基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术应用于任何在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。

Implementation of Direct Limiting Technology for Threshold Vector Circle OFDM Signal Based on FPGA

The invention belongs to the field of signal processing and communication system technology, and discloses a method of realizing direct limit of OFDM signal based on threshold vector circle on FPGA hardware platform by using look-up table method. The coordinates of the pre-calculated threshold vector circle are stored in the ROM of the FPGA, and the ROM address is determined according to the tangent value of signal phase, which reduces the complexity of operation. Degree decreases the transmission delay of OFDM system while guaranteeing that PAPR meets the requirement of index, and there is only one table look-up quantization error. The invention only stores points on the eighth circumference of the vector circle, and other parts are obtained by triangular transformation, thereby reducing the use of ROM resources in the FPGA. The invention is applied to any communication system developed on the platform of FPGA, which uses the OFDM transmission mode to realize the direct limit of the signal under a small system overhead, so as to reduce the PAPR.

【技术实现步骤摘要】
基于阈值矢量圆OFDM信号直接限幅技术的FPGA实现方法
本专利技术属于信号处理和通信系统
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术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。本专利技术是这样实现的，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(Ii,Qi)，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＝Pmax；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(Ii,Qi)，计算其与矢量圆的相对位置，若Ii2+Qi2＞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(Ii,Qi)计算在ROM中的地址，在ROM中查得新的实部和虚部，记为Ii′和Qi′，进行调整后，作为更新后的坐标值。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术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。本专利技术的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。本专利技术的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。本专利技术的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是本专利技术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是本专利技术实施例提供的FPGA硬件实现原理图。图3是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合附图对本专利技术的应用原理作详细的描述。如图1所示，本专利技术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R本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。2.如权利要求1所述的基于阈值矢量圆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(Ii,Qi)，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＝Pmax；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛建华，林津辉，王洋洋，董文泰，孙振辉，吴晚春，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61