CN114422314B - 多载波鉴频方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多载波鉴频方法，包括：S1、通过带通滤波器接收包含多载波的调顶信号，并选定其中一个载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率；S2、计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数；S3、在连续多个傅里叶积分区间执行步骤S2，得到带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的多个傅里叶系数；S4、利用得到的多个傅里叶系数计算选定载波的频偏；S5、利用选定载波的频偏矫正选定载波的幅度。本发明多载波鉴频方法及系统使用滤波器，通过把选定的载波频率作为中心频率，将其它载波信号滤除以消除其影响，在选定的载波频率上计算傅里叶系数并估计载波的频偏，利用得到的频偏对幅度进行矫正，最终得到误差小的幅度值。

Description

多载波鉴频方法及系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种多载波鉴频方法及系统。

背景技术

在光纤通信中，为了有效地跟踪和管理通信网络中所使用光波的波长，让每个光波自带波长信息无疑会带来很大的便利。调顶技术是在几乎不影响主信号通路通信质量的前提下，通过在主信号上叠加调顶信号来传送运行维护管理(OAM)信息。例如在5G前传网络中，主信号是非归零(NRZ)格式的高速数字信号，调顶信号是曼彻斯特(Manchester)编码的低速调幅信号或者多载波调幅信号。

目前发布的调顶技术是为每个波长叠加一个小幅度的低频正弦信号，正弦信号的有无可以传递低速的数字信息，而低频正弦信号的频率被用来对该波长进行标注，也就是说该光波通过调顶信号携带了自身波长信息。调顶后的光波信号如图1所示。其中的载波信号就是叠加的低频正弦信号，它的有无传递的是低速的数字信息。

多载波接收机作为运维管理的一部分，作用是把调顶信号中载波的频率和幅度提取出来。频率用来确定所涉及到的光波波长，幅度用来确定光波的有无或者光波的强度。

在半有源设备里面，一个光感应器会把所有调制在光波上的低频正弦波收下来，经过鉴频后估算低频正弦波的幅度，来确定光纤中的光波强度是否满足要求。

常用的鉴频方法是把接收下来的包含所有载波的信号进行快速傅里叶变换，在变换后的频谱中提取鉴频结果。在特定频率处谱线的幅度就是载波的幅度，而谱线处的频率就是载波的频率。所有载波的频率和幅度可以在一次傅里叶变换后得到。

这种方法的缺点是从客户端发来的载波的频率和幅度的鉴频结果由于自身载波的幅度较小而受其它载波的影响很大，进而造成鉴频结果误差很大。当载波的频率出现频偏的时候，鉴频的误差会更大。

另外，快速傅里叶变换需要等到待处理的信号完全输入后才能开始处理，不但需要大的存储空间，信号处理引起的延迟也很大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以准确估计频偏，并利用得到的频偏对幅度进行矫正以得到误差小的幅度值的多载波鉴频方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种多载波鉴频方法，所述多载波鉴频方法包括以下步骤：

S1、通过带通滤波器接收包含多载波的调顶信号，并选定其中一个载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率；

S2、计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数；

S3、在连续多个傅里叶积分区间执行步骤S2，得到带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的多个傅里叶系数；

S4、利用得到的多个傅里叶系数计算选定载波的频偏；

S5、利用选定载波的频偏矫正选定载波的幅度。

作为本发明的进一步改进，步骤S2包括：

将调顶信号中包含的多载波表示为：

其中，n是载波编号；N是载波个数；A_n是幅度，为正的实数；φ_n0是载波的初始相位；f_n是载波频率；Δf_n是载波对于额定值的频偏；

假设f_m是第m个载波频率额定值，则f(t)在f_m处产生的傅里叶系数为：

其中，T是载波的周期，k是自然数。

作为本发明的进一步改进，步骤S4包括：

所述傅里叶系数的相位与傅里叶积分区间的顺次编号之间的线性关系，表示为：

φ_m(i)＝πkT·Δf_m·i+φ_n0

其中，φ_m为傅里叶系数的相位，i为傅里叶积分区间的顺次编号，Δf_m为第m个载波的频偏，n是载波编号，T是载波的周期，k是自然数，φ_n0是载波的初始相位；

上述公式表示的直线的斜率b_est可以通过最小二乘法得到，记为：

b_est＝πkT·Δf_m

得到第m个载波的频偏为：

作为本发明的进一步改进，步骤S5包括：

将公式b_est＝πkT·Δf_m代入以下公式：

令m＝n得到：

将公式代入以下公式：

F_m＝B_m·ΔF_mm

取绝对值，变换后得到：

其中，A_m是利用载波的频偏矫正得到的载波的幅度。

作为本发明的进一步改进，还包括以下步骤：

S6、依次选定不同载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率，并执行步骤S2-S5，得到所有载波的频偏并矫正所有载波的幅度。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种多载波鉴频系统，所述多载波鉴频系统包括：

