CN108173790B - 一种超奈奎斯特信号的传输方法 - Google Patents

一种超奈奎斯特信号的传输方法 Download PDF

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Abstract

一种超奈奎斯特信号的传输方法，涉及高速光信号的发送与接收，包括步骤：S1.发送端发送训练信号序列，经过星座图映射后的符号序列sn分割成多个数据块，每个数据块的首端及尾端分别添加长度为v的循环前缀，再进行超奈奎斯特滤波后发出；S2.接收端去除循环前缀，基于信道矩阵分解所得到的特征矩阵，分别计算sf与yf，再计算出均衡矩阵；S3.发送端正式发送信号序列，按照S1的方式发出信号；S4.接收端收到正式发送的信号，按照S2的方式得到yf，再采用S2中得到的均衡矩阵进行信号均衡，恢复出发送信号。本发明通过超奈奎斯特整形，压缩信号带宽，释放光器件的带宽压力，避免因带宽不足带来的信号串扰。

Description

一种超奈奎斯特信号的传输方法
技术领域
本发明涉及高速光信号的发送与接收，具体涉及一种超奈奎斯特信号的传输方法。
背景技术
随着宽带应用的不断普及与发展，城域光网络以及数据中心光网络需要向更高的速率演进。但是，现有光器件带宽的不足严重限制了光网络提速的步伐，并且这种现状难以在短时间内从技术和成本方面得到完美的解决。而基于现有的器件带宽进行提速，必然会给信号带来严重的串扰。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种超奈奎斯特信号的传输方法，通过超奈奎斯特整形，压缩信号带宽，释放光器件的带宽压力，避免因带宽不足带来的信号串扰。
为达到以上目的，本发明采取一种超奈奎斯特信号的传输方法，包括步骤：
S1.发送端发送训练信号序列，信号序列经过星座图映射后的符号序列sn分割成长度为N的多个数据块，对每个所述数据块的首端及尾端分别添加长度为v的循环前缀，再进行超奈奎斯特滤波后发出信号；
S2.接收端去除收到数据块首端及尾端的所述循环前缀，得到长度为N的数据块的信道矩阵，基于所述信道矩阵分解所得到的特征矩阵，分别计算sf与yf，再计算出均衡矩阵；其中sf与yf分别代表发送端和接收端的数据块经过特征矩阵映射后的数据块对象；
S3.发送端开始正式发送信号序列，按照所述S1的方式发出信号；
S4.接收端收到发送端正式发送的信号，按照所述S2的方式得到yf，再采用S2中得到的均衡矩阵进行信号均衡，恢复出发送信号。
在上述技术方案的基础上，所述S1中超奈奎斯特滤波后的信号y(t)满足公式
Figure BDA0001500040780000021
其中，Es表示符号的平均功率，sn表示发送符号序列中索引为n的符号，n表示序号，g(t)表示信号载波，μ(t)表示系统噪音，T表示符号周期，α表示符号加速因子，α<1。
在上述技术方案的基础上，所述信号载波g(t)为升余弦函数载波、奈奎斯特载波或其它正交载波。
在上述技术方案的基础上，所述S2中长度为N的数据块表示为
Figure BDA0001500040780000022
其中，s＝[s0,s1,…,sN-1wT表示发送数据块，nNoise表示噪音分量，G表示信道矩阵。
在上述技术方案的基础上，所述信道矩阵G第k行系数在k≤N-2v时，表示为
gk＝[01,…,0k-1,g(-vαT),…,g(vαT),01,…,0N-2v-k]，
即，行系数分三部分组成，分别是首端k-1个零；中间2v+1个系数表示因信道造成的符号间串扰，对应g(i*αT),i＝[-v,…,0,…,v]，T为符号周期，α表示符号加速因子；以及尾端的N-2v-k个零。
在上述技术方案的基础上，所述信道矩阵G第k行系数在k>N-2v时，表示为
Figure BDA0001500040780000031
在上述技术方案的基础上，所述信道矩阵G内部是循环结构，该矩阵分解为
Figure BDA0001500040780000032
