CN112311713A - 高精确度光ofdm系统的采样时钟频率偏移估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精确度光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法，包含以下步骤：接收端对基带OFDM信号进行符号同步和信道均衡；分别提取第i个OFDM帧的第m和第n个OFDM符号的第k个子载波上的数据符号；对所提取的数据符号分别进行四次方取反运算后求出相位并除4获得两个相位旋转量，两个相位旋转量相减得到相位差；将i由1迭代到Nf，重复前述两步操作得到Nf个相位差，并求出平均相位差；由平均相位差计算出采样时钟频率偏移量。该方法无需额外导频或训练符号，提高了系统频谱效率、降低了复杂度；该方法消除了信道均衡不充分导致的相位噪声，提高了采样时钟频率偏移估计精确度。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种高精确度光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法。
背景技术
光正交频分复用(OFDM)系统具有抗频率选择性衰落、频谱利用率高、结构简单、灵活的动态带宽分配以及与现有网络有良好兼容性等优点，已广泛应用到光通信领域。光OFDM系统中，发射机与接收机中需要使用DAC与ADC分别来产生与采样模拟OFDM信号，而驱动DAC与ADC的时钟信号在实际应用中往往来自异步的时钟源，加之时钟信号一般由晶振在其外围电路的辅助下产生。因此，在系统中便不可避免地存在着采样时钟频率偏移(SCFO)，从而降低系统的传输性能。
采样时钟频率偏移对光OFDM系统的影响可以归为两类，一类是造成OFDM子载波数据符号的相位旋转，另一类是OFDM频域数据符号的码间串扰。为降低采样时钟频率偏移对系统传输性能的影响，往往需要对其进行补偿。采样时钟频率偏移补偿技术主要包括以下步骤：首先估计出相位旋转，然后再估计出采样时钟频率偏移的大小，最后利用采样时钟频率偏移量对所有OFDM符号进行补偿。因此，采样时钟频率偏移量的估计在整个补偿技术中起到了关键作用。
经对现有技术的文献检索发现，Jie Ma等人在IEEE/OSAJournal of OpticalCommunications and Networking,6(11)：299-306(《光学通信与网络杂志》2019)上发表的Cost-effective SFO compensation scheme based on TSs for OFDM-PON(《正交频分复用-无源光网络中基于训练符号的成本有效采样时钟频率偏移补偿方法》)中提及，使用两个训练符号(TS)来估计采样时钟频率偏移量，该方法不需要导频符号，提高了系统的频谱效益。但该方法需要两个训练符号，并且需要对两个训练符号都进行计算操作，复杂度高。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种高精确度、低复杂度的光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法。本发明通过提取OFDM帧的两个OFDM符号中相同序号子载波上的数据符号，估计出采样时钟频率偏移引起的相位旋转，从而估计出光OFDM系统的采样时钟频率偏移，无需额外导频或训练符号，降低了系统复杂度并提高了估计精确度。
为实现上述目的，本发明方法的具体步骤是：
步骤一、发送端连续发送OFDM帧，所述OFDM帧由一个训练符号STS和Nsym个调制格式为16QAM的OFDM符号构成；
所述步骤一中，OFDM符号由FFT点数为NFFT的数据子载波、NCP个循环前缀和NCS个循环后缀构成，训练符号由FFT点数为NFFT的训练序列、NCP个循环前缀和NCS个循环后缀构成；
步骤二、在接收端，利用所述步骤一的训练符号STS对所接收到的OFDM帧进行符号同步，确定符号同步点；
步骤三、从所述步骤二确定的符号同步点位置开始，提取出第i个OFDM帧的训练符号
进行信道估计，计算出信道响应估计值
步骤四、提取出所述第i个OFDM帧的第m个OFDM符号Ri,m和第n个OFDM符号Ri,n，利用步骤三的所述信道响应估计值
