CO-OFDM系统中基于SLM技术抑制PAPR的研究与实现

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对光波采用相干检测(Coherent Detection)方式的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统被称作相干光正交频分复用系统(Coherent-Optical OFDM,CO-OFDM)。它是将相干检测技术、正交频分复用技术和光通信技术有机地结合起来,同时具有抗色散能力强,抑制非线性效应能力强,对信道衰落的鲁棒性,抗符号间干扰能力强,频谱效率高等诸多优点。目前已被许多高速数据传输系统采纳为技术标准。然而,CO-OFDM系统中存在较高的峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)的问题是其较为突出的一个缺点。高PAPR值的问题会增加系统的运行成本,且会降低系统的运行效率,甚至会使得接收机无法正确地恢复出原始信号。基于此问题,本课题针对CO-OFDM系统中的PAPR抑制技术展开,并从概率类技术中选取具有良好PAPR抑制性能的选择性映射(Selective Mapping,SLM)技术作为深入研究的对象,本文的主要研究内容如下:1.首先对CO-OFDM系统的基本理论进行学习,并对CO-OFDM的系统结构进行了分析和探讨,对CO-OFDM系统的技术要点,系统关键器件Mach-Zehnder调制器的基本原理,系统采用的相干检测技术等进行了研究和分析,进而对CO-OFDM系统的高PAPR问题进行了探讨,得出系统其高PAPR问题产生的原因,从而得出CO-OFDM系统中的高PAPR问题值得深入研究。2.针对CO-OFDM系统中的高PAPR问题,从PAPR的定义及其特征入手,对CO-OFDM系统中PAPR抑制技术进行分析,探讨过采样技术对峰均比CCDF函数分布的影响并对未实行过采样操作和实行过采样操作的情况下,Chu序列的PAPR值进行了仿真分析,得出实行过采样操作可以确保CO-OFDM信号的PAPR的准确性。接着,对PAPR抑制技术的分类进行了介绍,大体可分为三大类技术,即概率类技术、畸变类技术和编码类技术,并分别就这三类技术各自的优缺点进行分析后,得出概率类技术中的SLM技术不会引发信号畸变且以其优越的PAPR抑制性能而选取为进一步研究的对象。3.针对传统SLM方案计算复杂度高且PAPR抑制性能不佳这一问题,本文利用将CO-OFDM信号的实部和虚部分开处理的思想,再通过融合Clipping技术提出了一种新颖的联合改进的低复杂度SLM抑制方案。从仿真结果来看,该方案在产生相同数目的备选信号情况下,相较于传统SLM方案和只采用LC-SLM方案而言,该方案的计算复杂度降低率(CCRR)均在50%以上,且计算复杂度降低率会随着子块划分数M的增加而提高。通过Matlab仿真分析结果表明,该联合改进方案的PAPR抑制性能在CCDF(28)10-4处,相较于传统SLM方案和只采用LC-SLM方案分别有约2.2 dB和0.9 dB抑制性能的提高。同时考虑到Clipping技术会带来一定的信号失真现象,所以又对联合改进方案的系统误码率(Bit Error Rate,BER)进行了仿真。通过仿真分析,该联合改进方案在一定程度上改善了由Clipping技术而产生的信号失真现象,取得了PAPR抑制性能和系统误码率之间良好的折衷。4.对提出的基于SLM技术的联合改进算法方案进行了实现研究,设计了一种基于FPGA的抑制PAPR算法的实现方案。对提出的实现方案的各模块进行了设计,主要包括采用QPSK调制方案的星座映射模块设计,算法选择模块设计,选择性映射(SLM)模块设计,快速傅里叶变换模块设计,Clipping模块设计。并对各模块的功能结构进行了ModelSim仿真,最后利用FPGA和Matlab联合仿真分析,对基于FPGA的实现结果和基于Matlab仿真结果的一致性进行验证,通过联合仿真的结果来看,将基于FPGA的实现结果导入Matlab中与基于Matlab的仿真结果具有一致性,从而验证了基于FPGA实现方案的有效性和可行性。
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