其中Q是特征矩阵，是对角矩阵，且特征矩阵Q表述为
Figure BDA0001500040780000034
其中qu,r表示特征矩阵中第u行，第r列的系数。
在上述技术方案的基础上，通过特征矩阵Q，得到sf与yf分别为
sf=Q*s
Figure BDA0001500040780000035
由于
Figure BDA0001500040780000036
表示为
Figure BDA0001500040780000037
所以有
Figure BDA0001500040780000038
计算均衡矩阵W为
w(i,i)=a(i,i)*/la(i,i)|2
其中，a(i,i)是对角矩阵
Figure BDA0001500040780000039
在第i行与第i列的系数，w(i,i)是均衡矩阵W在第i行与第i列的系数，均衡矩阵W在非对角位置的系数为零。
在上述技术方案的基础上，所述S4中，通过均衡矩阵W与特征矩阵Q恢复发送信号
Figure BDA00015000407800000310
Figure BDA00015000407800000311
在上述技术方案的基础上，所述发送端发送信号之前进行并串转化；所述接收端接收信号经同步处理，进行串并转化后，在去除所述循环前缀。
本发明的有益效果在于：通过超奈奎斯特整形，可以将信号带宽压缩至原信号带宽的一半以内，因此能够极大的释放光器件的带宽压力，进而实现高速信号的发送与接收，避免因带宽不足带来的信号串扰。同时，压缩信号带宽可以使得频谱利用率增高，本发明实现方式简单，计算复杂度较低。
附图说明
图1为本发明实施例发送端信号处理流程图；
图2为本发明实施例接收端接收训练信号的处理流程图；
图3为本发明实施例接收端信号处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明超奈奎斯特(FTN)信号的传输方法，包括步骤：
S1.发送端发送训练信号序列，如图1所示，将信号序列经过星座图映射，得到映射后符号序列sn；将符号序列sn分割成长度为N的多个数据块，每个数据块即：[s0,s1,s2…sN-1]。针对每个数据块，在首端及尾端分别添加长度为v的循环前缀，首端循环前缀为[sN-v,sN-v+1,sN-v+2…sN-1]，尾端循环前缀为[s0,s1,s2…sv-1]。对已添加循环前缀的整个符号序列进行超奈奎斯特滤波，使得输出信号y(t)满足以下公式(1)：
Figure BDA0001500040780000041
其中，Es表示符号的平均功率，sn表示发送符号序列中索引为n的符号，n表示序号，g(t)表示信号载波，μ(t)表示系统噪音，T表示符号周期，α表示符号加速因子，通常情况下，α<1。并且，发送端需要经过并串转化后，再发出信号。其中，所述信号载波g(t)可以为升余弦函数载波、奈奎斯特载波或其它正交载波。
S2.接收端去除收到数据块首端及尾端的所述循环前缀，得到长度为N的数据块的信道矩阵，基于信道矩阵分解所得到的特征矩阵，分别计算sf与yf，再计算出均衡矩阵；其中，sf代表发送端待发出的数据块经过特征矩阵映射后的数据块对象，yf代表接收端收到的数据块经过特征矩阵映射后的数据块对象。
S3.发送端开始正式发送信号序列，按照所述S1中的方式发出信号。
S4.接收端收到发送端正式发送的信号，按照所述S2的方式得到yf，再采用S2中得到的均衡矩阵进行信号均衡，恢复出发送信号。
如图2所示，步骤S2中，接收端接收训练信号具体处理流程如下：
S201.接收端收到来自发送端的信号，首先经过信号同步处理。
S202.对同步处理后的序列信号进行串并转化，得到长度为N+2v的多个数据块。
S203.分别去除每个数据块首端及尾端长度为v的循环前缀，得到长度为N的数据块，每块数据块可以表示为：
Figure BDA0001500040780000051
其中，s＝[s0,s1,…,sN-1]T表示发送数据块，nNoise表示噪音分量，G表示信道矩阵。本申请中，采用加粗字体表示矢量。信道矩阵G中，第k行系数在k≤N-2v时，表示为：
