CN106209718A - 用于提升dd‑ofdm系统接收灵敏度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于提升DD‐OFDM系统接收灵敏度的方法和装置，通过对OFDM序列中各个符号的幅度进行检测，对低于阈值的符号按照拉伸系数进行放大，从而使得发送符号的功率得到极大提高。本发明通过线性放大低幅度OFDM符号，增大传输序列的幅度范围来提高发送符号的功率，从而增加接收端的SNR。

Description

用于提升DD-OFDM系统接收灵敏度的方法和装置
技术领域
本发明涉及的是一种光通信领域的技术，提出了一种用于提升直接检测正交频分复用(DD‐OFDM，Direct‐Detection Orthogonal Frequency Division Multiplexing)接收灵敏度的方案，具体是通过放大OFDM序列每个符号的幅度来提高DD‐OFDM接收灵敏度。
背景技术
随着云计算、交互式视频、多媒体服务等技术的迅速流行，带宽需求急剧增长，无源光网络(PON，Passive Optical Network)接入方式前景良好，已经成为一种为终端用户经济地提供高带宽的候选方案。长距离无源光网络(LR‐PON，Long‐reach PON)提供了一种经济的解决方案，目前正在被广泛研究以满足高容量、长距离、高分光比的要求。LR‐PON一般支持60‐100km的距离传输，用来连通城市网络，可以有效减少电子干扰和操作成本。对于LR‐PON来说，强度调制和直接检测(IM‐DD，Intensity‐Modulated Direct‐Detection)的方案具有低成本的优势，被学术界和工业界优先考虑。
一大批运用在LR‐PON场景中的调制技术被提出，例如时分复用(TDM，TimeDivision Multiplexing)，波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)和正交频分复用(OFDM)。
在这些技术中，光OFDM技术由于其抗色散、频谱效率高、带宽可灵活分配的优点，受到了学术和工业界的极大关注。然而，作为多载波信号的一种，OFDM信号的子载波会出现时域叠加，导致波形出现高峰，这会造成OFDM信号的峰均功率比(PAPR，Peak‐To‐AveragePower Ratio)较高。高峰信号容易受到电放大器限幅噪声和非线性效应的影响，并且商用数模转换器(DAC，Digital‐To‐Analog Converter)产生的放大量化噪声也会对传输表现产生不利影响。
更为值得注意的是，由于马赫‐曾德尔调制器(MZM，Mach‐Zehnder Modulator)偏置在调制曲线的四分之一点，信号的PAPR过高通常意味着光调制系数低，因此光探测器(PD，Photo‐Detector)处信噪比(SNR，Signal‐to‐noise Ratio)低。对如LR‐PON等支持的用户数量受功率大小限制的应用来说，OFDM较低的接收灵敏度是网络拓展的主要限制因素之一。
为了改进传输表现，继而提高在PON中使用的OFDM技术的接收灵敏度，不同方案比如截断法、压缩法、传输部分序列法(PTS，Partial Transmission Sequence)、星座拓展法(CE，Constellation Extension)和子载波预留法(TR，Tone Reservation)等被提出，大多数方案都集中在有效降低PAPR。截断法是最简单的方法，直接削除了超过预设阈值的高峰，增加了SNR从而改善传输表现，但这样会放大削除失真。压缩序列法压缩了信号高峰并且放大了整个信号的 平均功率，这样PAPR减小了，但OFDM子载波的正交条件被破坏。PTS、CE、TR来源于同一个想法，在多个可选序列中选择了PAPR最低的序列传输，但这些方案实行起来很复杂。上面提到的方案都是通过复杂的电域计算扭曲信号波形来改善平均功率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于提升DD‐OFDM系统接收灵敏度的方法和装置，通过线性放大低幅度OFDM符号，增大传输序列的幅度范围来提高发送符号的功率，从而增加接收端的SNR。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于提升DD‐OFDM系统接收灵敏度的方法，通过对OFDM序列中各个符号的幅度进行检测，对低于阈值的符号按照拉伸系数进行放大，从而使得发送符号的功率得到极大提高。
所述的OFDM序列，通常包含了成百上千个符号，每个符号都是快速傅里叶逆变换(IFFF，Inverse Fast Fourier Transform)对不同映射的星座点的输出，其简单表示为：其中：代表了星座符号集合[S0,S1,...,SN+1]，Sn是集中在第n+1个子载波的符号，代表了时域采样集合[s0,s1,...,sN+1]，sn是第n+1个采样点，其中：N是子载波编号。由于OFDM符号携带了不同的信息，因此每个符号的幅度分布差异非常大。
所述的拉伸系数αi由信号最高峰和整个序列的比值决定，具体为：其中：是时域采样集合，m是符号总数，abs(·)和max(·)是取绝对值函数和取最大值函数。
由于所述OFDM的调制为拟线形，因此接收端数模转换(DAC)的动态范围设置于在MZM的线性区内，从而约束OFDM序列在很小的范围，保证调制在线性区。
通过采用拉伸系数进行放大，使得整体传输的信号能量极大地提高了。由于此时DAC范围仍处于线性区，因此信号幅度变大带来的削除失真可以忽略。并且符号幅度放大可以使星座图的欧拉距离增大，因此接收端处SNR上升，此时星座图符号呈现出椭圆形。
