CN107547139A - 一种数字相干光纤通信系统中的帧同步方法 - Google Patents
一种数字相干光纤通信系统中的帧同步方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种数字相干光纤通信系统中的帧同步方法，包括下述步骤：设计用于帧同步的共轭对称正交相移键控数据序列；对接收到的光通信信号以滑动窗口的模式做卷积运算和功率归一化运算后获得信号串的卷积值序列M(d)；用比较大小的方法寻找M(d)的最大值，该最大值所在的位置就是帧同步序列在接收到的光通信信号中的时隙位置。本发明中，所设计的共轭对称正交相移键控数据序列在卷积运算中会出现一个尖锐峰值，而普通传输信号则不会出现这样的现象，通过在发送端插入设计的帧同步序列并且在接收端做卷积运算，找到这个峰值，从而实现帧同步；本帧同步方法定位精确，耗时少、功耗低、使用码元数少，对频偏不敏感，对色散和高斯噪声有着很强的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种数字相干光纤通信系统中的帧同步方法。
背景技术
帧同步意为准确寻找某一个数据帧的起始位置。对于实际的通信系统帧同步是一个必不可少的步骤。很多需要训练符号辅助的算法已经被提出并被运用于现有的单载波数字相干光纤通信系统中，比如训练符号辅助的均衡算法、频偏估计算法和载波相位估计算法。对于这样的训练序列辅助的算法，一定量的训练符号会被安插到数据帧的起始位置或者在数据帧中间隔插入。我们必须对这样的训练符号进行精确的定位。即使对于盲运算算法来说，对于采用不同调制格式的不同数据帧，我们同样需要准确获得它们的起始位置，从而可以正确切换判决环。传统的帧同步一般采用Schmidl-Cox方法。在Schmidl-Cox方法中，两段相同的数据序列被依次发送，并且在接收端进行自相关运算得到接收信号的定时度量并寻找它的最大值。这种方法不会受频偏和码间串扰的影响。然而由这种帧同步方法受高斯噪声影响，得到的定时度量呈一个脉冲的形状。因此所得到的同步位置点往往会偏移几个码元。这就需要更长抽头、更复杂的均衡器来补偿定时误差。此外训练符号辅助的算法极有可能因为这个定时误差而失效。另一种的帧同步方法是互相关同步方法。在这种方法中，已知发送的序列和接收到的数据做互相关。这种方法可以得到一个单峰值的定时度量，从而精确地得到数据帧的起始位置。然而这种帧同步方法只能在频偏低于10兆赫兹的情况下工作，并不适用于实际中频偏至少为上百兆以上的相干光纤通信系统中。
发明内容
针对现有帧同步技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种数字相干光纤通信系统中的帧同步方法，旨在解决传统帧同步方法中定时偏差大、受高斯噪声影响大和受频偏影响大的问题。
本发明提供了一种光纤通信系统中的帧同步方法，包括下述步骤：
S1：设计总长度为2L的共轭对称正交相移键控数据序列PPro＝[AL BL *]作为帧同步序列；其中：AL是长度为L的正交相移键控数据序列，BL与AL镜向对称，是AL的复共轭；将该帧同步序列插在所要传输的数据前面，共同组成整串光通信信号；
S2：发送所述光通信信号，接收端对接收到的光通信信号以平移滑动窗口的模式做卷积运算，所述平移滑动窗口长度2L；
对卷积运算所得数据序列作归一化，获得所述平移滑动窗口对应序列的卷积M(d)；d代表滑动的顺序，因为窗口是向后滑动的，每滑动过一个码元就计算一个M(d)，所以说d也可以代表时刻，作为定时度量；
S3：寻找M(d)的最大值，当滑动窗口正好覆盖到PPro＝[AL BL *]所在的位置时，所得到的M(d)将是最大值，因此该最大值所对应的时刻d就是帧同步序列在接收到的光通信信号中的时隙位置；帧同步信号就加载在发射的通信信号的前面，就是一个时间先后的关系。
优选地，所述步骤S1中，所述共轭对称正交相移键控数据序列的总长度2L为128码元。对于较好或者较恶劣的信道，也可以适当减少或者增加长度，其具体值则视实际应用中的光纤传输链路而定。