带通滤波器，用于接收包含多载波的调顶信号；

频率选定单元，用于选定其中一个载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率；

傅里叶系数计算单元，用于计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数；并在连续多个傅里叶积分区间计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数，得到带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的多个傅里叶系数；

频偏计算单元，用于利用得到的多个傅里叶系数计算选定载波的频偏；

幅度矫正单元，用于利用选定载波的频偏矫正选定载波的幅度。

作为本发明的进一步改进，所述计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数，包括：

将调顶信号中包含的多载波表示为：

其中，n是载波编号；N是载波个数；A_n是幅度，为正的实数；φ_n0是载波的初始相位；f_n是载波频率；Δf_n是载波对于额定值的频偏；

假设f_m是第m个载波频率额定值，则f(t)在f_m处产生的傅里叶系数为：

其中，T是载波的周期，k是自然数。

作为本发明的进一步改进，所述利用得到的多个傅里叶系数计算选定载波的频偏，包括：

所述傅里叶系数的相位与傅里叶积分区间的顺次编号之间的线性关系，表示为：

φ_m(i)＝πkT·Δf_m·i+φ_n0

其中，φ_m为傅里叶系数的相位，i为傅里叶积分区间的顺次编号，Δf_m为第m个载波的频偏，n是载波编号，T是载波的周期，k是自然数，φ_n0是载波的初始相位；

上述公式表示的直线的斜率b_est可以通过最小二乘法得到，记为：

b_est＝πkT·Δf_m

得到第m个载波的频偏为：

作为本发明的进一步改进，所述利用选定载波的频偏矫正选定载波的幅度，包括：

将公式b_est＝πkT·Δf_m代入以下公式：

令m＝n得到：

将公式代入以下公式：

F_m＝B_m·ΔF_mm

取绝对值，变换后得到：

其中，A_m是利用载波的频偏矫正得到的载波的幅度。

作为本发明的进一步改进，所述幅度矫正单元还用于：

依次选定不同载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率，得到所有载波的频偏并矫正所有载波的幅度。

本发明的有益效果：

本发明多载波鉴频方法及系统使用滤波器，通过把选定的载波频率作为中心频率，将其它载波信号滤除以消除其影响，在选定的载波频率上计算傅里叶系数并估计载波的频偏，利用得到的频偏对幅度进行矫正，最终得到误差小的幅度值。

其中，从信号输入开始就进行傅里叶系数的计算，不需要存储整个积分区间的信号，在积分结束后可以几乎不延迟地给出载波的频偏和矫正后的幅度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是调顶后的光波信号示意图；

图2是本发明优选实施例中多载波鉴频方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

如图2所示，本实施例公开了一种多载波鉴频方法，其包括以下步骤：

S1、通过带通滤波器接收包含多载波的调顶信号，并选定其中一个载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率。其中，带通滤波器把其它载波信号滤除以消除其影响。

S2、计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数。

具体地，将调顶信号中包含的多载波表示为：

其中，n是载波编号；N是载波个数；A_n是幅度，为正的实数；φ_n0是载波的初始相位；f_n是载波频率；Δf_n是载波对于额定值的频偏；

假设f_m是第m个载波频率额定值，则f(t)在f_m处产生的傅里叶系数为：

其中，T是载波的周期，k是自然数。公式(2)的计算可以从输入信号的开始就进行，在积分区间结束后，可以几乎无延迟地得到傅里叶系数。把公式(1)带入(2)得到：

其中，

取公式(5)的绝对值得到：

从公式(6)可知，当下面公式(7)中的条件满足时，|ΔF_nm|＝0；

kT(f_n-f_m+Δf_n)＝p，p＝±1，±2，… (7)

当下面公式(8)中的条件满足时，|ΔF_nm|＝1；

f_n-f_m+Δf_n＝0 (8)

S3、在连续多个傅里叶积分区间执行步骤S2，得到带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的多个傅里叶系数。

