CN103036843B - Pon局端的信号调制方法及用户端的信号解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及PON技术，具体公开了一种局端的信号调制方法及用户端的信号解调方法。所述信号调制方法包括：将下行信号划分为若干个子带，并对每个子带的数据进行基带调制，得到待处理数据；向待处理数据中添加同步训练序列以及载波提取训练序列，得到待复用数据；将待复用数据进行OFDM调制，得到OFDM信号，然后将OFDM信号上载到不同频率的子载波上。相应地，用户端对接收到的信号进行解调，识别并提取出所需的子载波。本发明提出的技术方案实现了子载波级的灵活带宽分配；同时，因为用户只需要处理和自己相关的子载波，对用户端设备的要求也随之降低。

Description

PON局端的信号调制方法及用户端的信号解调方法

技术领域

本发明涉及无源光网络（PON）技术，特别涉及一种PON局端的信号调制方法及一种用户端的信号解调方法。

背景技术

随着光纤接入网技术的发展，正交频分复用（OFDM）技术因为频谱效率高，对色散和偏振模色散有较好的容忍，以及方便数字信号处理器（DSP）进行处理等优点掀起了一阵研究热潮，并被认为是下一代光纤接入网最有可能采用的方案之一。

为了能够给更多的用户提供高速的接入速度，实现高速的接入，近年来，各种高速正交频分复用的无源光网络（OFDM-PON）实现方案不断涌现，有的系统速率已经达到几百Gb/s甚至超过1Tb/s。但由于OFDM对数字信号处理的天然依赖性，在OFDM信号的产生和接收过程中都不可避免地需要用到数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）以及DSP等电处理器件。而从目前的器件发展水平来看，这些电器件的处理速度和带宽还远远达不到光接入网的速率和带宽要求。为了用相对低速的电处理器件实现高速的OFDM-PON，通常采用的方法是：将高速信号分成若干部分，每一个部分分别进行OFDM信号的产生，然后将得到的各个OFDM信号边带调制到不同波长的载波上，用波分复用的方式组成宽带的OFDM信号。在接收端，用户选择对应的OFDM边带进行解调，并从中提取出所需的数据。

上述方案虽然在低速的电器件和高速的系统之间找到了一个桥梁，提出了一种实现OFDM-PON的方法，但是通常每个OFDM边带的带宽都在10GHz以上，每个用户都需要解调整个OFDM边带，这不仅没有充分体现出OFDM系统带宽分配灵活的特点，而且10GHz的信号处理带宽对于成本敏感的接入网来讲也非常难以实现，这在很大程度上制约了OFDM-PON走向实用。

仔细分析目前流行的高速OFDM-PON系统，不难发现，高速是针对系统整体的速率而言的，也就是所有用户的速度总和高，但是因为网络中用户数众多，通常是成千上万个，所以具体到每一个用户，其传输速度相对于系统速率其实并不高。结合目前的接入带宽，单个用户的速度一般在1Gb/s以下，如果结合基带调制方式，如QPSK、16QAM等等，即使考虑高速的情况，单个用户所占的带宽都在1GHz以下。

实际上，OFDM作为一种特殊的多载波系统，信息同样是由各个子载波承载，所以理论上讲，每个用户也能像传统波分复用（WDM）系统中的接收机一样，突破OFDM信号边带的限制，以子载波为单位，只接收和处理自己所需要的若干子载波，而忽略其他子载波。这样，系统带宽分配的颗粒度将被减小到与一个子载波的带宽相等，这不仅使得带宽分配的灵活性大大增加，为服务质量（QoS）控制提供可能，而且随着用户需要处理信号的带宽的下降，其对电器件的要求也将随之降低。以用户速率1Gb/s为例，如果采用QPSK调制，那么用户端所需要配置的ADC、DSP以及PD带宽只需要500MHz，这已经是商用系统可以达到的水平。也就是说，商用系统完全可以用来实现高速的OFDM-PON系统，这将对OFDM-PON的实用化起到巨大的推动作用。

发明内容

（一）所要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种PON中局端的信号调制方法及与其相应的用户端的信号解调方法，以解决现有OFDM-PON系统无法灵活地分配带宽、且对用户端设备要求较高的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种PON局端的信号调制方法，所述信号调制方法包括以下步骤：

