CN109889463A - 一种光ofdm系统中基于ipts技术的带宽节省型峰均比抑制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光OFDM系统的峰均比抑制系统，特别涉及一种光OFDM系统中基于IPTS技术的带宽节省型峰均比抑制系统。所述主要通过基于无边带信息传输的交织分割的部分传输序列(Interleaved‑partition partial transmission sequence，IPTS)技术来实现对高峰均比的抑制。在所述系统中，考虑使用一种新颖的星座图来映射光OFDM信号，并通过接收器端对信号的处理来计算出在发射器端每个光OFDM符号所使用的相位旋转向量，最终恢复出原始光OFDM信号。仿真分析表明，本发明既可实现无边带信息传输，即可节省带宽，也兼具较优的峰均比抑制性能。

Description

一种光OFDM系统中基于IPTS技术的带宽节省型峰均比抑制 系统

技术领域

本发明涉及光通信领域，更具体地说，涉及一种光OFDM系统中基于IPTS技术的带宽节省型峰均比抑制系统。

背景技术

光正交频分复用-光OFDM系统结合了射频通信系统中的正交频分复用-OFDM技术和光纤通信的优点。然而光OFDM系统中存在高峰值平均功率比-PAPR的问题。高PAPR驱动高功率放大器在非线性区域工作，这将会增加带内失真和带外辐射，从而导致光OFDM系统性能下降。为了有效地抑制高PAPR对光OFDM系统所带来的影响，目前国内外的专家学者针对高PAPR提出了诸多解决方案，如削波-Clipping、选择性映射-SLM、部分传输序列等技术。在目前的解决方案中，IPTS法是概率类技术中对抑制PAPR较为有效的技术，因其在传输中不会引起信号失真，可以较为显著地抑制高PAPR的出现。但是传统的IPTS方案中需要传输边带信息，这将增加系统复杂度和传输延时，并降低数据传输速率。

专利申请号为CN201810690961.8的文献公开了一种带宽节省型峰均比抑制系统，所述系统使用无边带信息传输的SLM技术，兼顾了较好的PAPR抑制性能的峰均比方案。但是该发明的不足之处在于其中提出的SLM算法，在降低PAPR和BER的性能方面没有PTS算法，因此，本发明在该专利的基础上，进一步提出使用PTS算法并且使用了一种新的星座图来映射光OFDM信号，进一步提高PAPR和BER的性能，提高系统的数据传输速率。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有的光OFDM系统的高峰均比以及传统的IPTS方案会降低数据传输速率的缺陷，提供一种光OFDM系统中基于APTS技术的带宽节省型峰均比抑制系统，包括依次连接的发射器模块、OFDM电光调制模块、光纤传输模块、OFDM光电检测模块和接收器模块；所述发射器模块中包括依次连接的原始信号串并变换模块、导频插入模块、训练系列插入模块、循环前缀插入模块和并串转换模块；所述接收器模块中包括依次连接的串并变换模块、符号同步模块、频率同步模块、快速傅里叶变换模块、导频提取和信道估计模块、信道均衡模块、相位噪声估计与相位均衡模块、计算相位旋转向量并去相位旋转模块、反映射模块、并串转换模块和误码检测模块；其特征在于，所述发射器模块中还包括交织分割的PTS法模块和新星座映射模块，且所述新星座映射模块连接在串并变换模块和导频插入模块之间，所述交织分割的PTS法模块连接在导频插入模块和训练系列插入模块之间；其中：

