基于带外立方度量OCM的新型功率回退量度量系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于带外立方度量OCM的新型功率回退量度量系统及方法，系统包括串/并变换、IFFT变换、并/串变换、信号OCM度量值计算和功率回退量计算模块，串/并变换模块与IFFT变换模块的输入端相连，IFFT变换模块的一个输出端依次通过信号OCM度量值计算模块和功率回退量计算模块与功率放大器连接。方法包括：计算原始OFDM信号平均功率值P

说明书

技术领域

本发明涉及功率回退量度量领域，特别是涉及一种基于带外立方度量OCM的新型功率 回退量度量系统及方法。

背景技术

OFDM技术是一种多载波数字调制技术，OFDM信号是由多个独立子载波信号叠加而成 的。因此，当子载波个数增至比较多时，OFDM时域信号将近似为复数高斯随机过程，因而 其信号包络波动性要比单载波系统大得多。信号包络波动性太大需要功率放大器（power  amplifier，PA）有大的线性范围，否则，信号进入非线性区域，会引起严重的带外辐射 （out-of-band radiation，OBR），造成相邻信道的干扰。可是，因为PA的非线性特性，要求 功率放大器有很大的线性动态范围，这在技术上难以实现且不经济。

对信号进行一定的功率回退是避免信号进入非线性区域的简单直接的方法，但是，如果 功率回退过小，则无法避免OBR影响；反之，则会引起PA效率降低。所以，准确预测所需 要的功率回退量非常重要。

现有的研究表明，通过度量OFDM信号包络的波动性大小可以预测所需的功率回退量。 目前，已有的两种度量手段包括：峰均功率比（peak-to-average power ratio，PAPR）和立方 度量（cubic metric，CM）。然而，这两种方法在预测功率回退量方面，都不够准确。

具体说明如下：

令向量X＝[X(0),X(1),...,X(N-1)]表示输入OFDM符号，L表示过采样因子，那么， OFDM离散时域信号可以表示为：

$x\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}X\left(k\right)·e^{j\frac{2\mathrm{\pi nk}}{\mathrm{LN}}},n=\mathrm{0,1},...,\mathrm{LN}-1;---\left(1\right)$

采用三阶多项式模型来描述功率放大器的非线性特性，可以表示为：

y(n)＝a₁x(n)+a₃x(n)|x(n)|²，     (2) 其中，a₁和a₃是功率放大器模型的复数系数，而x(n)和y(n)分别表示PA的输入和输出信号。

对于输入PA的OFDM信号，输出信号y(n)的自相关函数可以表示为：

$R_{\mathrm{yy}}\left(\tau \right)={|a_1+2a_{3}A|}^2{R}_{\mathrm{xx}}\left(\tau \right)+2{\left|a_3\right|}^2{R}_{\mathrm{xx}}^2\left(\tau \right),---\left(3\right)$其中，A＝E[|x(t)|²]表示x(n)的平均功率。

根据Winner-Khintchine定理，y(n)的功率谱密度表示为：

S_yy(ω)＝|a₁+2a₃A|²S_xx(ω)+2|a₃|²S_xx(ω)*S_xx(ω)*S_xx(ω)；    (4) 其中，*表示卷积操作，通过式(4)可以看出：

①OBR是由三阶非线性引起的，而PAPR算法只考虑了峰值功率，不能够准确表示OBR；

②三阶非线性不仅引起OBR，而且也会引起带内失真。

现在，只考虑三阶非线性失真，根据矢量正交分解定理，将输出信号的三阶部分 x(n)|x(n)|²分解成两个部分：一部分是x(n)的同向分量，即线性部分；另一部分是x(n)的 正交分量，即失真部分。可以表示为：

x(n)|x(n)|²＝ηx(n)+(x(n)|x(n)|²-ηx(n))；     (5) 其中，

$\eta =\frac{E[x\left(n\right){\left|x\left(n\right)\right|}^2·x^{*}\left(n\right)]}{E[x\left(n\right)·x^{*}\left(n\right)]}=\frac{E\left[{\left|x\left(n\right)\right|}^4\right]}{E\left[{\left|x\left(n\right)\right|}^2\right]};---\left(6\right)$

那么，式(5)的线性部分对应的功率与全部三阶输出功率的比值可以表示为：

$\frac{E\left[{\left|\mathrm{\eta x}\left(n\right)\right|}^2\right]}{E\left[{x\left(n\right)\left|x\left(n\right)\right|}^2{|}^2\right]}={\left|\frac{E[{\left|x\left(n\right)\right|}^4}{E[{\left|x\left(n\right)\right|}^2}\right|}^2·\frac{E\left[{\left|x\left(n\right)\right|}^2\right]}{E\left[{\left|x\left(n\right)\right|}^2\right]};---\left(7\right)$

