CN107018109B - 一种基于统计特性分析的imdd-ofdm-pon定点fft字长优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于统计特性分析的IMDD‑OFDM‑PON定点FFT字长优化的方法。本发明提供一种OFDM‑PON定点FFT字长优化的方法，能够实现FFT中间级旋转因子以及输出字长的联合优化。其中FFT所有级旋转因子字长采用相同的字长，利用字长逐级递增的方法获取旋转因子所需要的最小字长。利用FFT中间级输出字长对OFDM‑PON系统的影响呈现统计非相关的特性，根据系统优化设定约束条件，利用公式计算出FFT中间级逆误差向量幅度的最小数值，然后根据输出字长逆误差向量幅度与中间级字长的数学表达获取中间级输出字长。本发明极大地降低了OFDM‑PON定点FFT字长优化的计算复杂度，同时具有较高的精准度。

Description

一种基于统计特性分析的IMDD-OFDM-PON定点FFT字长优化的 方法

技术领域

本发明涉及一种OFDM-PON(Optical Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing-Passive optical network正交频分复用无源光网络)的定点FFT字长优化方法。

背景技术

光正交频分复用(OOFDM)技术是一种新的光传输技术，其中快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)是OOFDM系统中的核心技术之一。光OFDM系统收发机的速率已经达到了几十Gbits/s，这就要求系统中的FFT处理单元具有非常高的吞吐率。对于OOFDM 系统，其DSP算法所占用的逻辑资源，尤其是其中FFT的计算已经占据了现有FPGA资源的 80％左右。因此，FFT的设计也成为了实现实时系统的巨大的挑战之一。

为了满足高速实时系统的要求，以及实现高吞吐率的OFDM系统，FFT需要采用并行流水线结构，同时为了降低FFT算法实现所需要的资源，现有FFT的实现都采用定点的FFT，其资源优化主要集中于定点FFT所需要的字长优化。对于FFT的字长优化，国内外学者提出了不同的研究策略以及最优字长的搜索算法。文献1[Bouziane R,Koutsoyannis R,MilderP,et al.Optimizing FFT Precision in Optical OFDM Transceivers[J].IEEEPhotonics Technology Letters,2011,23(20):1550-1552.]主要分析了针对不同AD/DA分辨率下，FFT输入输出字长对系统EVM性能的影响，而未对中间级字长进行分析。文献2[Zhang J J,Yuan W Y,Giddings R P,et al.IFFT Stage-dependent Minimum BitResolution Maps for Real-time Optical OFDM Transceivers[C].Optical FiberCommunications Conference and Exhibition(OFC),2014:1-3.]对基于DIT-2结构的32点FFT/IFFT进行了联合优化设计，但未提及字长优化策略。文献3[Wang C Y,Kuo C B,Jou JY.Hybrid Wordlength Optimization Methods of Pipelined FFT Processors[J]. IEEETransactions on Computers,2007,56(8):1105-1118.]利用统计分析提出了搜索FFT中间级字长的方案，但是搜索复杂度偏高。

发明内容

本发明的目的在于针对已有FFT字长优化方案存在的不足之处，提供了一种OFDM-PON 的定点FFT字长优化方法，能够实现基于Radix-2(基2)结构的定长FFT中间级输出字长以及旋转因子字长优化，并将FFT最优字长的搜索复杂度降至O(1)。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种OFDM-PON定点FFT字长优化的方法，FFT的点数设置为N，采用Radix-2 DIT(Decimation-In-Time，时域抽取)结构的FFT共有log₂ N级，每级定点数的输出采用minf，所述m为定点数的整数部分字长，i表示整数，n为定点数的小数部分字长，f表示小数，每级FFT的输出字长为m+n，每级m的字长比前一级的字长增加1位，FFT的输入字长为强度调制直接检测OFDM-PON系统中ADC的量化字长Q，所述定点FFT字长优化包括中间级输出字长优化以及参与FFT蝶形计算的旋转因子字长优化，所述中间级输出字长以及旋转因子字长都独立可调。

具体操作步骤如下：

1)OFDM-PON接收端对OFDM-PON信号进行数据采集和离线分析，用浮点FFT对OFDM-PON信号进行解调并计算OFDM-PON系统的理想逆误差向量幅度IEVM_{ideal_dB}，其单位采用dB；

