CN106849963B - 三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法和装置 - Google Patents

三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法和装置，包括以下步骤：(1)将二进制序列转换得到子载波索引信号；(2)映射得到3N个实数形式子载波分量的频域正交频分复用信号；(3)重组后得到2N个复数形式子载波分量的频域正交频分复用信号；(4)将正交频分复用信号从频域调制到时域；(5)从频域引入K序列并做零填充，调制后与时域正交频分复用信号叠加；(6)寻找使信号峰均功率比最小的K序列组合；(7)将时域正交频分复用信号分成实数部分和与实数部分相对应的虚数部分，并转换为光信号；(8)将光信号进行传输。本发明有效的降低了峰均功率比，缓解了光纤信道的非线性作用对信号的影响，提高了总体性能。

Description

三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法和装置
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及三维相干光正交频分复用(OFDM)***峰均功率比(PAPR)降低方法和装置。
背景技术
在光通信领域，相干光正交频分复用技术已经广泛用于长距离的光纤传输***，它具有大容量、频谱利用率高、有效的抗色散等优势。但正交频分复用技术在使用时存在峰均功率比过高的问题，使正交频分复用信号易受到光纤非线性作用的干扰，导致***性能的下降。
目前，通常采用基于常数包络的正交频分复用技术和基于编码的幅度键控正交频分复用技术来改善相干光正交频分复用***的高峰均功率比问题，但上述方法采用的用于信号映射的星座图均局限在二维信号空间，限制了***性能的提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法，包括以下步骤：
(1)二进制序列输入射频发射器，所述二进制序列在射频发射器中经串并转换模块进行分组，每k＝log2M比特为一组作为子载波索引信号，M表示三维信号星座图的尺寸；
(2)将步骤(1)得到的子载波索引信号输入三维信号映射模块，经三维信号映射模块得到3N个实数形式子载波分量的频域正交频分复用信号，N表示正交频分复用信号的子载波数；
(3)将步骤(2)得到的正交频分复用信号进行映射重组后得到2N个复数形式子载波分量的频域正交频分复用信号；
(4)通过二维反傅里叶变换模块把步骤(3)得到的正交频分复用信号从频域调制到时域；
(5)从频域引入K＝(K0,K1,…,KN-1)序列并做零填充转换为二维矩阵，经二维反傅里叶变换后与步骤(4)得到的时域正交频分复用信号叠加；
(6)结合步骤(4)和(5)通过搜索算法找到使正交频分复用信号峰均功率比最小的K序列组合；
(7)将步骤(6)得到的时域正交频分复用信号通过并串转换与循环前缀***模块分成实数部分和与实数部分相对应的虚数部分，实数部分和虚数部分输入相对应的上数模转换模块和下数模转换模块，经上数模转换模块和下数模转换模块转换后，再分别输入上低通滤波器和下低通滤波器，经上低通滤波器和下低通滤波器处理后，输入光信号转换器，并在光信号转换器内完成射频向光信号的转换；
(8)将步骤(7)得到的光信号通过光纤链路进行传输。
进一步，所述步骤(2)中，频域正交频分复用信号表示为：
Figure BDA0001256991640000021
式中：Sm＝(Xm Ym Zm)T，0≤m≤M-1表示二维矩阵S3×N中每一个列向量，其代表一个三维信号，X、Y、Z表示信号在三维信号星座图中的坐标，T表示转置。
进一步，所述步骤(3)中，重组后的频域正交频分复用信号表示为：
Figure BDA0001256991640000031
式中：
Figure BDA0001256991640000032
进一步，所述步骤(4)和(5)中，引入K序列后的时域正交频分复用信号表示为：
s＝ifft2(S2×N)+ifft2(μK2×N)
式中：
Figure BDA0001256991640000033
μ为常数，用于调节***的K序列信号功率，ifft2表示二维反傅里叶变换，时域的正交频分复用信号分量具有复数形式。
进一步，所述步骤(6)中，搜索算法包括以下步骤：
6.1)首先设置***的K序列为全零序列，计算经二维反傅里叶变换后正交频分复用信号的峰均功率比；
6.2)设置子载波索引变量u，并设u＝0，K序列中每个分向量后选电平的个数为C，后选电平用向量E＝(E1,E2,…,EC)表示；
6.3)用每个后选电平EC代替Ku，通过比较，选择一个使正交频分复用信号峰均功率比最小的电平EC；