S101、将下行信号划分为若干个子带，并对每个子带的数据进行基带调制，得到待处理数据；

S102、向所述待处理数据中添加同步训练序列以及载波提取训练序列，得到待复用数据，其中，

所述同步训练序列用于使用户端进行信号同步，所述载波提取训练序列用于使用户端进行子载波的识别及提取；

S103、将所述待复用数据进行OFDM调制，得到OFDM信号，然后将所述OFDM信号上载到不同频率的子载波上。

可选的，步骤S102具体包括：

将所述待处理数据划分为若干个数据帧，并在部分数据帧的前面添加所述同步训练序列以及所述载波提取训练序列。

可选的，所述载波提取训练序列是一个随机数列。

可选的，步骤S101中，所述基带调制为QPSK调制。

可选的，步骤S103中，所述子载波的频梳数目为50，相邻频率间隔为12GHz。

基于所述信号调制方法，本发明同时提出了一种用户端的信号解调方法，所述信号解调方法包括以下步骤：

S201、将用户端的激光器波长调整到所需的子载波波长，并通过相干接收将所需的子载波下变频到基带，得到接收信号；

S202、将所述接收信号进行模数转换，得到数字信号；

S203、根据所述数字信号中的同步训练序列进行信号同步，并根据所述数字信号中的载波提取训练序列识别并提取所述用户端所需的子载波。

可选的，步骤S203中，根据所述数字信号中的载波提取训练序列识别并提取所述用户端所需的子载波具体包括：

利用所述载波提取训练序列进行自相关函数运算，使所述自相关函数取值最大的位置即对应为所述用户端所需的子载波的位置，根据所述用户端所需的子载波的位置提取出所述用户端所需的子载波。

（三）有益效果

在本发明提出的技术方案中，PON系统对用户进行带宽分配的最小单位是一个子载波的宽度，而且分配给某个用户的若干个子载波甚至可以不相邻，这样就实现了子载波级的灵活带宽分配。同时，因为用户只需要处理和自己相关的少数的子载波，对用户端设备的要求也随之降低，这也使得该方案的实用性大大增加。

附图说明

图1是本发明提出的技术方案的系统结构示意图。

图2是本发明一种具体实施方式中的数据帧的结构示意图。

图3是本发明一种具体实施方式中的子载波的频谱示意图。

图4是本发明一种具体实施方式中的OFDM信号的频谱示意图。

图5是本发明一种具体实施方式中的用户端获得的数字信号的频谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出了一种PON局端的信号调制方法及与其相应的用户端的信号解调方法，PON系统的结构如图1所示。

为了保证每个用户都能随意地从整个下行OFDM信号中自由地接收自己所需的子载波，有两个关键的问题需要解决：

1、每个用户必须具有能够从整个OFDM信号中的任何位置接收任意数量子载波的能力。在本发明的技术方案中，每个用户端都配备一个可调激光器，激光器的波长被调整到将要接收的子载波附近，然后通过相干接收的方式来将所需要的子载波下变频到基频，如图1所示，以此实现用户对任意子载波的接收。

2、因为用户端的激光器与局端的激光器相互之间并不同步，为了保证用户能将所需的子载波都下变频到基带，用户端的接收带宽必须要略大于所需要接收的子载波的带宽，所以每个用户必须能够从接收到的子载波中识别出自己所需要的子载波。本发明的技术方案通过数字信号处理算法帮助用户完成子载波的识别。

如图1所示，在局端，下行信号首先被划分为若干个子带并进行基带数据调制以提高频谱效率，这里可以采用QPSK调制。为了使用户能顺利地接收并提取自己所需的信号，在发送下行数据之前，首先对下行数据进行一系列的特殊处理，处理时采用的数据帧结构如图2所示。图2中横轴表示频率，纵轴表示时间，每个小方块都代表一个数据，从小方块的纹理可以将小方块按照功能分成训练序列和数据两种。依据这个帧结构，对数据的处理过程如下：整个下行数据被分成若干部分，每个部分在后面的处理中将构成一个OFDM子带。如图2所示，在部分数据帧的前面添加两个训练序列，训练序列1为同步训练序列，用来帮助用户进行帧同步；训练序列2为载波提取训练序列，它是一个全局的训练序列，由一串随机数构成，虽然整个OFDM信号是以子带为单位产生的，但是训练序列2的内容是事先约定而且为所有用户所公知的，它将作为整个OFDM信号中每个子载波的特征码用于用户端的子载波识别。