优选地，所述步骤S2中，采用如下公式实现归一化：
其中
为对信号(接收到的所有信号，包括帧同步序列)做平移滑动窗口形式的卷积运算，r(n)是第n个接收到的码元；
R1(d)和R2(d)用于归一化|P(d)|2的功率；其中：
式中，符号*表示取共轭。实际中，频偏造成的相位偏移量是随时间或者说码元逐渐递增的。本发明提出的同步方法，由于利用共轭关系，窗口中第一个码元是和最后一个码元做乘积，第二个是和倒数第二个码元做乘积…以此类推，这样的话每一组这样的乘积的总相位偏移量是恒定的，可以把这个总相位偏移量看作是一个公共的相位因子，不会对定时度量的幅值产生干扰，从而达到免疫频偏影响的目的。本发明中，计算定时度量的时候取了绝对值(标量)，而频偏量是一个相位因子，只要它是一个恒定值，它就不会在计算P(d)的求和过程中影响总的定时度量的幅值，并没有需要后续对频偏进行校正，即帧同步不受频偏的影响。
优选地，所述步骤S1中，所述L取值为64-256码元；信道的信噪比越低，L可以取大一些，反之可以相应减小。
优选地，所述步骤S2中，在计算定时度量的时候便可以将时间先后前后受到的频偏造成的相位偏移量的乘积作为一个公共的相位因子提出来，从而可以免疫频偏对帧同步造成的影响；
本发明根据帧同步本质上是对所接收到的信号的特征进行计算，通过计算可以得到预先定义的一种定时度量，在得到的定时度量序列里面寻找其中的最大值，这个最大值所在的位置就是该数据帧的起始位置，从而完成数据帧的头的同步，并且该定时度量必须对光纤信道中各种损伤均具有很强的鲁棒性的要求，利用共轭对称的复数序列设计和接收端的卷积运算求出定时度量。通过采用这样的序列设计以及卷积运算，在计算定时度量的时候便可以将时间先后前后受到的频偏造成的相位偏移量的乘积作为一个公共的相位因子提出来，这就避免了频偏的影响。此外这样的卷积运算需要在窗口正好对准的时候才能得到极大峰值，而在对不准的情况下则得到的卷积数值很小。因此这样得到的时间度量就具有单峰值。从而同时达到精确定时，对频偏不敏感，对高斯白噪声和色散具有极强的抵抗性，所需码元数少的效果。
附图说明
图1为本发明提供的基于正交相移键控数据序列和卷积运算的帧同步方法的流程图；
图2为本发明提供的基于正交相移键控数据序列和卷积运算的帧同步方法的帧同步序列设计图；
图3为本发明提供的基于正交相移键控数据序列和卷积运算的帧同步方法的定时度量在不同信噪比下的曲线图；
图4为本发明提供的基于正交相移键控数据序列和卷积运算的帧同步方法的定时误差在不同信噪比下的仿真示意图；
图5为本发明提供的基于正交相移键控数据序列和卷积运算的帧同步方法的定时误差在不同频偏下的仿真示意图；
图6为本发明提供的基于正交相移键控数据序列和卷积运算的帧同步方法的定时误差在不同色散下的仿真示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在信号处理领域当中，卷积运算是一个应用广泛的数学工具。卷积运算可以对一组数据中不同时间段相同大小窗口的数据求逆序的乘积之和。若这个窗口中的数据具有以对其中心时间点共轭对称的性质，则由卷积运算所得到的定时度量可以得到尖锐的峰值。同时由于频偏所带来的相位变化是一种随时间线性累积的过程，因此由卷积运算所得到的逆序乘积每一项均具有相同的频偏因子项，求和时该项可以被提出来。因此这样的定时度量可以避免频偏的影响。据此，本发明提出一种基于共轭对称的正交相移键控数据序列和卷积运算的方法，实现数字相干光纤通信中的帧同步。
本发明根据帧同步本质上是寻找对数据定义的定时度量的最大值，并且该定时度量必须对光纤信道中各种损伤均具有很强的鲁棒性的要求，利用共轭对称的复数序列设计和接收端的卷积运算求出定时度量，从而同时达到精确定时，对频偏不敏感，对高斯白噪声和色散具有极强的抵抗性，所需码元数少的效果。克服了传统的帧同步方法的各种不足。经过验证仅仅需要128个码元便能够实现精确的帧同步。
