CN109347779B - 基于阈值矢量圆ofdm信号直接限幅技术的fpga实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号处理和通信系统技术领域，公开了一种基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法；采用查找表的方法在FPGA硬件平台上实现直接限幅，将预先计算的阈值矢量圆上的坐标储存在FPGA的ROM中，根据信号相位的正切值确定ROM地址，降低了运算复杂度，在保证PAPR满足指标要求的前提下降低了OFDM系统的发送端时延，并且只存在一次查表的量化误差。本发明只储存了矢量圆八分之一圆周上的点，其他部分通过三角变换得到，从而减少了FPGA中ROM资源的使用。本发明应用于任何在FPGA平台上开发的；使用OFDM传输方式的通信系统，在较小的系统开销下实现信号的直接限幅，以降低PAPR。

Description

基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法

技术领域

本发明属于信号处理和通信系统技术领域，尤其涉及一种基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：OFDM即正交频分复用技术，是多载波调制的一种。其主要思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。MIMO-OFDM系统能够提供更大的覆盖范围、更好的传输质量、更高的数据速率和频谱效率。然而，由于OFDM符号是由多个独立经过调制的子载波信号叠加而成的，当各个子载波相位相同或者相近时，叠加信号便会受到相同初始相位信号的调制，从而产生较大的瞬时功率峰值，由此进一步带来较高的峰值平均功率比，简称峰均比(PAPR)。由于一般的功率放大器的动态范围都是有限的，所以峰均比较大的MIMO-OFDM信号极易进入功率放大器的非线性区域，导致信号产生非线性失真，造成明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变，导致整个系统性能严重下降。高峰均比已成为MIMO-OFDM的一个主要技术阻碍。目前，降低PAPR的常用算法可以分为信号预畸变类算法、编码类算法、概率类算法三类。信号预畸变类算法是在信号进入功率放大器之前对峰谷附近的信号进行非线性畸变，是最为直观和简单的方法，但不可避免地会引入信号的失真；编码类算法是在编码时选用PAPR较小的编码图样，但随着子信道数量的增加，频带利用率会严重下降；概率类算法利用不同的加扰序列对OFDM信号进行加权处理，从而选择PAPR较小的码字进行传输，此类方法的效果最为理想，但会大大增加系统资源的占用，在实际使用中有较大的局限性。本方案属于信号预畸变类算法的在FPGA实现上的一种改进。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)信号预畸变算法会引入失真；

(2)编码类算法会降低频带利用率；

(3)概率类算法会增加系统复杂度。

解决上述技术问题的难度和意义：

误码率、频带利用率以及处理时延都是OFDM系统的重要指标。降低PAPR意味是以上述三种指标作为代价的，核心目标是在最小的代价下使PAPR降低到可以接受的范围内。在OFDM系统的实际设计中，以FPGA平台为例，通常系统的运算资源和存储资源是有限的，改进PAPR算法的意义是在有限的资源下使系统达到指标要求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法。

本发明是这样实现的，一种基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法。所述基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法采用查找表的方法在FPGA硬件平台上实现直接限幅，将预先计算的阈值矢量圆上的坐标储存在FPGA的ROM中，根据信号相位的正切值确定ROM地址，存在一次查表的量化误差。该方法可以应用于任何使用OFDM传输方式的通信系统，在满足误码率、频带利用率和处理时延的指标要求的前提下，显著降低OFDM信号的峰均功率比。

