CN102291360A - 一种基于叠加训练序列光ofdm系统及其帧同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于叠加训练序列光OFDM系统及其帧同步方法，该系统方案包括光线路终端（OLT）和光网络终端（OUN），其中OLT主要包括训练序列产生模块、厄米特共轭对称模块、数据OFDM信号产生模块、训练序列与数据OFDM信号叠加模块、光调制模块；OUN主要包括光解调模块、OFDM信号接收模块、信道估计模块、训练序列与数据符号分离模块。帧同步方法基于处理后的接收信号与本地训练序列相关获得，可以避免接收端采用大量数据进行盲同步而增加接收机设计的复杂度。同时，还公开了一种构建自相关性训练序列方法。本发明涉及的系统及其帧同步方法可以有效的提高频谱利用率和发射机的功率效率，具有设计原理简单、实用性强、信号处理要求低等优点。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，涉及光正交频分复用（O OFDM）系统及其一种基于叠加训练序列的帧同步方法。
背景技术
随着通信技术的飞速发展，数据通信业务带来的是对传输网络容量和传输带宽需求的剧增，人们开始考虑对现有的光纤通信系统进行升级。由于OFDM技术具有高频谱效率的优势在无线通信系统中运用取得了巨大的成功，因此人们提出了将OFDM调制技术用于光纤链路传输的思想并且经过实验数据证明OFDM信号能够有效地对抗光纤中的色度色散和偏振模色散，使用单抽头均衡器进行频域均衡，可以最大限度地利用光链路的频谱资源。O OFDM结合了光纤通信的优势和OFDM调制技术的的特点，可以构造出高速率、高容量和低成本的光传输网络，并且具有较强的信道容量扩展性，在现有的网络上可很好地升级和过度。因此，对O OFDM通信系统进行研究促进光通信长远发展有重要的现实意义。
同时，OFDM系统也存在很多缺点，对同步比较敏感。同步技术作为正交频分复用(OFDM)系统中的关键技术之一，帧同步是OFDM信号解调过程中确定快速傅里叶变换（FFT）窗口的起始位置，实现信息能够正确解调，保证整个通信系统可靠性的基本前提，也是进行后续频偏估计的重要保证。因此，一种高效的帧同步算法在高速率的O OFDM系统中也显得至关重要，也是推进OFDM技术在光通信系统中实用化的决定性因素之一。
O OFDM思想最早在2005年由N.E.Jolley和J.M.Tang等人在OFC2005会议上提出，目前基于OFDM的高速率光传输系统主要包括直接探测光OFDM（DDO OFDM）系统和相干检测光OFDM（CO OFDM）系统。DDO OFDM系统指接收端采用光电探测器进行直接检测，而CO OFDM系统接收端采用本地激光器进行相干检测。相比之下，DDO OFDM系统相对比较简单、性价比较高。虽然O OFDM系统的理论已被提出，但至今对相关的O OFDM系统中的同步技术研究较少，主要引用无线信道下的同步算法。其中，有部分文献涉及无线光OFDM系统中同步问题，如：S. Tian, K. Panta, et al. A novel timing synchronization method for ACO-OFDM-based optical wireless communicat- -ions[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 7(12):4958-4967.在光纤通信系统中，有文献：Xiaoyong Hao, Kun Qiu, et al. On the Timing Synchronization Methods for Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OOFDM) Systems: Comparisons and Improvement[A]. Communications and Photonics conference and Exhibition 2009 ACP[C], Asia, 2009.。但这些均属于数据辅助类串行序列同步方法，一方面降低了系统的频谱效率，而且还降低了发射机功率效率。