如前所述，信号x(n)服从复数高斯分布，由于E[|x(n)|^2k]＝k!A^k，因此式(7)最终可以变 换成：

$\frac{E\left[{\left|\mathrm{\eta x}\left(n\right)\right|}^2\right]}{E\left[{\left|x\left(n\right)\right|x\left(n\right)|}^2{|}^2\right]}={\left|\frac{2!A^2}{A}\right|}^2·\frac{A}{3!A^3}=\frac{2}{3};---\left(8\right)$

通过式(8)可以看出：大约有2/3的三阶非线性失真信号分布在主带内，只有大约1/3的 三阶非线性失真信号落入相邻信道，产生带外辐射。实际上，CM度量方法却将三阶非线性 失真信号落入带内以及带外的部分全部用来预测功率回退量，所以CM算法也不够准确。

本发明提出了一种新的度量方法，即带外立方度量（out-of-band CM，OCM），能够更加 准确地预测所需的功率回退量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于带外立方度量OCM的新型功率回 退量度量系统及方法，用来预测功率放大器PA所需要的功率回退量，直接利用三阶输出的 带外部分来预测带外辐射，更加准确地预测所需的功率回退量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于带外立方度量OCM的新型功率回退 量度量系统，它包括串/并变换模块、IFFT变换模块、并/串变换模块、信号OCM度量值计算 模块和功率回退量计算模块，串/并变换模块的输入端连接OFDM输入信号，串/并变换模块 用于将输入比特流变换生成一个OFDM数据符号，串/并变换模块的输出端与IFFT变换模块 的输入端相连，IFFT变换模块用于变换得到OFDM时域信号，IFFT变换模块的一个输出端 依次通过信号OCM度量值计算模块和功率回退量计算模块与功率放大器连接，IFFT变换模 块的另一个输出端直接通过并/串变换模块与功率放大器相连。

基于带外立方度量OCM的新型功率回退量度量系统还包括D/A转换器，并/串变换模块 和功率回退量计算模块的输出端分别通过D/A转换器与功率放大器相连。

所述的信号OCM度量值计算模块包括原始OFDM信号平均功率值P_av计算子模块、 OFDM信号带外辐射平均功率值P_OB计算子模块和OCM度量值计算子模块，原始OFDM信 号平均功率值P_av计算子模块、OFDM信号带外辐射平均功率值P_OB计算子模块的输出分别连 接OCM度量值计算子模块的输入。

所述的原始OFDM信号平均功率值P_av计算子模块的计算算法为：

$P_{\mathrm{av}}=E\left[{\left|x\left(n\right)\right|}^2\right]=\frac{1}{\mathrm{LN}}\underset{n=0}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\Sigma }}{\left|x\left(n\right)\right|}^2,$

其中，x(n)表示OFDM离散时域信号，n＝0,1,...,LN-1， L表示过采样因子。

所述的OFDM信号带外辐射平均功率值P_OB计算子模块的计算算法为：

$P_{\mathrm{OB}}=\frac{1}{(L-1)N}\underset{k=N}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\Sigma }}{\left|C\left(k\right)\right|}^2,$

其中，C(k)表示经功率放大器引起的非线性失真部分所对应的频域符号， （k＝0,...,N-1）对应于非线性失真落入带内的频域符号， （k＝N,...,LN-1）对应于非线性失真落入带外辐射部分的频域符号。

所述的OCM度量值计算子模块的计算算法为：

$\mathrm{OCM}=10\log \left(\frac{P_{\mathrm{OB}}}{P_{\mathrm{av}}^2}\right)\left(\mathrm{dB}\right),$

其中，P_av表示原始OFDM信号平均功率值，P_OB表示OFDM信号带外辐射平均功率值。

所述的功率回退量计算模块的计算算法为：

PBO＝p₁×OCM+p₂(dB)，

其中，OCM表示信号OCM度量值计算模块输出的OCM度量值，p₁和p₂分别对应斜率和 偏移常量。

基于带外立方度量OCM的新型功率回退量度量方法，它包括以下步骤：

S1：计算原始OFDM信号平均功率值P_av；

S2：计算OFDM信号带外辐射平均功率值P_OB；

S3：根据P_av值和P_OB值计算OCM度量值；

S4：根据OCM度量值计算功率回退量PBO。

所述原始OFDM信号平均功率值P_av的计算方法为：

$P_{\mathrm{av}}=E\left[{\left|x\left(n\right)\right|}^2\right]=\frac{1}{\mathrm{LN}}\underset{n=0}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\Sigma }}{\left|x\left(n\right)\right|}^2,$