进一步，所述基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法包括以下步骤：

步骤一，将时域OFDM信号映射到复数坐标系中，记为(I_i,Q_i)，其中i＝0,1,2,...，将阈值矢量圆半径记为R；

步骤二，计算OFDM信号的平均功率

根据最大峰均功率比PAPR计算出最大峰值功率

对应于复数坐标系中的阈值矢量圆半径R的平方，即R²＝P_max；

步骤三，将阈值矢量圆上相位

在

范围内的连续坐标值划分为256点，根据矢量圆半径R，在FPGA外部离线计算出各点的坐标值，将实部和虚部分别存入两个ROM；

步骤四，对于每一个信号点(I_i,Q_i)，计算其与矢量圆的相对位置，若I_i ²+Q_i ²＞R²，则通过查表，将该点调整至阈值矢量圆上相位相同的位置。

进一步，所述步骤三坐标值计算的方法为：

1)将相位

的正切值

在其值域[0,1]上等分为256点，计算每个点对应的相位

其中i＝0,1,2,...,255；

2)计算每个点的实部和虚部，分别为

和

进一步，坐标调整的具体方法为：根据坐标(I_i,Q_i)计算在ROM中的地址，在ROM中查得新的实部和虚部，记为I_i′和Q_i′，进行调整后，作为更新后的坐标值。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法的FPGA平台。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法的基于OFDM传输方式的通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明涉及信号预畸变类算法中的直接限幅法；直接限幅法的主要思想为通过给定的预设限幅门限，使OFDM信号中包括值大于门限值的部分强制等于门限值，并保持其相位不变。FPGA凭借运算速度快、体系结构和逻辑单元灵活、可重复利用、集成度高、开发周期短等优点，广泛应用于数字专用集成电路设计中。FPGA平台上的OFDM信号在运算过程中通常采用实部虚部分路的形式，直接限幅法中，需要通过相位计算限幅后的值，为了避免平方根这种对FPGA而言过于复杂的数学运算，需要进行多次的三角函数和反三角函数查表或复杂乘除运算，并且查表引入的误差会逐级累积，造成额外的相位失真。对直接限幅法在FPGA平台上的实现方法进行简化具有一定意义。

本发明的OFDM信号直接限幅技术的FPGA硬件实现采用的是单次查表的方法，对于一个点的限幅过程仅包括一次除法和一次查表，系统开销较小。本发明的OFDM信号直接限幅技术的FPGA硬件实现采用的是单次查表的方法，误差的来源仅为查表时的量化误差，且可以通过增加在阈值矢量圆上的采样点数来减小。本发明的OFDM信号直接限幅技术的FPGA硬件实现采用的是单次查表的方法，且查找表仅储存八分之一圆周上的点，最大程度上减少了ROM的大小。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法流程图。

图2是本发明实施例提供的FPGA硬件实现原理图。

图3是本发明实施例提供的直接限幅法示意图；

图中：横坐标和纵坐标分别代表实部和虚部，点P为矢量圆外需要限幅的信号，点P′为限幅后的信号。

图4是本发明实施例提供的实施例1中在FPGA平台上，限幅前的时域信号散点图。

图5是本发明实施例提供的实施例1中在FPGA平台上，限幅后的时域信号散点图。

图6是本发明实施例提供的实际的误码率性能和无失真时的理论误码率性能示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法包括以下步骤：

S101：采用查找表的方法在FPGA硬件平台上实现直接限幅，将预先计算的阈值矢量圆上的坐标储存在FPGA的ROM中；

S102：根据信号相位的正切值确定ROM地址，在保证PAPR满足指标要求的前提下降低了OFDM系统的发送端时延，并且只存在一次查表的量化误差。

本发明实施例提供的基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法具体包括以下步骤：

1)将时域OFDM信号映射到复数坐标系中，记为(I_i,Q_i)，其中i＝0,1,2,...，将阈值矢量圆半径记为R；

2)计算OFDM信号的平均功率

根据最大峰均功率比PAPR计算出最大峰值功率

对应于复数坐标系中的阈值矢量圆半径R的平方，即R²＝P_max；

3)将阈值矢量圆上相位

在

范围内的连续坐标值划分为256点，根据矢量圆半径R，在FPGA外部离线计算出各点的坐标值，将实部和虚部分别存入两个ROM；

4)对于每一个信号点(I_i,Q_i)，计算其与矢量圆的相对位置，若I_i ²+Q_i ²＞R²，则

通过查表，将该点调整至阈值矢量圆上相位相同的位置。

坐标值计算的具体方法为：

1)将相位

的正切值

在其值域[0,1]上等分为256点，计算每个点对应的相位

其中i＝0,1,2,...,255；

2)计算每个点的实部和虚部，分别为

和

坐标调整的具体方法为：

根据坐标(I_i,Q_i)计算在ROM中的地址，在ROM中查得新的实部和虚部，记为I_i′和Q_i′，根据表1中所示的关系进行调整后，作为更新后的坐标值。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法包括以下步骤：

1)将时域OFDM信号映射到复数坐标系中，记为(I_i,Q_i)，其中i＝0,1,2,...，将阈值矢量圆半径记为R；

2)计算OFDM信号的平均功率

根据最大峰均功率比PAPR计算出最大峰值功率

对应于复数坐标系中的阈值矢量圆半径R的平方，即R²＝P_max，将R²的值以本地常量的形式储存在FPGA中；

3)将阈值矢量圆上相位

在

范围内的连续坐标值划分为256点，相位对应的正切值

范围为[0,1]，均匀分为256点并映射为FPGA中的ROM地址{0,1,2,...,255}；根据矢量圆半径R和

利用三角函数公式在FPGA外部离线计算出各点的坐标值

将实部和虚部分别存入两个ROM；

4)对于每一个信号点(I_i,Q_i)，将实部和虚部两路信号分别送入乘法器，计算其平方值，再将两路乘法器输出送入加法器，最后将加法器输出和本地的R²进行比较，若I_i ²+Q_i ²＞R²，则将|Q_i|作为被除数，|I_i|作为除数，送入无符号除法器进行运算，运算结果以二进制形式储存，保留高8位，作为ROM地址，分别取出对应的实部和虚部，根据表1进行调整；若I_i ²+Q_i ²＜R²，不进行调整。