6.4)增加u＝u+1，重复步骤6.3)，直到u＝L-1，搜索程序结束，L表示需要被搜索的K序列长度。
三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低装置，包括射频发射器和光信号转换器，所述射频发射器连接所述光信号转换器，所述射频发射器包括串并转换模块，所述二进制序列输入串并转换模块，并经串并转换模块进行分组，每若干比特为一组作为子载波索引信号，所述串并转换模块连接三维信号映射模块，所述子载波索引信号经所述三维信号映射模块处理后得到3N个实数形式子载波分量的频域正交频分复用信号，所述三维信号映射模块连接三维信号映射重组模块，经重组后得到2N个复数形式子载波分量的频域正交频分复用信号，所述三维信号映射重组模块连接峰均功率比降低模块，所述峰均功率比降低模块连接并串转换与循环前缀***模块，所述峰均功率比降低模块包括二维反傅里叶变换模块、零填充与二维反傅里叶变换模块、最小峰均功率比的正交频分复用信号选择模块、K序列最佳化模块，所述二维反傅里叶变换模块把重组的频域正交频分复用信号调制到时域，得到2N个复数形式子载波分量的时域正交频分复用信号，所述零填充与二维反傅里叶变换模块把经过零填充后的频域K序列信号转换到时域，也得到2N个复数形式子载波分量的时域正交频分复用信号，再与重组后得到的时域正交频分复用信号叠加，结合所述最小峰均功率比的正交频分复用信号选择模块和K序列最佳化模块，得到具有最小峰均功率比的正交频分复用信号，再通过并串转换与循环前缀***模块将具有最小峰均功率比的正交频分复用信号分成实数部分和与实数部分相对应的虚数部分，所述并串转换与循环前缀***模块的输出端连接一上数模转换模块和一下数模转换模块，所述上数模转换模块连接上低通滤波器，所述下数模转换模块连接下低通滤波器，所述上低通滤波器和下低通滤波器的输出端均连接光信号转换器，所述实数部分经上数模转换模块和上低通滤波器处理后输入光信号转换器，所述虚数部分经下数模转换模块和下低通滤波器处理后输入光信号转换器，并在光信号转换器内完成射频向光信号的转换。
进一步，利用叠加重组后的时域正交频分复用信号，所述零填充与二维反傅里叶变换模块通过搜索算法找到最佳的K序列组合得到具有最小峰均功率比的正交频分复用信号。
进一步，所述光信号转换器连接光纤链路，所述光信号通过光纤链路进行传输。
进一步，所述光信号转换器为光学I/Q调制器。
进一步，所述光信号转换器包括上分支马赫-曾德调制器和下分支马赫-曾德调制器、一个激光二极管和一个移相器，上分支马赫-曾德调制器和下分支马赫-曾德调制器均连接激光二极管，上分支马赫-曾德调制器连接上低通滤波器，下分支马赫-曾德调制器连接下低通滤波器，所述上分支马赫-曾德调制器和下分支马赫-曾德调制器把输入的射频信号转换为光信号，所述激光二极管为上分支马赫-曾德调制器和下分支马赫-曾德调制器提供光源，所述移相器将下分支马赫-曾德调制器的输出信号相位相移π/2，使上分支马赫-曾德调制器和下分支马赫-曾德调制器的输出信号正交，并叠加输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：引入K序列作为三维信号的第四个维度，通过三维信号映射重组在频域和时域得到2N个完整复数数据，利用搜索算法找到一个最佳的K序列组合有效的降低了三维相干光正交频分复用***的峰均功率比，并且本发明的搜索算法具有很低的复杂度。同时，三维信号映射较传统的基于二维信号的映射***提供了更大的欧几里德距离，有效的提高了***的差错性能。通过频域子载波信号重组，***的频带利用率也得到了有效的改善。在接收端，由于***的K序列不携带信息，所以可直接移除，再利用一个简单的解重组即可。
附图说明
图1是本发明三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低装置一示意图。
图2是图1中峰均功率比降低模块的一示意图。
图3是本发明一实施例的峰均功率比性能改善示意图。
图4是图3中K序列搜索长度缩减后的峰均功率比性能改善示意图。
图5是本发明一实施例的***符号差错率的性能示意图。
图6是图5中K序列搜索长度缩减后的***符号差错率的性能示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低装置，包括射频发射器1和光信号转换器2，射频发射器1连接光信号转换器2，光信号转换器2连接光纤链路3。
射频发射器1包括串并转换模块11、三维信号映射模块12、三维信号映射重组模块13、峰均功率比降低模块14、并串转换与循环前缀***模块15，并串转换与循环前缀***模块15的输出端连接一上数模转换模块16和一下数模转换模块17，上数模转换模块16连接上低通滤波器18，下数模转换模块17连接下低通滤波器19，上低通滤波器18和下低通滤波器19的输出端均连接光信号转换器2。