其中，x(n)表示OFDM离散时域信号，n＝0,1,...,LN-1，L 表示过采样因子；

所述OFDM信号带外辐射平均功率值P_OB的计算方法为：

$P_{\mathrm{OB}}=\frac{1}{(L-1)N}\underset{k=N}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\Sigma }}{\left|C\left(k\right)\right|}^2,$

其中，C(k)表示经功率放大器引起的非线性失真部分所对应的频域符号， （k＝,0,..N1-）对应于非线性失真落入带内的频域符号， （k＝N,...,LN-1）对应于非线性失真落入带外辐射部分的频域符号；

所述OCM度量值的计算方法为：

$\mathrm{OCM}=10\log \left(\frac{P_{\mathrm{OB}}}{P_{\mathrm{av}}^2}\right)\left(\mathrm{dB}\right),$

其中，P_av表示原始OFDM信号平均功率值，P_OB表示OFDM信号带外辐射平均功率值；

所述功率回退量PBO的计算方法为：

PBO＝p₁×OCM+p₂(dB)，

其中，OCM表示信号OCM度量值计算模块输出的OCM度量值，p₁和p₂分别对应斜率和 偏移常量。

本发明的有益效果是：主要采用OFDM信号的带外辐射平均功率与原始信号的平均功率 来预测功率回退量，直接利用三阶输出的带外部分来预测带外辐射，与传统PAPR和CM度 量方法相比，可以更加准确地预测功率放大器PA所需的功率回退量。

附图说明

图1为本发明功率回退量度量系统结构示意框图；

图2为本发明功率回退量度量方法流程图；

图3为预计功率回退量与PAPR增量关系图；

图4为预计功率回退量与CM增量关系图；

图5为预计功率回退量与OCM增量关系图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所 述。

通过背景技术部分的分析，三阶非线性输出功率的带外部分与功率放大器PA输出信号的 带外失真关系更加密切。因此，如果直接利用三阶输出的带外部分来预测带外辐射，那么将 会更加准确，这种新的度量方式被称作out-of-band CM（OCM）。

如图1所示，基于带外立方度量OCM的新型功率回退量度量系统，它包括串/并变换模 块、IFFT变换模块、并/串变换模块、信号OCM度量值计算模块和功率回退量计算模块，串 /并变换模块的输入端连接OFDM输入信号，串/并变换模块用于将输入比特流变换生成一个 OFDM数据符号，串/并变换模块的输出端与IFFT变换模块的输入端相连，IFFT变换模块用 于变换得到OFDM时域信号，IFFT变换模块的一个输出端依次通过信号OCM度量值计算模 块和功率回退量计算模块与功率放大器连接，IFFT变换模块的另一个输出端直接通过并/串变 换模块与功率放大器相连。

基于带外立方度量OCM的新型功率回退量度量系统还包括D/A转换器，并/串变换模块 和功率回退量计算模块的输出端分别通过D/A转换器与功率放大器相连。

所述的信号OCM度量值计算模块包括原始OFDM信号平均功率值P_av计算子模块、 OFDM信号带外辐射平均功率值P_OB计算子模块和OCM度量值计算子模块，原始OFDM信 号平均功率值P_av计算子模块、OFDM信号带外辐射平均功率值P_OB计算子模块的输出分别连 接OCM度量值计算子模块的输入。

所述的原始OFDM信号平均功率值P_av计算子模块的计算算法为：

$P_{\mathrm{av}}=E\left[{\left|x\left(n\right)\right|}^2\right]=\frac{1}{\mathrm{LN}}\underset{n=0}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\Sigma }}{\left|x\left(n\right)\right|}^2,$

其中，x(n)表示OFDM离散时域信号，n＝0,1,...,LN-1，L 表示过采样因子。

所述的OFDM信号带外辐射平均功率值P_OB计算子模块的计算算法为：

$P_{\mathrm{OB}}=\frac{1}{(L-1)N}\underset{k=N}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\Sigma }}{\left|C\left(k\right)\right|}^2,$

其中，C(k)表示经功率放大器引起的非线性失真部分所对应的频域符号， （k＝,0,..N1-）对应于非线性失真落入带内的频域符号， （k＝N,...,LN-1）对应于非线性失真落入带外辐射部分的频域符号。

所述的OCM度量值计算子模块的计算算法为：

$\mathrm{OCM}=10\log \left(\frac{P_{\mathrm{OB}}}{P_{\mathrm{av}}^2}\right)\left(\mathrm{dB}\right),$