分别对OFDM符号Ri,m和Ri,n进行信道均衡，均衡后的OFDM符号分别是
和
步骤五、从所述步骤四均衡后的OFDM符号
和
中分别提取出第k个数据子载波上的数据符号
和
步骤六、分别计算所述数据符号
和
到原点的归一化欧式距离r1和r2；
步骤七、若r1和r2满足以下条件：r1<门限值Th1、或r1>门限值、Th2、或r2<门限值Th1、或r2>门限值Th2，则分别对所述步骤五提取出的数据符号
和
进行四次方和取反运算，并求出相位角再除以4，即估计出采样时钟频率偏移分别引起的第i个OFDM帧的第m个和第n个OFDM符号的第k个数据子载波上的数据符号的相位旋转量
其中arg{·}表示求相位角；
所述步骤七的相位旋转量
和
需满足以下条件：
且
步骤八、若r1和r2不满足以下条件：r1<门限值Th1、或r1>门限值Th2、或r2<门限值Th1、或r2>门限值Th2，则相位旋转量
所述步骤七和步骤八中，门限值
门限值
步骤九、将所述两个相位旋转量
和
相减，即得到相位差
步骤十、所述i依次从1到Nf取值，并重复执行所述步骤三到步骤九，从而得到Nf个相位差，对所述Nf个相位差求平均，即得到采样时钟频率偏移引起的平均相位差
所述步骤十的Nf取值以满足采样时钟频率偏移量
误差范围不超过1ppm；
步骤十一、利用所述平均相位差
计算出采样时钟频率偏移量
其表示为
本发明的有益效果是：通过提取两个OFDM符号中相同序号的子载波上的数据符号实现采样时钟频率偏移的估计，提高了光OFDM系统的频谱效率和采样时钟频率偏移量估计的精确度，降低了光OFDM系统的帧结构设计复杂度和系统成本。
附图说明
图1为本发明实施例中OFDM帧结构示意图
图2为本发明所述的采样时钟频率偏移估计方法流程图
图3为本发明方法实施例中OFDM帧数-采样时钟频率偏移估计值曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。
本实例所采用的OFDM帧结构如图1所示，主要由一个训练符号和OFDM符号构成。训练符号和OFDM符号都包含循环前缀和循环后缀，其中训练符号用于实现信道估计和信道均衡。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一、发送端产生连续的OFDM帧，每OFDM帧包含一个BPSK训练序列和OFDM符号，训练符号位于OFDM帧首部，IFFT点数为256点，OFDM符号的IFFT输入数据满足厄米特对称、数据子载波为100，调制格式为16QAM。循环前缀和循环后缀的长度分别为8，采用限幅方法降低OFDM的峰均功率，限幅比为12dB；
步骤二、OFDM帧通过DAC转换为基带模拟OFDM信号，DAC的采样速率为10.001GSa/s，基带模拟OFDM信号通过5GHz低通滤波器抑制高频部分，再通过14GHz电放大器放大后调制直接调制激光器，直接调制器激光器产生中心波长为1557.92nm的光OFDM信号送入20km标准单模光纤传输到接收端；
步骤三、接收端通过光电探测器将光OFDM信号转换为基带模拟OFDM信号，再通过ADC转换成OFDM帧，ADC设置为两倍过采样，其采样速率为20GSa/s；
步骤四、利用发送端的BPSK训练符号对OFDM帧进行符号同步，找到同步点；
步骤五、从同步点位置开始提取第i个OFDM帧，利用BPSK训练符号进行信道估计，计算出信道响应；
步骤六、提取第i帧的OFDM帧的第20个和第10个OFDM符号，利用步骤五得到的信道响应进行信道均衡；
步骤七、从均衡后的第20个和第10个OFDM符号中分别提取第21个子载波上的数据符号
和
分别计算所述的两个数据符号到原点的归一化欧式距离r1和r2；
步骤八、若r1和r2满足以下条件：
或
或
或
则分别计算出采样时钟频率偏移引起的相位旋转量
否则
其中arg{·}表示求相位角；
步骤九、将所述两个相位旋转量
和
相减，即得到相位差
步骤十、所述i依次从1到1e3取值，并重复执行所述步骤五到步骤九从而得到1e3个相位差，对所述1e3个相位差求平均，即得到采样时钟频率偏移引起的平均相位差
步骤十一、利用所述平均相位差
计算出采样时钟频率偏移量
其表示为
又NF＝256、NCP＝NCS＝8、m＝20、n＝10、k＝21，因此，