2)预设系统可接受的定点FFT计算的逆误差向量幅度IEVM_{total_dB}，其单位采用dB，所述IEVM_{total_dB}＜IEVM_{ideal_dB}；

3)进行旋转因子字长优化，每级旋转因子的字长都采用同样的数值，并把FFT每级输出设置为浮点数，并采用旋转因子字长递增的方法，计算OFDM-PON系统的旋转因子逆误差向量幅度IEVM_{twiddle_dB}，其单位采用dB来表示，当 IEVM_{twiddle_dB}≥(1+α)×IEVM_{total_dB}时，获取FFT计算所需要的旋转因子字长 L_twiddle，所述α为预设的由旋转因子引起的逆误差向量幅度调整因子；

4)进行中间级输出字长优化，所述中间级输出字长优化包括以下步骤：

4-1)根据预设误差IEVM_{total_dB}，并设定FFT中间级输出字长对OFDM-PON系统逆误差向量幅度的影响为加性高斯非相关，得出每级输出字长逆误差向量幅度应满足的指标：所述OFDM-PON为强度调制直接检测方式时，FFT中间级每级输出字长逆误差向量幅度

所述

4-2)推出每级输出字长逆误差向量幅度与字长的关系： IEVM_{ouput_dB}(k)＝6.02×L_ouput(k)-27.7-(k-3)×3+β，k∈[3，log₂ N]，所述L_output(k)为FFT中间级k级输出字长，k为中间级索引号，β为对应的系统修正因子，所述系统修正因子与FFT所采用的点数以及FFT发送端的限幅参数相关。

4-3)第一级与第二级的输出字长设置为Q+1与Q+2，中间级第k级的输出字长

k∈[3，log₂ N]，所述ceil为向上取整。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的进步：

1.本发明提出的Radix-2 DIT的FFT字长优化方法不依赖于FFT点数，使用范围广；

2.本发明提出的FFT字长优化方法不依赖于强度调制直接检测光链路的性能，能够根据物理链路进行自适应的调整，具有较强的鲁棒性；

3.本发明提出的FFT优化方法能够对FFT中间级的旋转因子字长以及输出字长进行联合优化，极大地降低了OFDM系统的逻辑资源开销；

4.本发明提出的FFT优化方法中FFT中间级的字长输出的算法复杂度为O(1)，与其他 FFT字长搜索算法相比，算法复杂度低。

附图说明

图1是本发明的OFDM-PON定点FFT字长优化方法的程序框图。

图2是本发明中基于强度调制直接检测的OFDM-PON仿真平台流程图。

图3是本发明实施例中OFDM-PON物理帧。

图4是本发明实施例中光链路VPI仿真结构图。

图5是本发明实施例中1024定点FFT中间级整数部分增长图。

图6是本发明实施例中1024定点FFT旋转因子字长搜索结果图。

图7是本发明实施例中1024定点FFT每级输出字长映射图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

1.参见图1，本OFDM-PON定点FFT字长优化方法，FFT的点数设置为N，采用Radix-2DIT结构的FFT共有log₂ N级，每级定点数的输出采用minf，所述m为定点数的整数部分字长，i表示整数，n为定点数的小数部分字长，f表示小数，每级FFT的输出字长为m+n，每级m的字长比前一级的字长增加1位，FFT的输入字长为强度调制直接检测OFDM-PON 系统中ADC的量化字长Q；所述定点FFT字长优化包括中间级输出字长优化以及参与FFT 蝶形计算的旋转因子字长优化，所述中间级输出字长以及旋转因子字长都独立可调；具体操作步骤如下：

1)OFDM-PON接收端对OFDM-PON信号进行数据采集和离线分析，用浮点FFT对OFDM-PON信号进行解调并计算OFDM-PON系统的理想逆误差向量幅度IEVM_{ideal_dB}，其单位采用dB；

2)预设系统可接受的定点FFT计算的逆误差向量幅度IEVM_{total_dB}，其单位采用dB，所述IEVM_{total_dB}＜IEVM_{ideal_dB}；

3)进行旋转因子字长优化，每级旋转因子的字长都采用同样的数值，并把FFT每级输出设置为浮点数，并采用旋转因子字长递增的方法，计算OFDM-PON系统的旋转因子逆误差向量幅度IEVM_{twiddle_dB}，其单位采用dB来表示，当 IEVM_{twiddle_dB}≥(1+α)×IEVM_{total_dB}时，获取FFT计算所需要的旋转因子字长 L_twiddle，所述α为预设的由旋转因子引起的逆误差向量幅度调整因子；