因此，为了克服现有O OFDM系统及其同步技术存在的不足，本发明提供一种基于叠加训练序列OFDM系统及其帧同步方法，该系统及其同步方法属于数据辅助类并行序列方式，可以提高系统的有效性，提高发射机功率效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的O OFDM系统及其帧同步方法，来克服现有O OFDM系统及其同步技术的不足。该系统可以提高O OFDM系统的频谱利用率，有效地提高发射机功率效率；同时设计的训练序列具有强自相关性和弱互相关性，在不需要其它导频信息的情况下，与本地训练序列相关后，能够获得单一、尖锐的峰值，旁瓣极少，使得接收端可以通过简单的门限判断就能可以快速、精确实现系统同步，保证信息的正确解调。
为了方便描述本发明的内容，以下对一些专用术语进行描述：
OFDM：正交频分复用；
O OFDM：光正交频分复用；
OLT：光线路终端；
OUN：光网络终端；
IFFT/FFT：逆快速傅里叶变换/快速傅里叶变换；
PAPR：峰值平均功率比。
为了实现上述目的，本发明提出的O OFDM系统及其帧同步方法，克服了现有O OFDM系统及其同步方法的一些不足，其主要特点在于：
1）将无线信道下研究热点的叠加训练序列思想成功运用于构建O OFDM系统，使得系统的频谱利用率和发射机功率效率方面得到有效的提高；
2）对于帧同步方法是建立在叠加训练序列的基础上实现，不需要其它的导频辅助信息，仅需在发射端将特殊设计的训练序列线性叠加在数据OFDM符号上，在接收端利用本地训练序列与处理后的接收信号进行相关，获取有效的同步信息。
本发明提出的基于叠加训练序列O OFDM系统其特征在于实现过程为：
首先，OLT中数据OFDM信号产生模块由星座图映射后的复数信号进行厄米特共轭对称，经过IFFT后为时域双极性信号，再通过非均匀限幅处理，最终得到适合光OFDM系统传输的单极性实信号；
其次，将设计好的特殊训练序列和数据OFDM信号通过功率分配模块，完成训练序列符号与数据符号的线性叠加，且叠加在一个完整的数据OFDM符号上，形成基带信号，通过光调制模块将电域信号转换成光域信号并进入光纤信道中传输；
最后，在接收端通过光解调模块、信道估计模块、训练序列与数据分离模块和OFDM接收模块实现信号的正确解调。
本发明方法的特征在于对训练序列构造处理过程如下：
假设所要设计的训练序列长度为N，根据以下步骤可以构造出单极性实训练序列结构
步骤1：设计一个自相关性良好的序列A，长度为L，且L<<N，N=mL，m能被N整除；
步骤2：将序列A进行长度为L点的IFFT后，得序列为B；
步骤3：取长度为L的序列B的实部或者虚部作为序列C；
步骤4：将双极性序列C变成单极性序列D；
步骤5：将D进行简单的重复m/2次，形成序列E，即：E N/2=[D D… D]；
步骤6：对序列E进行镜像变换得到序列F；
步骤7：将原序列E和镜像序列F构成长度为N的训练序列T，即：T N=[E N/2 F N/2]。
本发明方法提出的基于叠加训练序列帧同步方法主要是基于对接收信号的处理、特殊训练序列结构和序列与接收信号之间的互相关性。处理后的接收信号包含了原有训练序列的两倍的信息量，再利用本地训练序列与处理后的接收信号进行相关运算，当本地训练序列与处理后的接收信号中包含的训练序列信息位完全重合时，此时目标相关函数会出现最大的峰值，具体处理过程如下：
步骤8：移位截取长度为N的接收信号r(n)进行变换得到新的接收信号z(n)，变换公式为：
步骤9：将得到的新序列z(n)与本地训练序列F进行互相关，来获取同步，帧同步函数可以表示为：
其中，为一个不包括循环前缀的OFDM符号长度，
为整数，表示接收序列相对本地训练序列滑动位置；β表示能量分配因子，且0<β<0.5，n为接收信号的采样点数；
步骤10：通过设定门限值，使目标函数
