CN109962872A - Dft-s ofdm系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法 - Google Patents

Dft-s ofdm系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DFT‑S OFDM系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法，包括以下步骤：1)相位噪声预估计与补偿：对DFT‑S OFDM码元每一组子带载波进行相位噪声预估计，获得该组子带载波的平均相位噪声，并对每个子载波进行补偿；2)码元判决：对经过预补偿的信号进行码元判决，构建相位噪声估计多项式方程；3)相位噪声估计与补偿：求解相位噪声估计多项式方程，获得相位噪声各阶系数并用以补偿各子载波相位噪声；4)循环迭代：重复步骤2)和步骤3)两次，获得相位噪声恢复之后的信号，提高相位噪声估计准确度。本发明能够有效抑制DFT‑S OFDM系统中相位噪声影响，提高系统传输性能。

Description

DFT-S OFDM系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术，尤其涉及一种DFT-S OFDM系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法。
背景技术
光纤通信系统已经迈入了Tbit传输数千公里的时代，OFDM调制技术因为其高频谱效率和较好的信道损伤抗性，在高速相干传输系统中有着广泛的应用。同单载波调制系统一样，OFDM信号也受到色度色散，偏振模色散，频率偏置，相位噪声等的影响。相位噪声估计其中一个重要环节，主要来自发射机和接收机处激光器线宽的影响。通常相位噪声的估计手段称为普通相位差错估计(CPE)，假设在同一个OFDM码元中各子载波相位噪声是接近的，选取其中几个子载波作为已知的导频载波，通过估计导频载波的平均相位噪声作为整个OFDM码元各子载波的相位噪声。然而一般各子载波的相位噪声并不是相同的，在激光器线宽较大时差别比较大。
离散傅里叶扩频正交频分复用(DFT-S OFDM)调制相对于传统OFDM调制有诸多优势，但由于接收机端额外的IDFT变换的存在，DFT-S OFDM中载波的相位噪声会引入更严重的载波干扰，受到激光器线宽的影响更大，使得传统的普通相位噪声估计(CPE)性能更加有限。本发明提出了一种基于迭代算法的相位噪声估计方法，能够有效抑制DFT-S OFDM系统中相位噪声，降低对激光器线宽的要求，提高系统传输性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种DFT-S OFDM系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法，能够有效抑制DFT-S OFDM系统中相位噪声，降低对激光器线宽的要求，提高系统传输性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种DFT-S OFDM系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法，包括以下步骤：
1)相位噪声预估计与补偿：对DFT-S OFDM码元每一组子带载波进行相位噪声预估计，获得该组子带载波的平均相位噪声，并对每个子载波进行补偿；
2)码元判决：对经过预补偿的信号进行码元判决，构建相位噪声估计多项式方程；
3)相位噪声估计与补偿：求解相位噪声估计多项式方程，获得相位噪声各阶系数并用以补偿各子载波相位噪声；
4)循环迭代：重复步骤2)和步骤3)两次，获得相位噪声恢复之后的信号，提高相位噪声估计准确度。
按上述方案，所述步骤1)中对DFT-S OFDM码元每一组子带载波进行相位噪声预估计采用的是CPE估计值。
按上述方案，所述步骤2)中相位噪声估计多项式方程如下:
其中，为经过相位噪声恢复之后的信号，L为每个子带子载波数，为受到相位噪声影响的信号，为相位噪声的逆，通过的有限u阶次估计得到，边缘子载波的采用插值拟合或者等同于最近子载波相位噪声的方法近似获得。
