一種光OFDM系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)峰均比的抑制方法

賈陽(yáng)靜，陳艾琳，李 萍，王金鵬，高英明，鄒念育

（大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連116034）

一種光OFDM系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)峰均比的抑制方法

賈陽(yáng)靜，陳艾琳，李 萍，王金鵬，高英明，鄒念育

（大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連116034）

針對(duì)光O FD M系統(tǒng)中存在較高的峰均功率比問(wèn)題，介紹了峰均比的產(chǎn)生原因及描述方法?；诋?dāng)前降低峰均比方法的分析對(duì)比，提出了基于部分傳送序列（PTS）和μ律壓擴(kuò)技術(shù)相結(jié)合的算法來(lái)抑制光O FD M系統(tǒng)的峰均比，然后搭建了光O FD M仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。

光正交頻分復(fù)用；峰均功率比；部分傳送序列；μ律算法

0 引言

OFDM技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有幾十年的歷史，因其頻譜利用率高，抗多徑效應(yīng)和色散等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到無(wú)線(xiàn)通信和光纖通信系統(tǒng)中。然而無(wú)論在無(wú)線(xiàn)通信還是光纖通信中，OFDM技術(shù)也存在一定的缺點(diǎn)，即：較大的峰值平均功率比 （Peak-to-average Power ratio，PAPR）問(wèn)題。目前降低PAPR的方法是在發(fā)射端對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行處理，然后再進(jìn)行傳輸；在接收端，針對(duì)發(fā)射端信號(hào)處理方法進(jìn)行逆變換恢復(fù)初始信號(hào)。降低PAPR的方法可分為三類(lèi)：限幅類(lèi)技術(shù)、編碼類(lèi)技術(shù)和概率類(lèi)技術(shù)[1]。這三類(lèi)方法都能夠解決峰均比問(wèn)題，但是都有自己的不足之處。限幅法雖能夠降低PAPR，但是會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響誤碼率[2]；編碼類(lèi)適用于子載波數(shù)較?。ㄐ∮?4）的情況，然而在實(shí)際的光OFDM系統(tǒng)中，子載波數(shù)一般都比較大，因此該方法不太實(shí)用[3]；概率類(lèi)技術(shù)是減少較大峰值功率出現(xiàn)的概率來(lái)降低PAPR，如部分傳送序列 （Partial Transmit Sequence，PTS），但是計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較高[4]。本文采用部分傳送序列和μ律壓擴(kuò)算法相結(jié)合來(lái)降低PAPR并將其應(yīng)用到光OFDM系統(tǒng)中。

1PAPR基本理論

OFDM信號(hào)之所以會(huì)產(chǎn)生較大的PAPR，因?yàn)樗且环N多載波調(diào)制方式，OFDM信號(hào)是由加載到子載波后的信號(hào)分別進(jìn)行QAM映射和IFFT變換后疊加而成。因此，當(dāng)加載到子載波上的信號(hào)相位一致時(shí)就會(huì)導(dǎo)致OFDM信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)較大的峰值功率，從而產(chǎn)生較高的峰均比[5]。一個(gè)離散時(shí)域OFDM信號(hào)的表達(dá)

式為：

其中，N為離散OFDM信號(hào)的子載波數(shù)，Sk(k=0,……, N-1)是經(jīng)過(guò)QAM映射后的輸入信號(hào)，sn是得到的離散時(shí)域OFDM信號(hào)序列。因此OFDM信號(hào)的峰均比定義為在一個(gè)周期內(nèi)信號(hào)的瞬時(shí)峰值功率和平均功率的比值，即：

在光OFDM系統(tǒng)中，為了保證PAPR相對(duì)較小，理論上必須采用較小的子載波數(shù)。但在實(shí)際系統(tǒng)工程中，為了充分利用系統(tǒng)頻譜，OFDM調(diào)制方式通常采用較多的子載波數(shù)，從而會(huì)產(chǎn)生較大的PAPR。因此，為了使OFDM調(diào)制方式在光通信系統(tǒng)中發(fā)揮更大作用，采用一定方法來(lái)限制PAPR是十分必要的。

