基于Optisystem的OFDM?ROF系统的数字预失真设计与实现

李星沛+何方白

摘 要： 针对OFDM?ROF系统中传输链路中各器件的非线性等问题，提出基于查找表的二分法和与割线法结合的数字预失真算法，并利用Matlab实现OFDM的发射、接收和数字预失真处理模块，再运用Optisystem 7.0搭建了OFDM?ROF仿真实验平台。通过16QAM星座图预失真前后仿真结果对比、以及AM/AM和AM/PM特性结果显示，采用二分法和与割线法相结合的自适应算法能改善OFDM?ROF系统的非线性问题，为OFDM?ROF系统的数字预失真硬件电路实现提供了依据和参考。

关键词： OFDM?ROF； Optisystem； 二分法； 割线法； 预失真算法

中图分类号： TN929.11?34 文献标识码： A 文章编号： 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

正交频分复用（OFDM）作为4G的主要调制技术，具有较强的抗多径衰落和较高的频谱利用率。而光载无线通信（ROF）技术就是将无线通信技术与宽带通信技术结合起来的一种技术，它具有大容量、高带宽、低损耗、抗干扰、灵活方便等优点[1?3]。虽然OFDM?ROF系统具有明显的优势，但也带来了一些需要研究解决的新问题。ROF链路中的非线性器件会产生非线性效应，随着链路中OFDM信号传输动态范围的增大，非线性效应的影响也随之增大，使得子载波之间的正交特性恶化，严重降低了系统的传输性能[4]。要想提高链路系统的传输性能，必须对于ROF链路的非线性进行补偿。

1 OFDM?ROF系统结构[5?6]

图1是OFDM?ROF预失真系统的结构图。其中， 将预失真处理模块被放在OFDM调制模块和ROF链路之间，预失真处理模块包括预失真器和自适应模块，预失真处理模块中进行信号的预失真调整后输入ROF链路，输出的ROF链路信号再次送入预失真处理模块，进入自适应算法模块，进行误差函数收敛和算法更新，从而完成一个OFDM?ROF的系统预失真处理过程。

2 基于查找表的自适应算法

查找表（LUT）预失真技术最早是在1988年由Bateman等人提出的，查找表技术是目前比较流行的一种预失真技术。割线法[5?7]是一种收敛速度介于线性收敛和平方收敛之间的函数逼近法，其迭代关系式为：

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

式中[fnk]为第[n]项第[k]次迭代的值。二分法是近似计算中求实根最简单的方法。常用来为其他方法求方程近似根提供初始值。二分法迭代关系方程式为：

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

式中：[fk=ak，bk]表示第[k]步的根区间，[fk=ak+bk2]为第[k]次计算的近似值。

通过对收敛速度、运算量和存储量的综合考虑，如果把二分法与割线法结合起来，先用二分法定出包含根的大致区间，然后把二分法确定的两个近似值[ak]和[bk]作为割线法的初始值[Ik]和[Ik-1]，再由割线法跟踪，这样就能在有效性和收敛速度上得到很好的结果。

图1 OFDM?ROF系统预失真结构图

3 基于Optisystem的OFDM?ROF系统的数字

预失真设计

首先设计出基于查找表法的ROF数字预失真处理结构，如图2所示，这里采用极坐标查找表技术。输入数据经过OFDM调制后产生的同相分量I和正交分量Q，通过直?极坐标转化计算出基带信号的幅度分量和相位分量；由幅度信号的原始量化值做地址索引，进入查找表中查找相应的幅度调整值和相位调整值，从而调整基带信号的幅度值和相位值，该值称为基准值，一方面送入后面的ROF传输链路，另一方面送入自适应模块。经ROF链路反馈回路后，信号再次进入自适应模块，这是功放模拟模块输出的实际值，在自适应模块内采用二分法和与割线法结合的算法对查找表的幅度和相位表进行更新，从而完成预失真过程。

根据图2的设计框图，运用光通信系统仿真软件Optisystem7.0 与Matlab软件搭建了一个协同仿真平台来实现OFDM?ROF预失真系统，如图3所示。其中，Matlab软件编写OFDM的发射、接收，预失真处理模块采用Matlab中的DSP模块构成。

首先，产生一个码率为2.5 Gb/s，码长为1 024的伪随机码。该伪随机码用Matlab编写的OFDM发射模块调制，OFDM采用16QAM，IFFT取512点。再将此信号经过MZM调制器调制到线宽默认为10 MHz，功率为-10 dBm，频率为193.16 THz的激光载波上[8]。

采用一束30 GHz的信号源激光进行载波抑制双边带调制，并利用生成的两个边带作为激光源。然后将调制后的光信号与一束功率为0 dBm，线宽同样为10 MHz，频率为193.16 THz的光信号进行耦合。设置单模光纤长度为30 km，色散系数为16.75 ps/（nm·km），传输波长为1 550 nm，衰减系数[9]为0.2 dB/km。

