CN112468429A - 应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法 - Google Patents

应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，首先将两个相同的训练序列TS分别置于一帧光纤离散多音频DMT信号的头部和尾部，经定时同步后对接收到的两个训练序列TS进行FFT运算获得各子载波上的频率数据；然后将尾部TS频域数据除以头部TS相应子载波上的频域数据消除信道响应影响，以获得采样频率偏差SFO对尾部TS各子载波引入的残留相位；再对获得的残留相位做最小二乘法处理以降低系统噪声及其他干扰的影响，获得尾部TS各子载波上残留相位的斜率参数；最后根据估计的斜率参数计算出采样频率偏差SFO。本发明不需要进行信道估计，降低了信道估计不准确的影响，从而提供较高的SFO估计准确性。

Description

应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，特别涉及一种应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法。
背景技术
随着物联网、云计算、第五代移动网络等新业务的快速发展，人们对信息传输速率的要求越来越高。为了满足用户对宽带业务日益增长的需求，直接检测光正交频分复用(DDO-OFDM)技术被认为是未来高速光网络中最有前途的技术之一，在学术与工业界均引起了广泛的关注和研究。光纤离散多音频(DMT)技术是一种特殊的DDO-OFDM，其不需要在数字或模拟域进行上下变频，从而降低了硬件实现的复杂度，因此，它更适合成本敏感的短距离应用。
通常，光纤DMT收发器采用异步时钟方案，这必然会导致DAC和ADC之间的采样时钟频率的偏差。采样频率偏差(SFO)在频域的损伤表现为子载波相位偏移、振幅衰减和子载波间干扰(ICI)；而在时域则可能引入码间干扰(ISI)。其中，子载波相位偏移和振幅衰减可以通过DSP算法进行估计和补偿。通过合理设计DMT帧参数，如循环前缀/后缀的长度和每个DMT帧中DMT符号的数目，可以抵抗ISI；而ICI可以看作是加性噪声，当SFO较小时可以忽略不计。然而，当SFO较大时，SFO引入的ICI会严重恶化系统性能。因此SFO估计是光纤DMT系统中一个关键DSP技术，其估计准确性直接关系到SFO的补偿性能。基于训练序列(TS)的SFO估计方法是一种常用的SFO估计方法，其拥有较低的硬件实现复杂度。但该方法往往需要DMT发射机发送较多的TS，在接收端对接收到的多个TS进行时域或者频域平均以提高SFO估计的准确性。但是该方法的系统开销较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种算法简单、准确度高的应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，包括以下步骤：
S1：将两个相同的训练序列TS分别置于一帧光纤离散多音频DMT信号的头部和尾部；
S2：经定时同步后对接收到的两个训练序列TS进行FFT运算初步获得各子载波上的频率数据；
S3：将尾部TS频域数据除以头部TS相应子载波上的频域数据消除信道响应影响，以获得采样频率偏差SFO对尾部TS各子载波引入的残留相位；
S4：对获得的残留相位做最小二乘法处理以降低系统噪声及其他干扰的影响，获得尾部TS各子载波上残留相位的斜率参数；
S5：最后根据估计的斜率参数计算出采样频率偏差SFO。
上述应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，所述步骤S2中，头部和尾部两个TS做FFT运算后的频域数据分别表示为：
Figure BDA0002832828090000021
式中，X0,k表示头部TS在第k个子载波上的频域数据，XN+1,k表示尾部TS在第k个子载波上的频域数据，N表示每个DMT帧中携带DMT符号的数量，k表示TS子载波的索引号，φn,k表示采样频率偏差SFO在第n个DMT符号、第k个子载波上引入的残留相位，n＝0,1,2…N+1，k＝1,2…M，M表示TS中最大的子载波索引号，对于头部TS，n为0，相应的SFO在第k个子载波上引起的残留相位忽略，即φ0,k≈0；对于尾部TS，n为N+1，Xk表示TS在第k个子载波上的传输符号；Hk表示TS在第k个子载波上的信道响应；In,k和Wn,k分别表示SFO引起的在第n个DMT符号、第k个子载波上的子载波间干扰和系统噪声。
上述应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，所述步骤S3中，尾部TS第k个子载波引入的残留相位φk定义如下：
Figure BDA0002832828090000031
其中，arg(·)表示求幅角运算并返回±π弧度范围内的角度；对残留相位φk进行修正使之连续，修正后的残留相位
Figure BDA0002832828090000032
表示为：
Figure BDA0002832828090000033
式中，<·>与|·|分别表示四舍五入与取绝对值运算，
Figure BDA0002832828090000034
