CN113938207B - 应用于光非厄米特对称ofdm接收机的信号处理方法 - Google Patents

应用于光非厄米特对称ofdm接收机的信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法，包括：在完成定时同步之后，不需要重新恢复相应的复数信号，而直接对接收到信号进行实数FFT运算，降低了计算复杂度；采用单个训练序列，基于传统LS信道估计方法，在获得各数据子载波上初步信道估计的基础上进行子载波配对平均处理，抑制系统噪声干扰，提高信道估计的准确性；最后利用配对平均后的信道估计对接收数据进行信道均衡处理，并进行接收QAM符号的重构。本发明使用实数FFT算法替代传统复数FFT算法可降低非厄米特对称正交频分复用接收机的硬件实现复杂度，此外使用基于子载波配对平均的信道估计算法可以提高信道估计的准确性，从而改善接收机的性能。

Description

应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别涉及一种应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法。
背景技术
强度调制直接检测光OFDM(IMDDO-OFDM)技术因其具有简单的系统结构、高效的频谱利用率和良好的抗色散性能，已经被广泛研究并且应用于短距离光网络，如无源光网络与数据中心光互联。在传统IMDDO-OFDM系统中，实数OFDM信号的产生需要进行数字或者模拟上变频，因此，需要更多的片上资源或者需要额外的数据转换器和混频器，导致硬件的实现复杂度提高。此外，利用FFT算法的Hermitian对称(HS)特性产生实数基带OFDM信号的方法，由于不需要上变频处理而实现相对简单。但是，在基带HS-OFDM的收发机中，因为HS约束，仅仅只有一半的子载波能够携带用户数据，因此，HS-OFDM系统中FFT算法的使用效率较低。
为了提高FFT的效率，相关文献提出了一种非厄米特对称正交频分复用(NHS-OFDM)系统(详见文献F.Barrami et al.,“A novel FFT/IFFT size efficient techniqueto generate real time optical OFDM signals compatible with IM/DD systems,”Proc.EuMC,43,1247-1250,2013)。仿真与实验研究表明，在具有相同的有效数据子载波数量(N)和数据传输速率的情况下，NHS-OFDM与HS-OFDM具有相似的误码率和峰均比，FFT的点数分别为N与2N。因此，从硬件实现的角度分析，如果均采用复数FFT算法，则NHS-OFDM比HS-OFDM更高效。在传统NHS-OFDM接收机中实数数据经定时同步后需要重构复数OFDM信号、移除循环前缀后再进行N点复数FFT处理。如果在重构复数OFDM信号之前进行实数FFT处理再考虑数据重构，将进一步降低NHS-OFDM接收机的实现复杂度。
在NHS-OFDM接收机中，信道估计是一种关键数字信号处理技术之一，直接关系到接收机可靠性。最小二乘法(LS)是一个常用的信道估计方法，其具备硬件实现复杂度较低的特点，但该方法容易受到噪声干扰，导致信道估计不准确。为了提高信道估计的准确性，同时不增加系统开销，相关文献提出了一种基于LS的符号内载频域平均(ISFA)信道估计方法(详见文献Liu,X.and F.Buchali.“Intra-symbol frequency-domain averaging basedchannel estimation for coherent optical OFDM,”Opt.Express 16(26):21944-21957,2008)。该方法在LS的基础上，选取合适的滑动抽头数，对相邻的多个数据子载波上的信道估计进行平均处理，从而降低噪声干扰，提高信道估计的准确性。
ISFA较之LS，信道估计的准确性得到了提高。但处于边缘的子载波上的信道估计得不到较好的平均处理，从而导致边缘子载波的信道估计准确性较差，进而影响接收机的误码率性能。在高斯信道下，滑动抽头数越多，抑制噪声干扰的能力越强，信道估计的准确性越高。然而在光通信系统中由于光电器件的不理想频率以及各种干扰的影响，相邻子载波上信道响应可能差异较大，此时采用ISFA方法将不能有效改善信道估计的准确性。
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的应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在完成定时同步之后，对接收到的时域实数数据进行分组获得非厄米特对称正交频分复用信号的实部与虚部数据，移除循环前缀后再进行实数FFT运算获得相应的频域数据；
S2：针对接收到的训练序列，对获得的频域数据进一步重构，并基于最小二乘法获得数据子载波上的初步信道估计；
S3：基于实数FFT输出数据共轭对称的性质，对初步信道估计进行子载波配对平均处理；
S4：利用配对平均后的信道估计对接收的频域数据进行迫零均衡处理，并完成接收正交振幅调制正交振幅调制符号的重构。
上述应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法，所述步骤S1中，对分组后的实数数据移除循环前缀，再进行N点实数FFT运算，所获得的非厄米特对称正交频分复用信号实部与虚部的频域数据分别为：
Figure BDA0003305383980000031
式中，wRe(n)与wIm(n)分别表示叠加在发送的第n个非厄米特对称正交频分复用数据实部xRe(n)与虚部xIm(n)上的噪声；h(n)为光信道的单位冲激响应；WRe(k)、WIm(k)、H(k)分别为wRe(n)、wIm(n)、h(n)的第k个子载波上的频域形式，0≤k≤N-1；中间变量X(k)＝XRe(k)+jXIm(k)，XRe(k)与XIm(k)分别为xRe(n)与xIm(n)的频域形式；符号