请参考图2，峰均功率比降低模块14包括二维反傅里叶变换模块141、零填充与二维反傅里叶变换模块142、最小峰均功率比的正交频分复用信号选择模块143和K序列最佳化模块144。
二进制序列输入串并转换模块11，并经串并转换模块11进行分组，每k比特为一组作为子载波索引信号，所述串并转换模块11连接三维信号映射模块12，所述子载波索引信号经所述三维信号映射模块12处理后得到3N个实数形式子载波分量的频域正交频分复用信号，所述三维信号映射模块12连接三维信号映射重组模块13，经重组后得到2N个复数形式子载波分量的频域正交频分复用信号，所述三维信号映射重组模块13连接峰均功率比降低模块14，峰均功率比降低模块14连接并串转换与循环前缀***模块15，二维反傅里叶变换模块141把重组的频域正交频分复用信号调制到时域，得到2N个复数形式子载波分量的时域正交频分复用信号，所述零填充与二维反傅里叶变换模块142把经过零填充后的频域K序列信号转换到时域，也得到2N个复数形式子载波分量的时域正交频分复用信号，再与重组后得到的时域正交频分复用信号叠加，结合最小峰均功率比的正交频分复用信号选择模块143和K序列最佳化模块144，得到具有最小峰均功率比的正交频分复用信号，再通过并串转换与循环前缀***模块15将具有最小峰均功率比的正交频分复用信号分成实数部分和与实数部分相对应的虚数部分，并串转换与循环前缀***模块15的输出端连接一上数模转换模块16和一下数模转换模块17，上数模转换模块16连接上低通滤波器18，所述下数模转换模块17连接下低通滤波器19，上低通滤波器18和下低通滤波器19的输出端均连接光信号转换器2，所述实数部分经上数模转换模块16和上低通滤波器18处理后输入光信号转换器2，所述虚数部分经下数模转换模块17和下低通滤波器19处理后输入光信号转换器2，并在光信号转换器2内完成射频向光信号的转换。
光信号转换器2为光学I/Q调制器，在实施例一中，光信号转换器2包括的上分支马赫-曾德调制器(MZM)24和下分支马赫-曾德调制器21均连接激光二极管23，上分支马赫-曾德调制器24连接上低通滤波器18，下分支马赫-曾德调制器21连接下低通滤波器19，上分支马赫-曾德调制器24和下分支马赫-曾德调制器21把输入的射频信号转换为光信号，激光二极管23为上分支马赫-曾德调制器24和下分支马赫-曾德调制器21提供光源，移相器22将下分支马赫-曾德调制器21的输出信号相位相移π/2，使上分支马赫-曾德调制器24和下分支马赫-曾德调制器21的输出信号正交，并叠加输出。
三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法，包括以下步骤：
(1)二进制序列输入射频发射器，所述二进制序列在射频发射器中经串并转换模块进行分组，每k＝log2M比特为一组作为子载波索引信号，M表示三维信号星座图的尺寸；
(2)将步骤(1)得到的子载波索引信号输入三维信号映射模块，经三维信号映射模块得到3N个实数形式子载波分量的频域正交频分复用信号；
频域正交频分复用信号表示为：
Figure BDA0001256991640000081
式中：Sm＝(Xm Ym Zm)T，0≤m≤M-1表示二维矩阵S3×N中每一个列向量，其代表一个三维信号，X、Y、Z表示信号在三维信号星座图中的坐标，T表示转置。
(3)将步骤(2)得到的正交频分复用信号进行映射重组后得到2N个复数形式子载波分量的频域正交频分复用信号；
重组后的频域正交频分复用信号表示为：
Figure BDA0001256991640000091
式中：
Figure BDA0001256991640000092
(4)通过二维反傅里叶变换模块把步骤(3)得到的正交频分复用信号从频域调制到时域；
(5)从频域引入K＝(K0,K1,…,KN-1)序列并做零填充转换为二维矩阵，经二维反傅里叶变换后与步骤(4)得到的时域信号叠加；
引入K序列后的时域正交频分复用信号表示为：
s＝ifft2(S2×N)+ifft2(μK2×N)
式中：
Figure BDA0001256991640000093
μ为常数，用于调节***的K序列信号功率，ifft2表示二维反傅里叶变换，时域的正交频分复用信号分量具有复数形式。
(6)结合步骤(4)和(5)通过搜索算法找到使正交频分复用信号峰均功率比最小的K序列组合；
搜索算法包括以下步骤：
6.1)首先设置***的K序列为全零序列，计算经二维反傅里叶变换后正交频分复用信号的峰均功率比；