超过门限值的
值判为帧同步位置。
本发明方法可以在分配训练序列足够的能量，在不需要其它导频序列辅助的情况下，根据无限信道下利用叠加训练序列进行信道估计方法进行信道特性估计，同时叠加训练序列具有降低PAPR性能。
本发明提出的基于叠加训练序列光OFDM系统及其帧同步方法，具有如下创新点：
1）目前，叠加训练序列思想只在无线通信中得到研究，本发明通过对训练序列的特殊构造，取得自相关性良好的单极性实训练序列线性叠加在数据OFDM符号上，突破了叠加训练序列只在无线通信系统中的运用研究，提出的基于叠加训练序列光OFDM系统可以提高频带利用率和发射机功率效率；
2）本发明提出一种适合光OFDM系统训练序列设计方法，构造出的训练序列具有良好的自相关性和弱互相关性；
3）本发明根据训练序列特殊结构对接收信号进行处理，使得处理后的接收信号中训练序列的能量更加充足，更加利于后续复杂度低的帧同步算法提出，同时可以降低计算复杂度；
4）本发明中能量分配因子根据系统的误码率性能和所设计的帧同步算法的同步性能来权衡；
5）本发明提出一种低复杂度的帧同步方法，可以不需其它的插入训练序列辅助，目标函数具有单一、尖锐的峰值，旁瓣极少，使得接收端可以通过简单的门限判断就可以快速、精确实现系统同步，保证信息的正确解调。
本发明具有以下优点：
1、由于本发明中训练序列的优良自相关性，与处理后的接收信号相关后，具有单一、尖锐的峰值，便于同步判断；
2、由于本发明中接收端采用预设门限值进行判断，避免了负复杂的最值搜索，这样处理降低了实现复杂度；
3、由于本发明将基于叠加训练序列思想运用于光OFDM系统中，可以提高频谱利用率和发射机功率效率；
4、能量分配因子可以根据所叠加训练序列的能量不同而不同，能量分配因子的选取综合考虑了系统的误码率性能和所设计的帧同步算法的同步性；
5、由于本发明中训练序列已知，因此可以利用它进行信道估计或其它用途。
附图说明
为了更清楚地说明本发明所提出的系统及其帧同步方法，下面将对本发明实施例中所涉及的附图进行简单的介绍：
图1是本发明基于叠加训练序列光OFDM系统框图；
图2是本发明厄米特共轭对称结构示意图；
图3是本发明训练序列构造方法示意图；
图4是本发明帧同步方法示意图；
图5是本发明具体实施最佳能量分配因子选取仿真图，表示不同能量分配因子与系统误码率仿真图；
图6是本发明具体实施最佳能量分配因子选取仿真图，表示不同能量分配因子与帧同步算法同步性能仿真图；
图7是本发明具体实施帧同步目标函数峰值图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对发明一种基于叠加训练序列光OFDM系统及其帧同步方法作进一步详细的说明。需要特别说明的是，本文仿真的主要具体参数：发送数据比特流为10Gbit/s，调制方式为16-QAM，子载波数N为128，循环前缀长度为N/4，光纤链路部分采用1310nm的多模光纤，衰减常数α=0.2dB/km，考虑色散效应，取值为17ps/ nm km，PIN光电检测器的灵敏度设定为1A/W，暗电流为10nA。但这些参数的设置并不影响本专利的一般性。
图1是本发明基于叠加训练序列光OFDM系统框图。基于叠加训练序列光OFDM系统主要由光线路终端（OLT）和光网络终端（OUN）组成。其中，OLT主要包括了训练序列产生模块107、数据OFDM信号产生模块127、训练序列与数据OFDM信号叠加模块108、厄米特共轭对称模块104、DAC模块110、光调制模块111；OUN主要包括光解调模块113、ADC模块114、OFDM信号接收模块128、信道估计模块119、训练序列与数据符号分离模块120。OLT中，训练序列产生模块107用来产生一个与不添加循环前缀的数据OFDM符号等长的单极性实训练序列，且有序列具有镜像重复结构；数据OFDM信号产生模块128主要是将星座图映射（QPSK、16-QAM或64-QAM等）后的复数序列进行厄米特共轭对称，使得经过IFFT后产生双极性是信号，并对双极性信号进行非均匀限幅处理（对于小于零的信号置零），得到适合光纤信道传输的单极性信号；训练序列与数据OFDM信号叠加模块108是对训练序列和某一个完整的OFDM符号（不包含循环前缀）进行能量分配，训练序列分配的能量加权因子为
