基于FHT和改进的μ律压扩变换抑制光OFDM系统PAPR的方法与流程

本发明属于光纤通信和信号处理技术领域，特别是涉及光OFDM系统降低PAPR。

背景技术：

光正交频分复用(OOFDM)作为一种新型多载波调制技术以其独特的优势成为近年来光通信领域的研究热点之一，尤其是相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统，在频谱效率、接收机灵敏度、及抗色散性上体现的优越性，使其成为未来实现高速率、大容量、远距离光纤通信的重要解决方案。峰值平均功率比(PAPR)较高是OOFDM系统的主要缺点之一，高PAPR不仅会增加系统复杂度、提高系统成本，还会影响光纤的非线性。目前，许多降低PAPR的方法已经被提出，比如限幅法、压扩变换法、选择映射法(SLM)、部分传输序列法(PTS)、酉变换法等。

酉变换法降低信号PAPR的原因是通过降低信号的非周期自相关性。酉变换法中，哈达码(Hadamard)变换矩阵、离散余弦变换(DCT)矩阵为常用的酉变换矩阵。μ律压扩变换由语音信号的μ律压扩思想转化而来，对小幅度信号进行扩张，大幅度信号进行压缩。还有许多关于酉变换法和压扩变换法相结合的研究。比如：Hadamard变换结合μ律压扩变换、DCT变换结合μ律压扩变换等。

技术实现要素：

本发明的目的是采用快速哈达码变换(FHT)结合改进的μ律压扩变换来对CO-OFDM系统PAPR和误码率(BER)性能进行联合优化，最终实现PAPR性能、计算复杂度和误码率性能的折中。是在信号映射后，先进行FHT运算，FHT运算是用来改变映射信号的非周期自相关性而降低CO-OFDM信号PAPR，同时算法复杂度低。在IFFT运算后再对信号进行改进的μ律压扩变换，进一步降低CO-OFDM信号的PAPR，改进的μ律压扩变换是一个重复压扩滤波的过程。在CO-OFDM系统接收端分别进行压扩反变换和FHT反变换，恢复CO-OFDM信号。

本发明的技术方案是：

基于FHT和改进的μ律压扩变换抑制光OFDM系统PAPR的方法，通过射频OFDM发射机模块对基带信号的处理；通过射频至光上变换器利用IQ调制器将电信号转变为光信号；经过光纤链路传输的光OFDM信号，在光至射频下变换器中利用相干检测技术实现光信号到电信号的转变；通过射频OFDM接收机对电信号进行与发射机相反的变换。

基于FHT和改进的μ律压扩变换抑制光OFDM系统PAPR的方法，步骤如下：

步骤1：输入的高速串行数据流经过串并转换变为N路低速的并行数据流，对每路数字信号采用QPSK方式进行映射生成复值信号；

步骤2：对生成的复值信号进行FHT运算，用来降低信号的PAPR；

步骤3：再对信号进行IFFT运算，用来完成OFDM复数等效基带信号的调制；

步骤4：IFFT运算后再对信号进行改进的μ律压扩变换；

步骤5：添加循环前缀，以避免信号不同步和信道色散所引起的符号间干扰；

步骤6：进行数模转换，将离散的数字信号转变成连续的模拟信号；

步骤7：进行电光调制；

步骤8：光信道传输；

步骤9：在接收端部分，采用相干检测的方法进行光信号的检测。

进一步的，步骤4中，改进的μ律压扩变换为一个重复压扩滤波的过程，具体操作如下：先使用μ律压扩函数对信号进行压扩处理；之后，再经过FFT运算将信号变换到频域进行频域滤波，然后再通过IFFT运算返回时域，以上过程为进行一次压扩滤波；这个过程需要重复进行m次，m为最大重复次数，μ律压扩变换是在发送端放大小幅度信号和压缩大幅度信号。

进一步的，步骤7中，电光调制是用两个MZM组成光IQ调制器来完成复值OFDM信号的实虚两部分从电域变换到光域上，每个MZM分别由OFDM信号的实部和虚部来驱动。

进一步的，步骤9中，是将光OFDM信号转换成电OFDM信号后，电OFDM信号通过低通滤波器进行滤波，接着进行模数转换，将模拟信号转换成数字信号，去掉循环前缀，然后进行m次解压扩变换；接着进行FFT运算，IFHT运算，经过IFHT后的数字信号将逆映射为与发送端对应的QPSK星座点并作相应的解调，得到的N路并行数字信号通过并/串变换转换成原始的二进制串行数字信号。

本发明的优点和有益效果是：

将传统的Hadamard变换和μ律压扩变换先进行改进，然后再进行级联。FHT运算的计算复杂度要比Hadamard变换的低很多，改进的μ律压扩变换可以对峰均比性能和误码率性能进行联合优化，在降低信号PAPR的同时对信号BER性能进行控制，并在重复过程中消除由信号畸变导致的带外频谱再生。在对信号进行完FHT运算后，信号的PAPR下降一部分，再对信号进行改进的压扩变换时，对信号的预失真就不会很严重，这样在接收端进行反变换时，信号的恢复比较理想。所提出的方法比单独采用其中一种方法的PAPR性能要好，且综合性能优于传统的SLM、PTS方法。