其中，P_av表示原始OFDM信号平均功率值，P_OB表示OFDM信号带外辐射平均功率值。

所述的功率回退量计算模块的计算算法为：

PBO＝p₁×OCM+p₂(dB)，

其中，OCM表示信号OCM度量值计算模块输出的OCM度量值，p₁和p₂分别对应斜率和 偏移常量，可以通过仿真确定。

如图2所示，基于带外立方度量OCM的新型功率回退量度量方法，它包括以下步骤：

S1：计算原始OFDM信号平均功率值P_av；

S2：计算OFDM信号带外辐射平均功率值P_OB；

S3：根据P_av值和P_OB值计算OCM度量值；

S4：根据OCM度量值计算功率回退量PBO。

所述原始OFDM信号平均功率值P_av的计算方法为：

$P_{\mathrm{av}}=E\left[{\left|x\left(n\right)\right|}^2\right]=\frac{1}{\mathrm{LN}}\underset{n=0}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\Sigma }}{\left|x\left(n\right)\right|}^2,$

其中，x(n)表示OFDM离散时域信号，n＝0,1,...,LN-1，L 表示过采样因子；

所述OFDM信号带外辐射平均功率值P_OB的计算方法为：

$P_{\mathrm{OB}}=\frac{1}{(L-1)N}\underset{k=N}{\overset{\mathrm{LN}-1}{\Sigma }}{\left|C\left(k\right)\right|}^2,$

其中，C(k)表示经功率放大器引起的非线性失真部分所对应的频域符号， （k＝,0,..N1-）对应于非线性失真落入带内的频域符号， （k＝N,...,LN-1）对应于非线性失真落入带外辐射部分的频域符号；

所述OCM度量值的计算方法为：

$\mathrm{OCM}=10\log \left(\frac{P_{\mathrm{OB}}}{P_{\mathrm{av}}^2}\right)\left(\mathrm{dB}\right),$

其中，P_av表示原始OFDM信号平均功率值，P_OB表示OFDM信号带外辐射平均功率值；

所述功率回退量PBO的计算方法为：

PBO＝p₁×OCM+p₂(dB)，

其中，OCM表示信号OCM度量值计算模块输出的OCM度量值，p₁和p₂分别对应斜率和 偏移常量，可以通过仿真确定。

作为优选，采用的功率放大器是SSPA（solid state power amplifier）型放大器，其输入输 出表达式为：

$y\left(n\right)=\frac{x\left(n\right)}{{[1+{\left(\right(\left|x\left(n\right)\right|/\rho )}^{2p}]}^{1/2p}};$

其中，x(n)表示输入信号，y(n)表示输出信号，p＝2，ρ＝1。

将本发明提出的OCM方法与传统PAPR、CM方法进行比较，仿真采用的基本设置如表 1所示：

表1

设置项目 具体设置值 调制方式 QPSK 子载波数目 128 过采样率 4 OFDM帧数目 10

之后，分别计算出10帧随机生成的OFDM符号的PAPR、CM、OCM以及相应的输入功 率Pin，如表2所示：

表2

OFDM帧 PAPR CM OCM Pin 1 6.8381 6.068 -2.7354 -5.8511 2 8.1418 7.6895 -1.0677 -6.643 3 7.3565 7.6467 -1.3144 -6.4489 4 7.5644 7.5071 -0.6428 -6.7379 5 7.2257 7.692 -0.3597 -6.8681 6 9.0562 8.4712 1.105 -7.536 7 9.0758 9.3836 1.9885 -7.8606 8 10.6846 10.4008 2.9042 -8.4323 9 8.6941 7.9983 -0.1074 -7.1122 10 9.735 9.9632 2.4065 -7.9734

这10帧OFDM符号输入功率Pin的确定方法是：将信号分别输入到SSPA功率放大器， 当输出信号对应的ACLR=33dB时，对应的输入功率设为Pin。

在这10帧OFDM符号中，选择第1帧OFDM符号（包络起伏最小）作为参考来研究功 率回退量与不同度量方式的关系。令P₁和P_i,i＝2,...,10分别表示表2所示的参考符号和其他 9帧符号的输入功率。类似地，令M₁和M_i,i＝2,...,10分别表示这些符号的度量值（PAPR、 CM或者OCM）。那么，所需要的功率回退量表示为P₁-P_i,i＝2,...,10，度量增量表示为 M_i-M₁,i＝2,...,10。理想情况下，有P₁-P_i＝μ(M_i-M₁),i＝2,...,10，其中μ是常数。 这表明理想度量方法预测功率回退量没有误差。实际上，如果度量增量和功率回退量之间的 线性关系越好，那么采用该度量方法预测功率回退量就会越准确。

图3、4、5分别绘制了功率回退量与PAPR、CM、OCM的关系，并依照数据做出了线 性拟合曲线。PAPR、CM和OCM所对应的方差和（sum of square errors，SSE）分别是0.4515、 0.2642和0.0502。可以看出，OCM所对应的SSE最小，CM次之，PAPR最大。因此，可以 看出本发明提出的基于带外立方度量OCM的度量方法可以更加准确的预测PA所需的功率回 退量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式， 不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述 构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动 和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。