图2 基于查找表的OFDM?ROF预失真结构

在基站端，传输过来的光信号经过LED光电探测器进行光电转换，LED的响应度为1 A/W，暗电流[10]为10 nA。经光电探测器接收得到的电信号与60 GHz的正交信号进行相干解调，经带通滤波器，去除高频成分，得到低频信号，送入OFDM 接收模块。经放大，传回预失真模块，对幅度表和相位表进行更新。

图3 基于Optisystem的OFDM?ROF预失真系统

4 仿真结果

带内信号的畸变可以通过星座图和矢量误差平均值（EVM）来衡量。图4是OFDM?ROF系统的星座仿真图，其中图4（a）为没有经过预失真处理的OFDM解调信号的16QAM星座图，从图中可以看出，由于系统非线性的影响，导致信号的幅度和相位都有很严重的变形，此时的EVM为62.130 2%。

图4（b）是经过预失真处理后的16QAM星座图，可以看出，基于查找表的数字预失真处理后的星座图偏转和扩散得到了改善，此时的EVM为1.536%，所以能够完全解调。对采用查找表的自适应二分法与割线法相结合刷新算法进行预失真器的特性曲线仿真，查找表大小取N=512，功放采用Rapp模型，结果进行归一化处理。

图4 星座仿真图

图5是预失真前后预失真器的AM/AM特性曲线图，从中可以看出，预失真前曲线是非线性的， 加入预失真器后与其叠加形成补偿，最后的曲线b，即该信号的AM/AM特性趋于线性。

图5 预失真前后预失真器的AM/AM特性

图6为预失真前后预失真器的AM/PM特性曲线，经过预失真器的调整后，AM/PM特性曲线b也趋于线性，说明ROF系统经过预失真处理后非线性有了明显的改善。

5 结 语

针对OFDM?ROF系统中存在的非线性特性问题，提出了基于查找表的二分法与割线法结合的数字预失真算法。为实现OFDM?ROF的预失真系统，搭建了Optisystem 7.0 与Matlab软件结合的联合仿真系统。通过仿真结果显示，提出的数字预失真系统与未加预失真的系统相比，其解调信号的16QAM星座图的幅度和相位得到了极大的改善，ROF链路及预失真器的AM/AM特性曲线和AM/PM特性曲线得到了补偿。这说明采用基于查找表的二分法和与割线法结合的的方法是能改善OFDM?ROF系统的非线性问题，并为下一步实现数字预失真OFDM?ROF系统的硬件设计提供依据和参考。

图6 预失真前后预失真器的AM/PM特性

参考文献

[l] 郝耀鸿，王荣，李玉权.相干光OFDM系统中的相位估计分析[J].电路与系统学报，2011，16（1）：20?24.

[2] 原荣.光正交频分复用（OFDM）光纤通信系统综述[J].光通信技术，2011，35（8）：29?33.

[3] 傅磊，陈健，冯俊飞，等.高速光OFDM符号定时同步在FPGA上的设计与实现[J].光通信技术，2013，37（4）：35?37.

[4] 南敬昌，曲昀，毛陆虹.峰均比抑制与预失真在OFDM?RoF系统中的应用[J].光通信技术，2012，36（10）：57?60.

[5] 程永茂，赵峰民，曲晖，等.FH?OFDM系统同步算法研究与FPGA实现[J].电视技术，2012，36（9）：33?34.

[6] 周园光.OFDM在接入网中的应用及仿真分析[J].光通信技术，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] 李涛，荣健，钟晓春.采用Optisystem的OFDM?RoF系统仿真[J].红外与激光工程，2011，40（6）：1155?1159.

[9] 王酷，郭健健，高平，等.ROF技术在数字无线集群系统中的应用研究[J].光通信技术，2011，35（7）：47?50.

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

图1 OFDM?ROF系统预失真结构图

3 基于Optisystem的OFDM?ROF系统的数字

预失真设计

首先设计出基于查找表法的ROF数字预失真处理结构，如图2所示，这里采用极坐标查找表技术。输入数据经过OFDM调制后产生的同相分量I和正交分量Q，通过直?极坐标转化计算出基带信号的幅度分量和相位分量；由幅度信号的原始量化值做地址索引，进入查找表中查找相应的幅度调整值和相位调整值，从而调整基带信号的幅度值和相位值，该值称为基准值，一方面送入后面的ROF传输链路，另一方面送入自适应模块。经ROF链路反馈回路后，信号再次进入自适应模块，这是功放模拟模块输出的实际值，在自适应模块内采用二分法和与割线法结合的算法对查找表的幅度和相位表进行更新，从而完成预失真过程。