在本发明方法的实例中，DAC的采样速率为10.001GSa/s，ADC为2倍过采样、采样速率为20GSa/s，因此，采样时钟频率偏移量的理论值为(10.001-10)/10*1e6＝100ppm。如图3所示为OFDM帧数-采样时钟频率偏移估计量曲线，不难看出，当i取到第400帧时，采样时钟频率偏移估计量的偏差仅为1ppm，其后估计量的偏差一直保持在1ppm，达到了理想的采样时钟频率偏移估计效果。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，这些等同变形和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.高精确度光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一、发送端连续发送OFDM帧，所述OFDM帧由一个训练符号STS和Nsym个OFDM符号构成；
步骤二、在接收端，利用所述步骤一的训练符号STS对所接收到的OFDM帧进行符号同步，确定符号同步点；
步骤三、从所述步骤二确定的符号同步点位置开始，提取出第i个OFDM帧的训练符号
进行信道估计，计算出信道响应估计值
步骤四、提取出所述第i个OFDM帧的第m个OFDM符号Ri,m和第n个OFDM符号Ri,n，利用步骤三的所述信道响应估计值
分别对OFDM符号Ri,m和Ri,n进行信道均衡，均衡后的OFDM符号分别是
和
步骤五、从所述步骤四均衡后的OFDM符号
和
中分别提取出第k个数据子载波上的数据符号
和
步骤六、分别计算所述数据符号
和
到原点的归一化欧式距离r1和r2；
步骤七、若r1和r2满足以下条件：r1<门限值Th1、或r1>门限值Th2、或r2<门限值Th1、或r2>门限值Th2，则分别对所述步骤五提取出的数据符号
和
进行四次方和取反运算，并求出相位角再除以4，即估计出采样时钟频率偏移分别引起的第i个OFDM帧的第m个和第n个OFDM符号的第k个数据子载波上的数据符号的相位旋转量
其中arg{·}表示求相位角；
步骤八、若r1和r2不满足以下条件：r1<门限值Th1、或r1>门限值Th2、或r2<门限值Th1、或r2>门限值Th2，则相位旋转量
步骤九、将所述两个相位旋转量
和
相减，即得到相位差
步骤十、所述i依次从1到Nf取值，并重复执行所述步骤三到步骤九，从而得到Nf个相位差，对所述Nf个相位差求平均，即得到采样时钟频率偏移引起的平均相位差
步骤十一、利用所述平均相位差
计算出采样时钟频率偏移量
其表示为
。
2.根据权利要求1所述的高精确度光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法，其特征在于，所述步骤一的OFDM符号的调制格式为16QAM。
3.根据权利要求1所述的高精确度光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法，所述步骤一的OFDM符号由FFT点数为NFFT的子载波、NCP个循环前缀和NCS个循环后缀构成。
4.根据权利要求1所述的高精确度光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法，其特征在于，所述步骤一的训练符号STS位于所述OFDM帧的首部。
5.根据权利要求1所述的高精确度光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法，所述步骤一的训练符号STS由FFT点数为NFFT的训练序列、NCP个循环前缀和NCS个循环后缀构成。
6.根据权利要求1所述的高精确度光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法，其特征在于，所述步骤七和步骤八的门限值
门限值
。
7.根据权利要求1所述的高精确度光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法，其特征在于，所述步骤七的相位旋转量
和
需满足以下条件：
且
。
8.根据权利要求1所述的高精确度光OFDM系统的采样时钟频率偏移估计方法，其特征在于，所述步骤十的Nf取值以满足采样时钟频率偏移量
误差范围不超过1ppm。
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