本发明提供一种在数字相干光纤通信系统中基于正交相移键控数据序列和卷积运算的帧同步方法的方法。
对数字相干光通信系统的接收端探测和采样，色散补偿之后的数字域信号进行此帧同步方法。
该方法包括：设计并在传输信号中插入共轭对称排布的正交相移键控序列；对接收并采样得到的信号以滑动窗口的模式做卷积运算和功率归一化运算后获得接收到信号的卷积值序列作为定时度量；用比较大小的方式寻找该定时度量的最大值实现帧同步。
在本发明实施例中，根据以下序列排布来设计共轭对称码元序列，
PPro＝[AL BL *] (1)
其中AL是长度为L的正交相移键控数据序列。BL与AL对称。是AL的复共轭。序列的总长度为2L。
在本发明实施例中，在计算用于帧同步的定时度量时包括：根据以下公式来求得信号的卷积，归一化因子并进行归一化运算。
其中P(d)为对信号做滑动窗口形式的卷积运算，r(n)是第n个接收到的信号。R1(d)和R2(d)用于归一化|P(d)|2的功率。
在本发明实施例中，根据定时度量曲线的确定帧同步序列帧的起始位置，从而实现帧同步包括：通过寻找M(d)中的极大值来确定定时序列所处的位置，以此来确定该数据帧的起始位置实现帧同步。
本发明利用到了对采用共轭对称设计的正交相移键控序列的卷积值时不仅可以获得单峰值的定时度量，从而极大提升了对噪声的抵抗性，同时可以免疫频偏的影响。此外对色散的容忍度也可以达到800ps/nm(如图6所示)，可以满足实际的光纤通信系统的要求。由于卷积运算非常迅速，帧同步所需时间较短，另外，本方法中使用的码元数仅为128个，具有较高的效率。
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及仿真实例，对依据本发明提出的数字相干光纤通信系统中帧同步方法的具体实施方式及工作原理进行详细说明。
由图1可知，本发明提供的帧同步方法包括以下几个步骤：
S1、根据公式(1)，设计用于帧同步的共轭对称正交相移键控数据序列PPro＝[ALBL *]并插入所需要传输的数据的起始位置；其中正交相移键控数据可以任意随机生成。理论上数据长度越长性能的鲁棒性更好，但是帧同步所消耗的时间也越多，所以通常情况总长度2L取128即可；
S2、根据公式(2)-(5)对接收到的光通信信号以滑动窗口的模式做卷积运算和功率归一运算后获得这串信号的卷积值序列M(d)作为定时度量，滑动窗口的长度与帧同步序列的长度相一致；
S3、用比较大小的方法寻找M(d)的最大值，该最大值所在的位置就是帧同步序列在接收到的光通信信号中的位置。
下面通过仿真实例来进行说明。
通过对不同信道情况下随机传输的比特率为112Gbps的偏振复用正交相移键控(PM-QPSK)信号进行帧同步，来说明本帧同步方法的具体流程以及最终的帧同步效果。
搭建一个数字相干光纤传输系统数值仿真平台，光纤信道参数与G.652标准单模光纤一致；通过添加不同功率的高斯白噪声来调整传输信号信噪比用来测试这种帧同步算法对高斯白噪声的容忍度。通过改变不同的频偏值来测试这种帧同步算法对频偏的容忍度。通过改变标准单模光纤的长度来测试这种帧同步算法对色散的容忍度。
具体的处理方法如下：
1、根据步骤S1的内容，如图2所示，设计用于帧同步的共轭对称正交相移键控数据序列PPro＝[AL BL *]并插入所需要传输的数据的起始位置；其中正交相移键控数据使用随机函数生成,在本例中，PPro为[+1+1i,+1-1i,+1+1i,-1-1i,+1-1i…+1+1i,-1+1i,+1-1i,+1+1i,+1-1i],总长度2L取128。
2、根据步骤S2中的内容，根据公式(2)-(5)对接收到的光通信信号以滑动窗口的模式做卷积运算和功率归一运算后获得这串信号的卷积值序列M(d)作为定时度量，滑动窗口的长度与帧同步序列的长度相一致。图3描述了信噪比情况下的定时度量的曲线，可以发现，在不同信噪比下，该定时度量总能在某个点产生尖锐的峰值，此峰值对应帧同步序列的位置。(Ppro就是加载在光通信信号前面的帧同步序列，但是我们在接收端收到数据的时候，并不清楚哪一段是帧同步序列，哪一段是光通信信号，所以只能用窗口的形式滑动过去，对每一段窗口中的数据进行计算来寻找)。
