CN108206800A - 一种光正交频分复用系统中降低峰均功率比的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光正交频分复用系统中降低峰均功率比的方法及其装置，其中，发送端，对每个iFFT处理后的OFDM符号进行幅度归一化处理，归一化处理以一定的幅度比例系数将OFDM符号限制在一个特定幅度范围；接收端，估算频域子载波的信道响应和时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数对OFDM信号进行均衡处理。发送端通过特定方式导频载波插入，接收端可估算出频域子载波的信道响应和时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数对OFDM进行均衡，从而降低系统的峰均功率比。本发明不会引入额外的带宽消耗、信号损伤和其他噪声，并有着较低的计算复杂度和成本。

Description

一种光正交频分复用系统中降低峰均功率比的方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种光正交频分复用系统中的信号处理方法及其装置。

背景技术

近年来,光正交频分复用(O-OFDM)技术的兴起引起了学术界和工业界的高度重视。它首先被应用在光核心网中，用来克服信号在长距离光纤传输中积累的色散，之后它很快被引入到其他领域，如光接入网络和可见光通信中。

尽管其有着诸如高频谱效率、高色散容忍度和灵活带宽分配等优点，O-OFDM系统仍有着它内在的高峰均功率比(PAPR)的问题，这是由OFDM的多载波并行传输模式所带来的。当信号传输经过一些重要光电器件，如数模转换器(DAC)，高功率放大器(HPA)和马赫-曾德调制器(MZM)时，高PAPR会导致较差的信号接收灵敏度，从而影响系统的传输性能。

最近，许多方法被提出来降低O-OFDM信号的PAPR，如限幅法、编码法、非线性压扩法、预留子载波法等等。最简单并广泛使用的一种技术就是限幅法，它的基本原理就是将信号中超出某一限定阈值的部分直接切除，这样一来，它不可避免地破坏了OFDM信号，而在接收端又没有任何方法可以恢复原始信号的幅度。编码和子载波预留技术则需要在发射机端进行相当复杂的计算，并需要消耗一些额外的带宽才能降低信号的PAPR，这样会导致高成本和低频谱利用率。非线性压扩技术由于相对较低的执行复杂度和较高的频谱利用率，获得了人们的广泛关注，然而，由其引入的压扩噪声会给系统带来严重的信号扭曲和性能下降等问题。

发明内容

为了至少部分地解决以上以及其他潜在问题，本公开的实施例提出了一种简单低成本的符号幅度归一化(SMN)方法来降低O-OFDM系统中的峰均功率比。这种方法在发射端对每个做完IFFT运算的OFDM符号进行幅度归一化，并在接收端用一种二维均衡算法来恢复信号的相位和幅度。

本申请的一个实施例提供了一种光正交频分复用系统中降低峰均功率比的方法，发送端对每个iFFT处理后的OFDM符号进行幅度归一化处理，归一化处理以一定的幅度比例系数将OFDM符号限制在一个特定幅度范围；接收端估算频域子载波的信道响应和时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数对OFDM信号进行均衡处理。

特别的，前述发送端进一步包括导频载波插入，用于接收端估算频域子载波的信道响应和时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数。

特别的，前述导频载波以特定的时频两维的排列方式插入数据净荷之间，以保证每个时域OFDM符号在频域上的每个子载波都至少有一个导频信号。

特别的，前述发送端对于一个OFDM符号，若干Nfft个频域数据产生若干个时域采样值构成一个向量，即：将向量中的最大绝对幅值作为参考幅度对每个采样点进行限幅处理。

特别的，前述接收端第j个OFDM符号第i个子载波均衡后的OFDM信号为：

其中，S_rec(i,j)为第j个OFDM符号第i个子载波在接收时OFDM信号，为信道传输的第i个数据子载波的相位偏移和A_i为信道传输的第i个数据子载波的幅度响应，A_j为发送端归一化处理所引入的幅度比例系数。

本申请的一个实施例提供了一种光正交频分复用系统中的发送装置，其包括：处理装置，对每个iFFT处理后的OFDM符号进行幅度归一化处理，归一化处理后的符号被限制在一个特定幅度范围。

特别的，前述处理装置对于一个OFDM符号，若干Nfft个频域数据产生若干个时域采样值构成一个向量，即：将向量中的最大绝对幅值作为参考幅度对每个采样点进行限幅处理。

特别的，前述发送装置进一步包括导频载波插入，用于接收端估算频域子载波的信道响应和时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数。

