基于Optisystem的OFDM?ROF系統的數字預失真設計與實現

李星沛+何方白

摘 要： 針對OFDM?ROF系統中傳輸鏈路中各器件的非線性等問題，提出基于查找表的二分法和與割線法結合的數字預失真算法，并利用Matlab實現OFDM的發射、接收和數字預失真處理模塊，再運用Optisystem 7.0搭建了OFDM?ROF仿真實驗平臺。通過16QAM星座圖預失真前后仿真結果對比、以及AM/AM和AM/PM特性結果顯示，采用二分法和與割線法相結合的自適應算法能改善OFDM?ROF系統的非線性問題，為OFDM?ROF系統的數字預失真硬件電路實現提供了依據和參考。

關鍵詞： OFDM?ROF； Optisystem； 二分法； 割線法； 預失真算法

中圖分類號： TN929.11?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）16?0034?03

Design and implementation of digital pre?distortion in OFDM?ROF system

based on Optisystem

LI Xing?pei1， 2， HE Fang?bai1

（1. Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China； 2. Neijiang Vocational & Technical College， Neijiang 641000， China）

Abstract：For nonlinear characteristics of each device in transmission link in OFDM?RoF system， the digital pre?distortion algorithm of dichotomy combining secant method based on LUT are proposed， Matlab is used to realize the OFDMs receiving， transmitting and digital pre?distortion processing module， and Optisystem7.0 are used to establish a OFDM?ROF simulation platform. Contrast results of the simulation before and after pre?distortion in 16QAM constellation charts， AM/AM and AM/PM characteristics show that the self?adaptive algorithm combining the dichotomy with the secant method can improve the nonlinear of OFDM?ROF system. It provided a basis and reference for implementation of the digital pre?distortion hardware circuit in OFDM?ROF system.

Keywords： OFDM?ROF；Optisystem；dichotomy；secant method；pre?distortion algorithm

正交頻分復用（OFDM）作為4G的主要調制技術，具有較強的抗多徑衰落和較高的頻譜利用率。而光載無線通信（ROF）技術就是將無線通信技術與寬帶通信技術結合起來的一種技術，它具有大容量、高帶寬、低損耗、抗干擾、靈活方便等優點[1?3]。雖然OFDM?ROF系統具有明顯的優勢，但也帶來了一些需要研究解決的新問題。ROF鏈路中的非線性器件會產生非線性效應，隨著鏈路中OFDM信號傳輸動態范圍的增大，非線性效應的影響也隨之增大，使得子載波之間的正交特性惡化，嚴重降低了系統的傳輸性能[4]。要想提高鏈路系統的傳輸性能，必須對于ROF鏈路的非線性進行補償。

1 OFDM?ROF系統結構[5?6]

圖1是OFDM?ROF預失真系統的結構圖。其中， 將預失真處理模塊被放在OFDM調制模塊和ROF鏈路之間，預失真處理模塊包括預失真器和自適應模塊，預失真處理模塊中進行信號的預失真調整后輸入ROF鏈路，輸出的ROF鏈路信號再次送入預失真處理模塊，進入自適應算法模塊，進行誤差函數收斂和算法更新，從而完成一個OFDM?ROF的系統預失真處理過程。

2 基于查找表的自適應算法

查找表（LUT）預失真技術最早是在1988年由Bateman等人提出的，查找表技術是目前比較流行的一種預失真技術。割線法[5?7]是一種收斂速度介于線性收斂和平方收斂之間的函數逼近法，其迭代關系式為：

[fnk+1=fnk-1efnk-fnkefnk-1efnk-efnk-1] （1）

式中[fnk]為第[n]項第[k]次迭代的值。二分法是近似計算中求實根最簡單的方法。常用來為其他方法求方程近似根提供初始值。二分法迭代關系方程式為：

[fk+1=ak，Ik，gakegIk<0Ik，bk，gakegIk>0] （2）

式中：[fk=ak，bk]表示第[k]步的根區間，[fk=ak+bk2]為第[k]次計算的近似值。

通過對收斂速度、運算量和存儲量的綜合考慮，如果把二分法與割線法結合起來，先用二分法定出包含根的大致區間，然后把二分法確定的兩個近似值[ak]和[bk]作為割線法的初始值[Ik]和[Ik-1]，再由割線法跟蹤，這樣就能在有效性和收斂速度上得到很好的結果。