根据图2的设计框图，运用光通信系统仿真软件Optisystem7.0 与Matlab软件搭建了一个协同仿真平台来实现OFDM?ROF预失真系统，如图3所示。其中，Matlab软件编写OFDM的发射、接收，预失真处理模块采用Matlab中的DSP模块构成。

首先，产生一个码率为2.5 Gb/s，码长为1 024的伪随机码。该伪随机码用Matlab编写的OFDM发射模块调制，OFDM采用16QAM，IFFT取512点。再将此信号经过MZM调制器调制到线宽默认为10 MHz，功率为-10 dBm，频率为193.16 THz的激光载波上[8]。

采用一束30 GHz的信号源激光进行载波抑制双边带调制，并利用生成的两个边带作为激光源。然后将调制后的光信号与一束功率为0 dBm，线宽同样为10 MHz，频率为193.16 THz的光信号进行耦合。设置单模光纤长度为30 km，色散系数为16.75 ps/（nm·km），传输波长为1 550 nm，衰减系数[9]为0.2 dB/km。

图2 基于查找表的OFDM?ROF预失真结构

在基站端，传输过来的光信号经过LED光电探测器进行光电转换，LED的响应度为1 A/W，暗电流[10]为10 nA。经光电探测器接收得到的电信号与60 GHz的正交信号进行相干解调，经带通滤波器，去除高频成分，得到低频信号，送入OFDM 接收模块。经放大，传回预失真模块，对幅度表和相位表进行更新。

图3 基于Optisystem的OFDM?ROF预失真系统

4 仿真结果

带内信号的畸变可以通过星座图和矢量误差平均值（EVM）来衡量。图4是OFDM?ROF系统的星座仿真图，其中图4（a）为没有经过预失真处理的OFDM解调信号的16QAM星座图，从图中可以看出，由于系统非线性的影响，导致信号的幅度和相位都有很严重的变形，此时的EVM为62.130 2%。

图4（b）是经过预失真处理后的16QAM星座图，可以看出，基于查找表的数字预失真处理后的星座图偏转和扩散得到了改善，此时的EVM为1.536%，所以能够完全解调。对采用查找表的自适应二分法与割线法相结合刷新算法进行预失真器的特性曲线仿真，查找表大小取N=512，功放采用Rapp模型，结果进行归一化处理。

图4 星座仿真图

图5是预失真前后预失真器的AM/AM特性曲线图，从中可以看出，预失真前曲线是非线性的， 加入预失真器后与其叠加形成补偿，最后的曲线b，即该信号的AM/AM特性趋于线性。

图5 预失真前后预失真器的AM/AM特性

图6为预失真前后预失真器的AM/PM特性曲线，经过预失真器的调整后，AM/PM特性曲线b也趋于线性，说明ROF系统经过预失真处理后非线性有了明显的改善。

5 结 语

针对OFDM?ROF系统中存在的非线性特性问题，提出了基于查找表的二分法与割线法结合的数字预失真算法。为实现OFDM?ROF的预失真系统，搭建了Optisystem 7.0 与Matlab软件结合的联合仿真系统。通过仿真结果显示，提出的数字预失真系统与未加预失真的系统相比，其解调信号的16QAM星座图的幅度和相位得到了极大的改善，ROF链路及预失真器的AM/AM特性曲线和AM/PM特性曲线得到了补偿。这说明采用基于查找表的二分法和与割线法结合的的方法是能改善OFDM?ROF系统的非线性问题，并为下一步实现数字预失真OFDM?ROF系统的硬件设计提供依据和参考。

图6 预失真前后预失真器的AM/PM特性

参考文献

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[5] 程永茂，赵峰民，曲晖，等.FH?OFDM系统同步算法研究与FPGA实现[J].电视技术，2012，36（9）：33?34.

[6] 周园光.OFDM在接入网中的应用及仿真分析[J].光通信技术，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.

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

图1 OFDM?ROF系统预失真结构图

3 基于Optisystem的OFDM?ROF系统的数字

预失真设计

首先设计出基于查找表法的ROF数字预失真处理结构，如图2所示，这里采用极坐标查找表技术。输入数据经过OFDM调制后产生的同相分量I和正交分量Q，通过直?极坐标转化计算出基带信号的幅度分量和相位分量；由幅度信号的原始量化值做地址索引，进入查找表中查找相应的幅度调整值和相位调整值，从而调整基带信号的幅度值和相位值，该值称为基准值，一方面送入后面的ROF传输链路，另一方面送入自适应模块。经ROF链路反馈回路后，信号再次进入自适应模块，这是功放模拟模块输出的实际值，在自适应模块内采用二分法和与割线法结合的算法对查找表的幅度和相位表进行更新，从而完成预失真过程。