3、用比较大小的方法寻找M(d)的最大值，该最大值所在的位置就是帧同步序列的头在接收到的光通信信号中的位置。
对信噪比范围为3dB到23dB，频偏为0MHz到1000MHz，色散为0ps/nm到900ps/nm，分别利用上述的帧同步方法，每一种情况得到了100个定时误差值并求平均值。图4为该帧同步方法的定时误差在不同信噪比下的仿真示意图，横坐标表示不同信噪比，纵坐标表示平均定时误差。可以看出不管在信噪比多低的情况下，该帧同步方法均没有定时误差，体现了对高斯白噪声的鲁棒性。图5为该帧同步方法的定时误差在不同频偏下的仿真示意图，横坐标表示不同频偏值，纵坐标表示平均定时误差。可以看出不管在频偏多高的情况下，该帧同步方法均没有定时误差，体现了对频偏的不敏感性。图6为该帧同步方法的定时误差在不同色散下的仿真示意图，横坐标表示不同色散，纵坐标表示平均定时误差。可以看出在色散不大于800ps/nm的情况下，该帧同步方法没有定时误差。目前实际数字相干光纤通信系统中广泛采用的色散补偿技术，残余色散最大不会超过300ps/nm，因此该帧同步方法适用于实际数字相干光纤通信系统中。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种数字相干光纤通信系统中的帧同步方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：设计总长度为2L的共轭对称正交相移键控数据序列PPro＝[AL BL *]作为帧同步序列；其中：AL是长度为L的正交相移键控数据序列，BL与AL镜向对称，是AL的复共轭；将该帧同步序列插在所要传输的数据前面，共同组成整串光通信信号；
S2：发送所述光通信信号，接收端对接收到的光通信信号以平移滑动窗口的模式做卷积运算，所述平移滑动窗口长度2L；
对卷积运算所得数据序列作归一化，获得所述平移滑动窗口对应序列的卷积M(d)，作为定时度量；
S3：寻找M(d)的最大值，当滑动窗口正好覆盖到PPro＝[AL BL *]所在的位置时，所得到的M(d)将是最大值，因此该最大值所对应的时刻d就是帧同步序列在接收到的光通信信号中的时隙位置。
2.如权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于，步骤S1中，所述共轭对称正交相移键控数据序列的总长度2L为128码元。
3.如权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于，步骤S2中，采用如下公式实现归一化：
其中
为对信号做平移滑动窗口形式的卷积运算，r(n)是第n个接收到的码元；
R1(d)和R2(d)用于归一化|P(d)|2的功率；其中：
<mrow>
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</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
式中，符号*表示取共轭。
4.如权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于，步骤S1中，所述L取值为64-256码元；信道的信噪比越低，L可以取大一些，反之可以相应减小。
5.如权利要求1所述的帧同步方法，其特征在于，步骤S2中，在计算定时度量的时候，每一对做乘积的前后码元受到频偏造成的相位偏移量也会同时被相加，得到一个总相位偏移量。该相位偏移量是一个固定值，从而成为一个公共的相位因子，不会对定时度量造成幅值上的影响。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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