CN103297378B

CN103297378B - 基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法

Info

Publication number: CN103297378B
Application number: CN201310252296.1A
Authority: CN
Inventors: 任智源; 张海林; 杨栋; 武德斌; 王涛宁
Original assignee: SUZHOU INDUSTRIAL PARK CHANGCHEN COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU INDUSTRIAL PARK CHANGCHEN COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2033-06-24
Also published as: CN103297378A

Abstract

本发明公开一种基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法，其至少包括如下步骤：首先，获取输入信号的幅度；接着，根据所获取输入信号的幅度以及等概率条件得到对应的查找表地址；最后，获取所述对应的查找表地址中存储的预失真因子，并根据所述预失真因子对所述输入信号进行预失真处理。采用本发明的基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法能够降低预失真器成本和复杂度，并提升功放的功率效率。

Description

基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法

技术领域

本发明涉及宽带通信邻域，特别是涉及一种基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法。

背景技术

射频功率放大器(RF power amplifier，简称RF功放)用于将已调信号放大到需要的功率，然后通过天线将信号发射出去，它是现代无线通信系统中不可或缺的关键部件，但RF功放本身具有非线性特性，特别是在宽带通信中，RF功放又呈现出记忆效应。依据维纳（Wiener）模型，功放的记忆性失真可以表示为一个有限冲击响应（Finite impulseresponse，简称FIR）滤波器串联一个无记忆功放组成。非线性失真和记忆性失真都严重影响了通信信号的正常传输，可能会导致误码率(Bit error rate，简称BER)性能下降、扩展频谱、邻道干扰(Adjacent channel interference，简称 ACI)，因此，有必要采用一些方法来避免信号失真。

为了解决这一问题，现有技术提出了功放的线性化技术，通过展宽功放的线性区间，来达到避免失真的目的。其中，查询表预失真法由于实施效果好，实现简单，得到了广泛的应用。

在处理功放的非线性失真时，查询表预失真法在构建查找表时通过输入信号的幅度作为索引，确定其对应的索引地址，然后将对应地址的修正数值取出，对输入信号进行预畸变处理，使处理后的畸变信号呈现功放的逆特性。畸变信号通过功放后，就能扩展功放的线性放大区间，有效地弥补失真，与此同时根据反馈信号更新前述查找表。

现有技术的查找表预失真技术仅对输入信号进行均匀量化，忽略了功放输入信号的统计特性。在无线宽带通信系统中，作为系统发射机末端的功放其输入信号是具有特定统计特性的，例如正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM)信号。OFDM技术有频率利用率高、抗多径、抗频率选择性衰落等多种优势，因而广泛地应用于通信系统中。但是，OFDM信号存在严重的峰均比问题。由于功放存在非线性失真，高峰均比特性的OFDM信号对功放的失真特别敏感，峰值信号经常会超出线性范围，甚至超过饱和范围，造成严重的失真影响。

为了解决高峰均比造成的失真问题，在实际系统中往往需要把功放的输出功率回退ibo，使大部分OFDM信号落入功放的线性区间，从而将OFDM信号的峰值压回功放的饱和区以减小非线性失真，但这又造成了功放效率很低的问题，造成能量的极大浪费，达不到绿色无线电的需求。

对于以输入信号幅度作为查询依据的查询表来说，在构建查找表时，通常采用的查找表索引地址都是采用均匀索引，即：

其中，x是输入信号幅度，cap是查询表的大小，max是设定的所允许的输入信号的最大幅度。

现有技术的线性索引方法与输入信号的幅度统计特性无关，能广泛地应用在任何系统之中。但线性索引方法不考虑信号统计特性，因此对于每个查询表子区间来说，信号并不是以等概率落入的。考虑OFDM系统对于小信号和大信号对应的区间，信号落入其中的概率较低；而对于中等信号对应的区间，信号落入的概率较高。在自适应查找表预失真系统中，会出现查询表更新不同步的问题，影响最终的迭代结果，降低性能。

