CN105721381B

CN105721381B - 基于阈值矢量圆ofdm峰均比降低技术的fpga实现方法

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Publication number: CN105721381B
Application number: CN201610072747.7A
Authority: CN
Inventors: 王晶琦; 吴青青; 张春蕾; 张霖泽; 王栋; 吴文
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2036-02-01
Also published as: CN105721381A

Abstract

本发明公开了一种基于阈值矢量圆OFDM信号峰均比降低技术的FPGA实现方法。本发明阈值矢量圆技术的FPGA硬件实现采用查找表的方法，将调整后星座点的采样值用MATLAB软件提前计算好并存储在FPGA的ROM中，实现时根据使能信号直接调用ROM中数据即可。本发明阈值矢量圆技术的硬件实现方法通过直接调用查找表中数据，大大降低了硬件实现的复杂度，提高了运算速率，可以在满足通信协议对EVM指标要求的前提下，大幅降低所生成OFDM信号的PAPR值。

Description

基于阈值矢量圆OFDM峰均比降低技术的FPGA实现方法

技术领域

本发明属于信号处理和通信系统领域，具体是一种基于阈值矢量圆OFDM信号峰均比降低技术的FPGA实现方法。

背景技术

无线通信技术的迅速发展使得数据业务需求不断激增，导致频谱资源日益稀缺。现代通信系统中广泛采用高频谱利用率的非恒定包络信号。但是此类信号峰均比较高，进一步加剧了射频功率放大器线性度和效率之间的矛盾。如何有效的降低信号峰均比成为OFDM通信系统中一大关键难题。

由于降低OFDM信号的峰均比对实际应用意义重大，目前国内外学者已经取得众多研究成果，提出大量的算法，这些算法大体可以分为三类：信号预畸变类，编码类，概率类。信号预畸变类算法主要是在信号的幅度峰值或谷值附近采用非线性过程来降低PAPR值，是最简单、最直接同时也是使用最广泛的峰均比降低技术，但是该类算法实质上是通过引入信号失真来减少峰值的，都会增加EVM。由于现代通信系统协议对EVM的指标都提出了要求，因此在实际系统中，需要有效控制峰均比与EVM值之间的平衡，在满足通信协议对EVM指标要求的前提下降低OFDM信号的峰均比。

FPGA凭借运算速度快、体系结构和逻辑单元灵活、可重复利用、集成度高以及开发周期短等优点，广泛应用于数字专用集成电路设计中。因此，在FPGA平台上对OFDM信号的峰均比降低技术进行实现，可以更加深刻的理解各类峰均比降低技术的优缺点和适用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于阈值矢量圆的OFDM信号峰均比降低技术的FPGA实现方法。该方法可以应用于任何使用OFDM传输方式的通信系统，可以在满足通信协议对EVM指标要求的前提下，大幅降低所生成OFDM信号的峰均比值。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于阈值矢量圆OFDM信号峰均比降低技术的FPGA实现方法，具体步骤如下：

步骤1、将经过直接限幅的OFDM信号转换到频域，对每一个象限的频域星座点定义一个相同的阈值矢量圆半径R；

步骤2、经过星座图坐标原点O画阈值矢量圆的两条切线(L1，L2)，并得到切线L1与x轴的夹角θ₁以及切线L2与x轴的夹角为θ₂，且θ₁<θ₂；

步骤3、根据阈值矢量圆半径R，用MATLAB软件提前计算出查找表1和2中存储的调整后星座点值；

步骤4、计算每一个星座点到对应象限理想星座点的距离Distance，并判断距离Distance是否大于阈值半径R；若Distance<R，则对应星座点不作任何处理；若Distance≥R，则用FPGA中的CORDIC核计算出该星座点的相位Phase，然后分两种情况对星座点进行调整；

步骤5、根据查找表地址标号k和使能信号en寻址查找表1和2，读出对应存储值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明的OFDM信号峰均比降低技术在降低峰均比的同时考虑到了通信系统协议对EVM的指标要求，可以在满足通信协议对EVM指标要求的前提下，大幅降低所生成OFDM信号的PAPR值。

(2)本发明的OFDM信号峰均比降低技术的FPGA硬件实现采用了查找表的方法，将调整后星座点的值提前计算好并存储在FPGA的ROM中，这样在实现时可以先计算出查找表的地址，然后根据使能信号直接调用查找表中的数据，可以省去许多耗费资源的乘法和除法运算，大大简化了硬件实现的复杂度，具有实际应用价值。