上述应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，所述步骤S4中，SFO对尾部TS子载波上引入的残留相位斜率
Figure BDA0002832828090000035
通过最小二乘法计算得到：
Figure BDA0002832828090000036
上述应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，所述步骤S5中，SFO定义为
Figure BDA0002832828090000041
计算公式为：
Figure BDA0002832828090000042
式中，NF表示FFT点数，Ncp和Ncs分别表示循环前缀和循环后缀的长度，NS为带有循环前缀与后缀的DMT符号长度，且有NS＝NF+Ncp+Ncs。
本发明的有益效果在于：本发明首先将两个相同的训练序列TS分别置于一帧光纤离散多音频DMT信号的头部和尾部，经定时同步后对接收到的两个训练序列TS进行FFT运算初步获得各子载波上的频率数据；然后将尾部TS频域数据除以头部TS相应子载波上的频域数据消除信道响应影响，以获得采样频率偏差SFO对尾部TS各子载波引入的残留相位；再对获得的残留相位做最小二乘法处理以降低系统噪声及其他干扰的影响，获得尾部TS各子载波上残留相位的斜率参数；最后根据估计的斜率参数计算出采样频率偏差SFO。相比于传统基于TS的SFO估计方法，本发明不需要进行信道估计，降低了信道估计不准确的影响，从而提供较高的SFO估计准确性，为高效补偿SFO引入的损伤提供一种技术参考。
附图说明
图1为本发明的一帧DMT符号结构图。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图2所示，一种应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将两个相同的训练序列TS分别置于一帧光纤离散多音频DMT信号的头部和尾部；DMT帧结构如图1所示。
S2：经定时同步后对接收到的两个训练序列TS进行FFT运算初步获得各子载波上的频率数据。
头部和尾部两个TS做FFT运算后的频域数据分别表示为：
Figure BDA0002832828090000051
式中，X0,k表示头部TS在第k个子载波上的频域数据，XN+1,k表示尾部TS在第k个子载波上的频域数据，N表示每个DMT帧中携带DMT符号的数量，k表示TS子载波的索引号，φn,k表示采样频率偏差SFO在第n个DMT符号、第k个子载波上引入的残留相位，n＝0,1,2…N+1，k＝1,2…M，M表示TS中最大的子载波索引号，对于头部TS，n为0，相应的SFO在第k个子载波上引起的残留相位忽略，即φ0,k≈0；对于尾部TS，n为N+1，Xk表示TS在第k个子载波上的传输符号；Hk表示TS在第k个子载波上的信道响应；In,k和Wn,k分别表示SFO引起的在第n个DMT符号、第k个子载波上的子载波间干扰和系统噪声。
S3：将尾部TS频域数据除以头部TS相应子载波上的频域数据消除信道响应影响，以获得采样频率偏差SFO对尾部TS各子载波引入的残留相位。
尾部TS第k个子载波引入的残留相位φk定义如下：
Figure BDA0002832828090000052
其中，arg(·)表示求幅角运算并返回±π弧度范围内的角度；考虑到SFO引入的残留相位是随着子载波索引号增加而单调递增或者递减的，所以当SFO或者FFT点数较大时，SFO引入的残留相位将超出±π弧度范围，因此需要对其进行修正。修正后的残留相位
Figure BDA0002832828090000061
表示为：
Figure BDA0002832828090000062
式中，<·>与|·|分别表示四舍五入与取绝对值运算，
Figure BDA0002832828090000063
S4：对获得的残留相位做最小二乘法处理以降低系统噪声及其他干扰的影响，获得尾部TS各子载波上残留相位的斜率参数。
SFO对尾部TS子载波上引入的残留相位斜率
Figure BDA0002832828090000064
通过最小二乘法计算得到：
Figure BDA0002832828090000065
S5：最后根据估计的斜率参数计算出采样频率偏差SFO。
SFO定义为
Figure BDA0002832828090000066
计算公式为：
Figure BDA0002832828090000067
式中，NF表示FFT点数，Ncp和Ncs分别表示循环前缀和循环后缀的长度，NS为带有循环前缀与后缀的DMT符号长度，且有NS＝NF+Ncp+Ncs。
本发明首先将两个相同的训练序列TS分别置于一帧光纤离散多音频DMT信号的头部和尾部，经定时同步后对接收到的两个训练序列TS进行FFT运算初步获得各子载波上的频率数据；然后将尾部TS频域数据除以头部TS相应子载波上的频域数据消除信道响应影响，以获得采样频率偏差SFO对尾部TS各子载波引入的残留相位；再对获得的残留相位做最小二乘法处理以降低系统噪声及其他干扰的影响，获得尾部TS各子载波上残留相位的斜率参数；最后根据估计的斜率参数计算出采样频率偏差SFO。相比于传统基于TS的SFO估计方法，本发明不需要进行信道估计，降低了信道估计不准确的影响，从而提供较高的SFO估计准确性，为高效补偿SFO引入的损伤提供一种技术参考。