根据图2的设计框图，运用光通信系统仿真软件Optisystem7.0 与Matlab软件搭建了一个协同仿真平台来实现OFDM?ROF预失真系统，如图3所示。其中，Matlab软件编写OFDM的发射、接收，预失真处理模块采用Matlab中的DSP模块构成。

首先，产生一个码率为2.5 Gb/s，码长为1 024的伪随机码。该伪随机码用Matlab编写的OFDM发射模块调制，OFDM采用16QAM，IFFT取512点。再将此信号经过MZM调制器调制到线宽默认为10 MHz，功率为-10 dBm，频率为193.16 THz的激光载波上[8]。

采用一束30 GHz的信号源激光进行载波抑制双边带调制，并利用生成的两个边带作为激光源。然后将调制后的光信号与一束功率为0 dBm，线宽同样为10 MHz，频率为193.16 THz的光信号进行耦合。设置单模光纤长度为30 km，色散系数为16.75 ps/（nm·km），传输波长为1 550 nm，衰减系数[9]为0.2 dB/km。

图2 基于查找表的OFDM?ROF预失真结构

在基站端，传输过来的光信号经过LED光电探测器进行光电转换，LED的响应度为1 A/W，暗电流[10]为10 nA。经光电探测器接收得到的电信号与60 GHz的正交信号进行相干解调，经带通滤波器，去除高频成分，得到低频信号，送入OFDM 接收模块。经放大，传回预失真模块，对幅度表和相位表进行更新。

图3 基于Optisystem的OFDM?ROF预失真系统

4 仿真结果

带内信号的畸变可以通过星座图和矢量误差平均值（EVM）来衡量。图4是OFDM?ROF系统的星座仿真图，其中图4（a）为没有经过预失真处理的OFDM解调信号的16QAM星座图，从图中可以看出，由于系统非线性的影响，导致信号的幅度和相位都有很严重的变形，此时的EVM为62.130 2%。

图4（b）是经过预失真处理后的16QAM星座图，可以看出，基于查找表的数字预失真处理后的星座图偏转和扩散得到了改善，此时的EVM为1.536%，所以能够完全解调。对采用查找表的自适应二分法与割线法相结合刷新算法进行预失真器的特性曲线仿真，查找表大小取N=512，功放采用Rapp模型，结果进行归一化处理。

图4 星座仿真图

图5是预失真前后预失真器的AM/AM特性曲线图，从中可以看出，预失真前曲线是非线性的， 加入预失真器后与其叠加形成补偿，最后的曲线b，即该信号的AM/AM特性趋于线性。

图5 预失真前后预失真器的AM/AM特性

图6为预失真前后预失真器的AM/PM特性曲线，经过预失真器的调整后，AM/PM特性曲线b也趋于线性，说明ROF系统经过预失真处理后非线性有了明显的改善。

5 结 语

针对OFDM?ROF系统中存在的非线性特性问题，提出了基于查找表的二分法与割线法结合的数字预失真算法。为实现OFDM?ROF的预失真系统，搭建了Optisystem 7.0 与Matlab软件结合的联合仿真系统。通过仿真结果显示，提出的数字预失真系统与未加预失真的系统相比，其解调信号的16QAM星座图的幅度和相位得到了极大的改善，ROF链路及预失真器的AM/AM特性曲线和AM/PM特性曲线得到了补偿。这说明采用基于查找表的二分法和与割线法结合的的方法是能改善OFDM?ROF系统的非线性问题，并为下一步实现数字预失真OFDM?ROF系统的硬件设计提供依据和参考。

图6 预失真前后预失真器的AM/PM特性

参考文献

[l] 郝耀鸿，王荣，李玉权.相干光OFDM系统中的相位估计分析[J].电路与系统学报，2011，16（1）：20?24.

[2] 原荣.光正交频分复用（OFDM）光纤通信系统综述[J].光通信技术，2011，35（8）：29?33.

[3] 傅磊，陈健，冯俊飞，等.高速光OFDM符号定时同步在FPGA上的设计与实现[J].光通信技术，2013，37（4）：35?37.

[4] 南敬昌，曲昀，毛陆虹.峰均比抑制与预失真在OFDM?RoF系统中的应用[J].光通信技术，2012，36（10）：57?60.

[5] 程永茂，赵峰民，曲晖，等.FH?OFDM系统同步算法研究与FPGA实现[J].电视技术，2012，36（9）：33?34.

[6] 周园光.OFDM在接入网中的应用及仿真分析[J].光通信技术，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] 李涛，荣健，钟晓春.采用Optisystem的OFDM?RoF系统仿真[J].红外与激光工程，2011，40（6）：1155?1159.

[9] 王酷，郭健健，高平，等.ROF技术在数字无线集群系统中的应用研究[J].光通信技术，2011，35（7）：47?50.

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