2 PTS和μ律算法分析

為了能夠更好地降低光OFDM系統(tǒng)的PAPR，我們采取PTS和μ律算法相結(jié)合的方法，得到了較好的效果。首先，PTS算法基本思想是引入相位因子b(v),尋找使OFDM信號(hào)PAPR最小的相位。即：將在信號(hào)進(jìn)行mQAM映射之后將其分成V個(gè)互不重疊子塊，每個(gè)子塊向量中包含的子載波個(gè)數(shù)與信號(hào)分塊前是相同的，子塊中沒(méi)有繼承mQAM映射信號(hào)的相應(yīng)位置取0，保證輸出的信號(hào)大小與原信號(hào)一致。然后分別對(duì)V個(gè)子塊進(jìn)行IFFT變換，與相位因子b(v)相乘，將其輸出結(jié)果輸入到優(yōu)化算法，旨在尋找到使PAPR最小的相位因子b(v)。最后該相位再分別乘IFFT變換的信號(hào)，將V個(gè)子塊變換后的信號(hào)求和輸出，即為改進(jìn)后的OFDM信號(hào)[6，7]，原理圖如圖1所示。

圖1 PTS算法原理圖

由原理圖可知，分塊V越多，PTS技術(shù)的計(jì)算復(fù)雜度就越高，費(fèi)時(shí)越大。雖然PAPR值會(huì)隨著V的增大而變小，但費(fèi)時(shí)不實(shí)用。因此采用的分塊數(shù)為8，計(jì)算量相對(duì)較小而且能夠降低PAPR。圖2為采用不同分塊數(shù)V和4QAM調(diào)制方式，相位因子在{-1,1}中選取，載波數(shù)為256的CCDF曲線(xiàn)圖。從圖2可以得出，V取不同值時(shí)，PTS算法均可以使PAPR得到一定程度的降低，但V值越大會(huì)導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度增大，耗費(fèi)太多時(shí)間。因此在PTS和μ律相結(jié)合的算法中選取V=8，即可以達(dá)到降低PAPR效果，也不會(huì)消耗太多時(shí)間。當(dāng)V=8時(shí)，PAPR能夠從13dB降低到8.5dB左右。

圖2 取不同V值時(shí)PTS算法的CCDF曲線(xiàn)

μ律算法屬于壓擴(kuò)算法的范疇，處理信號(hào)s′(n)的方法是：在發(fā)射端采用μ律函數(shù)對(duì)功率較大的信號(hào)進(jìn)行壓縮，在接收端再對(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)。文獻(xiàn)[8]將μ律函數(shù)應(yīng)用到光OFDM系統(tǒng)中，經(jīng)μ律變換后的信號(hào)s′(n)可表示為：

式（3）中μ為壓擴(kuò)系數(shù)。由X.Wang提出的基于語(yǔ)音處理的μ律壓擴(kuò)算法可知[9]，壓擴(kuò)系數(shù)μ為1時(shí)壓擴(kuò)曲線(xiàn)近似線(xiàn)性但是不能實(shí)現(xiàn)壓縮信號(hào)功能，隨著μ的增加，壓擴(kuò)函數(shù)曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性變化，若選取較大的μ值會(huì)造成較大的信號(hào)失真，誤碼率升高。結(jié)合圖3、圖4可知，μ值越大雖然降低PAPR程度較大，由于壓擴(kuò)曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)既可以壓縮信號(hào)又不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大失真，聯(lián)合算法中選取μ值為5。圖4為OFDM信號(hào)中采用μ律算法的CCDF曲線(xiàn)，從圖中可知，對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行μ律壓擴(kuò)，μ=5時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)PAPR從13dB左右降低到8dB左右。

由以上分析可得出PTS和μ律壓擴(kuò)算法都可以達(dá)到降低PAPR的效果，PTS算法實(shí)現(xiàn)存在計(jì)算復(fù)雜度問(wèn)題，但是能夠提高信號(hào)傳輸質(zhì)量；μ律壓擴(kuò)算法屬于限幅類(lèi)的范疇，雖然降低PAPR的程度較大，但是以犧牲信號(hào)質(zhì)量和誤碼率提升為代價(jià)的。因此本文采用PTS和μ律壓擴(kuò)算法相結(jié)合，互相彌補(bǔ)各自的不足，效果比分別采用兩種方法要好。具體操作步驟是：在發(fā)射端將信號(hào)經(jīng)4QAM映射后先經(jīng)過(guò)PTS算法，將其輸出結(jié)果再進(jìn)行μ律壓擴(kuò)，然后再進(jìn)行輸出。圖5是V=8、μ=5時(shí)PTS和μ律壓擴(kuò)算法相結(jié)合后用MATLAB仿真后的CCDF曲線(xiàn)，PAPR從原始信號(hào)的13dB降低到6.2dB左右。

圖3 不同μ值的壓擴(kuò)曲線(xiàn)

圖4 不同μ值μ律壓擴(kuò)算法的CCDF曲線(xiàn)

圖5 基于PTS和μ律壓擴(kuò)聯(lián)合算法的CCDF曲線(xiàn)