6.2)设置子载波索引变量u，并设u＝0，K序列中每个分向量后选电平的个数为C，后选电平用向量E＝(E1,E2,…,EC)表示；
6.3)用每个后选电平EC代替Ku，通过比较，选择一个使正交频分复用信号峰均功率比最小的电平EC；
6.4)增加u＝u+1，重复步骤6.3)，直到u＝L-1，搜索程序结束，L表示需要被搜索的K序列长度。
(7)将步骤(6)得到的时域正交频分复用信号通过并串转换与循环前缀***模块分成实数部分和与实数部分相对应的虚数部分，实数部分和虚数部分输入相对应的上数模转换模块和下数模转换模块，经上数模转换模块和下数模转换模块转换后，再分别输入上低通滤波器和下低通滤波器，经上低通滤波器和下低通滤波器处理后，输入光信号转换器，并在光信号转换器内完成射频向光信号的转换；
(8)将步骤(7)得到的光信号通过光纤链路进行传输。
实施例参数：
设定正交频分复用信号的子载波数为64，采用加性高斯白噪声(AWGN)信道去验证本发明对***性能的影响，三维信号星座图采用8进制正六面体结构，并设置三维信号星座图的平均功率为1，需搜索的K序列长度为L，K序列中每个分量的后选电平为{-1,1}或{-3,-1,1,3}。
验证结果如下所示：
图3中，L＝N，在CCDF(互补累积分布函数)＝10-4、后选电平数C＝2、μ＝0.5774时，峰均功率比较原***改善了约3.5dB，发送信号的平均功率增加了9.63％。当μ＝2时，峰均功率比性能可以改善1.8dB，平均功率增加仅1.94％。后选电平数C＝4时，相应的峰均功率比性能均可再改善约1dB左右。
图4中显示了K序列搜索长度缩减后的***性能，由图可见，当C＝2、μ＝1、L＝N/2时，在Pr＝10-4处峰均功率比可以改善约3dB左右。
图5和图6显示了***符号差错率的性能，由于K序列的***导致原始的三维信号受到更大功率的噪声干扰，但随着***的K序列功率降低和搜索长度的缩减，***差错率非常接近原来的***。
本发明引入K序列作为三维信号的第四个维度，通过三维信号映射重组在频域和时域得到2N个完整复数数据，利用搜索算法找到一个最佳的K序列组合，有效的降低了三维相干光正交频分复用***的峰均功率比，并且本发明的搜索算法具有很低的复杂度。同时，三维信号映射较传统的基于二维信号的映射***提供了更大的欧几里德距离，有效的提高了***的差错性能。通过频域子载波信号重组，***的频带利用率也得到了有效的改善。在接收端，由于***的K序列不携带信息，所以可直接移除，再利用一个简单的解重组即可。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)二进制序列输入射频发射器，所述二进制序列在射频发射器中经串并转换模块进行分组，每k＝log2M比特为一组作为子载波索引信号，M表示三维信号星座图的尺寸；
(2)将步骤(1)得到的子载波索引信号输入三维信号映射模块，经三维信号映射模块得到3N个实数形式子载波分量的频域正交频分复用信号，N表示正交频分复用信号的子载波数；
(3)将步骤(2)得到的正交频分复用信号进行映射重组后得到2N个复数形式子载波分量的频域正交频分复用信号；
(4)通过二维反傅里叶变换模块把步骤(3)得到的正交频分复用信号从频域调制到时域；
(5)从频域引入K＝(K0,K1,…,KN-1)序列并做零填充转换为二维矩阵，再经二维反傅里叶变换后与步骤(4)得到的时域信号叠加；
(6)结合步骤(4)和(5)通过搜索算法找到使正交频分复用信号峰均功率比最小的K序列组合；
(7)将步骤(6)得到的时域正交频分复用信号通过并串转换与循环前缀***模块分成实数部分和与实数部分相对应的虚数部分，实数部分和虚数部分输入相对应的上数模转换模块和下数模转换模块，经上数模转换模块和下数模转换模块转换后，再分别输入上低通滤波器和下低通滤波器，经上低通滤波器和下低通滤波器处理后，输入光信号转换器，并在光信号转换器内完成射频向光信号的转换；
(8)将步骤(7)得到的光信号通过光纤链路进行传输。
2.根据权利要求1所述的三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法，其特征在于，所述步骤(2)中，频域正交频分复用信号表示为：
Figure FDA0004003265990000021
式中：Sm＝(Xm Ym Zm)T，0≤m≤M-1表示二维矩阵S3×N中每一个列向量，其代表一个三维信号，X、Y、Z表示信号在三维信号星座图中的坐标，T表示转置。
3.根据权利要求2所述的三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法，其特征在于，所述步骤(3)中，重组后的频域正交频分复用信号表示为：