和数据OFDM符号分配的能量加权因子为
，且
，使得训练序列与一个完整的数据OFDM序列线性叠加；DAC模块104把数字信号转换成模拟信号，用于驱动光调制器；光调制模块111是通过激光器将电域基带的OFDM信号调制在光载波信号上，实现电域信号到光域信号的转换。OUN中，光解调模块113通过光电探测器提取出光纤信道中传输的光载波携带信息，实现光域信号到电域信号的转换；ADC模块114主要是实现模拟信号到数字信号的转换；帧同步和频率同步115中帧同步主要是确定FFT窗口的起始位置，保证数据OFDM符号能够正确解调，频率同步主要保证各子载波间相互正交；信道估计模块119主要是利用叠加训练序列对光纤信道时域响应进行估计；训练序列与数据符号分离模块120是根据发射端已知的训练序列和信道估计信息将训练序列与数据符号进行分离，是一种减小训练序列对数据符号干扰影响的机制；OFDM信号接收模块128主要是实现对数据OFDM信号的解调，还原成原始的二进制数据，其中包括串/并转换、FFT、消除厄米特共轭对称、星座图解映射、并/串转换。
图2是本发明厄米特共轭对称结构示意图。星座图映射后的复数序列不经过厄米特共轭对称处理或者其他特殊处理，IFFT后，得到的同样是一个复数信号，而不是双极性的信号，这将不适合光纤信道传输。因此，在进行IFFT前，必须对星座图映射后的复数序列进行厄米特共轭对称化，这里与图1中的厄米特共轭对称模块104对应。图2中可以看出，总长度为N点的信号，第0位和第N/2位承载的是实数信号0，201表示第1位到第N/2-1位承载的是星座图映射的复数信号，202表示第N/2+1位到第N位承载的是第1位到第N/2-1位的共轭对称信号。
图3是本发明训练序列构造方法示意图。构造良好自相关性和弱互相关性的训练序列是保证OFDM接收模块中实现帧同步的重要保证。良好自相关性的训练序列构造的方法为：301表示设计一个自相关性良好的序列A，长度为L，且L<<N，N=mL，m能被N整除；302表示将序列A进行长度为L点的IFFT后，得序列为B；303表示取长度为L的序列B的实部或者虚部作为序列C；304表示将双极性序列C变成单极性序列D（将小于0的信号置0）；305表示将D进行简单的重复m/2次，形成序列E，即：E N/2=[D D … D]；306表示将序列E进行镜像变换的镜像序列F；307表示将原序列E和镜像序列F构成长度为N的训练序列T，即：T N=[E N/2 F N/2]。
图4是本发明帧同步方法示意图。401表示接收信号r(n)；402表示移位截取长度为N点的接收信号r(n)；403表示将移位截取长度为N点的接收信号按照公式
进行处理，得到处理后的接收信号z(n)；404表示提出的帧同步核心算法，将处理后的接收信号z(n)与本地训练序列进行相关运算，得到的目标函数可以表示为
405表示设定门限值，当目标函数
超过门限值的值判为帧同步位置。
图5是本发明具体实施最佳能量分配因子选取仿真图。最佳能量分配因子的选取基于能量分配因子对系统误码率性能的影响及不同能量分配因子下帧同步算法的同步性能两方面因素，具体仿真图分别如图5和图6所示。本发明针对所设计的训练序列分别选取了能量分配因子值β=0,0.025,0.05,0.075进行了仿真。从图5中可以看出，随着β值得增大，系统的误码率（BER）性能越来越差；从图6中可以看出，随着β值得增大，所提出的帧同步算法的同步性能越来越好。为了使系统BER性能满足通信系统要求和帧同步算法的同步性能要求，本发明根据所提出的训练序列具体实施选取最佳能量分配因子β=0.05，但需要说明的是，针对不同的叠加训练序列能量不同及系统要求不同，选取的最佳能量分配因子β值也不同。