此外，由于没有参考OFDM信号的幅度统计特性，现有技术的线性索引方法需要查询表项数目过大，且需要知道功放的饱和幅度，无法对抗功放饱和点漂移等问题。

因此，业界急需一种针对OFDM信号的幅度分布特性的新的查找表预失真方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法，其能够结合正交频分复用信号的固有特性高效准确地实现预失真处理。

为解决上述问题，本发明提供一种基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法，其至少包括如下步骤：首先，获取输入信号的幅度；接着，根据所获取输入信号的幅度以及等概率条件得到对应的查找表地址；最后，获取所述对应的查找表地址中存储的预失真因子，并根据所述预失真因子对所述输入信号进行预失真处理。

本发明的基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法针对正交频分复用信号的幅度呈瑞利分布的特性，利用这一点来改进现有技术的预失真方法。通过改进从信号映射到查找表地址，使落入每个表项的概率相等，这样便能充分地利用查找表，而不像现有技术中采用的均匀映射的方式导致一些表项被落入的概率极小造成了资源的浪费。本发明的基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法经仿真验证，适应能力强，收敛性好，对于OFDM系统有极佳的适用性。

附图说明

以下通过对本发明的一些实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构身份和优点。

图1所示为一种查询表示意图；

图2所示为本发明的一个实施例的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法的流程示意图；

图3所示为本发明的一个实施例的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法以及现有技术的线性查找表预失真方法的输入信号幅度-对应查找表地址的映射关系示意图；

图4所示为OFDM信号的幅度统计特性示意图；

图5所示为用于仿真实验的功放模型示意图；

图6所示为用于仿真实验的输入信号星座图；

图7a所示为在仿真实验中设定ibo=8、snr=’none’、 cap=256时，采用现有技术的线性查找表预失真方法循环1000次后获得的输出信号星座图；

图7b所示为在仿真实验中设定ibo=8、snr=’none’、 cap=256时，采用本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法循环1000次后获得的输出信号星座图；

图8a所示为在仿真实验中设定ibo=8、snr=20、 cap=256时，采用现有技术的线性查找表预失真方法循环1000次后获得的输出信号星座图；

图8b所示为在仿真实验中设定ibo=8、snr=20、 cap=256时，采用本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法循环1000次后获得的输出信号星座图；

图9a所示为在仿真实验中设定snr=’none’、 cap=256时，分别采用现有技术的线性查找表预失真方法以及本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法得到的ibo-BER曲线示意图；

图9b所示为在仿真实验中设定snr=20、 cap=256时，分别采用现有技术的线性查找表预失真方法以及本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法得到的ibo-BER曲线示意图；

图10a所示为在仿真实验中设定ibo=4、 cap=256时，分别采用现有技术的线性查找表预失真方法以及本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法得到的snr-BER曲线示意图；

图10b所示为在仿真实验中设定ibo=8、 cap=256时，分别采用现有技术的线性查找表预失真方法以及本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法得到的snr-BER曲线示意图；

图11所示为在仿真实验中设定ibo=4、 snr=20时，分别采用现有技术的线性查找表预失真方法以及本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法得到的cap-BER曲线示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，本发明涵盖所附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

图1所示为一种查询表示意图。如图所示，采用本发明的一个实施例的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法中，信号以相同的概率落入所示查询表的每个子区间（t_N-1，t_N）中。

图2所示为本发明的一个实施例的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法的流程示意图。如图所示，本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法进一步包括如下步骤：

步骤S10，获取输入信号的幅度A_m；

步骤S12，接着，根据所获取输入信号的幅度A_m以及等概率条件得到对应的查找表地址；

步骤S14，最后，获取所述对应的查找表地址中存储的预失真因子，并根据所述预失真因子对所述输入信号进行预失真处理。

图3所示为本发明的一个实施例的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法以及现有技术的线性查找表预失真方法的输入信号幅度-对应查找表地址的映射关系示意图。OFDM样点幅度的概率密度函数为如下等式（1）所示：

（1）

其中，r为输入样点的幅度，而为OFDM信号的平均功率。

根据等式（1），结合如前所述的步骤S12的等概率条件，使查询时落入不同的幅度区域的概率相同。因此，输入信号幅度与所对应的查找表地址是不均匀的指数映射关系。相反地，现有技术的线性查找表预失真方法没有考虑OFDM的幅度特性，其输入信号幅度与所对应的查找表地址是均匀的线性映射关系。

