CN103560990A - 基于滤波器的实时ofdm接入网系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于滤波器的实时正交频分复用无源光接入网系统。该系统基于滤波器平滑滤波原理，滤除噪声的影响，降低了实时传输系统的误码率。同时，该滤波器实现起来简单、快速、延迟小，使得其更适合应用于实时传输系统中。本发明系统的发送系统包含滤波器模块，通过对发送信号的平滑滤波，在滤除噪声的同时可以确保信号的形状、宽度不变；在接收端通过信道估计算法而更准确的还原解调原始信号。采用本发明的系统，能够提高系统的误码率，并且提高实时正交频分复用无源光接入系统的信号处理的速度。

Description

基于滤波器的实时OFDM接入网系统

技术领域

本发明涉及光通信技术，特别是一种基于Savitzky-Golay（S-G）滤波器的光正交频分复用无源光接入网系统。 

背景技术

光正交频分复用接入是近几年新兴的无源光接入网技术，它以光正交频分复用技术为基础，利用光正交频分复用频谱利用率高、抗色散性能好以及载波分配自由等特点，可以实现40Gb/s速率以上、灵活自由的光接入，能够满足未来高速率、动态灵活的宽带接入的需求，它已成为下一代接入网领域当前的研究热点之一。 

近年来，光通信的传输速度在不断的增加，光通信系统相比于无线通信系统对比特率有了更高的要求。当采样率和比特率很高时，接收端的误码率很高，而且系统对频率偏移的敏感度也随之增加，传统线下（非实时）处理不能满足光纤通信系统对比特率的更高要求，迫切需要产生对光正交频分复用信号进行实时处理的方法。因此，实时的光正交频分复用处理方法将是未来光正交频分复用通信的必然发展方向，它能够将光正交频分复用的传输速率提高到一个前所未有的新高度。在硬件方面，现在的FPGA在处理速度上可以实现越来越 高的速度；在结构上，体积越来越小；在功能上，能够实现的功能也越来越全面；在成本上，相比原来的昂贵开发板，目前的FPGA开发板已大大降低的成本。这些都对实现实时正交频分复用接入网的实时处理数据提供了技术上的可行性。目前，实时的光正交频分复用接入网系统的研究在国内外也取得了较多的成果，Bangor University最早进行了一系列实验，实现了速率为11.25Gb/s的DDO-OFDM实时系统。在之后的研究中，LIN Wei等人利用带宽为10GHz的DML激光器实现了信号速率达18.6Gb/s的20Km标准单模光纤(SSMF)无色散补偿的传输，而由Dayou Qian等人实现的DDO-OFDM实时系统的信号速率达到41.25Gb/s，成为当前最高的速率。 

S-G滤波器最初由Savitzky和Golay于1964年提出，目前被广泛地运用于数据流平滑除噪，是一种在时域内基于局域多项式最小二乘法拟合的滤波方法。这种滤波器最大的特点在于在滤除噪声的同时可以确保信号的形状、宽度不变。现在S-G滤波器在实时的图片及语音信号处理上有较多的研究，本发明首次将S-G滤波器应用于实时的正交频分复用光接入网系统，对发送端产生的信号进行平滑滤波。 

图1为现有光正交频分复用光接入网的系统结构示意图。现结合图1，对现有的光正交频分复用光接入网结构进行说明，具体如下： 

现有的光正交频分复用光接入网系统，包括：发送端数字处理模块10、光调制器模块11、DAC模块12、光电检测器PIN模块13、ADC模块14、接收端数字处理模块15。 

发送端数字处理模块10用于接收上层设备所需传输的二进制数 据流16，将其通过各种数字域的处理，分别生成频分复用的数字信号，输出至数模转换模块11。其中，数字处理模块10包括：一个星座映射模块100、一个插入导频模块101、一个串并变化模块102、一个IFFT运算模块103、一个并串变换模块104、一个添加循环前缀和加窗处理模块105、一个内插过采样模块106。星座映射模块100将上层系统所需传输的数据进行调制；插入导频模块101，用以接收端进行相位补偿；串并变换模块102将加入导频后的信号进行串并变换，由一路二进制数据转换为M路二进制数据；IFFT运算模块103将M路星座图数据流进行反快速傅里叶运算，每次运算得到M个复数；并串变换模块104，将IFFT变换后的信号并串变换后传递给循环前缀及加窗模块105；循环前缀及加窗模块105将接收到串行信号后，在其前端插入保护间隔GI，并经过升余弦滤波器进行整形，之后形成正交频分复用数字信号，完成发送端数字处理模块10的功能。其中，M为光正交频分复用系统的子载波数，为了符合IFFT运算的特点，其取值为2的正整数次幂。 

