CN116707743A - 面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法，包括在发射端对原始的输入信号进行噪声整形，将经过噪声整形后的数字信号转换为模拟信号；模拟信号经过信道传输到达接收端后，对模拟信号进行采样转换为数字信号，并对采样信号进行时钟误差的估计和校正，得到原始的输入信号。本发明使用改进的Godard算法可以较好地兼容噪声整形信号，对其进行自适应降采样，实现非整数倍过采样，这大大降低了对数模转换器和模数转换器的需求，从而达到低成本的目的，克服了现有技术时钟恢复方法存在的成本过高、兼容性差和性能受限的技术缺陷。

Description

面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法及装置
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其是指一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法及装置。
背景技术
近年来，随着云服务、人工智能和超级计算机等高带宽服务的爆炸式增长，网络技术也需不断更迭以满足相应的需求。然而，网络从5G向6G的演进需要低成本、低能耗的新型光传输架构。由于发射端和接收端通常使用不同的时钟源，这就导致接收端上的采样点不会与输入的数据符号对齐，不能在最佳采样时刻进行采样，需要通过时钟恢复对误差进行估计和校正。传统时钟恢复方法通常需要较高采样率，高采样率的模数转换器价格昂贵，这导致成本过高。此外，就整个系统的发送端而言，由于没有噪声整形，进行高带宽传输时，其会受数模转换器分辨率的限制，导致系统性能下降。传统时钟恢复方法在处理存在需要带宽灵活可调的带外频谱的噪声整形信号时，对信号和带外噪声都会进行采样，这会导致采样信号的质量不佳，因此，传统时钟恢复方法与噪声整形技术不能较好兼容。
因此，迫切需要提供一种成本低、兼容性好和性能不受限的时钟恢复方法，以克服现有技术存在的上述技术缺陷。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术时钟恢复方法存在的成本过高、兼容性差和性能受限的技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法，其应用于光传输系统，所述光传输系统包括发射端和接收端，方法包括：
在所述发射端对原始的输入信号进行噪声整形，将经过噪声整形后的数字信号转换为模拟信号；
模拟信号经过信道传输到达接收端后，对模拟信号进行采样转换为数字信号，并对采样信号进行时钟误差的估计和校正，得到原始的输入信号。
在本发明的一个实施例中，在所述发射端对原始的输入信号进行噪声整形时，对输入信号进行离散傅立叶逆变换，得到DMT信号；对DMT信号进行n比特量化，得到量化噪声；对量化噪声进行整形，并将整形后的量化噪声添加到输入信号中。
在本发明的一个实施例中，使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正。
在本发明的一个实施例中，在使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正前，对接收端的数字信号进行傅里叶变换，由时域转换到频域。
在本发明的一个实施例中，在使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正时，通过调整Godard算法的参数，实现非整数倍的低过采样率采样。
此外，本发明还提供一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置，其应用于光传输系统，所述光传输系统包括发射端和接收端，装置包括：
噪声整形模块，其部署于所述发射端，所述噪声整形模块用于对接收到的输入信号进行噪声整形；
数模转换模块，其连接所述噪声整形模块，所述数模转换模块用于将经过噪声整形后的数字信号转换为模拟信号；
模数转换模块，其部署于所述接收端，所述模数转换模块连接所述数模转换模块，所述模数转换模块用于对模拟信号进行采样转换为数字信号；
时钟恢复模块，其连接所述模数转换模块，所述时钟恢复模块用于对采样信号进行时钟误差的估计和校正，得到原始的输入信号。
在本发明的一个实施例中，所述噪声整形模块用于在所述发射端对原始的输入信号进行噪声整形时，对输入信号进行离散傅立叶逆变换，得到DMT信号；对DMT信号进行n比特量化，得到量化噪声；对量化噪声进行整形，并将整形后的量化噪声添加到输入信号中。
在本发明的一个实施例中，所述时钟恢复模块用于使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正。
在本发明的一个实施例中，所述时钟恢复模块用于在使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正前，对接收端的数字信号进行傅里叶变换，由时域转换到频域。
在本发明的一个实施例中，所述时钟恢复模块用于在使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正时，通过调整Godard算法的参数，实现非整数倍的低过采样率采样。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法及装置，其使用改进的Godard算法可以较好地兼容噪声整形信号，对其进行自适应降采样，实现非整数倍过采样，这大大降低了对数模转换器和模数转换器的需求，从而达到低成本的目的，克服了现有技术时钟恢复方法存在的成本过高、兼容性差和性能受限的技术缺陷。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例提出的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法的流程示意图。
