光OFDM系统中峰均比抑制技术的研究

谢湘伟 姚毅 何怡玲

摘要：基于光通信的发展，对于高PAPR问题的研究被提上日程，本文提出了一种利用虚拟子载波技术来抑制PAPR的算法，主要使用matlab与OPtisystem仿真软件，并且通过大量的仿真，分析了该算法的可行性以及算法的最优参数，该算法可以同时调节信号最高功率和均值功率，但是均值功率的增长明显大于最高功率的增长，基于PAPR的产生原因，我们可以推出均值功率提升速率比峰值功率大时，PAPR会下降，达到提升系统性能，最终提升光通信的传输效率的效果。

关键词：光正交频分复用;峰均比抑制;OPtisystem与matlab仿真

Abstract：Based on the development of optical communication， to the problem of high PAPR research is on the agenda， this paper proposes a virtual subcarrier technology to suppress the PAPR algorithm， mainly use the matlab and OPtisystem simulation software， and through a lot of simulation， the feasibility of the algorithm is analyzed and the algorithm of the optimal parameters， the algorithm can adjust the signal peak power and average power at the same time， but the growth of the average power is bigger than the growth of the highest power， based on the causes of the PAPR， we can launch increase rate is greater than peak power， average power PAPR will decline，To improve the performance of the system， and ultimately improve the transmission efficiency of optical communication.

Key words：optical orthogonal frequency division multiplexing; peak to mean ratio inhibition; OptiSystem and MATLAB simulation

1 光OFDM系统中的PAPR问题分析

峰均功率比（PAPR）表达式：

该表达式中，分子是信号峰值功率，分母是信号平均功率。它们的比值就是峰均比，最大峰值功率往往决定了PAPR的大小，在平均功率接近的情况下，峰值功率越低，PAPR越小。

2 虚拟子载波进行PAPR抑制

2.1 虚拟子载波技术的原理

基于高PRPR问题，本文提出了一种利用虚拟子载波技术来降低PAPR的方法，相比于其他的算法，虚拟子载波不需要发送被严格保护的横向信息，因此就不会产生信号的失真，跟以前的方法比相比，虚拟子载波技术不仅仅可以降低PAPR，还可以提高系统性能，而且算法简单，不需要多次迭代，就能很好地优化通讯。

2.2 O-OFDM仿真系统的搭建

一个完整的光OFDM方正系统如图1所示，我们采用MATLAB与OptiSystem 搭建联合仿真平台。并就此对O-OFDM系统的峰均比抑制方法进行研究。MATLB软件主要负责OFDM信号的产生与解调，OptiSystem完成O—OFDM传输系统的模拟仿真。

2.3 仿真结果分析

不同迭代数对系统性能的影响如图2所示，当系统的时域信号等于1或2时，系统性能会得到改善，当时域信号幅度为2时，预留子载波数21和24，系统的性能最好。为了进一步确定参数，我们做一些仿真条件的修改。

不同方案对系统性能的影响可以通过实验结果分析出来，仿真结果如图3所示，可以发现对比于原始信号，采用新算法之后的系统性能明显上升，可以推导出，只需要设置合理的u就可以产生较好的峰均比抑制性能，还能得到优异的BER性能，在实际应用中，两种性能并不能兼得，所以我们只能选择一个折中的方案，当i=3，Nd=2以及u=2时，该系统的总体性能最为优秀。

本次实验我们仅仅选择改变迭代次数i，虚拟子载波数目Nd，以及与预设时域信号Xm幅度u三个参数，并没有考虑到所有能影响系统性能的参数。

本次实验通过多次仿真，确定了两个方案，然后进行分次分组多次实验来验证，从实验结果中找到最理想的参数值，但是，每一个参数的精度都能影响到实验结果，而本次实验又不可能对每一个参数都精确取值，只能大幅度的取值，基于本次实验的大幅度取值，如果我们将参数取值分组更加细致，精密度取得越高，实验结果将更加接近最优解。

3 结论

本文致力于研究光OFDM系统中的峰均比问题，从基础理论开始研究，分析光OFDM系统产生峰均比的原因，介绍了虚拟子载波技术的原理以及算法过程，基于MATLAB以及OPtisystem搭建出D光OFDM系统，并对该系统进行实验仿真，综合实验结果分析的出虚拟子载波技术对高PAPR的抑制效果，并且同其他抑制方法做出詳细对比，最后得出，不管是在抑制效果方面还是在算法复杂度以及对系统性能的影响程度上，虚拟子载波技术都是非常优秀的。

对于虚拟子载波技术的可行性进行了大量分析和实验，发现参数i=3，Nd=21，u=2.2是系统性能以及复杂度之间的平衡点。证明了该方案的可行性，并且在文章最后，我们对比了虚拟子载波技术与其他传统PAPR限制技术进行了对比，发现虚拟子载波技术不仅在降低PAPR上有着显著作用，并且还下降了系统的计算复杂度，并且虚拟子载波技术能够应用于各种情况，在这方面对比其他算法，虚拟子载波技术有着诸多优点，在未来的光通信发展上，肯定有着不可忽略的作用。

参考文献：

[1] 任小玲.光载正交频分复用技术研究与系统的仿真实现[D].西安：西安科技大学，2011.

[2] 彭妙.光OFDM系统峰均比抑制技术研究与实现[D].长沙：湖南师范大学，2018.

[3] 李勇志.基于光正交频分复用系统峰均比抑制技术的研究[D].长沙：湖南大学，2013.

[4] 尚长仲，马成国，耿建成，等.光OFDM技术在短距离和长途光纤通信系统中的应用研究[J].信息记录材料，2017，18（6）：34-35.

[5] Wang T，Ren Y，Li C K，et al.A PAPR reduction scheme combining superimposed O-OFDM and μ-law mapping for VLC-OFDM systems[J].Optics Communications，2020，460.

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