圖1 OFDM?ROF系統預失真結構圖

3 基于Optisystem的OFDM?ROF系統的數字

預失真設計

首先設計出基于查找表法的ROF數字預失真處理結構，如圖2所示，這里采用極坐標查找表技術。輸入數據經過OFDM調制后產生的同相分量I和正交分量Q，通過直?極坐標轉化計算出基帶信號的幅度分量和相位分量；由幅度信號的原始量化值做地址索引，進入查找表中查找相應的幅度調整值和相位調整值，從而調整基帶信號的幅度值和相位值，該值稱為基準值，一方面送入后面的ROF傳輸鏈路，另一方面送入自適應模塊。經ROF鏈路反饋回路后，信號再次進入自適應模塊，這是功放模擬模塊輸出的實際值，在自適應模塊內采用二分法和與割線法結合的算法對查找表的幅度和相位表進行更新，從而完成預失真過程。

根據圖2的設計框圖，運用光通信系統仿真軟件Optisystem7.0 與Matlab軟件搭建了一個協同仿真平臺來實現OFDM?ROF預失真系統，如圖3所示。其中，Matlab軟件編寫OFDM的發射、接收，預失真處理模塊采用Matlab中的DSP模塊構成。

首先，產生一個碼率為2.5 Gb/s，碼長為1 024的偽隨機碼。該偽隨機碼用Matlab編寫的OFDM發射模塊調制，OFDM采用16QAM，IFFT取512點。再將此信號經過MZM調制器調制到線寬默認為10 MHz，功率為-10 dBm，頻率為193.16 THz的激光載波上[8]。

采用一束30 GHz的信號源激光進行載波抑制雙邊帶調制，并利用生成的兩個邊帶作為激光源。然后將調制后的光信號與一束功率為0 dBm，線寬同樣為10 MHz，頻率為193.16 THz的光信號進行耦合。設置單模光纖長度為30 km，色散系數為16.75 ps/（nm·km），傳輸波長為1 550 nm，衰減系數[9]為0.2 dB/km。

圖2 基于查找表的OFDM?ROF預失真結構

在基站端，傳輸過來的光信號經過LED光電探測器進行光電轉換，LED的響應度為1 A/W，暗電流[10]為10 nA。經光電探測器接收得到的電信號與60 GHz的正交信號進行相干解調，經帶通濾波器，去除高頻成分，得到低頻信號，送入OFDM 接收模塊。經放大，傳回預失真模塊，對幅度表和相位表進行更新。

圖3 基于Optisystem的OFDM?ROF預失真系統

4 仿真結果

帶內信號的畸變可以通過星座圖和矢量誤差平均值（EVM）來衡量。圖4是OFDM?ROF系統的星座仿真圖，其中圖4（a）為沒有經過預失真處理的OFDM解調信號的16QAM星座圖，從圖中可以看出，由于系統非線性的影響，導致信號的幅度和相位都有很嚴重的變形，此時的EVM為62.130 2%。

圖4（b）是經過預失真處理后的16QAM星座圖，可以看出，基于查找表的數字預失真處理后的星座圖偏轉和擴散得到了改善，此時的EVM為1.536%，所以能夠完全解調。對采用查找表的自適應二分法與割線法相結合刷新算法進行預失真器的特性曲線仿真，查找表大小取N=512，功放采用Rapp模型，結果進行歸一化處理。

圖4 星座仿真圖

圖5是預失真前后預失真器的AM/AM特性曲線圖，從中可以看出，預失真前曲線是非線性的， 加入預失真器后與其疊加形成補償，最后的曲線b，即該信號的AM/AM特性趨于線性。