DAC模块11接受数字处理模块10产生的正交频分复用数字信号，将其进行数模转换，得到电域正交频分复用基带信号，传递给光调制器模块12。电域正交频分复用基带信号中，对应M个数据加上其保护间隔的电信号波形，为一个正交频分复用符号。 

光调制模块12，将正交频分复用基带信号加载至光载波上，m个ONU通过光耦合器耦合后，传递至光纤链路中进行传输。 

光检测器PIN模块13，是一个光解调器，将从链路获得的光信 号还原成电域正交频分复用基带信号。 

ADC模块14，将正交频分复用基带信号进行模数转换，获得正交频分复用数字信号。 

接收端数字处理模块15，将接收到正交频分复用数字信号进行各种数字处理，最终合成一路上层系统所需要传输的二进制原始数据，完成整个数据传输过程。其中，数字处理模块15包括：一个信道估计模块150、一个去插值模块151、一个同步模块152、一个去循环前缀模块153、一个串并变换模块154、一个FFT模块155、一个并串变换模块156、一个相位补偿模块157、一个星座逆映射模块158。其中，信道估计模块150，根据导频信息对信道进行估计；去插值模块151，去除带有冗余差值比特的数据流；同步模块152，确定符号的位置以实现帧同步；去除GI模块153将正交频分复用符号前端的保护间隔去除；串并变化模块154，将去循环前缀后的一路信号转换为M路以进行FFT运算；FFT运算模块155，将产生的复数数字信号进行快速傅里叶运算，得到M路子载波传输的数字星座信号；并串变换模块156将M路二进制比特数据进行并串变换；相位补偿模块157，根据导频信息来做相位补偿，进而消除相位偏差对系统的影响；星座逆映射模块158，将数字星座信号进行星座逆映射，形成上层系统所需传输的二进制原始数据流16。 

上述现有的光正交频分复用通信系统能够以光正交频分复用方式实现基本数据传输功能，但是发送端未使用滤波器对发送信号进行平滑作用，系统整体误比特率不够理想。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于S-G滤波器的光正交频分复用光接入网系统结构，该系统的误码率较传统系统有所提高。同时，在实时的系统中简单、快速、易于实现。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的： 

本发明的光正交频分复用变速率传输系统，包括发送系统和接收系统。每个ONU的发送系统将二进制数据流信息进行数字处理，通过S-G滤波器平滑滤波后，进行数模转换形成子载波数为M的正交频分复用电域信号，m个ONU在光耦合器中进行耦合，随后加载至光载波上生成光正交频分复用信号，输入至光纤链路中；接收系统将接收到的光正交频分复用信号转换为电域信号，并将电域信号通过判决、数字处理，还原成二进制数据流信息。m和M均为大于等于1的正整数。 

发送系统具体包含以下部分： 

星座映射模块，将二进制数据映射成为星座信号；以及 

插入导频模块，对星座信号插入导频以进行接收端的信道估计和相位补偿；以及， 

发送端数字处理模块，将星座信号数据转换为M路二进制载波数据，之对将其进行IFFT变换，并进行并串变换处理，随后加入保护间隔并进行加窗处理；以及 

插值模块，用以改变各数据流的二进制数据数率；以及 

数字滤波器模块，对基带正交频分复用信号进行平滑滤波，确定 滑动窗口大小以及拟合多项式的阶数，以便接收端进行信道估计；以及 

DAC模块，将数字信号转换为合适参数的模拟信号，获得基带正交频分复用信号；以及 

发送端激光器，用以生成光正交频分复用信号所需要特定频率的光载波，并输出至光电转换模块；以及 

光调制器，获得所述发送端激光器产生的特定频率光载波，通过调制器被加载上所述DAC模块产生模拟信号，形成光信号。将m个ONU产生的光信号共同耦合至输出端，进入光纤链路传输。 

接收系统具体包含以下部分： 

光电探测器(PIN)对光OFDM信号的强度信息进行探测，不仅降低了接收端的成本，对发送端的激光器线宽要求也较低；以及 

ADC模块，将接收到的基带正交频分复用模拟信号转换为对应的数字信号；以及 

信道估计模块，根据导频信息对信道进行估计；以及 

去插值模块，去除所述带有冗余差值比特的数据流，还原成系统实际传输的原始数据流；以及 

同步模块，确定符号的起止时刻即FFT的窗位置，以实现帧同步；以及 

接收端数字处理模块，对接收到数字信号进行去保护间隔的处理、串并变换、，并进行M点的FFT运算，获得M路子载波星座数据，进行并串变换为一路星座数据；以及 

相位补偿模块，根据导频信息来做相位补偿，进而消除相位偏差对系统的影响；以及 

星座逆映射模块，将星座数据逆映射为二进制序列比特流。 

由以上技术方案可见，本发明提供了一种基于S-G滤波器的实时光正交频分复用光接入网系统，该系统中通过在发送端加入S-G平滑滤波器对发送信号进行平滑滤波。由此使光正交频分复用通信系统具有速度快、实现简单、误比特率低特点。 