如图1所示，基带数据经过上述处理后，每个子带的数据分别进行OFDM复用，然后通过电光调制器将OFDM子带上载到不同频率的光载波（即子载波）上。可选的，使用的多波长光载波的频谱如图3所示：频梳数目为50，相邻频率间隔为12GHz。每个OFDM子带分配的数据率为10Gb/s，经过QPSK调制后，带宽为5GHz，所以上载到光载波上相邻OFDM子带之间有1GHz的保护边带。经过调制之后的下行OFDM信号的频谱如图4所示，每个光载波左右各有一个5GHz的OFDM子带，所以系统的总速率为5GHz×2bit/Hz×50×2=1Tb/s。

如图1所示，下行信号经过光纤传输后，由功分器分配到各个用户。在用户端，本地激光器的波长被调整到所需的子载波的波长处，经过相干接收，用户所需的子载波将被下变频到基带。然后将从相干接收机输出的信号经过ADC采样变换到数字域，以方便后续的处理。在此过程中只需要保证用户所需的子载波下变频后在相干接收机的接收带宽即可，因此可以对采样得到的数字进行数字滤波（带宽1GHz）来模拟带限（1GHz）的接收机和ADC的效果，得到的数字信号频谱如图5所示。

用户在得到数字信号后，首先根据训练序列1（即同步训练序列）进行符号同步。按照前面的叙述，训练序列2（即载波提取训练序列）由随机数构成，而且为所有用户公知，假设下行OFDM信号中的训练序列2记作TS2_t，用户收到的信号中含有的训练序列2的部分记作TS2_r。因为随机数列只和自身有最大的相关性，所以能够使得公式1取值最大的k将代表了TS2_r在整个TS2_t中的位置，也就代表了用户所需提取的子载波在整个下行数据中的位置，这样就完成了子载波的识别。

$\underset{p=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{TS}2}_r\left(p\right)\·{\mathrm{TS}2}_t^{*}(p+k)(0\≤k\≤N-n)$ 公式1

在公式1中，N代表整个下行信号中子载波的个数，n代表用户端接收到的部分信号中含有的子载波的个数。k的取值范围包括了整个下行的OFDM信号中的子载波，也就是说，在用户接收下行数据时，已经没有了“子带”的概念，每个用户都直接面对整个OFDM下行数据，并从中提取出自己所需的子载波。因此，系统对用户进行带宽分配的最小单位是一个子载波的宽度，而且分配给某个用户的若干个子载波甚至可以不相邻，这样就实现了子载波级的灵活带宽分配；同时因为用户只需要处理和自己相关的少数的子载波，对用户端设备的要求也随之降低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种PON局端的信号调制方法，其特征在于，所述信号调制方法包括以下步骤：

S101、将下行信号划分为若干个子带，并对每个子带的数据进行基带调制，得到待处理数据；

S102、向所述待处理数据中添加同步训练序列以及载波提取训练序列，得到待复用数据，其中，

所述同步训练序列用于使用户端进行信号同步，所述载波提取训练序列用于使用户端进行子载波的识别及提取；

S103、将所述待复用数据进行OFDM调制，得到OFDM信号，然后将所述OFDM信号上载到不同频率的子载波上。

2.根据权利要求1所述的信号调制方法，其特征在于，步骤S102具体包括：

将所述待处理数据划分为若干个数据帧，并在部分数据帧的前面添加所述同步训练序列以及所述载波提取训练序列。

3.根据权利要求1或2所述的信号调制方法，其特征在于，所述载波提取训练序列是一个随机数列。

4.根据权利要求1所述的信号调制方法，其特征在于，步骤S101中，所述基带调制为QPSK调制。

5.一种基于权利要求1-4之一所述的PON局端的信号调制方法的用户端的信号解调方法，其特征在于，所述信号解调方法包括以下步骤：

S201、将用户端的激光器波长调整到所需的子载波波长，并通过相干接收将所需的子载波下变频到基带，得到接收信号；

S202、将所述接收信号进行模数转换，得到数字信号；

S203、根据所述数字信号中的同步训练序列进行信号同步，并根据所述数字信号中的载波提取训练序列识别并提取所述用户端所需的子载波。

6.根据权利要求5所述的信号解调方法，其特征在于，步骤S203中，根据所述数字信号中的载波提取训练序列识别并提取所述用户端所需的子载波具体包括：

利用所述载波提取训练序列进行自相关函数运算，使所述自相关函数取值最大的位置即对应为所述用户端所需的子载波的位置，根据所述用户端所需的子载波的位置提取出所述用户端所需的子载波。