Figure FDA0004003265990000022
式中：
Figure FDA0004003265990000023
4.根据权利要求1所述的三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法，其特征在于，所述步骤(4)和(5)中，引入K序列后的时域正交频分复用信号表示为：
s＝ifft2(S2×N)+ifft2(μK2×N)
式中：
Figure FDA0004003265990000024
μ为常数，用于调节***的K序列信号功率，ifft2表示二维反傅里叶变换，时域的正交频分复用信号分量具有复数形式。
5.根据权利要求4所述的三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低方法，其特征在于，所述步骤(6)中，搜索算法包括以下步骤：
6.1)首先设置***的K序列为全零序列，计算经二维反傅里叶变换后正交频分复用信号的峰均功率比；
6.2)设置子载波索引变量u，并设u＝0，K序列中每个分向量后选电平的个数为C，后选电平用向量E＝(E1,E2,…,EC)表示；
6.3)用每个后选电平EC代替Ku，通过比较，选择一个使正交频分复用信号峰均功率比最小的电平EC；
6.4)增加u＝u+1，重复步骤6.3)，直到u＝L-1，搜索程序结束，L表示需要被搜索的K序列长度。
6.三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低装置，其特征在于，包括射频发射器和光信号转换器，所述射频发射器连接所述光信号转换器，所述射频发射器包括串并转换模块，二进制序列输入所述串并转换模块，并经串并转换模块进行分组，每若干比特为一组作为子载波索引信号，所述串并转换模块连接三维信号映射模块，所述子载波索引信号经所述三维信号映射模块处理后得到3N个实数形式子载波分量的频域正交频分复用信号，N表示正交频分复用信号的子载波数，所述三维信号映射模块连接三维信号映射重组模块，经重组后得到2N个复数形式子载波分量的频域正交频分复用信号，所述三维信号映射重组模块连接峰均功率比降低模块，所述峰均功率比降低模块连接并串转换与循环前缀***模块，所述峰均功率比降低模块包括二维反傅里叶变换模块、零填充与二维反傅里叶变换模块、最小峰均功率比的正交频分复用信号选择模块、K序列最佳化模块，所述二维反傅里叶变换模块把重组的频域正交频分复用信号调制到时域，得到2N个复数形式子载波分量的时域正交频分复用信号，所述零填充与二维反傅里叶变换模块把经过零填充后的频域K序列信号转换到时域，也得到2N个复数形式子载波分量的时域正交频分复用信号，再与重组后得到的时域正交频分复用信号叠加，结合所述最小峰均功率比的正交频分复用信号选择模块和K序列最佳化模块，得到具有最小峰均功率比的正交频分复用信号，再通过并串转换与循环前缀***模块将具有最小峰均功率比的正交频分复用信号分成实数部分和与实数部分相对应的虚数部分，所述并串转换与循环前缀***模块的输出端连接一上数模转换模块和一下数模转换模块，所述上数模转换模块连接上低通滤波器，所述下数模转换模块连接下低通滤波器，所述上低通滤波器和下低通滤波器的输出端均连接光信号转换器，所述实数部分经上数模转换模块和上低通滤波器处理后输入光信号转换器，所述虚数部分经下数模转换模块和下低通滤波器处理后输入光信号转换器，并在光信号转换器内完成射频向光信号的转换；
其中，利用叠加重组后的时域正交频分复用信号，所述零填充与二维反傅里叶变换模块通过搜索算法找到最佳的K序列组合得到具有最小峰均功率比的正交频分复用信号；所述光信号转换器连接光纤链路，所述光信号通过光纤链路进行传输。
7.根据权利要求6所述的三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低装置，其特征在于，所述光信号转换器为光学I/Q调制器。
8.根据权利要求6所述的三维相干光正交频分复用***峰均功率比降低装置，其特征在于，所述光信号转换器包括上分支马赫-曾德调制器和下分支马赫-曾德调制器、一个激光二极管和一个移相器，上分支马赫-曾德调制器和下分支马赫-曾德调制器均连接激光二极管，上分支马赫-曾德调制器连接上低通滤波器，下分支马赫-曾德调制器连接下低通滤波器，所述上分支马赫-曾德调制器和下分支马赫-曾德调制器把输入的射频信号转换为光信号，所述激光二极管为上分支马赫-曾德调制器和下分支马赫-曾德调制器提供光源，所述移相器将下分支马赫-曾德调制器的输出信号相位相移π/2，使上分支马赫-曾德调制器和下分支马赫-曾德调制器输出的信号正交，并叠加输出。
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