更详细地说，在本发明的一个实施例的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法中，为了获取满足前述等概率条件的正确的查找表地址，有如下等式（2）：

（2）

其中，P是信号落入查找表每个子区间的概率，p(r)是样点的幅度概率密度函数，N是查询表的总长度，而t_m（0<m<N-1）定义为对应总长度为N的查询表、等概率情况出现的第m个断点。显然，对于满足且幅度为A_m的OFDM信号来说，其对应的地址为m。

图4所示为OFDM信号的幅度统计特性示意图。如图所示，由于OFDM信号是多个子载波的叠加信号，当子载波足够多的时候，可以视为一个高斯信号，其幅度服从瑞利分布，而相位服从均匀分布。图5所示为OFDM信号的幅度统计特性示意图。

根据等式（1）和等式（2）进一步地计算可以得如下等式（3）：

（3）

接着，对等式（3）求解可得如下等式（4）：

（4）

按照相同的计算方法以此类推，可得如下等式（5）：

（5）

并得到t_m的计算等式（6）如下所示：

（6）

这样，当输入信号为x_m，且其幅度A_m满足条件时，此时对应x_m的地址为m。

由于地址m的分布是离散的，通常使用最接近A_m的t_m来定位其索引地址m，因此可以得到m满足如下等式（7）：

（7）

对等式（7）求解可得如下等式（8）：

（8）

由等式(8)可知，本发明的一个实施例的查找表预失真方法中，基于OFDM信号的幅度统计特性，在获取查找表项时，其幅度-地址映射关系不需要知道功率放大器的饱和输入幅度，因此不受功率放大器饱和点漂移问题的影响；同时，在获取查找表项时，其幅度-地址映射关系与OFDM信号平均功率（也即输出功率回退ibo）密切相关，因此采用本发明的查找表预失真方法能更真实有效地反映信号幅度的分布，大大减少查询表的大小，还可以降低输出功率回退ibo对性能造成的影响。

结合硬件实现而言，由于等式（8）中使用输入信号的功率代替幅度计算地址索引值，少了一个开方运算，因此使用本发明的查找表预失真方法能有效地节约硬件资源。

在本发明的另一个实施例中，可以预先将指数exp()的函数值存储在查找表中，依据输入信号的幅度A_m的不同，来求得对应的指数函数exp()的值，亦即通过二次查表来确定最终的索引地址。

本发明的技术效果可以通过以下的仿真实验条件进一步说明。图5所示为用于仿真实验的功放模型示意图。图6所示为用于仿真实验的输入信号星座图。如图所示，星座点的分布分别为：-3+3i、-1+3i、1+3i、3+3i、-3+i、-1+i、1+i、3+i、-3-i、-1-i、1-i、3-i、-3-3i、-1-3i、1-3i、3-3i，每个星座点的概率相等，因此得到信号平均功率为（其中，仿真实验采用的是16QAM调制）：

图7a所示为在仿真实验中设定ibo=8、snr=’none’、 cap=256时，采用现有技术的线性查找表预失真方法循环1000次后获得的输出信号星座图。

图7b所示为在仿真实验中设定ibo=8、snr=’none’、 cap=256时，采用本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法循环1000次后获得的输出信号星座图。

图8a所示为在仿真实验中设定ibo=8、snr=20、 cap=256时，采用现有技术的线性查找表预失真方法循环1000次后获得的输出信号星座图。

图8b所示为在仿真实验中设定ibo=8、snr=20、 cap=256时，采用本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法循环1000次后获得的输出信号星座图。

图9a所示为在仿真实验中设定snr=’none’、 cap=256时，分别采用现有技术的线性查找表预失真方法以及本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法得到的ibo-BER曲线示意图。如图所示，由于当ibo小于4的时候信号回退的较小，幅值较大，采用现有技术的线性查找表预失真方法不能收敛，所以现有技术的线性查找表预失真方法只画出了ibo大于等于4的情况。而采用本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法可以完全收敛。当ibo大于4.5时，两种方法的平均误码率都等于0。