所述发射器模块，用于将原始串行数字信号处理成串行时域信号，并进一步将所述串行时域信号传输到OFDM电光调制模块；

所述OFDM电光调制模块，用于将从发射器模块接收到的信号转换为光信号，并进一步将光信号传输到光纤传输模块；

所述的光纤传输模块，用于接收并传输光信号到OFDM光电检测模块；

所述的OFDM光电检测模块，用于将接收到光信号还原成为串行时域信号，并进一步将串行时域信号传输到接收器模块；

所述接收器模块，用于将接收到的串行时域信号还原成原始串行数字信号。

进一步的，发射器模块中所述新星座映射模块，用于按照不同的调制个数，将所述并行数字信号，通过新星座映射为频域信号；其中，新映射星座的表达式为：

其中，Q为正交幅度调制的星座点个数，为原始映射星座的星座点表达式，表示的虚部，d为星座点之间的距离；

所述交织分割的PTS法模块，用于使用交织分割的PTS算法，选择PAPR最小值的信号作为并行时域信号。

进一步的，发射器模块中所述交织分割的PTS法模块使用交织分割的PTS算法将每个光OFDM符号R＝[R₀,R₁,…R_N-1]，划分为M个子块，且每个子块中都包含N/M个元素，具体的划分表达式为：

进一步可得其中，m＝0,1,...,M-1，k＝0,1,...,N/M-1，N为子载波数，N＞M＞1。

进一步的，接收器模块中所述计算相位旋转向量并去相位旋转模块，用于计算并去掉每个OFDM频域信号使用的相位旋转向量；其中，所述计算相位旋转向量并去相位旋转模块计算相位旋转向量的步骤包括：

S1、对于每个光OFDM符号R＝[R₀,R₁,…,R_N]，使用交织分割的PTS算法将其划分为M个子块

其中，m＝0,1,...,M-1，k＝0,1,...,N/M-1，N为子载波数；

S2、对于每个计算到每个星座点的距离，取其中距离最小值：

其中：q＝1,2,...,Q,w＝1,2,...,W，B_w为交织分割的PTS法模块中对分块信号进行旋转的相位旋转向量；

S3、将步骤S2中计算得到的距离最小值带入到均方差公式中，得到当前均方差为：

S4、取使得均方差最小的对应的相位旋转向量B'_w，并使用相位旋转向量B'_w来最终恢复出原始的并行数字信号。

在本发明所述的一种光OFDM系统中基于IPTS技术的带宽节省型峰均比抑制系统中，考虑使用一种新颖的星座图来映射光OFDM信号，并通过接收器端对信号的处理来计算出在发射器端每个光OFDM符号所使用的相位旋转向量，最终恢复出原始光OFDM信号。

实施本发明的一种光OFDM系统中基于IPTS技术的带宽节省型峰均比抑制系统，具有以下有益效果：

1、从理论和计算机仿真可知，本发明方案可以在使用传统的选择性映射技术降低PAPR的前提下，不需要传输边带信息，即可节省带宽，不会增加系统复杂度和传输延时，也不会降低数据传输速率。

2、本发明具有和传统有边带信息传输的选择性映射技术基本相同的系统误码率。因此，本发明提出的峰均比抑制系统，在抑制光OFDM系统的高峰均比，以及降低系统误码率的实际应用种具有很高的利用价值和实用意义。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明方案的系统结构图；

图2是本发明的4-QAM的新星座示意图；

图3是本发明交织分割法的示意图；

图4是16-QAM中，本发明与传统有边带信息传输的IPTS技术的CCDF对比图；

图5是16-QAM中，本发明与传统有边带信息传输的IPTS技术的误码率(L/KM)对比图；

图6是16-QAM中，本发明与传统有边带信息传输的IPTS技术的误码率(P/dBm)对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

请参考图1，其为本发明方案的系统结构图；本发明提供的一种光OFDM系统中基于IPTS技术的带宽节省型峰均比抑制系统，包括依次连接的发射器模块11、OFDM电光调制模块12、光纤传输模块13、OFDM光电检测模块14和接收器模块15，其中：