图2是噪声整形技术的原理图。
图3是本发明实施例提出的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置的框图。
其中，附图标记说明如下：10、噪声整形模块；20、数模转换模块；30、模数转换模块；40、时钟恢复模块。
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。
参照图1所示，本发明实施例提供一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法，其应用于光传输系统，所述光传输系统包括发射端和接收端，方法包括以下步骤：
步骤S1：在所述发射端对原始的输入信号进行噪声整形，将经过噪声整形后的数字信号转换为模拟信号；
步骤S2：模拟信号经过信道传输到达接收端后，对模拟信号进行采样转换为数字信号，并对采样信号进行时钟误差的估计和校正，得到原始的输入信号。
其中，在步骤S1中，可以通过matlab产生光传输系统的常用调制格式的输入信号，如16QAM，通过将伪随机比特序列(PRBS)映射到M-QAM中，即可产生相应的输入信号。
其中，在步骤S1中，在光传输系统的发射端引入噪声整形，提高信噪比以应对数模转换器分辨率受限的问题。首先，对长度为n的正交幅度调制(QAM)序列x[k]进行相应处理后，通过离散傅立叶逆变换(IDFT)形成DMT符号x[n]。其中DMT(Discrete MultiTone，离散多音频)是一种多载波调制技术。其核心思想是将整个传输频带分成若干子信道，每个子信道对应不同频率的载波，在不同载波上分别进行QAM调制，不同信道上传输的信息容量(即每个载波调制的数据信号)根据当前子信道的传输性能决定。噪声整形技术的工作原理是将白色量化噪声重塑为不规则频谱，将信号波段内的量化噪声推至无信号的更高频段，处于更高频段的量化噪声对信号频带的影响很小。即对DMT信号进行n比特量化，可以获得量化噪声，(量化噪声是数据转换器中最典型的噪声源。它是由转换器中使用的采样和量化过程中固有的误差引起的。)在反馈到FIR滤波器之后，整形后的量化噪声将被添加到输入信号，从而使信号频带中的量化噪声最小化。请参照图2所示，图2是噪声整形技术的原理图，其中U(z)、V(z)、E(z)分别是n位量化器Q的输入、输出和量化噪声。由于DMT其核心思想是将整个传输频带分成若干子信道，因此整个频带中的一部分被用来传输信号，还有一部分频带是无信号的，可以将信号频带内的量化噪声推到无信号的更高频段。
其中，针对数字数据传输的问题，模拟信道是一种有效的解决方案。模拟信道是指将数字信号转换为模拟信号，然后通过传输介质传输，最后再将模拟信号转换为数字信号的过程。模拟信道的优势在于它可以抵抗传输介质的噪声，从而提高传输效率。模拟信道的传输过程主要分为三个步骤：首先，将数字信号转换为模拟信号，其次，将模拟信号通过传输介质传输，最后，将模拟信号转换为数字信号。在转换过程中，需要使用模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，以及滤波器，以确保信号的准确性和稳定性。此外，模拟信道还可以使用多种传输介质，如有线电缆、无线电波、光纤等，以满足不同的传输需求。
其中，在步骤S2中，由于发射端和接收端通常使用不同的时钟源，这就导致接收端上的采样点不会与输入的数据符号对齐，不能在最佳采样时刻进行采样，需要通过时钟恢复对误差进行估计和校正。作为优选地，本发明使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正。Godard算法是一种基于频域系数的信号中每个符号至少对应两个采样点的定时误差估计的技术。首先将传输系统接收端的噪声整形信号进行傅里叶变换，由时域转换到频域进行处理。因为噪声整形信号存在带宽需要灵活可调的带外频谱，所以Godard算法可以在频域中，对噪声整形信号进行自适应降采样，并进行时钟误差的估计和校正，使所得信号为最最佳时刻采样的信号。此外，通过调整Godard算法的相关参数，忽略对定时估计没有贡献的项及使算法可以适应任意过采样得到改进的Godard算法，改进的Godard算法可以实现4/3，8/7，16/15等非整数倍的低过采样率采样。
本发明所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法，其使用改进的Godard算法可以较好地兼容噪声整形信号，对其进行自适应降采样，实现非整数倍过采样，这大大降低了对数模转换器和模数转换器的需求，从而达到低成本的目的，克服了现有技术时钟恢复方法存在的成本过高、兼容性差和性能受限的技术缺陷。
下面对本发明实施例公开的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置进行介绍，下文描述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置与上文描述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法可相互对应参照。
请参照图3所示，本发明还提供一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置，其应用于光传输系统，所述光传输系统包括发射端和接收端，装置包括：
噪声整形模块10，其部署于所述发射端，所述噪声整形模块10用于对接收到的输入信号进行噪声整形；