图7本发明具体实施帧同步目标函数峰值图。本发明在选取的最佳能量分配因子β=0.05的情况下，进行了仿真，得到如图7所示的目标函数峰值图。从图7中可以看出，目标函数旁瓣能量较低，具有单一、尖锐的峰值特性，可以保证快速、精确的同步定位。
以上对本发明所述的一种基于叠加训练序列光OFDM系统及其帧同步方法进行了详细的介绍，以上具体实施说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。本发明的设计原理简单、易实现。采用本发明的叠加训练序列光OFDM系统具有提高频谱资源利用率和发射机功率效率的优点，同样对于帧同步算法只要对接收信号进行简单的处理并与本地序列相关就能得到旁瓣能量较低，具有单一、尖锐的峰值特性的目标函数，避免了接收端大量数据处理过程，本发明对光OFDM系统的实用化具有重要的意义。
Claims (6)
1.一种基于叠加训练序列光OFDM系统及其帧同步方法，其特征在于：系统主要由光线路终端（OLT）和光网络终端（ONU）组成，其中OLT主要包括训练序列产生模块、厄米特共轭对称模块、数据OFDM信号产生模块、训练序列与数据OFDM信号叠加模块、DAC模块、光调制模块；OUN主要包括光解调模块、OFDM信号接收模块、ADC模块、信道估计模块、训练序列与数据符号分离模块，采用叠加训练序列实现帧同步，可以提高系统的频谱效率和发射机功率效率。
2.一种基于叠加训练序列光OFDM系统及其帧同步方法，其特征在于：OLT端产生单极性实训练序列和OUN端实现系统帧同步过程：
OLT端产生训练序列的机理为：
假设所要设计的训练序列长度为N，根据以下步骤可以构造出单极性实训练序列结构，
步骤1 设计一个自相关性良好的序列A，长度为L，且L<<N，N=mL，m能被N整除；
步骤2 将序列A进行长度为L点的逆快速傅里叶变换后，得序列为B；
步骤3 取长度为L的序列B的实部或者虚部作为序列C；
步骤4 将双极性序列C变成单极性序列D；
步骤5 将D进行简单的重复m/2次，形成序列E，即：E N/2=[D D… D]；
步骤6 对序列E进行镜像变换得到序列F；
步骤7 将原序列E和镜像序列F构成长度为N的训练序列T，即：T N=[E N/2 F N/2]；
OUN端实现帧同步算法的过程为：
系统帧同步算法主要基于对接收信号的处理、特殊训练序列结构和序列与接收信号之间的互相关性，具体处理步骤如下：
步骤8 截取长度为N的接收信号r(n)进行变换得到新的接收信号z(n)，变换公式为：
步骤9 将得到的新序列z(n)与本地训练序列F进行互相关，来获取同步，帧同步函数可以表示为：
其中，
为一个不包括循环前缀的OFDM符号长度，
为整数，表示接收序列相对本地训练序列滑动位置；β表示能量分配因子，且0<β<0.5，n为接收信号的采样点数；
步骤10 通过设定门限值，使目标函数
超过门限值的
值判为帧同步位置。
3.根据权利要求1所述一种基于叠加训练序列光OFDM系统及其帧同步方法，其特征在于：OLT中数据OFDM信号产生模块由星座图映射后的复数信号进行厄米特共轭对称，经过逆快速傅里叶变换后为时域双极性信号，再通过非均匀限幅处理，最终得到适合光OFDM系统传输的单极性实信号。
4.根据权利要求2所述的一种基于叠加训练序列光OFDM系统及其帧同步方法，其特征在于：能量分配因子可以根据叠加训练序列所具有的能量不同而不同，通过系统的误码率性能和所设计的帧同步算法的同步性能来权衡。
5.根据权利要求2所述的一种基于叠加训练序列光OFDM系统及其帧同步方法，其特征在于：帧同步算法不仅适用于基带OFDM系统，而且适用于射频OFDM系统；不仅适合于单模光纤长距离传输光OFDM系统，而且适合于多模光纤短距离传输光OFDM系统，以及任何以OFDM调制技术的光通信系统。
6.根据权利要求1-5所述的一种基于叠加训练序列光OFDM系统及其帧同步方法，其特征在于：数据OFDM信号上所叠加的训练序列可以降低峰均比（PAPR）以及联合信道估计，提高系统传输可靠性。
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