为了细分公式(3)中f_m处的傅里叶系数的组成，把公式(3)改写成公式(9)，如下：

其中，等式右边第一项是接收到的第m个载波对f_m处的傅里叶系数的贡献，第一个因子B_m是所需要的鉴频结果，第二个因子ΔF_mm是由于载波频偏引起的，可以用本发明的方法来估计。等式右边第二项合式是其它载波对对f_m处的傅里叶系数计算的干扰。在本发明中，应确保第二项合式足够小，不影响到第m个载波的傅里叶系数的计算。

公式(9)中第二项和式中的第一个因子B_n是第n个载波的幅度和初始相位。可以通过带通滤波器来滤除其它载波，从而使得这个因子很小，进而使得第二项合式对计算f_m处的傅里叶系数的贡献可以忽略不记。如果带通滤波器对其它载波的衰减为A_filter，第二项合式中的第一个因子B_n在带通滤波器的输出端为：

B_n，out＝A_filter·B_n (10)

公式(9)中第二项合式中的第二个因子ΔF_nm是由其它载波的频率距离第m个载波的频率的远近引起的。为了使得第二项合式对计算f_m处的傅里叶系数的贡献可以忽略不记，第二个因子ΔF_nm应该尽可能小。因为Δf_n是一个随机的量，在确定ΔF_nm尽可能小的条件的时候可以忽略。因而，公式(7)变成：

kT(f_n-f_m)＝p，p＝±1，±2，… (11)

通常与第m个载波相邻的第m-1个载波和第m+1个载波的影响最大，公式(11)变为：

公式(11)和(12)可以作为选择傅里叶系数积分区间的参考。

设当其它载波的阈值为A_int时，其它载波对计算f_m处的傅里叶系数的贡献可以忽略不记，把对第二项合式中两个因子B_n和ΔF_nm的要求合并得到：

|A_filter·B_n·ΔF_nm|<A_int (13)

公式(13)可以看成是在确定了计算傅里叶系数的积分区间后，对带通滤波器带外衰减的要求。

S4、利用得到的多个傅里叶系数计算选定载波的频偏。

具体地，利用带通滤波器把其它的载波滤除后，就剩下f_m处的载波，公(9)简化为：

F_m＝B_m·ΔF_mm (14)

把公(4)和(5)代入到公式(14)得到：

由公式(15)得到F_m的相位为：

φ_m＝πkT·Δf_m+φ_m0 (16)

可以看出，由载波频偏引起的相位变化是πkT·Δf_m。如果对接收到的载波以积分区间[0，kT]为单位连续地进行傅里叶系数的计算，那么相邻两次计算得到的相位变化就是πkT·Δf_m。计算得到F_m的相位φ_m与傅里叶系数积分区间的顺次编号i是线性关系，可以表述为：

φ_m(i)＝πkT·Δf_m·i+φ_n0 (17)

公式(17)是一个直线方程，为了得到准确的频偏估计，需要在连续多个傅里叶积分区间进行多次的傅里叶系数计算。

公式(17)表示的直线的斜率b_est可以通过最小二乘法得到，记为：

b_est＝πkT·Δf_m (18)

这样第m个载波的频偏就是：

S5、利用选定载波的频偏矫正选定载波的幅度。

具体地，得到了第m个载波的频偏后，把公式(18)代入到公式(6)，并令m＝n得到：

把公式(4)带入公式(14)并取绝对值，变换后得到：

其中，|F_m|根据公式(2)由傅里叶系数的计算得到；|ΔF_mm|由公式(20)得到。公式(21)中的A_m就是利用载波的频偏矫正得到的载波的幅度。

进一步地，本发明的多载波鉴频方法还包括以下步骤：

S6、依次选定不同载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率，并执行步骤S2-S5，得到所有载波的频偏并矫正所有载波的幅度。

本发明多载波鉴频方法使用滤波器，通过把选定的载波频率作为中心频率，将其它载波信号滤除以消除其影响，在选定的载波频率上计算傅里叶系数并估计载波的频偏，利用得到的频偏对幅度进行矫正，最终得到误差小的幅度值。

其中，从信号输入开始就进行傅里叶系数的计算，不需要存储整个积分区间的信号，在积分结束后可以几乎不延迟地给出载波的频偏和矫正后的幅度。

实施例二

本实施例公开了一种多载波鉴频系统，所述多载波鉴频系统包括：

带通滤波器，用于接收包含多载波的调顶信号；

频率选定单元，用于选定其中一个载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率；

傅里叶系数计算单元，用于计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数；并在连续多个傅里叶积分区间计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数，得到带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的多个傅里叶系数；