圖5 預失真前后預失真器的AM/AM特性

圖6為預失真前后預失真器的AM/PM特性曲線，經過預失真器的調整后，AM/PM特性曲線b也趨于線性，說明ROF系統經過預失真處理后非線性有了明顯的改善。

5 結 語

針對OFDM?ROF系統中存在的非線性特性問題，提出了基于查找表的二分法與割線法結合的數字預失真算法。為實現OFDM?ROF的預失真系統，搭建了Optisystem 7.0 與Matlab軟件結合的聯合仿真系統。通過仿真結果顯示，提出的數字預失真系統與未加預失真的系統相比，其解調信號的16QAM星座圖的幅度和相位得到了極大的改善，ROF鏈路及預失真器的AM/AM特性曲線和AM/PM特性曲線得到了補償。這說明采用基于查找表的二分法和與割線法結合的的方法是能改善OFDM?ROF系統的非線性問題，并為下一步實現數字預失真OFDM?ROF系統的硬件設計提供依據和參考。

圖6 預失真前后預失真器的AM/PM特性

參考文獻

[l] 郝耀鴻，王榮，李玉權.相干光OFDM系統中的相位估計分析[J].電路與系統學報，2011，16（1）：20?24.

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[3] 傅磊，陳健，馮俊飛，等.高速光OFDM符號定時同步在FPGA上的設計與實現[J].光通信技術，2013，37（4）：35?37.

[4] 南敬昌，曲昀，毛陸虹.峰均比抑制與預失真在OFDM?RoF系統中的應用[J].光通信技術，2012，36（10）：57?60.

[5] 程永茂，趙峰民，曲暉，等.FH?OFDM系統同步算法研究與FPGA實現[J].電視技術，2012，36（9）：33?34.

[6] 周園光.OFDM在接入網中的應用及仿真分析[J].光通信技術，2011，35（10）：13?15.

[7] KHAN M I， RAAHEMIFAR K. Measurement of optical impairments in OFDM based radio?over?fiber communication systems [C]// Proceedings of 21st International Conference on Noise and Fluctuations. Toronto， ON： IEEE， 2011： 409?412.

[8] 李濤，榮健，鐘曉春.采用Optisystem的OFDM?RoF系統仿真[J].紅外與激光工程，2011，40（6）：1155?1159.

[9] 王酷，郭健健，高平，等.ROF技術在數字無線集群系統中的應用研究[J].光通信技術，2011，35（7）：47?50.

[10] 梁猛，何金池，鞏稼民，等.基于OptiSystem的相干光OFDM系統的仿真研究[J].光通信技術，2011，35（4）：42?46.

圖1 OFDM?ROF系統預失真結構圖

3 基于Optisystem的OFDM?ROF系統的數字

預失真設計

首先設計出基于查找表法的ROF數字預失真處理結構，如圖2所示，這里采用極坐標查找表技術。輸入數據經過OFDM調制后產生的同相分量I和正交分量Q，通過直?極坐標轉化計算出基帶信號的幅度分量和相位分量；由幅度信號的原始量化值做地址索引，進入查找表中查找相應的幅度調整值和相位調整值，從而調整基帶信號的幅度值和相位值，該值稱為基準值，一方面送入后面的ROF傳輸鏈路，另一方面送入自適應模塊。經ROF鏈路反饋回路后，信號再次進入自適應模塊，這是功放模擬模塊輸出的實際值，在自適應模塊內采用二分法和與割線法結合的算法對查找表的幅度和相位表進行更新，從而完成預失真過程。

根據圖2的設計框圖，運用光通信系統仿真軟件Optisystem7.0 與Matlab軟件搭建了一個協同仿真平臺來實現OFDM?ROF預失真系統，如圖3所示。其中，Matlab軟件編寫OFDM的發射、接收，預失真處理模塊采用Matlab中的DSP模塊構成。

