-PM曲線

圖7給出了非線性均衡前后的功率譜對比。可以看出，通過非線性均衡，功放 3階非線性失真分量被抑制，代價是接收底噪抬高了1.7 dB。究其原因，主要是非線性均衡器在消除非線性的同時放大了噪聲。

圖7 非線性均衡前后頻譜（OBO=3.5 dB，SNR=35 dB）

圖8給出了均衡前后的誤碼率。可以看出：沒有非線性均衡時，誤碼率出現平層無法達到10-3，而采用非線性均衡后誤碼率沒有平層現象。在誤碼率10-2點，非線性均衡帶來的信噪比收益約4.4 dB。

圖9給出了非線性均衡前后的MSE損失對比。可以看出：沒有非線性均衡時，由于接收信號中非線性較強，故隨著信噪比增加MSE損失越來越大；而采用非線性均衡后，MSE損失穩定在1.7 dB。

圖8　非線性均衡前后誤碼率（OBO=3.5 dB）

圖9　非線性均衡前后MSE損失（OBO=3.5 dB）

5　結 語

本文提出了一種基于多項式的判決反饋非線性均衡 器結構，并仿真驗證了該結構對接收性能的改善，等效提升了功放的發射功率。采用所述TWTA功放，OBO=3.5 dB時，解調信噪比收益可達4.4 dB；不同接收信噪比條件下，MSE損失小于2 dB。綜上所述，所提非線性均衡器結構簡單，易于工程實現。

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樊小琴（1982—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向為通信與信號處理；

吉 磊（1984—），男，碩士，工程師，主要研究方向為抗干擾通信；

王 菊（1986—），女，碩士，工程師，主要研究方向為信道估計算法及FPGA實現。

Polynomial-based nonlinear equalizer

FAN Xiao-qin， JI Lei， WANG Ju
（No.30 Institute of CETC， Chengdu Sichuan 610041， China）

A polynomial-based nonlinear decision feedback equalizer structure is proposed， and with QAM signal as an example， the theoretical analysis and numerical simulation are done. The simulation results indicate that when the amplifier output back off is 3.5dB， the proposed nonlinear decision feedback equalizer could noteworthily improve the nonlinear distortion resulted from power amplification， and bring a signal-to-noise ratio gain of 4.4dB at a bit error ratio of 10-2. In addition， the amplifier do not require more output power back off to keep the signal linearity， and this is equal to raising the transmit power. All this indicates that the proposed nonlinear equalizer is relatively simple in structure and easy for engineering implementation.

M-QAM； BER； power-amplifier nonlinearity； nonlinear equalizer

TN911.22

A

1002-0802（2016）-10-1326-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.10.012

2016-06-13；

2016-09-21

data:2016-06-13；Revised data:2016-09-21