本发明产生的有益效果是：本发明提出了一种基于迭代算法的相位噪声抑制方法，该方法适用于离散傅里叶扩频正交频分复用(DFT-S OFDM)系统，通过预估计、码元判决、相位噪声估计与补偿和循环迭代过程，能够有效抑制DFT-SOFDM系统中相位噪声影响，提高系统传输性能。本发明原理简洁明晰，实用性强。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的DFT-S OFDM系统中迭代相位噪声估计流程图；
图2是本发明实施例的偏振复用DFT-S OFDM仿真系统框图；
图3是本发明实施例的随机相位噪声与估计相位噪声比较分析示意图；
图4是本发明实施例的不同DFT-S OFDM系统中采用CPE方案和CPE-iter方案对相位噪声的容忍度；
图5是本发明实施例的背靠背传输和经过480km光纤传输系统中采用CPE和CPE-iter方案的误码性能比较示意图。
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。
如图1所示，一种DFT-S OFDM系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法，包括以下步骤：
1)相位噪声预估计：将CPE估计值作为对DFT-S OFDM码元每一组子带载波进行相位噪声预估计，获得该组子带载波的平均相位噪声，并对每个子载波进行补偿；
2)码元判决：对经过预补偿的信号进行码元判决，构建相位噪声估计多项式方程；
其中，为经过相位噪声恢复之后的信号，L为每个子带子载波数，为受到相位噪声影响的信号，为相位噪声的逆，通过的有限u阶次估计得到，边缘子载波的采用插值拟合或者等同于最近子载波相位噪声的方法近似获得；
3)相位噪声估计与补偿：求解相位噪声估计多项式方程，获得相位噪声各阶系数，并用以补偿各子载波相位噪声；将相位噪声补偿之后的信号与CPE均衡后的数据进行卷积获得输出信号；
4)循环迭代：重复步骤2)和步骤3)两次，获得最终的输出信号。
一个具体实例如下：
在接收机端，接收到的时域正交频分复用(OFDM)信号可以表示如下：
这里xm(n)和rm(n)分别表示第m个发射和接收到的OFDM码元，hm(n)为信道响应，εm(n)为信号噪声，φm(n)为激光器线宽引入的相位噪声，n＝0,1,2,...,N-1，N为每个码元的子载波数，为卷积符号。
经过N点的DFT变换之后，接收到的信号频域表示为：
Am(k)＝Xm(k)·Hm(k) (2)
对于传统OFDM信号来说，只需要进行DFT变换，因而上式的卷积进行展开可以得到：
在DFT-S OFDM调制系统中，由于还存在一个额外的IDFT变换，式(3)需要进一步变换如下：
这里假设表示第m个码元第P个子带的子载波，L为每个子带子载波数，即L＝N/P。可以采用归一化手段忽略了DFT和IDFT变换的系数。上式可以简化如下：
其中因此DFT-S OFDM调制信号中的相位表示如下：
DFT-S OFDM中相位噪声分为两部分，CPE方案只是估计了可以采用上述的循环迭代方案对载波干扰项进行估计，提高相位噪声补偿精度。同样可以构造一个矩阵表达式如下：
同样为了简化程序，我们将看做是经过相位噪声恢复之后的信号，看做是受到相位噪声影响的信号，那么所求得的为相位噪声的逆。为了降低计算的复杂度，仅估计的有限u阶次即可。
本发明提出的DFT-S OFDM系统中基于迭代算法的相位噪声估计方法(CPE-iter)计算流程如图1所示，同样首先进行CPE估计，然后选取一些子载波进行码元判决，获得Rm。之后利用上述关系式求解每个子带的之后与CPE均衡后的数据进行卷积获得输出信号。同样需要进行循环迭代重复上述求解过程，以提高估计精度，通常迭代2次即可。边缘子载波的处理可以采用采用插值拟合或者等同于最近子载波相位噪声的办法予以近似。
图2为基于VPI Transmission Maker商业仿真软件建立的103.3Gb/s偏振复用传输系统，通过改变调制方式可以传输OFDM或者DFT-S OFDM信号，用于分析本发明提出的基于迭代算法的相位噪声估计方法(CPE-iter)，图2中ECL：外腔激光器、PM：相位调制器、IQmod：IQ调制器、PBC：偏振耦合器、LO：本振光源。在发射端，X和Y偏振态的信号首先进行16QAM编码，然后调制到68个子载波上，如果进行DFT-S OFDM调制，还需要将子载波分成2组，分别进行34点的DFT变换，每种调制方式均选择数个子载波作为导频。经过插零之后，进行128点的IDFT变换实现频域到时域的映射。循环前缀的长度为1/8码元周期，用作信道估计的训练码元数为32。产生的IQ信号以10GSa/s的速率发射并驱动IQ调制器上下两臂。光源部分采用5.5GHz的射频源驱动相位调制器(PM)产生多载波，并级联一个带通滤波器选取三个间隔为5.5GHz的光载波作为信号光源。考虑到系统开销，经过偏振复用之后的信号速率为103.3Gb/s。传输链路由循环结构实现，每个跨度包含80km标准单模光纤和EDFA，光纤衰减、色散与偏振模色散参数分别为：0.2dB/km,17ps/nm·km和EDFA的噪声系数为5dB。