特别的，前述导频载波以特定的时频两维的排列方式插入数据净荷之间，以保证每个时域OFDM符号在频域上的每个子载波都至少有一个导频信号

本申请的一个实施例提供了一种光正交频分复用系统中的接收装置，其包括：均衡装置，估算频域子载波的信道响应、和发送端时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数，并对OFDM信号进行均衡处理。

特别的，前述均衡装置处理第j个OFDM符号第i个子载波均衡后的OFDM信号为：

其中，S_rec(i,j)为第j个OFDM符号第i个子载波在接收时OFDM信号，为信道传输的第i个数据子载波的相位偏移和A_i为信道传输的第i个数据子载波的幅度响应，A_j为发送端归一化处理所引入的幅度比例系数。

通过下文的描述将会理解，依据本公开的光正交频分复用系统中降低峰均功率比的方法相较于已有技术方案，不会引入额外的带宽消耗、信号损伤和其他噪声，并有着较低的计算复杂度和成本。

附图说明

通过以下参考下列附图所给出的本公开的具体实施方式的描述之后，将更好地理解本公开，并且本公开的其他目的、细节、特点和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1示出了根据本公开的一个实施例的发送端及接收端OFDM信号传输结构示意图；

图2示出了根据本公开的一个实施例的发送端OFDM信号产生及其波形图；

图3示出了根据本公开的一个实施例的接收端OFDM信号接收的二维相位和幅度均衡图例；

图4示出了传统OFDM信号和本公开的OFDM信号的五个符号的时域波形；

图5示出了根据本公开的一个实施例随OFDM符号数目和IFFT尺寸变化的PAPR曲线图；

图6示出了根据本公开的一个实施例接收端OFDM信号的均衡方式；

图7示出了本公开的一个实施例OFDM实验中随信号接收功率变化的EVM曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例实施方式。虽然附图中显示了本公开的某些示例实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的基本思想包含两部分，在光OFDM发射端的符号幅度归一化和在光OFDM接收端的二维相位和幅度均衡，通过归一化处理将每个OFDM符号的幅度限制在一个特定的范围内，而不是对超出某一限定阈值的部分直接切除。

图1示出了根据本公开的一个实施例的发送端及接收端OFDM信号传输结构示意图，其左边部分给出了SMN OFDM发射机的结构示意图，其包括：S/P装置111、映射装置112、IFFT装置113、归一化装置114、CP&P/S装置115、DAC(数模转换)装置116、E/O装置117、以及激光装置118。这里，我们定义OFDM信号的iFFT尺寸和符号总数目分别为Nfft和Nsym。首先，输入的二进制数据通过S/P装置111将串行格式转换为并行的二进制格式信号；其后并行的二进制格式数据流通过映射装置112映射成多个复数符号，如此，二进制信号变成高进制的,可以在同样的带宽上承载更高的速率，同时，按照特定的时频两维的方式插入导频；映射装置112可通过使用BPSK、QPSK、QAM进行编码调制，图例中我们以64QAM调制编码进行说明。这里定义第k个子载波的QAM数据为X_k。通过IFFT装置113的快速傅里叶逆变换运算，将经频域复用的信号由频域变换到时域，Nfft个子载波上的QAM数据转化为时域的模拟信号，这个过程可表示为：

其中x(n)是OFDM信号在时域的采样点。之后，归一化装置114对每个iFFT处理后的OFDM符号进行幅度归一化处理，它以一定的幅度比例系数将OFDM符号限制在一个特定幅度范围。在一个符号中，Nfft个QAM数据产生长度为Nfft的时域采样点，也即将向量中的最大的绝对幅值作为参考幅度对每个采样点进行限幅处理，这Nfft个时域采样点分别除以向量中的最大的绝对幅值，如此采样点在幅度上的被予以归一化处理。再通过CP&P/S装置115的添加循环前缀和并串转换后，归一化处理后的OFDM信号被DAC装置116进行数模转换器输出，之后E/O装置117的电光转换将OFDM信号调制到激光装置118输出的连续波CW光源上，输出光OFDM信号进入光纤。

根据本发明提供的一种优选实施例，由于SMN OFDM信号每个OFDM符号之间的幅度变化比例系数是变化的，为了接收端能以最简单的获得幅度比例系数，可以每个OFDM符号中发送训练导频，导频子载波以一种特定的时频两维排列的方式，来保证每个OFDM符号既能在频域上用于频域信道均衡，又能在时域上实现各自不同的幅度比例恢复。尤其是，导频子载波可以一种特别地降序排列方式来保证在时域中的每个OFDM符号和在频域中的每个子载波都至少有一个导频信号。