gk＝[01,…,0k-1,g(-vαT),…,g(vαT),01,…,0N-2v-k],
即，行系数分三部分组成，分别是首端k-1个零；中间2v+1个系数表示因信道造成的符号间串扰，对应g(i*αT),i＝[-v,…,0,…,v]，T为符号周期，α表示符号加速因子；以及尾端的N-2v-k个零。
信道矩阵G中，第k行系数在k>N-2v时，表示为：
Figure BDA0001500040780000052
S204.由于信道矩阵G内部是循环结构，该矩阵可以进行如下分解：
Figure BDA0001500040780000053
其中，Q是特征矩阵；是对角矩阵。特别的，特征矩阵Q有如下表述形式：
Figure BDA0001500040780000061
其中，qu,r表示特征矩阵中第u行，第r列的系数。
通过特征矩阵Q，计算得到sf与yf，即：
sf＝Q*s (5)
Figure BDA0001500040780000062
由于
Figure BDA0001500040780000063
可以表示为
Figure BDA0001500040780000064
所以有：
Figure BDA0001500040780000065
根据公式(7)可以基于之前计算得到的sf与yf求得对角矩阵
Figure BDA0001500040780000066
S205.计算均衡矩阵W：
w(i,i)＝a(i,i)*/|a(i,i)|2 (8)
其中，a(i,i)是对角矩阵
Figure BDA0001500040780000067
在第i行与第i列的系数，w(i,i)是均衡矩阵W在第i行与第i列的系数，均衡矩阵W在非对角位置的系数为零。
上述步骤S204和S205形成训练阶段，通过训练阶段得到频域均衡系数w(i,i)。如图3所示，为步骤S4的具体流程，包括如下步骤：
S401.接收端收到发送端正式发送的信号，首先经过信号同步处理。
S402.对同步处理后的序列信号进行串并转化，得到长度为N+2v的多个数据块。
S403.分别去除每个数据块首端及尾端长度为v的循环前缀，得到长度为N的数据块，每块数据块可以表示为：
Figure BDA0001500040780000068
其中，s＝[s0,s1,…,sN-1]T表示发送数据块，nNoise表示噪音分量，G表示信道矩阵。本申请中，采用加粗字体表示矢量。信道矩阵G中，第k行系数在k≤N-2v时，表示为：
gk＝[01,…,0k-1,g(-vαT),…,g(vαT),01,…,0N-2v-k],
即，行系数分三部分组成，分别是首端k-1个零；中间2v+1个系数表示因信道造成的符号间串扰，对应g(i*αT),i＝[-v,…,0,…,v]，T为符号周期，α表示符号加速因子；以及尾端的N-2v-k个零。
信道矩阵G中，第k行系数在k>N-2v时，表示为：
Figure BDA0001500040780000071
S404.由于信道矩阵G内部是循环结构，该矩阵可以进行如下分解：
Figure BDA0001500040780000072
其中，Q是特征矩阵；
Figure BDA0001500040780000073
是对角矩阵。特别的，特征矩阵Q有如下表述形式：
Figure BDA0001500040780000074
其中，qu,r表示特征矩阵中第u行，第r列的系数。
通过特征矩阵Q，得到sf与yf，即：
sf＝Q*s (5)
Figure BDA0001500040780000075
由于
Figure BDA0001500040780000076
可以表示为所以有：
Figure BDA0001500040780000078
S405.通过训练阶段得到的均衡矩阵W与特征矩阵Q恢复发送信号：
Figure BDA0001500040780000079
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种超奈奎斯特信号的传输方法，其特征在于，包括步骤：