经过光纤传输后，采用典型的相干探测结构对信号进行接收。对于接收到的信号进行信号处理与解调。利用带通滤波器对三路信道进行分离后，每路信道首先进行时钟同步并移除循环前缀，然后进行128点的DFT将信号由时域转换到频域，采用基于校验序列的迫零算法和频域平均方法进行信道估计。然后利用前述的CPE方案和迭代方案(CPE-iter)分别对OFDM和DFT-S OFDM进行相位噪声的估计和比较，最后对信号进行解码，用以计算系统误码的比特数为2x105。
首先我们选取DFT-S OFDM信号中两个连续的码元采用不同方案对一个随机的相位噪声进行估计，结果如图3(a)所示。这里仅考虑相位噪声的作用。黑色虚线表示随机的相位噪声，绿色和棕色线条表示采用的是CPE方案，分别对DFT-S OFDM一个码元内所有子载波进行了不同的分割与近似，每个子带都由导频进行独立的相位噪声估计。图3(b)和(c)为估计的结果，可以看到残留的相位噪声十分明显，表明CPE的近似方案有一定的代价，仍然存在较严重的载波间的干扰。当采用了迭代算法进行估计时，估计的相位噪声曲线更接近于随机的相位噪声，其星座图如图3(d)和(e)所示，残留的相位噪声明显被移除了，并且随着阶数u的增大，估计准确度也提高了。图3中，(a)随机相位噪声与估计相位噪声比较分析；采用CPE方法进行相位噪声估计星座图(b)子载波分为2个组，(c)子载波分为4组；采用迭代相位噪声估计方法(CPE-iter)的星座图(d)u＝1，(e)u＝6。
然后我们研究两种方案对传输系统中激光器线宽的容忍度，接收机的功率代价由在BER＝10-3时所要求的OSNR差异计算得到。图4所示为DFT-S OFDM系统中的比较结果，可以看到当保持OFDM带宽不变，降低子载波频率间隔，使得OFDM码元的子载波数增加时，激光线宽引入的功率代价变大，当采用迭代方案时，相位噪声估计性能提升了，并且OFDM码元中子载波数的提升引入的代价在迭代方案中更小，这是因为迭代方案会对每一个子载波的相位噪声进行精确估计，因而不会因为子载波频率间隔降低而受到影响。
进一步我们对103.3Gb/s偏振复用DFT-S OFDM系统的传输性能进行了研究。发射机光源和本振光源的线宽设为100kHz。从图5可以看到采用迭代的方案在BER＝3.8x10-3处系统性能分别有1.1dB和2.7dB的提升，表明采用本发明提出的CPE-iter方案移除了DFT-SOFDM系统中CPE估计之后的残留相位噪声，可以获得很好的误码性能和传输优势。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种DFT-S OFDM系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)相位噪声预估计与补偿：对DFT-S OFDM码元每一组子带载波进行相位噪声预估计，获得该组子带载波的平均相位噪声，并对每个子载波进行补偿；
2)码元判决：对经过预补偿的信号进行码元判决，构建相位噪声估计多项式方程；
3)相位噪声估计与补偿：求解相位噪声估计多项式方程，获得相位噪声各阶系数并用以补偿各子载波相位噪声；
4)循环迭代：重复步骤2)和步骤3)两次，获得相位噪声恢复之后的信号，提高相位噪声估计准确度。
2.根据权利要求1所述的DFT-S OFDM系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法，其特征在于，所述步骤1)中对DFT-S OFDM码元每一组子带载波进行相位噪声预估计采用的是CPE估计值。
3.根据权利要求1所述的DFT-S OFDM系统中基于迭代算法的相位噪声抑制方法，其特征在于，所述步骤2)中相位噪声估计多项式方程如下:
其中，为经过相位噪声恢复之后的信号，L为每个子带子载波数，为受到相位噪声影响的信号，为相位噪声的逆，通过的有限u阶次估计得到，边缘子载波的采用插值拟合或者等同于最近子载波相位噪声的方法获得。
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