图2示出了根据本公开的一个实施例的发送端OFDM信号的产生及其时域波形图，其中(c)部分为本发明实施例SMN OFDM信号的产生和时域波形，为更好地揭示本发明实施例的技术效果，图例进一步示意了传统OFDM信号产生过程和时域波形，参见(a)部分；以及部分限幅OFDM信号产生和时域波形,参见(b)部分。

图2(a)左边部分为传统OFDM信号产生步骤，二进制数据通过串/并转换、正交幅度调制QAM方式的映射处理、IFFT运算，循环前缀添加处理、并串转换和DAC转换输出，这里，我们假设DAC的输出幅度范围是[-1 1]；图2(a)右边部分给出了由传统方法产生的OFDM信号中五个符号的时域波形(IFFT尺寸是8，CP长度是1)。由于高PAPR的影响，OFDM信号大部分采样点的幅值都在[-0.5 0.5]之间，当其传输经过DAC转换、电放大器、电光转换器时，这个问题会导致较低的转换效率。

图2(b)左边部分为部分限幅方法OFDM信号产生步骤，区别于传统方式，其还包括一个剪裁处理步骤，对并串转换之后的信号进行剪裁；图2(b)右边部分给出了部分限幅方法产生的OFDM信号中五个符号的时域波形,限幅技术则是根据公式(1)来裁剪OFDM信号：

幅度阈值是图2(a)中的虚线，限幅OFDM信号的时域波形如图2(b)右方所示。当采样点幅度超过阈值时，它将被固定在某一阈值处(公式(1)中的A值)。因此，在图2(b)中圆圈中的OFDM信号被损伤了，从而引起系统的性能下降。

图2(c)左边部分给出了归一化OFDM信号的产生过程，区别于传统OFDM信号产生，其进一步包括归一化处理过程，图例中每个OFDM符号在做完IFFT运算后都会进行幅度归一化处理；图2(c)右边部分给出了产生的OFDM信号中五个符号的时域波形，可见，在每个符号中都有至少一个幅度达到峰值(1或-1)的采样点，而该符号其他采样点的幅度都会一定程度地放大，有效地增加了OFDM符号的平均功率；而在传统OFDM信号中，峰值只会出现在数千个符号中的一个或几个符号中，而其他符号都会相应地被压缩。而且，由于OFDM信号是以每个符号作为一个整体来解调，由此而来，幅度归一化处理中对整个符号的幅度按比例增加也不会破坏OFDM信号的完整性。因此，本发明实施例提供的SMN OFDM信号产生能有效地降低OFDM信号的PAPR，从而提升系统的传输性能，结合图2所示，相比于传统OFDM技术，本方案能降低信号大约5-dB的PAPR。

图例1右边部分给出了OFDM接收机的结构示意图，其包括：O/E装置127、ADC装置126、Syn&ReS装置125、P/S&CP装置124、FFT装置123、均衡装置122、解映射装置121，P/S装置120。相比于传统OFDM接收机，本实施例引入了均衡装置122对OFDM信号进行二维均衡。接收数据恢复的工作流程如下所述。首先，O/E装置127检测光信号并输出转换后的电信号，电信号经过ADC装置126进行模数转换输出电OFDM信号。之后，电OFDM信号经过Syn&ReS装置125进行采样，通过时间和频率同步后，采样信号被P/S&CP装置124进行串并转换，FFT装置123并进行FFT处理，从正交载波中还原出原始的信号；均衡装置122估算频域子载波的信道响应、和发送端时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数，并对OFDM信号进行均衡处理；解映射装置121将输出的QAM数据还原成并行的二进制格式信号，P/S装置120将并行二进制格式信号转换成为串行的二进制格式信号输出。

如前所述，SMN OFDM方案能降低OFDM信号的PAPR。但是，相比于传统OFDM系统，SMNOFDM信号在接收端需要新的均衡方案来恢复，这主要是因为SMN OFDM信号中符号与符号之间的幅度增加比例系数是变化的。图3给出了接收端OFDM信号接收的二维相位和幅度均衡图例，图例中每个方块代表一个在时频二维中的资源块。图3中白色方块代表的导频子载波被以一种特别地降序排列方式来保证在时域中的每个OFDM符号和在频域中的每个子载波都至少有一个导频信号。利用这种方法，经过信道传输的第i个数据子载波的相位偏移和幅度响应A_i就能够通过在第i行的导频来估计。而第j个OFDM符号由SMN操作引入的幅度比例系数A_j则能通过第j列的导频的幅度变化来获得。这样，利用估计出的相位偏移和幅度响应，SMN OFDM数据就能通过二维均衡：

