袁紅林，劉成云，包志華

(1.南通大學　電子信息學院，江蘇　南通　226019;2.肯特大學，肯特 CT27NZ)

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一種正交頻分復用系統(tǒng)的非線性補償技術

袁紅林1,2，劉成云1，包志華1

(1.南通大學電子信息學院，江蘇南通226019;2.肯特大學，肯特 CT27NZ)

摘要:針對正交頻分復用(OFDM)系統(tǒng)在功率放大器(PA)非線性較強時的性能問題，基于一種無線設備非線性與無線信道的聯(lián)合估計技術，提出了一種基于訓練序列的OFDM非線性信道估計與補償技術。首先基于最小二乘(LS)算法進行發(fā)射機非線性與無線信道單位脈沖響應的聯(lián)合估計，然后依次進行無線信道與發(fā)射機非線性的補償。仿真結果顯示，提出方法可逼近不考慮PA非線性時OFDM無線通信系統(tǒng)的完美均衡理論解析值。

關鍵詞:OFDM；非線性信道；信道估計；信道補償；LS

由于具有高帶寬效率、高傳輸容量與抗多徑衰落等優(yōu)點，正交頻分復用(OFDM)技術已廣泛應用于數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)、數字用戶線路(DSL)以及電視頻帶的無線區(qū)域網(IEEE802.22)與第五代(5G)移動通信的物理層傳輸。OFDM系統(tǒng)中，信道估計對于干擾壓制、相干檢測與解碼都具有非常重要的作用。一般的OFDM信道估計技術把無線設備的發(fā)射機部分近似為線性系統(tǒng)；然而，由于功率放大器(PA)等器件的存在，實際的無線設備發(fā)射機具有非線性。當這種非線性較強時，會損傷OFDM系統(tǒng)子載波的正交性，產生子載波干擾(ICI)與符號間干擾(ISI)，使OFDM系統(tǒng)的通信性能下降。

文獻[1]提出了一種基于最小二乘(LS)支持向量機的OFDM非線性信道估計算法，仿真結果比傳統(tǒng)算法有了一定的性能改善；文獻[2]使用Hammerstein模型和維納模型代替Volterra級數模型來模擬非線性結構以降低運算復雜度，提出了一種非線性信道傳輸系統(tǒng)模型及3種均衡算法；文獻[3]提出了一種應用于MIMO信道的非線性估計與補償方法；文獻[4]提出了一種基于維納模型的非線性信道接收端均衡方案，該方案把非線性信道建模為Hammerstein系統(tǒng)，在接收端采用LS估計算法分別進行線性與非線性部分的均衡，取得了一定的效果。

與已有相關文獻不同，本文提出了一種新的OFDM系統(tǒng)非線性信道估計與補償技術。提出技術首先基于OFDM幀訓練序列的先驗導頻符號，進行無線發(fā)射機非線性與無線信道的聯(lián)合估計；然后再依次分別進行無線信道的頻域補償與無線發(fā)射機非線性的時域補償。仿真結果顯示，基于提出技術的非線性OFDM系統(tǒng)性能可逼近不考慮非線性PA的OFDM系統(tǒng)進行完美均衡時的通信性能。

1系統(tǒng)模型

提出方法所采用OFDM系統(tǒng)的基帶等效模型如圖1所示。

圖1中，發(fā)送數據源符號經映射器、串/并變換、IFFT后變?yōu)闀r域序列，加循環(huán)前綴(CP)后經功率放大器(PA)發(fā)送到無線信道，再經加性高斯白噪聲(AWGN)v(n)后為接收序列r(n)。

在傳統(tǒng)的OFDM均衡方案中，r(n)直接經去CP、串/并變換、FFT、信道估計、信道均衡、并/串變換、解映射模塊后到達數據接收器。

本文提出的方法中，接收信號r(n)首先經參量聯(lián)合估計后，得到無線信道單位脈沖響應與PA非線性模型系數的估計；接收信號r(n)采用聯(lián)合估計得到的兩參量，經無線信道頻域補償、PA非線性時域補償后再送至其他模塊。

2理論推導

設多徑衰落信道的單位脈沖響應為h(n)，則有如下卷積關系

r[n]=x[n]*h[n]+v[n]

(1)

假設PA為泰勒級數模型，則

(2)

式中：p=1,2,…,p，p為模型的非線性階數，bp是相應的多項式因子，并假設b1=1。式(2)可寫成矢量形式

(3)

式中：dp(n)是由p枚舉而成的d[n]|d[n]|p-1構成的列矢量；bp是由相應bp構成的列矢量。

設無線信道單位脈沖響應長度為M，h=[h(0),h(1),…,h(M-1)]T，把式(3)代入式(1)，可得

(4)

提出的基于先驗導頻的OFDM系統(tǒng)非線性信道估計與均衡技術的步驟可總結為圖2所示。

(5)

根據式(2)，可得圖2中步驟3進行PA非線性時域補償后結果

(6)

3仿真實驗

假設OFDM系統(tǒng)采用圖3所示塊狀類型的導頻排列結構[5]。

仿真實驗分兩部分，首先進行PA非線性與無線信道聯(lián)合估計與補償的樣本仿真，然后進行基于Monte Carlo的系統(tǒng)誤比特率(BER)性能仿真。