表1

I<sub>i</sub>范围	Q<sub>i</sub>范围	I<sub>i</sub>-Q<sub>i</sub>范围	ROM地址	更新后的坐标
					≥0	≥0	≥0	255|Q<sub>i</sub>/I<sub>i</sub>|	(I<sub>i</sub>′,Q<sub>i</sub>′)
≥0	≥0	≤0	255|I<sub>i</sub>/Q<sub>i</sub>|	(Q<sub>i</sub>′,I<sub>i</sub>′)
					≥0	≤0	≥0	255||<sub>i</sub>/I<sub>i</sub>|	(I<sub>i</sub>′,-Q<sub>i</sub>′)
≥0	≤0	≤0	255|I<sub>i</sub>/Q<sub>i</sub>|	(Q<sub>i</sub>′,-I<sub>i</sub>′)
					≤0	≥0	≥0	255|Q<sub>i</sub>/I<sub>i</sub>|	(-I<sub>i</sub>′,Q<sub>i</sub>′)
≤0	≥0	≤0	255|I<sub>i</sub>/Q<sub>i</sub>|	(-Q<sub>i</sub>′,I<sub>i</sub>′)
					≤0	≤0	≥0	255|Q<sub>i</sub>/I<sub>i</sub>|	(-I<sub>i</sub>′,-Q<sub>i</sub>′)
≤0	≤0	≤0	255|I<sub>i</sub>/Q<sub>i</sub>|	(-Q<sub>i</sub>′,-I<sub>i</sub>′)

本发明实施例将直接限幅法在FPGA平台上进行了简化和实现，将计算限幅后坐标的运算在FPGA外部进行离线计算，将计算结果储存在ROM中，以较小的系统开销将过高的峰值功率限制在指标要求的范围内；同时ROM中仅储存八分之一圆周上的点，其他位置的坐标根据三角变换得到，不仅最大程度上减少了ROM的大小，还将误差控制在计算地址时的一次量化误差，使计算精度可控。

本发明实施例的OFDM信号在FPGA硬件平台上实现。信号编码方式为LDPC编码；调制方式为QPSK调制；FFT点数为2048；阈值矢量圆半径设为1.8473。要求限幅、滤波后，峰均功率比能降低到7.0以下。

在FPGA硬件平台上采样获得500组数据，每组数据2048点，分别计算每组数据的峰均功率比，再对500组数据取均值。测得限幅前峰均功率比为9.4094dB，限幅后降低至6.0109dB，滤波后峰均功率比为6.5985dB。系统实际的误码率性能和无失真时的理论误码率性能如图6所示。可以看到，直接限幅引入了一定的失真，导致限幅后的实际误码率性能相比无失真时的理论值略有损失，且在低信噪比下损失较小，在信噪比为3.4dB附近损失最大，约为0.0146％，这属于直接限幅法正常引入的性能损失，因此认为直接限幅法在此系统上得到了正确的实现。

本实施例证明本发明能够在FPGA硬件平台上，以较小的硬件资源实现对OFDM信号的直接限幅。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法，其特征在于，所述基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法采用查找表的方法在FPGA硬件平台上实现直接限幅，将预先计算的阈值矢量圆上的坐标储存在FPGA的ROM中，根据信号相位的正切值确定ROM地址，存在一次查表的量化误差；

所述基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法包括以下步骤：

步骤一，将时域OFDM信号映射到复数坐标系中，记为(I_i,Q_i)，其中i＝0,1,2,...，将阈值矢量圆半径记为R；

步骤二，计算OFDM信号的平均功率

根据最大峰均功率比PAPR计算出最大峰值功率

对应于复数坐标系中的阈值矢量圆半径R的平方，即R²＝P_max；

步骤三，将阈值矢量圆上相位

在

范围内的连续坐标值划分为256点，根据矢量圆半径R，在FPGA外部离线计算出各点的坐标值，将实部和虚部分别存入两个ROM；

步骤四，对于每一个信号点(I_i,Q_i)，计算其与矢量圆的相对位置，若I_i ²+Q_i ²＞R²，则通过查表，将该点调整至阈值矢量圆上相位相同的位置；

所述步骤三坐标值计算的方法为：

1)将相位

的正切值

在其值域[0,1]上等分为256点，计算每个点对应的相位

其中i＝0,1,2,...,255；

2)计算每个点的实部和虚部，分别为

和

坐标调整的具体方法为：根据坐标(I_i,Q_i)计算在ROM中的地址，在ROM中查得新的实部和虚部，记为I_i′和Q_i′，进行调整后，作为更新后的坐标值。

2.一种应用权利要求1所述基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法的FPGA平台。

3.一种应用权利要求1所述基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法的基于OFDM传输方式的通信系统。

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