来恢复，其中S_rec(i,j)和S_equ(i,j)是第j个OFDM符号第i个子载波在接收时和均衡后的数据。

图4给出了仿真产生的传统OFDM信号和SMN OFDM信号的五个符号的时域波形(Nfft＝8，Nsym＝1000)。在传统OFDM信号中，信号最大绝对幅值发生在第705个符号处，当经过有着有限线性变换范围的DAC和MZM(马赫-曾德调制器)时，其他信号就会被一定程度的压缩。这里假设DAC输出的最大电压为1。从图4上部可以看出，OFDM符号中的大部分采样点分散在[-0.5 0.5]的范围内。而利用SMN方法，在每个OFDM符号中的采样点幅度都可以以一定的比例系数增大。因此，每个符号的平均功率增加70％以上，从而整个OFDM信号的PAPR也会随之降低。

图5给出了随OFDM符号数目和IFFT尺寸变化的PAPR曲线图。图例中501为符号总数为1000和10000时SMN OFDM信号的PAPR曲线图，503、504分别为符号总数为1000和10000时传统OFDM信号的PAPR曲线图。由图例可见，当IFFT尺寸为256，符号总数为1000时，本发明归一化处理方案能降低OFDM信号4dB的PAPR。随着IFFT尺寸的减小，PAPR降低的量也从3.1dB上升到5.1dB。另外，OFDM符号数目的增加会提升传统OFDM信号的PAPR值。在IFFT尺寸为256的情况下，当符号数目从1000提升到10000时，传统OFDM信号的PAPR从13.52dB上升到14.31dB。而对SMN OFDM信号来说则没有这一现象出现，表明SMN OFDM系统比传统OFDM系统更加稳定。

在图5中我们观察到SMN OFDM信号符号与符号之间的幅度增加比例系数是随每个符号的最大采样点绝对幅值而变化的。因此，为了从FFT运算后的信号中恢复原始数据，我们提出二维均衡法来从频域和时域分别来估计信道的相位偏移和幅度响应。

如图6(a)所示，传统OFDM系统能通过放置在时域前几个OFDM符号的导频子载波来进行均衡运算。每个导频子载波同时恢复每个频域子载波数据的相位和幅度，这主要是补偿信道响应，可以称之为一维均衡。但是对于SMN OFDM信号，每个符号的幅度被按比例增加，而此比例系数对接收者来说是未知的。因此不能用图6(a)中的导频放置方法来估算OFDM符号的幅度响应。最简单的获得幅度比例系数的方法就是在每个OFDM符号中发送训练导频，如图6(b)所示。利用这些训练序列，每个符号的比例系数能够被估算，从而SMN OFDM信号中的原始数据也能被恢复，然而，图6(b)所示的方案会引入额外的导频子载波，降低了系统的频谱利用率。为了节省带宽，图6(c)给出了我们提出的导频子载波降序放置方式，导频信号以特定的时频两维的排列方式插入数据净荷之间，它能保证每个OFDM符号和每个子载波列都能至少有一个导频子载波。在此设计中，每个导频子载波被同时用来估算每行(频域)子载波的信道响应(包括相位偏移和幅度变化)和每列(时域)OFDM符号的SMN运算引入的幅度比例系数。这样，利用该二维均衡方法，在保证带宽利用率不变的情况下，OFDM信号的相位和幅度响应都能被获得。

经过二维均衡后，数据从QAM格式解映射到二进制格式。然后通过并串转换，原始数据即可从接收到的SMN OFDM信号中恢复。

为了验证SMN方案的可行性，我们用10-GHz的光电器件进行了实验。实验装置分为三部分，SMN O-OFDM发射机，光纤链路和SMN O-OFDM接收机，其结构如图1所示，实验参数在下表中给出。为实现接收端的直接检测，实验中采用厄密特对称OFDM。如图7所示，在3GPP标准中接收64QAM信号的8％EVM阈值处，利用本发明提出的SMN OFDM方案能比传统OFDM系统提高4dB的接收灵敏度。

表1 SMN OFDM传输实验参数

综合所述，本发明实施例提出了一种OFDM符号幅度归一化方法来降低O-OFDM系统中的PAPR。通过仿真发现，利用本发明SMN方法能降低系统约4dB的PAPR值。同样在实验中，我们也通过SMN技术获得了约4dB左右的接收灵敏度增益。而且，相比于以前的方案，本发明提出的方案不会引入额外的噪声和复杂度，并有着很高的频谱利用率。