附图说明

图1为现有光正交频分复用接入网系统的结构示意图。 

图2为本发明基于S-G滤波器的光正交频分复用接入网系统的总体结构示意图。 

图3为本发明中发送系统的具体结构示意图。 

图4为发明中实时发送模块FPGA实现的顶层模块图。 

图5为本发明中接收系统的具体结构示意图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举例实施，对本发明进一步详细说明。 

本发明提供了一种基于S-G滤波器的实时光正交频分复用接入网变系统，实现了实时、快速、抗干扰能力强的数据传输。本发明系统的发送系统包含S-G滤波器模块，S-G滤波原理是一种在时域内基于局域多项式最小二乘法拟合的滤波方法，通过确定滑动窗口大小以及拟合多项式的阶数来对数据进行滤波，这种滤波器能够直接处理来自时间域内数据平滑问题，它不是像普通滤波器那样先在频域中处理信号之后再转换到时间域。运用这种原理，计算机的唯一功能就是充当一个平滑噪声起伏的滤波器，并尽量保证原始数据的不失真。因此将其应用于实时的光正交频分复用接入网系统能够在平滑噪声的同时实现高速的数据处理。 

图2为本发明实时光正交频分复用接入网的总体结构示意图；图3为本发明中发送系统的具体结构示意图；图4为发明中实时发送模块FPGA实现的顶层模块图；图5为本发明中接收系统的具体结构示意图。现结合图2、图3及图4，对本发明基于S-G滤波器的光正交频分复用接入网传输系统结构进行说明，具体如下： 

本发明一种光正交频分复用接入网系统包括：m个ONU和1个OLT，其中每个ONU的发送系统包括实时正交频分复用信号产生模 块30、S-G滤波器模块24，OLT包括接收系统31。 

每个ONU的发送系统中实时正交频分复用信号产生模块30将二进制数据流16信息进行数字处理，之后经过S-G滤波器模块24进行平滑滤波，并进行数模转换形成子载波数为M的正交频分复用电域信号，m个ONU产生的调制好的正交频分复用信号经过光耦合器耦合成一路信号，随后加载至光载波上生成光正交频分复用信号，输入至光纤链路中；接收系统31将接收到的光正交频分复用信号转换为电域信号，并将电域信号通过判决、数字处理，还原成二进制数据流信息16。这里提到的m与M均为大于等于1的正整数。 

如图3所示，每个ONU的发送系统30包括星座映射模块20、插入导频模块21、发送端数字处理模块22、插值模块23、平滑滤波器模块24、DAC模块25、发送端激光器26和光调制器27。 

星座映射模块20，将二进制数据映射成为星座信号。 

插入导频模块21，对星座信号插入导频，以进行接收端的信道估计和相位补偿。 

随后是光正交频分复用信号28的生成部分。发送端数字处理模块22，将星座信号数据转换为M路二进制载波数据，之对将其进行IFFT变换，并进行并串变换处理，随后加入保护间隔并进行加窗处理。插值模块23，用以改变各数据流的二进制数据数率。 

数字滤波器模块24，对基带正交频分复用信号进行平滑滤波，确定滑动窗口大小以及拟合多项式的阶数，以便接收端进行信道估计。 

DAC模块25，将数字信号转换为合适参数的模拟信号，获得基带正交频分复用信号.发送端激光器26，用以生成光正交频分复用信号所需要特定频率的光载波，并输出至光电转换模块。光调制器27，获得所述发送端激光器产生的特定频率光载波，通过调制器被加载上所述DAC模块产生模拟信号，形成光信号。将m个ONU产生的光信号共同耦合至输出端，进入光纤链路传输。 

如图4所示，实时的正交频分复用系统发射机在FPGA中实现过程主要分为以下几个模块： 

bit_gen模块50，采用m位移位寄存器产生2m-1位的伪随机序列； 

flow_control模块51，控制bit_gen、GI_gen、pilot_gen模块中各个信号开始产生的时间； 

GI_gen模块52，产生保护间隔，即循环前缀和循环后缀； 

pilot_gen模块53，产生导频序列，加载于空闲的子载波上； 

modulation模块54，将bit_gen产生的bit_data数据进行16QAM运算，输出两路正交的I、Q信号，合并成一路输出； 

addr_gen模块55，将产生的调制好的数据信号，循环前后缀信号以及导频信号产生各个信号对应的地址； 

src_mapping_ram模块56，根据addr_gen模块产生地址映射出data_iq_ram信号，以进行IFFT变换； 

ifft_top模块57，对映射好的data_iq_ram信号进行IFFT变换，产生data数据，即为产生的OFDM信号； 

cic_filter模块58，对产生的data数据进行插值滤波； 

s-g_filter模块59，对插值后的信号进行S-G平滑滤波，最后形成发射端正交频分复用信号data。 

如图5所示，接收系统31包括接收端光探测器40、ADC模块41、信道估计模块42、去插值模块43、同步模块44、接收端数字处理模块45、相位补偿模块46、星座逆映射模块47。 