4)进行中间级输出字长优化。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述步骤4)进行中间级输出字长优化包括以下步骤：

4-1)根据预设误差IEVM_{total_dB}，并设定FFT中间级输出字长对OFDM-PON系统逆误差向量幅度的影响为加性高斯非相关，得出每级输出字长逆误差向量幅度应满足的指标：所述OFDM-PON为强度调制直接检测方式时，FFT中间级每级输出字长逆误差向量幅度

所述

4-2)推出每级输出字长逆误差向量幅度与字长的关系：IEVM_{output_dB}(k)＝6.02×L_output(k)-27.7-(k-3)×3+β，k∈[3，log₂ N]，所述L_output(k)为FFT中间级k级输出字长，k为中间级索引号，β为对应的系统修正因子，所述系统修正因子与FFT所采用的点数以及FFT发送端的限幅参数相关；

4-3)第一级与第二级的输出字长设置为Q+1与Q+2，中间级第k级的FFT中间级k级输出字长

k∈[3，log₂ N]，所述ceil为向上取整。

实施例三：

为了研究变长FFT的字长优化方案，本实施例参见图2-图7所示OFDM系统的收发结构，同时基于VPI和Matlab仿真软件搭建了IMDD-OOFDM-PON系统仿真平台。OFDM的收发系统的数字信号调制与解调模块通过MATLAB的离线分析来完成，其参数如表1所示。光纤传输信道通过VPI软件仿真完成。在该仿真平台中，结合本发明实施例，FFT/IFFT的点数N设置为1024点。

表1 IMDD-OFDM-PON光路的参数设置表

在发送端，将15阶伪随机二进制序列(PRBS)作为系统的输入，经过串并转换单元转换成 511路并行的数据，接着对并行数据流进行QAM映射编码。由于收发系统的逆误差向量幅度独立于系统的调制格式，因此所有511个子载波采用的相同的调制格式即32-QAM，同时考虑到实际OOFDM-PON系统的发送端信号采用交流输出，因此关闭IFFT的0号子载波输入。接着对数据进行共轭对称操作，以保证IFFT运算后的输出结果仅包含实部以便在IMDD-OFDM系统进行传输，然后在发送的OFDM数据前加上16点的循环前缀以保证子载波的正交性以及克服OFDM符号间的干扰。在本发明中为了分析FFT字长对系统性能的影响，每一个OFDM帧共包括1000个OFDM符号，接着在发送OFDM数据前增加训练序列以实现符号同步以及信道均衡。上述所示帧结构如图3所示。

然后将上述一帧OFDM信号通过12dB的限幅操作(Clipping)解决OFDM系统高峰均比从而提升OFDM收发系统的传输性能。最后，通过10位数模转换器(Digital-to-AnalogConverter, DAC)将数据转换成模拟信号在信道上传输，其中DAC输出的幅度峰峰值为0.04V，使得DAC 的输出能够通过电压与电流转换模块驱动分布式反馈激光器(DFB)。

光链路的传输系统是通过VPI软件来完成的，将模拟信号调制后通过分布式反馈激光器实现信号的电光转换，从DFB激光器输出的光功率为10dBm，转换后的光信号经25Km标准单模光纤(SSMF)传输后，通过衰减器调节使其接收光功率为0dBm，接着经过响应率为1A/W 的光电二极管将信号进行光电转换。其仿真结构如图4所示。

在接收端，将光电二极管转换后的电模拟信号进行10位模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)，也即ADC的量化字长Q＝10。接着根据训练序列实现系统的同步及信道估计。在去除循环前缀之后，通过FFT计算将OFDM符号数据转化为QAM信号，从而实现数据的解调以及系统逆误差向量幅度的计算。

在本实施例中，把ADC量化后的10位有符号数转换为的定点数，该定点数也即为1024 点FFT的输入数据。则1024点定长FFT中间级定点数的整数部分字长如图5所示，FFT中间级每增加一级，则对应的整数部分字长需要增加1位。

为了对定点FFT字长进行优化，需把FFT设置为浮点FFT，计算出上述系统的理想逆误差向量幅度IEVM_{ideal_dB}为30.29dB。在本实施例中，由于需要对FFT进行字长优化，因此在OFDM系统解调时，必然会带来系统的性能损失。在本次FFT字长优化实施例中，允许损失的系统性能为0.5dB,也即逆误差向量幅度IEVM_{total_dB}＝29.79dB。