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：位于发送端的马赫‐曾德尔调制器、激光器、波形发生器、电放大器和电衰减器以及位于接收端的掺铒光纤放大器、带通滤波器和光电检测器，其中：波形发生器经过电放大器和电衰减器后，与马赫‐曾德尔调制器的电信号输入端相连，分布反馈激光器经过偏振控制器连接到马赫‐曾德尔调制器的光信号输入端，发送端和接 收端通过单模光纤相连，电放大器和电衰减器将数模转换的电压设置于马赫‐曾德尔调制器的线性区。
附图说明
图1为本发明原理示意图；
图2为实施例1的流程示意图；
图中：信号发生器1、电放大器2、电衰减器3、分布反馈激光器4、偏振控制器5、马赫‐曾德尔调制器6、功率计7、80km单模光纤8、掺铒光纤放大器9、光谱仪10、带通滤波器11、光电检测器12以及实时示波器13；
图3为子载波数量分别为64、128、256的三组OFDM信号，在接收端接收功率和误码率的关系曲线，图中：(i)‐(iv)给出了接受功率为‐30dBm时符号未放大时和符号放大后的星座图。
具体实施方式
实施例1
如图2所述，本实施例采用以下装置实现，包括：位于发送端的马赫‐曾德尔调制器6、分布反馈激光器4、信号发生器1、电放大器2和电衰减器3以及位于接收端的掺铒光纤放大器9、带通滤波器11、光电检测器12以及实时示波器13，其中：其中：信号发生器1经过电放大器2和电衰减器3后，连接到马赫‐曾德尔调制器6的电信号输入端，分布反馈激光器4经过偏振控制器5后连接到马赫‐曾德尔调制器6的光信号输入端，发送端和接收端通过单模光纤相连。
本实施例中模拟的OFDM序列由MATLAB产生，每个序列符号长度为1000，经IFFT之后，将16个点的循环前缀加到了OFDM符号上来降低色散；然后利用幅度放大方法来增加序列的幅度范围，最后通过串‐并转换增加了导频序列来实现信道估计和时间同步。
将所述OFDM信号通过AWG输出，经过电放大器和电衰减器后，由MZM调制到载波上，调制光信号通过80km的单模光纤，于接收端通过EDFA、BPF和PD检测接收光。
所述的OFDM信号的子载波共三组，数量分别为64、128和256，该OFDM信号的QPSK图谱符合厄米特对称。
所述的任意波形发生器的型号为Tektronix 7122C，采样率为每秒5G符号。
所述的分布反馈激光器4输出的激光波长为1546.2nm，经过偏振控制器5得到相应的TE模式，然后通过马赫‐曾德尔调制器6偏置在传输曲线的1/4点上，实现将射频信号调制到光载波上。
所述的偏振控制器5控制进入调制器的光信号的偏振态，使横电模进入调制器，从而使TE模式进入调制器得到最大的输出的光信号。
所述的电放大器和电衰减器将DAC的电压控制在MZM的线性区。
所述的可调光衰减器用来减小接收光功率，EDFA用来放大光功率。经过BPF滤波的信号进入10GHz的PD中，PD输出信号由实时示波器采样分析。
如图3所示，给出了三组子载波数量分别为64、128、256的OFDM信号，在接收端接收功率和误码率的关系曲线。可以看到，子载波数量为64、128、256的序列在误码率10‐3处接收灵敏度分别提高了4.3dB、3.6dB和3.4dB。其(i)‐(iv)给出了接受功率为‐30dBm时符号未放大时和符号放大后的星座图，灵敏度的提高主要是由于星座图上相邻星座符号的欧拉距离的增大，造成接收端上信噪比的上升。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种用于提升DD‐OFDM系统接收灵敏度的方法，其特征在于，通过对OFDM序列中各个符号的幅度进行检测，对低于阈值的符号按照拉伸系数进行放大，从而使得发送符号的功率得到极大提高；
所述的OFDM序列中每个符号表示为：其中：代表了星座符号集合[S0,S1,...,SN+1]，Sn是集中在第n+1个子载波的符号，代表了时域采样集合[s0,s1,...,sN+1]，sn是第n+1个采样点，其中：N是子载波编号；
所述的拉伸系数αi由信号最高峰和整个序列的比值决定，具体为：其中：是时域采样集合，m是符号总数，abs(·)和max(·)是取绝对值函数和取最大值函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的OFDM的调制为拟线形，因此接收端数模转换的动态范围设置于在马赫‐曾德尔调制器的线性区内，从而约束OFDM序列在很小的范围，保证调制在线性区。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的子载波共三组，数量分别为64、128和256。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的调制，其QPSK图谱符合厄米特对称。
5.一种实现权利要求1或4所述方法的系统，其特征在于，包括：位于发送端的马赫‐曾德尔调制器、激光器、波形发生器、电放大器和电衰减器以及位于接收端的掺铒光纤放大器、带通滤波器和光电检测器，其中：波形发生器经过电放大器和电衰减器后，与马赫‐曾德尔调制器的电信号输入端相连，分布反馈激光器经过偏振控制器连接到马赫‐曾德尔调制器的光信号输入端，发送端和接收端通过单模光纤相连，电放大器和电衰减器将数模转换的电压设置于马赫‐曾德尔调制器的线性区。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的波形发生器的采样率为每秒5G符号。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的分布反馈激光器输出的激光波长为1546.2nm，经过偏振控制器得到相应的TE模式，然后通过马赫‐曾德尔调制器偏置在传输曲线的1/4点上，实现将射频信号调制到光载波上。
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