Figure BDA0003305383980000032
与*分别表示线性卷积与共轭运算。
上述应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法，所述步骤S2中，针对训练序列，重构的频域数据XC(k)为：
Figure BDA0003305383980000041
再使用最小二乘法获得的初步信道估计
Figure BDA0003305383980000042
为：
Figure BDA0003305383980000043
式中，k表示训练序列的相应子载波索引号，XTS(k)表示发送训练序列的频域数据，其为BPSK符号，取值为±1。
上述应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法，所述步骤S3中，子载波配对平均处理后的信道估计
Figure BDA0003305383980000044
为：
Figure BDA0003305383980000045
上述应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法，所述步骤S4中，对步骤S1使用实数FFT产生的实部与虚部频域数据分别进行迫零均衡处理，信道均衡后的数据可表示为：
Figure BDA0003305383980000046
对均衡后的数据进行重构，重构后的QAM符号为：
Figure BDA0003305383980000047
本发明的有益效果在于：本发明在非厄米特对称正交频分复用接收机中光信号经光电检测与AD转换后获得实数基带信号，在完成定时同步之后，不需要重新恢复相应的复数信号，而是直接对接收到信号进行实数FFT运算，降低计算复杂度；采用单个训练序列，基于传统LS信道估计方法，在获得各数据子载波上初步信道估计的基础上进行子载波配对平均处理，抑制系统噪声干扰，提高信道估计的准确性；最后利用配对平均后的信道估计对接收数据进行信道均衡处理，并进行接收QAM符号的重构。该方法使用实数FFT算法替代传统复数FFT算法可降低非厄米特对称正交频分复用接收机的硬件实现复杂度，此外使用基于子载波配对平均的信道估计算法可以改善信道估计，从而改善接收机的性能。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本实施例的非厄米特对称正交频分复用传输系统的数字信号处理流程图。其中，(a)为发射机的数字信号处理流程图，(b)为传统接收机的数字信号处理流程图，(c)为本发明接收机的数字信号处理流程图。
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1所示，一种应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法，包括以下步骤：
S1：在完成定时同步之后，对接收到的时域实数数据进行分组获得非厄米特对称正交频分复用信号的实部与虚部数据，移除循环前缀后再进行实数FFT运算获得相应的频域数据。
对分组后的实数数据移除循环前缀，再进行N点实数FFT运算，所获得的非厄米特对称正交频分复用信号实部与虚部的频域数据分别为：
Figure BDA0003305383980000061
式中，wRe(n)与wIm(n)分别表示叠加在发送的第n个非厄米特对称正交频分复用数据实部xRe(n)与虚部xIm(n)上的噪声；h(n)为光信道的单位冲激响应；WRe(k)、WIm(k)、H(k)分别为wRe(n)、wIm(n)、h(n)的第k个子载波上的频域形式，0≤k≤N-1；中间变量X(k)＝XRe(k)+jXIm(k)，XRe(k)与XIm(k)分别为xRe(n)与xIm(n)的频域形式；符号
Figure BDA0003305383980000062
与*分别表示线性卷积与共轭运算，j表示虚数。据此不需要重新恢复相应的复数数据，避免复数FFT运算，降低了计算复杂度。
S2：针对接收到的训练序列，对获得的频域数据进一步重构，并基于最小二乘法获得数据子载波上的初步信道估计。
针对训练序列，重构的频域数据XC(k)为：
Figure BDA0003305383980000063
再使用最小二乘法获得的初步信道估计
Figure BDA0003305383980000064
为：
Figure BDA0003305383980000065
式中，k表示训练序列的相应子载波索引号，XTS(k)表示发送训练序列的频域数据，其为BPSK符号，取值为±1。
S3：基于实数FFT输出数据共轭对称的性质，对初步信道估计进行子载波配对平均处理，抑制系统噪声干扰，提高信道估计的准确性。
子载波配对平均处理后的信道估计
Figure BDA0003305383980000066
为：
Figure BDA0003305383980000067
S4：利用配对平均后的信道估计对接收的频域数据进行迫零均衡处理，并完成接收正交振幅调制正交振幅调制符号的重构。
对步骤S1使用实数FFT产生的实部与虚部频域数据分别进行迫零均衡处理，信道均衡后的数据可表示为：
Figure BDA0003305383980000071
对均衡后的数据进行重构，重构后的QAM符号为：
Figure BDA0003305383980000072
应用本发明实施例，对光非厄米特对称正交频分复用接收机进行高效数字信号处理，在非厄米特对称正交频分复用接收机中光信号经光电检测与AD转换后获得实数基带信号，在完成定时同步之后，不需要重新恢复相应的复数信号，而是直接对接收到信号进行实数FFT运算，降低计算复杂度；采用单个训练序列，基于传统LS信道估计方法，在获得各数据子载波上初步信道估计的基础上进行子载波配对平均处理，抑制系统噪声干扰，提高信道估计的准确性；最后利用配对平均后的信道估计对接收数据进行信道均衡处理，并进行接收QAM符号的重构。该方法使用实数FFT算法替代传统复数FFT算法可降低非厄米特对称正交频分复用接收机的硬件实现复杂度，此外使用基于子载波配对平均的信道估计算法可以改善信道估计，从而改善接收机的性能。