光探测器40，接收光纤链路所传输的光正交频分复用信号28，并进行光电转换，得到正交频分复用电信号，ADC模块41，将基带正交频分复用模拟信号转换为对应的数字信号。信道估计模块42，根据导频信息对信道进行估计。去插值模块43，去除所述带有冗余差值比特的数据流，还原成系统实际传输的原始数据流。同步模块44，确定符号的起止时刻即FFT的窗位置，以实现帧同步。 

接收端数字处理模块45，对接收到数字信号进行去保护间隔的处理、串并变换、，并进行M点的FFT运算，获得M路子载波星座数据，进行并串变换为一路星座数据。 

相位补偿模块46，根据导频信息来做相位补偿，进而消除相位偏差对系统的影响。 

星座逆映射模块47，将星座数据逆映射为二进制序列比特流。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。对于本领域的技术人员来说，对于本发明的多种修改将是显而易见的，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。 

Claims (8)

1.一种系统，其特征在于，包括：

m个ONU，其中每个ONU包括一个正交频分复用信号发送模块，该模块将二进制数据流信息进行数字处理，并进行数模转换形成子载波数为M的正交频分复用电域信号，m个ONU发射的正交频分复用信号经光耦合器耦合成一路信号，随后加载至光载波上生成光正交频分复用信号，输入至光纤链路中；以及

1个OLT，其中包含一个正交频分复用信号接收系统，将接收到的光正交频分复用信号转换为电域信号，并将电域信号通过判决、数字处理，还原成二进制数据流信息；

所述传输系统中提到的m与M均为大于等于1的正整数。

2.如权利要求1所述系统，其中每个ONU的发送系统，其特征在于，包括：

星座映射模块，将二进制数据映射成为星座信号；以及

插入导频模块，对星座信号插入导频以进行接收端的信道估计和相位补偿；以及，

发送端数字处理模块，将星座信号数据转换为M路二进制载波数据，并对其进行IFFT变换，并进行并串变换处理，随后加入保护间隔并进行加窗处理；以及

插值模块，用以改变各数据流的二进制数据数率；以及

数字滤波器模块，对基带正交频分复用信号进行平滑滤波，以便接收端进行信道估计；以及

DAC模块，将数字信号转换为合适参数的模拟信号，获得基带正交频分复用信号；以及

发送端激光器，用以生成光正交频分复用信号所需要特定频率的光载波，并输出至光电转换模块；以及

光调制器，获得所述发送端激光器产生的特定频率光载波，通过调制器被加载上所述DAC模块产生模拟信号，形成光信号。将m个ONU产生的光信号共同耦合至输出端，进入光纤链路传输。

3.如权利要求2所述，星座映射模块，对于输入数据进行星座映射，并传递给发送端数字处理模块。

4.如权利要求2所述，插入导频模块，对星座信号插入导频以进行接收端的信道估计和相位补偿。

5.如权利要求2所述，发送端数字处理模块，将插入导频后的数据流信息进行串并变换为M路子载波数据以进行IFFT变换，并进行并串变换处理，随后加入保护间隔并进行加窗处理。

6.如权利要求2所述，插值模块，为了使产生的基带信号和后面的采样速率相匹配，通过插值滤波器对基带信号进行升采样处理。

7.如权利要求2所述，滤波器模块，对基带正交频分复用信号进行平滑滤波，确定滑动窗口大小以及拟合多项式的阶数，以便接收端进行信道估计。

8.如权利要求1所述系统，其中接收系统，其特征在于，包括：

光电探测器(PIN)对光正交频分复用信号的强度信息进行探测，不仅降低了接收端的成本，对发送端的激光器线宽要求也较低；以及

ADC模块，将接收到的基带正交频分复用模拟信号转换为对应的数字信号；以及

信道估计模块，根据导频信息对信道进行估计；以及

去插值模块，去除所述带有冗余差值比特的数据流，还原成系统实际传输的原始数据流；以及

同步模块，确定符号的起止时刻即FFT的窗位置，以实现帧同步；以及

接收端数字处理模块，对接收到数字信号进行去保护间隔的处理、串并变换、，并进行M点的FFT运算，获得M路子载波星座数据，进行并串变换为一路星座数据；以及

星座逆映射模块，将星座数据逆映射为二进制序列比特流。

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