由此可见，当信号峰值超过功率放大器饱和点时，采用本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法的优势非常明显。

图9b所示为在仿真实验中设定snr=20、 cap=256时，分别采用现有技术的线性查找表预失真方法以及本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法得到的ibo-BER曲线示意图。由图上可很明显地看出，当ibo=4时，两种方法的差别很大，现有技术的线性查找表预失真方法的误码率非常高，而当ibo接近8时，两者的误码率基本一样。

图10a所示为在仿真实验中设定ibo=4、 cap=256时，分别采用现有技术的线性查找表预失真方法以及本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法得到的snr-BER曲线示意图。显然，当ibo=4时，现有技术的线性查找表预失真方和本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法的性能有很大的区别，也就是说，当功率回退较小信号幅值较大时，基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法能够得到更加理想的结果，适应性更强。

图10b所示为在仿真实验中设定ibo=8、 cap=256时，分别采用现有技术的线性查找表预失真方法以及本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法得到的snr-BER曲线示意图。如图所示，当ibo=8时，信号已经基本被压缩到功率放大器的线性范围内，所以此时，采用两种查询方法得到的误码率基本一样。

由以上仿真实验可得，本发明的基于OFDM幅度特性的查找表预失真方法让计算效率大大提高，适应能力更强，能在功率回退较小时完成预失真处理，能够较好的弥补功放线性范围小得缺陷，达到数字预失真的功能。

此外，本发明能够降低预失真器成本和复杂度。现有技术的预失真器需要采用大型的查询表容量，才能达到满意的性能，而本发明只需要较小的查询表容量就能达到同样的性能，节约了硬件资源。现有技术的预失真方法对输入信号要求较为严格，功率回退比较大（一般大于6dB），如果小于一个阈值，性能就会急剧下降；而本发明可以降低这个阈值，等效于信号要求放松，功率回退较小（在大于3dB的情况下仍能收敛）。由于功率回退直接影响到功放的功率效率（在消耗能量不变的情况下，输出信号的功率越大，功效越高；而功率回退实际是上起到降低输出信号功率的目的，因此功率回退越小，输出信号功率越大），因此，采用本发明可以提升功放的功率效率。

在此使用之措辞和表达都是用于说明而非限制，使用这些措辞和表达并不将在此图示和描述的身份之任何等同物或部分等同物排出在发明范围之外，在权利要求的范围内可能存在各种修改。其他的修改、变体和替代物也可能存在。因此，权利要求旨在涵盖所有此类等同物。

Claims

1.一种基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法，其特征在于，所述基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法至少包括如下步骤：

获取输入信号的幅度A_m；

根据所获取输入信号的幅度A_m以及等概率条件得到对应的查找表地址，其步骤为：将输入信号按等概率条件落入每个子区间，即有等式(1)：

其中，P是输入信号落入查找表每个子区间的概率，p(r)是样点的幅度概率密度函数，N是查询表的总长度，而t_m定义为对应总长度为N的查询表、等概率情况出现的第m个断点，其中0＜m＜N-1；

所述正交频分复用信号样点幅度的概率密度函数p(r)为：

其中，r为输入样点的幅度，而σ²为正交频分复用信号的平均功率；根据等式(1)和等式(2)进一步地计算得到等式(3)～等式(5)：

按照相同的计算方法以此类推得到等式(6)：

并得到t_m的计算等式(7)如下所示：

这样，当输入信号为x_m，且其幅度A_m满足条件t_m-1＜A_m≤t_m时，此时对应x_m的地址为m；

获取所述对应的查找表地址中存储的预失真因子，并根据所述预失真因子对所述输入信号进行预失真处理。

2.根据权利要求1所述的基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法，其特征在于，使用最接近A_m的t_m来定位其索引地址m，可以得到：

A_{m} = \sqrt{2 σ^{2} \ln \frac{N}{N - m}}

进一步计算得到：

3.根据权利要求1-2其中任一所述的基于正交频分复用信号幅度特性的查找表预失真方法，其特征在于，可以预先将指数exp()的函数值存储在查找表中，依据所述输入信号的幅度的不同，来求得对应的指数函数exp()的值。