数模转换模块20，其连接所述噪声整形模块10，所述数模转换模块用于将经过噪声整形后的数字信号转换为模拟信号；
模数转换模块30，其部署于所述接收端，所述模数转换模块30连接所述数模转换模块20，所述模数转换模块30用于对模拟信号进行采样转换为数字信号；
时钟恢复模块40，其连接所述模数转换模块30，所述时钟恢复模块40用于对采样信号进行时钟误差的估计和校正，得到原始的输入信号。
本发明所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置，其使用Godard算法可以较好地兼容噪声整形信号，对其进行自适应降采样，实现非整数倍过采样，这大大降低了对数模转换器和模数转换器的需求，从而达到低成本的目的，克服了现有技术时钟恢复方法存在的成本过高、兼容性差和性能受限的技术缺陷。
本实施例的面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置用于实现前述的面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法，因此该装置的具体实施方式可见前文中的面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法的实施例部分，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，由于本实施例的面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置用于实现前述的面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法，其应用于光传输系统，所述光传输系统包括发射端和接收端，其特征在于：方法包括：
在所述发射端对原始的输入信号进行噪声整形，将经过噪声整形后的数字信号转换为模拟信号；
模拟信号经过信道传输到达接收端后，对模拟信号进行采样转换为数字信号，并对采样信号进行时钟误差的估计和校正，得到原始的输入信号。
2.根据权利要求1所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法，其特征在于：在所述发射端对原始的输入信号进行噪声整形时，对输入信号进行离散傅立叶逆变换，得到DMT信号；对DMT信号进行n比特量化，得到量化噪声；对量化噪声进行整形，并将整形后的量化噪声添加到输入信号中。
3.根据权利要求1或2所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法，其特征在于：使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正。
4.根据权利要求3所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法，其特征在于：在使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正前，对接收端的数字信号进行傅里叶变换，由时域转换到频域。
5.根据权利要求3所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复方法，其特征在于：在使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正时，通过调整Godard算法的参数，实现非整数倍的低过采样率采样。
6.一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置，其应用于光传输系统，所述光传输系统包括发射端和接收端，其特征在于：装置包括：
噪声整形模块，其部署于所述发射端，所述噪声整形模块用于对接收到的输入信号进行噪声整形；
数模转换模块，其连接所述噪声整形模块，所述数模转换模块用于将经过噪声整形后的数字信号转换为模拟信号；
模数转换模块，其部署于所述接收端，所述模数转换模块连接所述数模转换模块，所述模数转换模块用于对模拟信号进行采样转换为数字信号；
时钟恢复模块，其连接所述模数转换模块，所述时钟恢复模块用于对采样信号进行时钟误差的估计和校正，得到原始的输入信号。
7.根据权利要求6所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置，其特征在于：所述噪声整形模块用于在所述发射端对原始的输入信号进行噪声整形时，对输入信号进行离散傅立叶逆变换，得到DMT信号；对DMT信号进行n比特量化，得到量化噪声；对量化噪声进行整形，并将整形后的量化噪声添加到输入信号中。
8.根据权利要求6或7所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置，其特征在于：所述时钟恢复模块用于使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正。
9.根据权利要求8所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置，其特征在于：所述时钟恢复模块用于在使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正前，对接收端的数字信号进行傅里叶变换，由时域转换到频域。
10.根据权利要求8所述的一种面向噪声整形信号的低过采样率的时钟恢复装置，其特征在于：所述时钟恢复模块用于在使用Godard算法对采样信号进行时钟误差的估计和校正时，通过调整Godard算法的参数，实现非整数倍的低过采样率采样。
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