S1.发送端发送训练信号序列，信号序列经过星座图映射后的符号序列sn分割成长度为N的多个数据块，对每个所述数据块的首端及尾端分别添加长度为v的循环前缀，再进行超奈奎斯特滤波后发出信号，其中，N为正整数，v为正整数；
S2.接收端去除收到数据块首端及尾端的所述循环前缀，得到长度为N的数据块的信道矩阵，基于所述信道矩阵分解所得到的特征矩阵，分别计算sf与yf，再计算出均衡矩阵；其中sf与yf分别代表发送端和接收端的数据块经过特征矩阵映射后的数据块对象；
S3.发送端开始正式发送信号序列，按照所述S1的方式发出信号；
S4.接收端收到发送端正式发送的信号，按照所述S2的方式得到yf，再采用S2中得到的均衡矩阵进行信号均衡，恢复出发送信号。
2.如权利要求1所述的超奈奎斯特信号的传输方法，其特征在于：所述S1中超奈奎斯特滤波后的信号y(t)满足公式
Figure FDA0002243222840000011
其中，Es表示符号的平均功率，sn表示发送符号序列中索引为n的符号，n表示序号，g(t)表示信号载波，μ(t)表示系统噪音，T表示符号周期，α表示符号加速因子，α<1。
3.如权利要求2所述的超奈奎斯特信号的传输方法，其特征在于：所述信号载波g(t)为升余弦函数载波、奈奎斯特载波。
4.如权利要求2所述的超奈奎斯特信号的传输方法，其特征在于：所述S2中长度为N的数据块表示为
Figure FDA0002243222840000012
其中，s＝[s0,s1,…,sN-1]T表示发送数据块，nNoise表示噪音分量，G表示信道矩阵。
5.如权利要求4所述的超奈奎斯特信号的传输方法，其特征在于：所述信道矩阵G第k行系数在k≤N-2v时，表示为
gk＝[01,…,0k-1,g(-vαT),…,g(vαT),01,…,0N-2v-k]，
即，行系数分三部分组成，分别是首端k-1个零；中间2v+1个系数表示因信道造成的符号间串扰，对应g(i*αT),i＝[-v,…,0,…,v]，T为符号周期，α表示符号加速因子；以及尾端的N-2v-k个零。
6.如权利要求5所述的超奈奎斯特信号的传输方法，其特征在于：所述信道矩阵G第k行系数在k>N-2v时，表示为
Figure FDA0002243222840000021
7.如权利要求6所述的超奈奎斯特信号的传输方法，其特征在于：所述信道矩阵G内部是循环结构，该矩阵分解为
Figure FDA0002243222840000022
其中Q是特征矩阵，是对角矩阵，且特征矩阵Q表述为
Figure FDA0002243222840000024
其中qu,r表示特征矩阵中第u行，第r列的系数。
8.如权利要求7所述的超奈奎斯特信号的传输方法，其特征在于：通过特征矩阵Q，得到sf与yf分别为
sf＝Q*s
Figure FDA0002243222840000025
由于
Figure FDA0002243222840000026
表示为
Figure FDA0002243222840000027
所以有
Figure FDA0002243222840000028
计算均衡矩阵W为
w(i,i)＝a(i,i)*/|a(i,i)|2
其中，a(i,i)是对角矩阵
Figure FDA0002243222840000029
在第i行与第i列的系数，w(i,i)是均衡矩阵W在第i行与第i列的系数，均衡矩阵W在非对角位置的系数为零。
9.如权利要求8所述的超奈奎斯特信号的传输方法，其特征在于：所述S4中，通过均衡矩阵W与特征矩阵Q恢复发送信号
Figure FDA0002243222840000031
Figure FDA0002243222840000032
10.如权利要求1-9任一项所述的超奈奎斯特信号的传输方法，其特征在于：所述发送端发送信号之前进行并串转化；所述接收端接收信号经同步处理，进行串并转化后，再去除所述循环前缀。
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