所述发射器模块，用于将原始串行数字信号处理成串行时域信号，并进一步将所述串行时域信号传输到OFDM电光调制模块；其中，所述发射器模块包括依次连接的用于将原始串行数字信号串并变换为并行数字信号的原始信号串并变换模块111、用于结合新星座映射将所述并行数字信号转变为频域信号的新星座映射模块112、用于在所述频域信号中插入导频的导频插入模块113、用于在所述频域信号中插入训练序列的训练系列插入模块114、交织分割的PTS法模块115、用于在并行时域信号中插入循环前缀的循环前缀插入模块116和用于将并行时域信号并串变换为串行时域信号的并串转换模块117，当中：

可以通过频插入模块113和训练系列插入模块114，在频域信号中插入导频和训练序列，进一步进行相位噪声估计、符号同步、频率同步和信道估计；

交织分割的PTS法模块115中主要用于使用交织分割的PTS算法，选择PAPR最小值的信号作为并行时域信号；其中

所述交织分割的PTS法模块使用交织分割的PTS算法将每个光OFDM符号R＝[R₀,R₁,…R_N-1]，划分为M个子块，且每个子块中都包含N/M个元素，具体的划分表达式为：

进一步可得其中，m＝0,1,...,M-1，k＝0,1,...,N/M-1，N为子载波数,N＞M＞1。本实施例中N＝400，M＝4(后面不在一一赘述)。

所述OFDM电光调制模块12，用于将从发射器模块11接收到的信号转换为光信号，并进一步将光信号传输到光纤传输模块13；

所述的光纤传输模块13，用于接收并传输光信号到OFDM光电检测模块14；

所述的OFDM光电检测模块14，用于将接收到光信号还原成为串行时域信号，并进一步将串行时域信号传输到接收器模块15；

所述接收器模块15，用于将接收到的串行时域信号还原成原始串行数字信号；其中，所述接收器模块15包括依次连接的用于将接收到的串行时域信号串并变换并行时域信号的串并变换模块151、用于将并行时域信号进行符号同步的符号同步模块152、用于估计符号同步后的并行时域信号的频率偏移的频率同步模块153、用于将所述并行时域信号进行快速傅里叶变换为频域信号的快速傅里叶变换模块154、用于提取出频域信号的导频并进行信道噪声估计的导频提取和信道估计模块155、用于对频域信号进行信道均衡的信道均衡模块156、用于估计频域信号的相位噪声并进行相位均衡的相位噪声估计与相位均衡模块157、用于计算并去掉每个OFDM频域信号使用的相位旋转向量的计算相位旋转向量并去相位旋转模块158、将频域信号反映射变换为并行数字信号的反映射模块159、用于将并行数字信号并串变换为串行数字信号的并串转换模块1510和进行误码检测的误码检测模块1511。其中，接收器模块15中，计算相位旋转向量并去相位旋转模块158中计算相位旋转向量的步骤包括：

S1、对于每个O-OFDM符号R＝[R₀,R₁,…,R_N]，使用交织分割法将其划分为M个子块其中m＝0,1,...,M-1，k＝0,1,...,N/M-1，N为子载波数；

S2、对于每个计算到每个星座点的距离，取其中距离最小值：其中：q＝1,2,...,Q,w＝1,2,...,W，B_w为交织分割的PTS法模块中对分块信号进行旋转的相位旋转向量；

S3、将步骤S2中计算得到的距离最小值带入到均方差公式中，得到当前均方差为：

S4、取使得均方差最小的对应的相位旋转向量B'_w，并使用相位旋转向量B'_w来最终恢复出原始的并行数字信号。

本实施例中，将发射器模块11发射信号和接收器模块15接收信号的步骤进行详细说明；

结合图1，发射器模块11的发射信号步骤为：

A1、通过原始信号串并变换模块111，将原始串行数字信号串并变换为并行数字信号；

A2、通过新星座映射模块112，将变换后的并行数字信号，按照不同的调制个数，通过新星座映射为频域信号；其中，新映射星座为：

其中，Q为正交幅度调制的星座点个数，为原始映射星座的星座点表达式，表示的虚部；

A3、通过导频插入模块113和训练系列插入模块114，在映射后的频域信号中插入导频和训练序列，进行相位噪声估计、符号同步、频率同步和信道估计；

A4、通过交织分割的PTS法模块115，利用传统的交织分割的部分序列传输技术-W个相位旋转向量，选择PAPR最小值的信号进行传输，由于其中有逆快速傅里叶变换，信号已从频域变为时域；