附图说明

图1为本发明的阈值矢量圆技术的FPGA硬件实现流程图。

图2为本发明的阈值矢量圆技术的原理图。

图2中，O’为阈值矢量圆圆心，同时也是理想星座点位置；R为阈值矢量圆半径；O为直角坐标轴交点；L1和L2为经过O点且与阈值矢量圆相切的两条切线；G1和G2分别为切线L1，L2与阈值矢量圆的切点；θ₁和θ₂分别为切线L1，L2与x轴的夹角；A为需要调整的星座点；B，C为A点调整之后的两个可选位置，若A、B两点之间的距离小于A、C两点之间的距离，则将A点调整到B点，反之，调整到C点。

图3为本发明实施例1中在FPGA硬件平台上，经过阈值矢量圆技术降低峰均比之后的OFDM信号的时域波形与原始信号时域波形的对比图。

图4为本发明实施例1中在FPGA硬件平台上，经过直接限幅后的OFDM信号星座图。

图5为本发明实施例1中在FPGA硬件平台上，经过直接限幅后的OFDM信号运用阈值矢量圆技术降低峰均比之后的星座图。

图6为本发明实施例1中在FPGA硬件平台上，原始OFDM信号与运用阈值矢量圆技术降低峰均比之后的OFDM信号的CCDF曲线。

具体实施方式

阈值矢量圆技术的基本思想是根据EVM指标要求设定星座图阈值圆半径，对限幅后信号星座点的幅度和相位进行调整，将星座点限制在阈值圆范围内，从而保证经过峰均比降低处理后的OFDM信号仍然能满足通信系统对EVM的指标要求。本发明通过调整频域信号星座点的幅度和相位，将星座点限制在阈值圆范围内，从而可以在满足通信协议对EVM指标要求的前提下，大幅降低所生成OFDM信号的峰均比值。另外，硬件实现时采用查找表的方法，将调整后星座点的采样值事先计算好并存储在FPGA的ROM中，然后根据使能信号直接调用ROM中数据即可，大大降低了硬件实现的复杂度。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

结合图1-6，本发明基于阈值矢量圆OFDM信号峰均比降低技术的FPGA实现方法，具体步骤如下：

步骤1、将原始的OFDM信号直接限幅，然后经过FFT运算转换到频域，经过直接限幅后的OFDM信号的星座点如图4所示，可以看出，限幅操作引起严重的带内失真和带外干扰，其星座点分散在理想星座点周围，增加了系统解调时出错的可能性，计算得到，直接限幅后信号的EVM＝12.63％，需要进行EVM控制。

步骤2、对直接限幅后的OFDM信号的频域星座点定义一个阈值矢量圆半径R，以第一象限为例，如图2所示。

步骤3、经过星座图坐标轴原点O画阈值矢量圆的两条切线(L1，L2)，并得到切线L1与x轴的夹角θ₁以及切线L2与x轴的夹角为θ₂，且θ₁<θ₂，如图2所示。

步骤4、根据阈值矢量圆半径R，用MATLAB软件提前计算出查找表1和表2中存储的调整后星座点值，具体计算方法为：

a1).根据半径R，计算出切线L1和L2之间的夹角θ：

a2).将角度θ平均分为20等份，得到角度间隔

a3).对于每一等份的角度θ_m＝θ₁+m·Δθ(m＝0,1,...,19)，计算出经过O点且斜率为tanθ_m的直线与阈值圆的两组交点(x_m1,y_m1)和(x_m2,y_m2)：

其中，k_m＝tanθ_m，i表示对应象限理想星座点的坐标值，取值为1或-1。对于四个象限，共计算得到80组采样点(x_m1,y_m1)和80组(x_m2,y_m2)值；

步骤5、将上述步骤a1-a3计算所得的80组采样点(x_m1,y_m1)和80组(x_m2,y_m2)值存储于查找表1和2中，存储方式具体为：

对于第一象限和第三象限的点，将公式(2)计算出的坐标值(x_m1,y_m1)分别存储于表1中地址为0-19和40-59的位置处，将公式(3)计算的坐标值(x_m2,y_m2)存储于表2中相同位置处；对于第二象限和第四象限的点，将公式(2)计算出的坐标值(x_m1,y_m1)分别存储于表1中地址为20-39和60-79的位置处，将公式(3)计算的坐标值(x_m2,y_m2)存储于表2中相同位置处。