频偏计算单元，用于利用得到的多个傅里叶系数计算选定载波的频偏；

幅度矫正单元，用于利用选定载波的频偏矫正选定载波的幅度。

具体地，所述傅里叶系数计算单元用于执行以下步骤：

将调顶信号中包含的多载波表示为：

其中，n是载波编号；N是载波个数；A_n是幅度，为正的实数；φ_n0是载波的初始相位；f_n是载波频率；Δf_n是载波对于额定值的频偏；

假设f_m是第m个载波频率额定值，则f(t)在f_m处产生的傅里叶系数为：

其中，T是载波的周期，k是自然数。公式(2)的计算可以从输入信号的开始就进行，在积分区间结束后，可以几乎无延迟地得到傅里叶系数。把公式(1)带入(2)得到：

其中，

取公式(5)的绝对值得到：

从公式(6)可知，当下面公式(7)中的条件满足时，|ΔF_nm|＝0；

kT(f_n-f_m+Δf_n)＝p，p＝±1，±2，… (7)

当下面公式(8)中的条件满足时，|ΔF_nm|＝1；

f_n-f_m+Δf_n＝0 (8)

具体地，所述频偏计算单元用于执行以下步骤：

利用带通滤波器把其它的载波滤除后，就剩下f_m处的载波，公(9)简化为：

F_m＝B_m·ΔF_mm (14)

把公(4)和(5)代入到公式(14)得到：

由公式(15)得到F_m的相位为：

φ_m＝πkT·Δf_m+φ_m0 (16)

可以看出，由载波频偏引起的相位变化是πkT·Δf_m。如果对接收到的载波以积分区间[0，kT]为单位连续地进行傅里叶系数的计算，那么相邻两次计算得到的相位变化就是πkT·Δf_m。计算得到F_m的相位φ_m与傅里叶系数积分区间的顺次编号i是线性关系，可以表述为：

φ_m(i)＝πkT·Δf_m·i+φ_n0 (17)

公式(17)是一个直线方程，为了得到准确的频偏估计，需要在连续多个傅里叶积分区间进行多次的傅里叶系数计算。

公式(17)表示的直线的斜率b_est可以通过最小二乘法得到，记为：

b_est＝πkT·Δf_m (18)

这样第m个载波的频偏就是：

具体地，所述幅度矫正单元用于执行以下步骤：

得到了第m个载波的频偏后，把公式(18)代入到公式(6)，并令m＝n得到：

把公式(4)带入公式(14)并取绝对值，变换后得到：

其中，|F_m|根据公式(2)由傅里叶系数的计算得到；|ΔF_mm|由公式(20)得到。公式(21)中的A_m就是利用载波的频偏矫正得到的载波的幅度。

进一步的，所述幅度矫正单元还用于执行以下步骤：

依次选定不同载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率，得到所有载波的频偏并矫正所有载波的幅度。

本实施例中多载波鉴频系统用于实现前述的多载波鉴频方法，因此该系统的具体实施方式可见前文中的多载波鉴频方法的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。

另外，由于本实施例的多载波鉴频系统用于实现前述的多载波鉴频方法，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.多载波鉴频方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过带通滤波器接收包含多载波的调顶信号，并选定其中一个载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率；

S2、计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数，

将调顶信号中包含的多载波表示为：

其中，n是载波编号；N是载波个数；A_n是幅度，为正的实数；φ_n0是载波的初始相位；f_n是载波频率；Δf_n是载波对于额定值的频偏；

假设f_m是第m个载波频率额定值，则f(t)在f_m处产生的傅里叶系数为：

其中，T是载波的周期，k是自然数，上式的计算从输入信号的开始就进行，在积分区间结束后，能够几乎无延迟地得到傅里叶系数；

S3、在连续多个傅里叶积分区间执行步骤S2，得到带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的多个傅里叶系数；