附图说明

图1为改进的μ律压扩变换框图。

图2为所提方法的CO-OFDM系统框图，其中，m为重复压扩滤波的次数。

图3为不同方法的互补累积分布函数(CCDF)曲线。

图4为所提方法与选择性映射、部分传输序列法的CCDF曲线比较图。

图5为所提方法和单独的改进的压扩滤波的误码率图。

图6为所提方法和选择性映射、部分传输序列法的误码率图。

附表说明

表1为所提方法、选择性映射、部分传输序列法的复杂度对比表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的具体说明：

实施例：

所提方法的CO-OFDM系统框图，如图2所示。射频OFDM发射机模块主要是对基带信号的处理，包括串并转换、子载波映射、快速哈达码变换、改进的μ律压扩变换、逆快速傅里叶变换、加循环前缀、以及数模转换等。射频至光上变换器是利用IQ调制器将电信号转变为光信号。经过光纤链路传输的光OFDM信号，在光至射频下变换器中利用相干检测技术实现光信号到电信号的转变。射频OFDM接收机对电信号进行与发射机相反的变换。射频OFDM发送机和接收机的工作利用matlab软件实现，射频至光上变换器、光信道和光至射频下变换器部分则由optisystem软件完成。

该实施例的工作分析：

步骤1：输入的高速串行数据流经过串并转换变为N路低速的并行数据流，对每路数字信号采用QPSK方式进行映射生成复值信号。

步骤2：对生成的复值信号进行FHT运算，用来降低信号的PAPR。在理论上，FHT就是将哈达码矩阵分解为稀疏矩阵的乘积，具体实现和FFT类似，采用蝶形变换，只是没有乘法运算。相对于Hadamard变换来说，快速算法可以减少运算量。

步骤3：再对信号进行IFFT运算，用来完成OFDM复数等效基带信号的调制。

步骤4：IFFT运算后再对信号进行改进的μ律压扩变换。改进的μ律压扩变换为一个重复压扩滤波的过程，具体操作如下：先使用μ律压扩函数对信号进行压扩处理；之后，再经过FFT运算将信号变换到频域进行频域滤波，然后再通过IFFT运算返回时域，以上过程为进行一次压扩滤波。这个过程需要重复进行m次，m为最大重复次数。μ律压扩变换是在发送端放大小幅度信号和压缩大幅度信号。该步骤过程参见附图1。

步骤5：添加循环前缀。循环前缀是将OFDM符号尾部的一部分子载波数据复制到OFDM符号的前面，形成前缀，以避免信号不同步和信道色散所引起的符号间干扰。

步骤6：进行数模转换。数模转换是将离散的数字信号转变成连续的模拟信号。

步骤7：进行电光调制。电光调制是用两个MZM组成光IQ调制器来完成复值OFDM信号的实虚两部分从电域变换到光域上，每个MZM分别由OFDM信号的实部和虚部来驱动。

步骤8：光信道传输。

步骤9：在接收端部分，采用相干检测的方法进行光信号的检测。将光OFDM信号转换成电OFDM信号后，电OFDM信号通过低通滤波器进行滤波，接着进行模数转换，将模拟信号转换成数字信号，去掉循环前缀，然后进行m次解压扩变换。接着进行FFT运算，IFHT运算，经过IFHT后的数字信号将逆映射为与发送端对应的QPSK星座点并作相应的解调，得到的N路并行数字信号通过并/串变换转换成原始的二进制串行数字信号。

图3为不同方法的互补累积分布函数(CCDF)曲线。由图3可以看出：本发明可以有效的降低CO-OFDM系统的PAPR，并且随着重复次数m的增加，降低效果越明显。

图4为所提方法与选择性映射、部分传输序列法的CCDF曲线比较图。由图4可以看出：本发明在m＝1,μ＝1时，降低PAPR效果和选择性映射(D＝8)、部分传输序列(V＝8)接近；在m＝3,μ＝1时，降低PAPR效果比比二者要好。

图5为所提方法和单独的改进的压扩滤波的误码率图。由图5可以看出：单独采用改进的μ率压扩变换和采用本发明的误码率性能相当，也就是说，快速哈达码变换对系统误码率没有影响。

图6为所提方法和选择性映射、部分传输序列法的误码率图。由图6可以看出：本发明的误码率性能和选择性映射法的类似，比部分传输序列法略差。

表1为所提方法、选择性映射、部分传输序列法的复杂度对比表。由表1可以看出：各种方法在降低PAPR效果类似的情况下，本发明的计算复杂度最低；在计算复杂度类似的情况下，本发明降低PAPR效果最好。

表1

应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。