表1 阈值矢量圆技术星座点调整后实部(Re)和虚部(Im)值(R＝0.109)

表2 阈值矢量圆技术星座调整点后实部(Re)和虚部(Im)值(R＝0.109)

步骤6、计算每一个星座点到对应象限理想星座点的距离Distance，并判断距离Distance是否大于阈值半径R。若Distance<R，则对应星座点不作任何处理；若Distance≥R，则用FPGA中的CORDIC核计算出该星座点的相位Phase，然后分两种情况对星座点进行调整，如流程图1所示：

b1).对于相位Phase在[0,θ₁]范围内的星座点，可以直接调整到切线L1与阈值矢量圆的切点G1位置处；同理可以将相位Phase在[θ₂,π/2)范围内的点调整到切线L2与阈值圆的切点G2处。

b2).对于相位Phase在(θ₁,θ₂)范围内的星座点，假设其相位为θ_n，则对应的查找表地址标号为：

同时，拉高查找表1和2的使能信号en；

步骤7、根据步骤6得到的地址标号k和使能信号en，读出查找表存储值，具体方法为：

对于第一象限和第三象限的采样点，若其实部值大于x_k1，则输出存储值(x_k1,y_k1)，反之输出(x_k2,y_k2)；对于第二象限和第四象限的采样点，若实部值小于x_k1，则输出存储值(x_k1,y_k1)，反之输出(x_k2,y_k2)。其中，x_k1表示查找表1中地址为k时对应的调整后星座点实部值；

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明实施例的OFDM信号是在FPGA硬件平台上，基于IEEE802.11a物理层协议生成的，具体参数为：调制方式是QPSK；数据速率是12Mbit/s；采用1/2卷积编码；根据IEEE802.11a物理层协议规定，在数据速率为12Mbit/s时，发射机可允许相对星座图错误EVM为10％；采样频率是20MHz；FFT点数是64；每个OFDM符号有53个子载波，其中包括48个有效数据，4个导频和不传输符号的直流子载波；本实施例一共发送了95个OFDM符号；阈值矢量圆半径R设置为0.109。

如图3所示，横坐标表示信号的采样点，为了便于观察，图中取了3帧OFDM信号进行观察；纵坐标是信号的归一化幅度，以原始OFDM信号的幅度最大值为基准进行归一化；虚线表示原始OFDM信号的时域波形图；实线表示经过阈值矢量圆技术后的OFDM信号的时域波形图。可以看出，经过阈值矢量圆技术后，OFDM信号的峰值得到了明显的降低，经过计算，幅度降低到原始信号幅度最大值的78.46％以内。

图4表示OFDM信号经过直接限幅后的星座图，可以看出，限幅操作引起严重的带内失真和带外干扰，其星座点分散在理想星座点周围，增加了系统解调时出错的可能性，计算得到，限幅模块的EVM＝12.63％，需要运用阈值矢量圆技术进行EVM控制。

图5表示经过直接限幅的OFDM信号运用阈值矢量圆技术后的星座图。可以看出，经过阈值矢量圆技术后，信号星座点都被调整到阈值圆上，即离理想星座点更近。很明显，EVM得到有效的控制。计算得到，阈值矢量圆模块的EVM＝9.17％，满足802.11a协议要求，并且相较于限幅模块，EVM降低3.46％。

图6表示原始OFDM信号与运用阈值矢量圆技术降低峰均比之后的OFDM信号的CCDF曲线。计算得到，原始信号的峰均比为8.616dB，运用阈值矢量圆技术后OFDM信号的峰均比降低到6.766dB，降低了1.85dB。

本发明的阈值矢量圆技术的硬件实现方法通过将调整后星座点的采样值用MATLAB软件提前计算好并存储在FPGA的ROM中，实现时根据使能信号直接调用ROM中数据的方法，大大降低了硬件实现时运算的复杂度，提高了运算速率，同时可以在满足通信协议对EVM指标要求的前提下，大幅降低所生成OFDM信号的PAPR值。

Claims

1.一种基于阈值矢量圆OFDM信号峰均比降低技术的FPGA硬件实现方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、将经过直接限幅的OFDM信号转换到频域，对每一象限的频域星座点定义一个相同的阈值矢量圆半径R；

步骤5、根据查找表地址标号k和使能信号en寻址查找表1和2，读出对应的存储值；

所述查找表1和2为

表1阈值矢量圆技术星座点调整后实部Re和虚部Im值(R＝0.109)