首先，產生一個碼率為2.5 Gb/s，碼長為1 024的偽隨機碼。該偽隨機碼用Matlab編寫的OFDM發射模塊調制，OFDM采用16QAM，IFFT取512點。再將此信號經過MZM調制器調制到線寬默認為10 MHz，功率為-10 dBm，頻率為193.16 THz的激光載波上[8]。

采用一束30 GHz的信號源激光進行載波抑制雙邊帶調制，并利用生成的兩個邊帶作為激光源。然后將調制后的光信號與一束功率為0 dBm，線寬同樣為10 MHz，頻率為193.16 THz的光信號進行耦合。設置單模光纖長度為30 km，色散系數為16.75 ps/（nm·km），傳輸波長為1 550 nm，衰減系數[9]為0.2 dB/km。

圖2 基于查找表的OFDM?ROF預失真結構

在基站端，傳輸過來的光信號經過LED光電探測器進行光電轉換，LED的響應度為1 A/W，暗電流[10]為10 nA。經光電探測器接收得到的電信號與60 GHz的正交信號進行相干解調，經帶通濾波器，去除高頻成分，得到低頻信號，送入OFDM 接收模塊。經放大，傳回預失真模塊，對幅度表和相位表進行更新。

圖3 基于Optisystem的OFDM?ROF預失真系統

4 仿真結果

帶內信號的畸變可以通過星座圖和矢量誤差平均值（EVM）來衡量。圖4是OFDM?ROF系統的星座仿真圖，其中圖4（a）為沒有經過預失真處理的OFDM解調信號的16QAM星座圖，從圖中可以看出，由于系統非線性的影響，導致信號的幅度和相位都有很嚴重的變形，此時的EVM為62.130 2%。

圖4（b）是經過預失真處理后的16QAM星座圖，可以看出，基于查找表的數字預失真處理后的星座圖偏轉和擴散得到了改善，此時的EVM為1.536%，所以能夠完全解調。對采用查找表的自適應二分法與割線法相結合刷新算法進行預失真器的特性曲線仿真，查找表大小取N=512，功放采用Rapp模型，結果進行歸一化處理。

圖4 星座仿真圖

圖5是預失真前后預失真器的AM/AM特性曲線圖，從中可以看出，預失真前曲線是非線性的， 加入預失真器后與其疊加形成補償，最后的曲線b，即該信號的AM/AM特性趨于線性。

圖5 預失真前后預失真器的AM/AM特性

圖6為預失真前后預失真器的AM/PM特性曲線，經過預失真器的調整后，AM/PM特性曲線b也趨于線性，說明ROF系統經過預失真處理后非線性有了明顯的改善。

5 結 語

針對OFDM?ROF系統中存在的非線性特性問題，提出了基于查找表的二分法與割線法結合的數字預失真算法。為實現OFDM?ROF的預失真系統，搭建了Optisystem 7.0 與Matlab軟件結合的聯合仿真系統。通過仿真結果顯示，提出的數字預失真系統與未加預失真的系統相比，其解調信號的16QAM星座圖的幅度和相位得到了極大的改善，ROF鏈路及預失真器的AM/AM特性曲線和AM/PM特性曲線得到了補償。這說明采用基于查找表的二分法和與割線法結合的的方法是能改善OFDM?ROF系統的非線性問題，并為下一步實現數字預失真OFDM?ROF系統的硬件設計提供依據和參考。

圖6 預失真前后預失真器的AM/PM特性

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圖1 OFDM?ROF系統預失真結構圖

3 基于Optisystem的OFDM?ROF系統的數字

預失真設計

首先設計出基于查找表法的ROF數字預失真處理結構，如圖2所示，這里采用極坐標查找表技術。輸入數據經過OFDM調制后產生的同相分量I和正交分量Q，通過直?極坐標轉化計算出基帶信號的幅度分量和相位分量；由幅度信號的原始量化值做地址索引，進入查找表中查找相應的幅度調整值和相位調整值，從而調整基帶信號的幅度值和相位值，該值稱為基準值，一方面送入后面的ROF傳輸鏈路，另一方面送入自適應模塊。經ROF鏈路反饋回路后，信號再次進入自適應模塊，這是功放模擬模塊輸出的實際值，在自適應模塊內采用二分法和與割線法結合的算法對查找表的幅度和相位表進行更新，從而完成預失真過程。