Claims (5)

1.一种应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将两个相同的训练序列TS分别置于一帧光纤离散多音频DMT信号的头部和尾部；
S2：经定时同步后对接收到的两个训练序列TS进行FFT运算初步获得各子载波上的频率数据；
S3：将尾部TS频域数据除以头部TS相应子载波上的频域数据消除信道响应影响，以获得采样频率偏差SFO对尾部TS各子载波引入的残留相位；
S4：对获得的残留相位做最小二乘法处理以降低系统噪声及其他干扰的影响，获得尾部TS各子载波上残留相位的斜率参数；
S5：最后根据估计的斜率参数计算出采样频率偏差SFO。
2.根据权利要求1所述的应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，其特征在于，所述步骤S2中，头部和尾部两个TS做FFT运算后的频域数据分别表示为：
Figure FDA0002832828080000011
式中，X0,k表示头部TS在第k个子载波上的频域数据，XN+1,k表示尾部TS在第k个子载波上的频域数据，N表示每个DMT帧中携带DMT符号的数量，k表示TS子载波的索引号，φn,k表示采样频率偏差SFO在第n个DMT符号、第k个子载波上引入的残留相位，n＝0,1,2…N+1，k＝1,2…M，M表示TS中最大的子载波索引号，对于头部TS，n为0，相应的SFO在第k个子载波上引起的残留相位忽略，即φ0,k≈0；对于尾部TS，n为N+1，Xk表示TS在第k个子载波上的传输符号；Hk表示TS在第k个子载波上的信道响应；In,k和Wn,k分别表示SFO引起的在第n个DMT符号、第k个子载波上的子载波间干扰和系统噪声。
3.根据权利要求2所述的应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，其特征在于，所述步骤S3中，尾部TS第k个子载波引入的残留相位φk定义如下：
Figure FDA0002832828080000021
其中，arg(·)表示求幅角运算并返回±π弧度范围内的角度；对残留相位φk进行修正使之连续，修正后的残留相位
Figure FDA0002832828080000022
表示为：
Figure FDA0002832828080000023
式中，<·>与|·|分别表示四舍五入与取绝对值运算，
Figure FDA0002832828080000024
4.根据权利要求3所述的应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，其特征在于，所述步骤S4中，SFO对尾部TS子载波上引入的残留相位斜率
Figure FDA0002832828080000025
通过最小二乘法计算得到：
Figure FDA0002832828080000026
5.根据权利要求4所述的应用于异步光纤离散多音频系统的采样频率偏差估计方法，其特征在于，所述步骤S5中，SFO定义为
Figure FDA0002832828080000027
计算公式为：
Figure FDA0002832828080000028
式中，NF表示FFT点数，Ncp和Ncs分别表示循环前缀和循环后缀的长度，NS为带有循环前缀与后缀的DMT符号长度，且有NS＝NF+Ncp+Ncs。
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