表2阈值矢量圆技术星座调整点后实部Re和虚部Im值(R＝0.109)

地址 Re Im 地址 Re Im 地址 Re Im 地址 Re Im 0 0.77 0.63 20 -0.63 0.77 40 0.63 -0.77 60 -0.77 -0.63 1 0.73 0.59 21 -0.59 0.73 41 0.59 -0.73 61 -0.73 -0.59 2 0.70 0.59 22 -0.59 0.70 42 0.59 -0.70 62 -0.70 -0.59 3 0.69 0.59 23 -0.59 0.69 43 0.59 -0.69 63 -0.69 -0.59 4 0.69 0.59 24 -0.59 0.69 44 0.59 -0.69 64 -0.69 -0.59 5 0.67 0.59 25 -0.59 0.67 45 0.59 -0.67 65 -0.67 -0.59 6 0.66 0.61 26 -0.61 0.66 46 0.61 -0.66 66 -0.66 -0.61 7 0.66 0.61 27 -0.61 0.66 47 0.61 -0.66 67 -0.66 -0.61 8 0.64 0.61 28 -0.61 0.64 48 0.61 -0.64 68 -0.64 -0.61 9 0.64 0.63 29 -0.63 0.64 49 0.63 -0.64 69 -0.64 -0.63 10 0.63 0.63 30 -0.63 0.63 50 0.63 -0.63 70 -0.63 -0.63 11 0.63 0.64 31 -0.64 0.63 51 0.64 -0.63 71 -0.63 -0.64 12 0.61 0.64 32 -0.64 0.61 52 0.64 -0.61 72 -0.61 -0.64 13 0.61 0.66 33 -0.66 0.61 53 0.66 -0.61 73 -0.61 -0.66 14 0.61 0.66 34 -0.66 0.61 54 0.66 -0.61 74 -0.61 -0.66 15 0.59 0.67 35 -0.67 0.59 55 0.67 -0.59 75 -0.59 -0.67 16 0.59 0.69 36 -0.69 0.59 56 0.69 -0.59 76 -0.59 -0.69 17 0.59 0.69 37 -0.69 0.59 57 0.69 -0.59 77 -0.59 -0.69 18 0.59 0.70 38 -0.70 0.59 58 0.70 -0.59 78 -0.59 -0.70 19 0.59 0.73 39 -0.73 0.59 59 0.73 -0.59 79 -0.59 -0.73

；

步骤3所述计算查找表1和2中存储的调整后星座点值的具体方法为：

a1).根据阈值矢量圆半径R，计算出切线L1和L2之间的夹角θ：

a2).将角度θ平均分为20等份，得到角度间隔

a3).对于每一等份的角度θ_m＝θ₁m·Δθ(m＝0,1,...,19)，计算出经过O点且斜率为tanθ_m的直线与阈值圆的两组交点(x_m1,y_m1)和(x_m2,y_m2)：

其中，k_m＝tanθ_m，i表示对应象限理想星座点的坐标值，取值为1或-1，对于四个象限，共计算得到80组采样点(x_m1,y_m1)和80组(x_m2,y_m2)值；

将上述步骤a1-a3计算所得的80组采样点(x_m1,y_m1)和80组(x_m2,y_m2)值存储于查找表1和2中，具体存储方式为：

2.根据权利要求1所述的基于阈值矢量圆OFDM信号峰均比降低技术的FPGA硬件实现方法，其特征在于：步骤4所述:当Distance≥R时，用FPGA中的CORDIC核计算出该星座点的相位Phase，然后分两种情况对星座点进行调整，具体调整方法为：

b1).对于相位Phase在[0,θ₁]范围内的星座点，直接调整到切线L1与阈值矢量圆的切点G1位置处；将相位Phase在[θ₂,π/2)范围内的点调整到切线L2与阈值圆的切点G2处；

同时，拉高查找表1和2的使能信号en。

3.根据权利要求1所述的基于阈值矢量圆OFDM信号峰均比降低技术的FPGA硬件实现方法，其特征在于：步骤5所述根据地址标号k和使能信号en，读出查找表内对应存储值的具体方法为：

对于第一象限和第三象限的采样点，若其实部值大于x_k1，则输出存储值(x_k1,y_k1)，反之输出(x_k2,y_k2)；对于第二象限和第四象限的采样点，若实部值小于x_k1，则输出存储值(x_k1,y_k1)，反之输出(x_k2,y_k2)；其中，x_k1表示查找表1中地址为k时对应的调整后星座点实部值。