A5、通过循环前缀插入模块116，在并行时域信号中插入循环前缀；

A6、通过并串转换模块117，将并行时域信号并串变换为串行时域信号。

结合图1，接收器模块15的接收信号的步骤为：

B1、通过串并变换模块151，将从OFDM光电检测模块14接收到的串行时域信号串并变换并行时域信号；

B2、通过符号同步模块152，将并行时域信号进行符号同步，找到OFDM信号初始位置；

B3、通过符号同步模块153，对并行时域信号进行频率同步；

B4、通过快速傅里叶变换模块154，将进行频率同步后的并行时域信号做快速傅里叶，进一步将其变换为频域信号；

B5、通过导频提取155和信道估计模块156，提取出频域信号的导频并进行信道噪声估计；

B6、通过信道均衡模块和相位噪声估计与相位均衡模块157，对频域信号进行信道均衡，并估计频域信号的相位噪声并进行相位均衡；

B7、通过计算相位旋转向量并去相位旋转模块158，计算每个OFDM信号使用的相位旋转向量，并去相位旋转；

B8、通过反映射模块159，将频域信号反映射变换为并行数字信号；

B9、通过并串转换模块1510，将并行数字信号进一步并串变换为串行数字信号；

B10、通过误码检测模块1511，对比此数字信号与原始数字信号，进行误码检测。

请参考图2，其为本发明的4-QAM的新星座示意图；其中，4-QAM的新星座表达式为：

其中当C²与传统的选择性映射技术中的相位旋转因子相乘时，可以得到：

同理，当C²相位旋转因子相乘时，可以得到：

可以很明显地推断出，当且仅当|θ₁-θ₂|＝2nπ时(n为整数)，又因为相位旋转因子中的θ_i∈[0,2π](i＝1,2)，可知0≤|θ₁-θ₂|＜2π。因此，当且仅当θ₁＝θ₂，这意味着此时相应的相位旋转因子是同一个。因此，可以准确恢复出发射器每个OFDM符号所使用的相位旋转向量。

请参考图3，其为本发明提供的交织分割法的示意图。所述交织分割的PTS法模块使用交织分割的PTS算法将每个光OFDM符号R＝[R₀,R₁,…R_N-1]，划分为M个子块，且每个子块中都包含N/M个元素，具体的划分表达式为：

进一步可得其中，m＝0,1,...,M-1，k＝0,1,...,N/M-1，N为子载波数,N＞M＞1。

请参考图4，其为本发明与传统有边带信息传输的IPTS技术的CCDF对比图，从图中可以看出，在16-QAM中，当子载波数相同且相位旋转向量个数为4时，参考本发明方案(黑色“-”)与传统有边带信息传输的IPTS技术(黑色“x”)两种方案的3条CCDF曲线，本发明方案所实现的峰均比抑制性能和传统有边带信息传输的IPTS技术相同。

请参考结合图5，其为本发明与传统有边带信息传输的IPTS技术的误码率(L/KM)对比图进行说明，从图中可以看出，在16-QAM中，当OFDM符号数、输入功率以及相位旋转向量个数相同时，参考本发明方案(黑色“-”)与传统有边带信息传输的IPTS技术(黑色“x”)两种方案随传输距离(L/KM)变化而变化的3条误码率(BER)曲线。本方案的BER性能与传统有边带信息传输的IPTS技术基本相同。