Claims (1)

1.一种应用于光非厄米特对称OFDM接收机的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在完成定时同步之后，对接收到的时域实数数据进行分组获得非厄米特对称正交频分复用信号的实部与虚部数据，移除循环前缀后再进行实数FFT运算获得相应的频域数据；
所述步骤S1中，对分组后的实数数据移除循环前缀，再进行N点实数FFT运算，所获得的非厄米特对称正交频分复用信号实部与虚部的频域数据分别为：
Figure FDA0003943648590000011
式中，wRe(n)与wIm(n)分别表示叠加在发送的第n个非厄米特对称正交频分复用数据实部xRe(n)与虚部xIm(n)上的噪声；h(n)为光信道的单位冲激响应；WRe(k)、WIm(k)、H(k)分别为wRe(n)、wIm(n)、h(n)的第k个子载波上的频域形式，0≤k≤N-1；中间变量X(k)＝XRe(k)+jXIm(k)，XRe(k)与XIm(k)分别为xRe(n)与xIm(n)的频域形式；符号
Figure FDA0003943648590000012
与*分别表示线性卷积与共轭运算；
S2：针对接收到的训练序列，对获得的频域数据进一步重构，并基于最小二乘法获得数据子载波上的初步信道估计；
所述步骤S2中，针对训练序列，重构的频域数据XC(k)为：
Figure FDA0003943648590000013
再使用最小二乘法获得的初步信道估计
Figure FDA0003943648590000014
为：
Figure FDA0003943648590000015
式中，k表示训练序列的相应子载波索引号，XTS(k)表示发送训练序列的频域数据，其为BPSK符号，取值为±1；
S3：基于实数FFT输出数据共轭对称的性质，对初步信道估计进行子载波配对平均处理；
所述步骤S3中，子载波配对平均处理后的信道估计
Figure FDA0003943648590000021
为：
Figure FDA0003943648590000022
S4：利用配对平均后的信道估计对接收的频域数据进行迫零均衡处理，并完成接收正交振幅调制符号的重构；
所述步骤S4中，对步骤S1使用实数FFT产生的实部与虚部频域数据分别进行迫零均衡处理，信道均衡后的数据表示为：
Figure FDA0003943648590000023
对均衡后的数据进行重构，重构后的正交振幅调制符号为：
Figure FDA0003943648590000024
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