3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

根據(jù)前文分析，為了降低光OFDM系統(tǒng)的PAPR值，將PTS和μ律壓擴(kuò)技術(shù)相結(jié)合的算法調(diào)用到光OFDM系統(tǒng)中，利用VPI transmission Maker光學(xué)仿真軟件建立光OFDM系統(tǒng)，最終達(dá)到降低光OFDM系統(tǒng)PAPR值的目的，得到了較好的傳輸性能?；赑TS和μ律壓擴(kuò)算法的光OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 基于PTS和μ律壓擴(kuò)算法的光OFDM系統(tǒng)框圖

從圖6可知，光OFDM系統(tǒng)由發(fā)射端、光纖鏈路和接收端三部分構(gòu)成。在發(fā)射端，針對(duì)原始OFDM信號(hào)進(jìn)行峰均比抑制的主要操作是：首先，OFDM信號(hào)是由二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)串并變換、QAM調(diào)制后，加入到PTS算法來(lái)抑制OFDM信號(hào)高峰值時(shí)出現(xiàn)的。然后再經(jīng)并串變換后進(jìn)入μ律壓擴(kuò)算法，目的是將輸入算法前的功率較大的信號(hào)進(jìn)行壓縮，這樣經(jīng)過(guò)壓擴(kuò)算法后的輸出信號(hào)的峰均比變?。辉俳?jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出改進(jìn)后的時(shí)域OFDM波形。其次，由于輸出的OFDM信號(hào)還是頻率較低的基帶信號(hào)，因此需要一個(gè)本地振蕩源將信號(hào)調(diào)制到中頻，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)90°相位延遲器實(shí)現(xiàn)相位移動(dòng)，得到OFDM的正交和同相分量。最后，OFDM信號(hào)在分布反饋式激光器的作用下進(jìn)行馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制后輸出光載OFDM信號(hào)，經(jīng)10km的SMF光纖鏈路進(jìn)行傳輸。

在接收端，由PIN光電二極管進(jìn)行接收，將光OFDM信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再經(jīng)一個(gè)本地振蕩源下變頻至基帶OFDM信號(hào)，經(jīng)OFDM接收模塊進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)過(guò)程為：首先A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)μ律逆變換和逆PTS算法、4QAM解調(diào)模塊、并串變換后恢復(fù)原始信號(hào)。光OFDM系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 光OFDM系統(tǒng)主要參數(shù)

在VPI光學(xué)仿真軟件上運(yùn)行光OFDM系統(tǒng)，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7是加入PTS和μ律算法后的OFDM信號(hào)星座圖，可看出加入算法后的信號(hào)星座圖收斂性較好。從圖8算法前后的BER對(duì)比圖得出，采用PTS和μ律算法后的光OFDM信號(hào)的誤碼率比原始信號(hào)的誤碼率有所降低。

圖7 加入算法后接收端星座圖

圖8 信號(hào)誤碼率對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

OFDM技術(shù)因其抗色散和偏振模色散、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)在光纖通信中被廣泛應(yīng)用，然而高PAPR問(wèn)題同樣影響著光OFDM技術(shù)的發(fā)展。本文經(jīng)仿真分析PTS和μ律壓擴(kuò)算法能夠?qū)APR從13dB降低到6.2dB左右，比單獨(dú)采用PTS或μ律壓擴(kuò)技術(shù)效果要好。將該算法調(diào)用到光OFDM系統(tǒng)中，結(jié)果表明PTS和μ律壓擴(kuò)算法可以降低光OFDM系統(tǒng)中的PAPR，且系統(tǒng)星座圖收斂性較好，誤碼率得到改善。

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Suppression method of transmitting signals PAPR in optical OFDM system

JIA Yang-jing,CHEN Ai-lin,LI Ping,WANG Jin-peng,GAO Ying-ming,ZOU Nian-yu
(Dalian Polytechnic University,Research Institute of Photonics,Dalian Liaoning 116034,China)

Due to optical OFDM system existing high peak to average power ratio (PAPR),this paper introduces the producing reason and description method of PAPR.Based on the comparison and analysis of current reducing PAPR approaches,a joint algorithm based on partial transmit sequence(PTS)and μ-law companding technology was proposed to suppress PAPR in optical OFDM system.Then a simulation and verification of optical OFDM system was set up.

optical orthogonal frequency division multiplexing,peak-to-average power ratio,partial transmit sequence,μ-law algorithm

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0048-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.015

2015-10-19。

2014年遼寧省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助；遼教發(fā)[2014] 154）;2014年遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目(UPRP20140139)資助；2014年大連市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014A11GX052）基金項(xiàng)目資助。

賈陽(yáng)靜（1990-），女，碩士研究生，主要從事光通信系統(tǒng)中OFDM技術(shù)的研究。