根據圖2的設計框圖，運用光通信系統仿真軟件Optisystem7.0 與Matlab軟件搭建了一個協同仿真平臺來實現OFDM?ROF預失真系統，如圖3所示。其中，Matlab軟件編寫OFDM的發射、接收，預失真處理模塊采用Matlab中的DSP模塊構成。

首先，產生一個碼率為2.5 Gb/s，碼長為1 024的偽隨機碼。該偽隨機碼用Matlab編寫的OFDM發射模塊調制，OFDM采用16QAM，IFFT取512點。再將此信號經過MZM調制器調制到線寬默認為10 MHz，功率為-10 dBm，頻率為193.16 THz的激光載波上[8]。

采用一束30 GHz的信號源激光進行載波抑制雙邊帶調制，并利用生成的兩個邊帶作為激光源。然后將調制后的光信號與一束功率為0 dBm，線寬同樣為10 MHz，頻率為193.16 THz的光信號進行耦合。設置單模光纖長度為30 km，色散系數為16.75 ps/（nm·km），傳輸波長為1 550 nm，衰減系數[9]為0.2 dB/km。

圖2 基于查找表的OFDM?ROF預失真結構

在基站端，傳輸過來的光信號經過LED光電探測器進行光電轉換，LED的響應度為1 A/W，暗電流[10]為10 nA。經光電探測器接收得到的電信號與60 GHz的正交信號進行相干解調，經帶通濾波器，去除高頻成分，得到低頻信號，送入OFDM 接收模塊。經放大，傳回預失真模塊，對幅度表和相位表進行更新。

圖3 基于Optisystem的OFDM?ROF預失真系統

4 仿真結果

帶內信號的畸變可以通過星座圖和矢量誤差平均值（EVM）來衡量。圖4是OFDM?ROF系統的星座仿真圖，其中圖4（a）為沒有經過預失真處理的OFDM解調信號的16QAM星座圖，從圖中可以看出，由于系統非線性的影響，導致信號的幅度和相位都有很嚴重的變形，此時的EVM為62.130 2%。

圖4（b）是經過預失真處理后的16QAM星座圖，可以看出，基于查找表的數字預失真處理后的星座圖偏轉和擴散得到了改善，此時的EVM為1.536%，所以能夠完全解調。對采用查找表的自適應二分法與割線法相結合刷新算法進行預失真器的特性曲線仿真，查找表大小取N=512，功放采用Rapp模型，結果進行歸一化處理。

圖4 星座仿真圖

圖5是預失真前后預失真器的AM/AM特性曲線圖，從中可以看出，預失真前曲線是非線性的， 加入預失真器后與其疊加形成補償，最后的曲線b，即該信號的AM/AM特性趨于線性。

圖5 預失真前后預失真器的AM/AM特性

圖6為預失真前后預失真器的AM/PM特性曲線，經過預失真器的調整后，AM/PM特性曲線b也趨于線性，說明ROF系統經過預失真處理后非線性有了明顯的改善。

5 結 語

針對OFDM?ROF系統中存在的非線性特性問題，提出了基于查找表的二分法與割線法結合的數字預失真算法。為實現OFDM?ROF的預失真系統，搭建了Optisystem 7.0 與Matlab軟件結合的聯合仿真系統。通過仿真結果顯示，提出的數字預失真系統與未加預失真的系統相比，其解調信號的16QAM星座圖的幅度和相位得到了極大的改善，ROF鏈路及預失真器的AM/AM特性曲線和AM/PM特性曲線得到了補償。這說明采用基于查找表的二分法和與割線法結合的的方法是能改善OFDM?ROF系統的非線性問題，并為下一步實現數字預失真OFDM?ROF系統的硬件設計提供依據和參考。

圖6 預失真前后預失真器的AM/PM特性

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