请参考图6，其为本发明与传统有边带信息传输的IPTS技术的误码率(P/dBm)对比图；从图中可以看出，在16-QAM中，当OFDM符号数、传输距离以及相位旋转向量个数相同时，参考本发明方案(黑色“-”)与传统有边带信息传输的IPTS技术(黑色“x”)两种方案随输入功率(P/dBm)变化而变化的3条比特误码率(BER)曲线。本方案的BER性能与传统有边带信息传输的IPTS技术基本相同。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种光OFDM系统中基于APTS技术的带宽节省型峰均比抑制系统，包括依次连接的发射器模块、OFDM电光调制模块、光纤传输模块、OFDM光电检测模块和接收器模块；所述发射器模块中包括依次连接的原始信号串并变换模块、导频插入模块、训练系列插入模块、循环前缀插入模块和并串转换模块；所述接收器模块中包括依次连接的串并变换模块、符号同步模块、频率同步模块、快速傅里叶变换模块、导频提取和信道估计模块、信道均衡模块、相位噪声估计与相位均衡模块、计算相位旋转向量并去相位旋转模块、反映射模块、并串转换模块和误码检测模块；其特征在于，所述发射器模块中还包括交织分割的PTS法模块和新星座映射模块，且所述新星座映射模块连接在串并变换模块和导频插入模块之间，所述交织分割的PTS法模块连接在导频插入模块和训练系列插入模块之间；其中：

所述发射器模块，用于将原始串行数字信号处理成串行时域信号，并进一步将所述串行时域信号传输到OFDM电光调制模块；

所述OFDM电光调制模块，用于将从发射器模块接收到的信号转换为光信号，并进一步将光信号传输到光纤传输模块；

所述的光纤传输模块，用于接收并传输光信号到OFDM光电检测模块；

所述的OFDM光电检测模块，用于将接收到光信号还原成为串行时域信号，并进一步将串行时域信号传输到接收器模块；

所述接收器模块，用于将接收到的串行时域信号还原成原始串行数字信号。

2.根据权利要求1所述的带宽节省型峰均比抑制系统，其特征在于，发射器模块中所述新星座映射模块，用于按照不同的调制个数，将所述并行数字信号，通过新星座映射为频域信号；其中，新映射星座的表达式为：

其中，Q为正交幅度调制的星座点个数，为原始映射星座的星座点表达式，表示的虚部，d为星座点之间的距离；

所述交织分割的PTS法模块，用于使用交织分割的PTS算法，选择PAPR最小值的信号作为并行时域信号。

3.根据权利要求2所述的带宽节省型峰均比抑制系统，其特征在于，所述交织分割的PTS法模块使用交织分割的PTS算法将每个光OFDM符号R＝[R₀,R₁,…R_N-1]，划分为M个子块，且每个子块中都包含N/M个元素，具体的划分表达式为：

进一步可得其中，m＝0,1,...,M-1，k＝0,1,...,N/M-1，N为子载波数，N＞M＞1。

4.根据权利要求1所述的带宽节省型峰均比抑制系统，其特征在于，接收器模块中所述计算相位旋转向量并去相位旋转模块，用于计算并去掉每个OFDM频域信号使用的相位旋转向量；其中，所述计算相位旋转向量并去相位旋转模块计算相位旋转向量的步骤包括：

S1、对于每个光OFDM符号R＝[R₀,R₁,…,R_N]，使用交织分割的PTS算法将其划分为M个子块

其中，m＝0,1,...,M-1，k＝0,1,...,N/M-1，N为子载波数；

S2、对于每个计算到每个星座点的距离，取其中距离最小值：

其中：q＝1,2,...,Q,w＝1,2,...,W，B_w为交织分割的PTS法模块中对分块信号进行旋转的相位旋转向量；

S3、将步骤S2中计算得到的距离最小值带入到均方差公式中，得到当前均方差为：

S4、取使得均方差最小的对应的相位旋转向量B'_w，并使用相位旋转向量B'_w来最终恢复出原始的并行数字信号。