1024点定点FFT的字长优化包含旋转因子字长优化以及中间级输出字长优化。首先设定中间旋转因子的字长都为相同的数值，然后对中间级的字长进行优化。由于中间级旋转因子字长优化同样会带来系统性能损失，在本次实施中，首先设定α为0.015，也即IEVM_{twiddle_dB}时对应的旋转因子字长为满足本实施实例中的旋转因子字长映射关系。利用上述离线仿真得出中间级旋转因子字长与系统性能的映射图如图6所示，从图6可以看出当L_twiddle＝8，系统的逆误差向量幅度满足实施例设定的约束，也即所有旋转因子都设定为8位。

根据实施例中设定的IEVM_{ideal_dB}以及IEVM_{total_dB}，并依据IEVM_{output_dB}的输出满足条件的公式

所述

可得出1024点FFT中间字长的 IEVM_{output_dB}≥48.94dB，在本实施例中系统修正因子β＝1.6dB。因此根据

k∈[3，log₂ N]，可以得出1024点 FFT中间级字长的映射表如图7所示。把图7得出的1024点输出字长映射表与旋转因子字长为8，用图2的IMDD-OFDM-PON系统进行仿真，得出OFDM-PON接收端的逆误差向量幅度性能为29.89dB。因此采用旋转因子与中间级字长映射表对FFT进行优化后，其对应的 IEVM相比于原系统性能减少了0.4dB，小于系统的性能恶化容忍程度，因此验证了本发明基于统计特性的FFT优化算法的正确性与准确性。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限制本发明的范围，凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均含于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种OFDM-PON定点FFT字长优化的方法，其特征在于：FFT的点数设置为N，采用Radix-2 DIT结构的FFT共有log₂N级，每级定点数的输出采用minf，所述m为定点数的整数部分字长，i表示整数，n为定点数的小数部分字长，f表示小数，每级FFT的输出字长为m+n，每级m的字长比前一级的字长增加1位，FFT的输入字长为强度调制直接检测OFDM-PON系统中ADC的量化字长Q；所述定点FFT字长优化包括中间级输出字长优化以及参与FFT蝶形计算的旋转因子字长优化，所述中间级输出字长以及旋转因子字长都独立可调；具体操作步骤如下：

1)OFDM-PON接收端对OFDM-PON信号进行数据采集和离线分析，用浮点FFT对OFDM-PON信号进行解调并计算OFDM-PON系统的理想逆误差向量幅度IEVM_{ideal_dB}，其单位采用dB；

2)预设系统可接受的定点FFT计算的逆误差向量幅度IEVM_{total_dB}，其单位采用dB，所述IEVM_{total_dB}＜IEVM_{ideal_dB}；

3)进行旋转因子字长优化，每级旋转因子的字长都采用同样的数值，并把FFT每级输出设置为浮点数，并采用旋转因子字长递增的方法，计算OFDM-PON系统的旋转因子逆误差向量幅度IEVM_{twiddle_dB}，其单位采用dB来表示，当IEVM_{twiddle_dB}≥(1+α)×IEVM_{total_dB}时，获取FFT计算所需要的旋转因子字长L_twiddle，所述α为预设的由旋转因子引起的逆误差向量幅度调整因子；

4)进行中间级输出字长优化；

所述步骤4)进行中间级输出字长优化包括以下步骤：

4-1)根据lEVM_{total_dB}，并设定FFT中间级输出字长对OFDM-PON系统逆误差向量幅度的影响为加性高斯非相关，得出每级输出字长逆误差向量幅度应满足的指标：所述OFDM-PON为强度调制直接检测方式时，FFT中间级每级输出字长逆误差向量幅度

所述

4-2)推出每级输出字长逆误差向量幅度与字长的关系：

IEVM_{output_dB}(k)＝6.02×L_output(k)-27.7-(k-3)×3+β，k∈[3，log₂N]，所述L_output(k)为FFT中间级k级输出字长，k为中间级索引号，β为对应的系统修正因子，所述系统修正因子与FFT所采用的点数以及FFT发送端的限幅参数相关；

4-3)第一级与第二级的输出字长设置为Q+1与Q+2，中间级第k级的FFT中间级k级输出字长

所述ceil为向上取整。

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