在一个或多个示例性设计中，可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现本申请的功能。如果用软件来实现，则可以将功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上，或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码来传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括有助于计算机程序从一个地方传递到另一个地方的任意介质。存储介质可以是通用或专用计算机可访问的任意可用介质。这种计算机可读介质可以包括，例如但不限于，RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁存储设备，或者可用于以通用或专用计算机或者通用或专用处理器可访问的指令或数据结构的形式来携带或存储希望的程序代码模块的任意其它介质。并且，任意连接也可以被称为是计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤光缆、双绞线、数字用户线(DSL)或诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术来从网站、服务器或其它远程源传输的，那么同轴电缆、光纤光缆、双绞线、DSL或诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术也包括在介质的定义中。

可以用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑、分立硬件组件或用于执行本文的功能的任意组合来实现或执行结合本公开所描述的各种示例性的逻辑块、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，或者，处理器也可以是任何普通的处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP内核的结合，或者任何其它此种结构。

本领域普通技术人员还应当理解，结合本申请的实施例描述的各种示例性的逻辑块、模块、电路和算法步骤可以实现成电子硬件、计算机软件或二者的组合。为了清楚地表示硬件和软件之间的这种可互换性，上文对各种示例性的部件、块、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般性描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和施加在整个系统上的设计约束条件。本领域技术人员可以针对每种特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

本公开的以上描述用于使本领域的任何普通技术人员能够实现或使用本公开。对于本领域普通技术人员来说，本公开的各种修改都是显而易见的，并且本文定义的一般性原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的情况下应用于其它变形。因此，本公开并不限于本文的实例和设计，而是与本文公开的原理和新颖性特性的最广范围相一致。

Claims (11)

1.一种光正交频分复用系统中降低峰均功率比的方法，其特征在于包括：

发送端，对每个iFFT处理后的OFDM符号进行幅度归一化处理，归一化处理以一定的幅度比例系数将OFDM符号限制在一个特定幅度范围；

接收端，估算频域子载波的信道响应和时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数对OFDM信号进行均衡处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于发送端进一步包括导频载波插入，用于接收端估算频域子载波的信道响应和时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述导频载波以特定的时频两维的排列方式插入数据净荷之间，以保证每个时域OFDM符号在频域上的每个子载波都至少有一个导频信号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于发送端对于一个OFDM符号，若干Nfft个频域数据产生若干个时域采样值构成一个向量，即：将向量中的最大绝对幅值作为参考幅度对每个采样点进行限幅处理。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于接收端第j个OFDM符号第i个子载波均衡后的OFDM信号为：

其中，S_rec(i，j)为第j个OFDM符号第i个子载波在接收时OFDM信号，为信道传输的第i个数据子载波的相位偏移和A_i为信道传输的第i个数据子载波的幅度响应，A_j为发送端归一化处理所引入的幅度比例系数。

6.一种光正交频分复用系统中的发送装置，其特征在于包括：

处理装置，对每个iFFT处理后的OFDM符号进行幅度归一化处理，归一化处理后的符号被限制在一个特定幅度范围。

7.如权利要求6所述的发送装置，其特征在于所述处理装置对于一个OFDM符号，若干Nfft个频域数据产生若干个时域采样值构成一个向量，即：将向量中的最大绝对幅值作为参考幅度对每个采样点进行限幅处理。

8.如权利要求6所述的发送装置，其特征在于进一步包括导频载波插入，用于接收端估算频域子载波的信道响应和时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数。

9.如权利要求8所述的发送装置，其特征在于所述导频载波以特定的时频两维的排列方式插入数据净荷之间，以保证每个时域OFDM符号在频域上的每个子载波都至少有一个导频信号。

10.一种光正交频分复用系统中的接收装置，其特征在于包括：

均衡装置，估算频域子载波的信道响应、和发送端时域OFDM符号归一化处理所引入的幅度比例系数，并对OFDM信号进行均衡处理。

11.如权利要求10所述的接收装置，其特征在于所述均衡装置处理第j个OFDM符号第i个子载波均衡后的OFDM信号为：

其中，S_rec(i，j)为第j个OFDM符号第i个子载波在接收时OFDM信号，为信道传输的第i个数据子载波的相位偏移和A_i为信道传输的第i个数据子载波的幅度响应，A_j为发送端归一化处理所引入的幅度比例系数。