樣本仿真時，OFDM符號隨機生成。每個OFDM符號長1 152，其中循環(huán)前綴長128，F(xiàn)FT長1 024。基帶OFDM頻域數據符號采用16QAM調制。PA階數為7，無線信道徑數為3，PA非線性因子與一次無線信道單位脈沖響應的實際值見表1。

表1PA與無線信道參數

PA的基本放大倍數為15，表1中PA的多項式因子采用基本放大倍數進行了歸一化。PA的輸入與輸出符號對比見圖4與圖5。其中，PA輸入為OFDM時域符號。

圖5是圖4的局部放大。由圖5可知，低幅值符號基本沒有非線性效應，而高幅值符號經PA放大后發(fā)生了失真。

首先基于LS算法，進行PA非線性因子與無線信道單位脈沖響應的聯(lián)合估計。當SNR=20 dB時，PA的非線性因子與相應無線信道脈沖響應的估計樣本見表2。

表2PA與無線信道的估計參數

接著基于表2中無線信道的估計參量，根據式(5)對接收信號進行頻域補償，頻域補償前后的符號星座如圖6與圖7所示。

然后根據表2中PA非線性因子的估計參量，根據式(6)進行時域非線性補償，時域補償后的基帶接收符號星座如圖8所示。

由圖8可知，經頻域補償與時域補償后，接收基帶符號在20 dB信噪比時易于進行后續(xù)的數字解映射等處理。

BER性能的Monte Carlo仿真時，無線信道設為瑞利衰落信道，Monte Carlo仿真得到的不同SNR下的BER性能如圖9所示。

圖9中的“Rayleigh衰落信道理論值”為16-QAM信號在瑞利衰落信道下的BER解析理論曲線，即在發(fā)射機無非線性情況下進行完美無線信道均衡時的BER性能。由圖9可知，在本仿真實例中，相同條件下得到的BER性能逼近無非線性時完美均衡條件下的理論解析曲線。

由提出方法的理論推導可知，提出方法大大增加了算法的復雜度，這是提出方法付出的代價。

4結束語

本文提出了一種基于無線發(fā)射機非線性與無線信道聯(lián)合估計的OFDM系統(tǒng)非線性信道估計與補償技術。理論推導與原碼仿真結果顯示，提出技術具有有效克服發(fā)射機非線性的潛力，可集成到相關OFDM寬帶應用中。如果在系統(tǒng)中增加信源與信道編碼，可進一步提高系統(tǒng)性能，這是下一步的研究工作。

致謝：

感謝已畢業(yè)碩士研究生江立偉對文中Kronecker積推導與非線性估計實驗相關工作的貢獻。

參考文獻：

[1]繆科，張?zhí)?，孫建成，等.正交頻分復用系統(tǒng)非線性信道估計算法[J].西安交通大學學報，2005(6)：637-640.

[2]劉順蘭，蔣樹南.非線性信道的均衡算法研究[J].電子學報，2010(10)：2219-2223.

[3]LIU M W,DOHERTY J F.Frequency-selective multiple-input multiple-output channel estimation with transmit-ternon-linearities[J].Signal processing,IET，2009，3(6)：467-475.

[4]宋玙薇，楊守義，齊林.基于維納模型的非線性信道接收端均衡方案[J].電視技術，2012，36(5)：83-85.

[5]趙勇洙.MIMO-OFDM無線通信技術及MATLAB實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

袁紅林(1971— )，博士，副教授，研究方向為無線通信系統(tǒng)與信息處理；

劉成云(1989— )，碩士生，研究方向為無線通信系統(tǒng)；

包志華(1955— )，教授，研究方向為通信與信息系統(tǒng)、認知無線電、射頻/微波電路等。

責任編輯：許盈

Nonlinearity compensation technology for OFDM systems

YUAN Honglin1,2,LIU Chengyun1,BAO Zhihua1

(1.SchoolofElectronicsandInformation,NantongUniversity,JiangsuNantong226019,China;2.UniversityofKent,KentCT27NZ,UK)

Key words:OFDM; nonlinear channel; channel estimation; channel compensation; LS

Abstract:Aiming at the problem of communication performance of OFDM systems when the Power Amplifier (PA) nonlinearity is strong, and based on a kind of combined estimation technology for nonlinearity of transmitters and wireless channels, a nonlinear channel estimation and equalization technique of OFDM system is proposed based on training sequences. Firstly, the transmitter nonlinearity and unit impulse response of wireless channel are estimated with least squares (LS) algorithm, then the compensation of wireless channel and transmitter nonlinearity are done successively. Simulation results show that the proposed method may approach the result of OFDM wireless communication systems without nonlinearity under the perfect compensation of wireless channel.

中圖分類號：TN92

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.017

基金項目：國家自然科學基金項目(61371111)；交通運輸部應用基礎研究項目(2012-319-813-270)；江蘇政府留學獎學金(2012)

作者簡介：

收稿日期：2015-11-05

文獻引用格式：袁紅林，劉成云，包志華.一種正交頻分復用系統(tǒng)的非線性補償技術[J].電視技術，2016，40(1)：87-90.

YUAN H L,LIU C Y,BAO Z H.Nonlinearity compensation technology for OFDM systems[J].Video engineering，2016，40(1)：87-90.

發(fā)明專利：基于射頻指紋的無線發(fā)射機的識別方法(2011100742224)；一種從BPSK信號中獲取穩(wěn)健RFF的方法(201210577844.3)