S4、利用得到的多个傅里叶系数计算选定载波的频偏；

S5、利用选定载波的频偏矫正选定载波的幅度。

2.如权利要求1所述的多载波鉴频方法，其特征在于，步骤S2包括：

将公式

代入公式：

可得，

其中，第一中间变量B_n、第二中间变量ΔF_nm表示为下式，

其中A_n是幅度，对第二中间变量ΔF_nm取绝对值得到，

为了细分f_m处的傅里叶系数的组成,把公式

改写成，

利用带通滤波器把其它的载波滤除后，就剩下f_m处的载波,上式可简化为，

F_m＝B_m·ΔF_mm。

3.如权利要求1所述的多载波鉴频方法，其特征在于，步骤S4包括：

所述傅里叶系数的相位与傅里叶积分区间的顺次编号之间的线性关系，表示为：

φ_m(i)＝πkT·Δf_m·i+φ_n0

其中，φ_m为傅里叶系数的相位，i为傅里叶积分区间的顺次编号，Δf_m为第m个载波的频偏，n是载波编号，T是载波的周期，k是自然数，φ_n0是载波的初始相位；

φ_m(i)＝πkT·Δf_m·i+φ_n0公式表示的直线的斜率b_est通过最小二乘法得到，记为：

b_est＝πkT·Δf_m

得到第m个载波的频偏为：

4.如权利要求3所述的多载波鉴频方法，其特征在于，步骤S5包括：

将公式b_est＝πkT·Δf_m代入第二中间变量ΔF_nm的绝对值，得到以下公式：

其中，f_n是载波频率；f_m是第m个载波频率额定值；Δf_n是载波对于额定值的频偏；

令m＝n得到第三中间变量ΔF_mm的绝对值：

将第一中间变量B_n的公式

中n换成m构成第四中间变量B_m并代入以下公式，其中A_n是幅度：

F_m＝B_m·ΔF_mm

取绝对值，变换后得到：

其中，A_m是利用载波的频偏矫正得到的载波的幅度。

5.如权利要求1所述的多载波鉴频方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S6、依次选定不同载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率，并执行步骤S2-S5，得到所有载波的频偏并矫正所有载波的幅度。

6.多载波鉴频系统，其特征在于，包括权利要求1所述的多载波鉴频方法，还包括：

带通滤波器，用于接收包含多载波的调顶信号；

频率选定单元，用于选定其中一个载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率；

傅里叶系数计算单元，用于计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数；并在连续多个傅里叶积分区间计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数，得到带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的多个傅里叶系数；

频偏计算单元，用于利用得到的多个傅里叶系数计算选定载波的频偏；

幅度矫正单元，用于利用选定载波的频偏矫正选定载波的幅度。

7.如权利要求6所述的多载波鉴频系统，其特征在于，所述计算带通滤波器的输出信号在选定的载波频率处的傅里叶系数，包括：

将调顶信号中包含的多载波表示为：

其中，n是载波编号；N是载波个数；A_n是幅度，为正的实数；φ_n0是载波的初始相位；f_n是载波频率；Δf_n是载波对于额定值的频偏；

假设f_m是第m个载波频率额定值，则f(t)在f_m处产生的傅里叶系数为：

其中，T是载波的周期，k是自然数。

8.如权利要求6所述的多载波鉴频系统，其特征在于，所述利用得到的多个傅里叶系数计算选定载波的频偏，包括：

所述傅里叶系数的相位与傅里叶积分区间的顺次编号之间的线性关系，表示为：

φ_m(i)＝πkT·Δf_m·i+φ_n0

其中，φ_m为傅里叶系数的相位，i为傅里叶积分区间的顺次编号，Δf_m为第m个载波的频偏，n是载波编号，T是载波的周期，k是自然数，φ_n0是载波的初始相位；

φ_m(i)＝πkT·Δf_m·i+φ_n0公式表示的直线的斜率b_est通过最小二乘法得到，记为：

b_est＝πkT·Δf_m

得到第m个载波的频偏为：

9.如权利要求8所述的多载波鉴频系统，其特征在于，所述利用选定载波的频偏矫正选定载波的幅度，包括：

将公式b_est＝πkT·Δf_m代入第二中间变量ΔF_nm的绝对值，得到以下公式：

其中，f_n是载波频率；f_m是第m个载波频率额定值；Δf_n是载波对于额定值的频偏；

令m＝n得到第三中间变量ΔF_mm的绝对值：

将第一中间变量B_n的公式

中n换成m构成第四中间变量B_m并代入以下公式，其中A_n是幅度：

F_m＝B_m·ΔF_mm

取绝对值，变换后得到：

其中，A_m是利用载波的频偏矫正得到的载波的幅度。

10.如权利要求6所述的多载波鉴频系统，其特征在于，所述幅度矫正单元还用于：

依次选定不同载波的载波频率作为带通滤波器的中心频率，得到所有载波的频偏并矫正所有载波的幅度。