本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)補(bǔ)償由于采樣時(shí)鐘頻率頻差帶來的對(duì)OFDM信號(hào)基帶及下變頻的影響的光OFDM系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

為了支持快速出現(xiàn)的帶寬需求的多媒體服務(wù)，如高清電視，在線游戲等，需要光接入網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量增加。光正交頻分復(fù)用(OOFDM)被認(rèn)為是一個(gè)有希望的下一代無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)的候選技術(shù)。其固有的優(yōu)點(diǎn)包括例如豐富的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)實(shí)現(xiàn)、高頻譜效率和靈活的動(dòng)態(tài)帶寬分配。同時(shí)，具有強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)(IMDD)的OOFDM系統(tǒng)，由于其低DSP而在訪問場(chǎng)景中引起了很多關(guān)注，復(fù)雜性、穩(wěn)定性能和低成本得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)相干光OFDM(COOFDM)系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)現(xiàn)代化的通信要求，構(gòu)建出的大容量、高速率、低成本和高質(zhì)量的通信系統(tǒng)也受到廣泛應(yīng)用。但是，IMDD OOFDM系統(tǒng)和相干光OFDM(COOFDM)系統(tǒng)對(duì)采樣頻率同步誤差特別敏感。偏移量在解調(diào)過程期間OFDM符號(hào)的正確起始點(diǎn)導(dǎo)致符號(hào)間干擾和相位旋轉(zhuǎn)，并且降低系統(tǒng)誤比特率(BER)性能和誤差向量幅度(EVM)。另外，在無線前傳進(jìn)行模擬大容量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于采用OFDM調(diào)制，經(jīng)數(shù)字上變頻調(diào)到中頻，必然會(huì)受到采樣頻率不匹配導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降。

光OFDM通信系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)要用到數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換(Digital-to-Analog Converter,DAC)和模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換及數(shù)字上下變頻，實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。在光OFDM系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)中經(jīng)IFFT調(diào)制后的數(shù)字OFDM信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字上變頻搬移到中頻，再經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換成模擬OFDM信號(hào)。在接收端通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過數(shù)字下變頻將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，輸入到FFT中進(jìn)行解調(diào)。由于ADC和DAC的時(shí)鐘不可能完全同步，將導(dǎo)致下變頻之后OFDM基帶信號(hào)中有余弦包絡(luò)，F(xiàn)FT解調(diào)后，將導(dǎo)致信道間干擾(Inter-Carrier Interference,ICI)、幅度變化和經(jīng)過FFT過后子載波的相位旋轉(zhuǎn)，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能，因此需要對(duì)采樣的時(shí)鐘進(jìn)行同步。

經(jīng)前期調(diào)研，上海大學(xué)Zhen Zhang等在Optics Express期刊發(fā)表的用于光IMDD OFDM系統(tǒng)的低復(fù)雜度的符號(hào)同步及采樣頻差估計(jì)的聯(lián)合估計(jì)方法(Low-complexity joint symbol synchronization and sampling frequency offset estimation scheme for optical IMDD OFDM systems)，核心想法是估計(jì)出發(fā)送端和接收端的采樣點(diǎn)數(shù)差來確定采樣頻差，每隔L個(gè)符號(hào)插訓(xùn)練符號(hào)，訓(xùn)練符號(hào)一方面來進(jìn)行符號(hào)同步，訓(xùn)練符號(hào)是由BPSK和0構(gòu)成共軛矩陣經(jīng)IFFT形成的，通過接受信號(hào)的符號(hào)位與本地訓(xùn)練符號(hào)位進(jìn)行同或運(yùn)算得到定時(shí)度量以O(shè)FDM符號(hào)點(diǎn)數(shù)為窗口，取最大定時(shí)度量時(shí)的點(diǎn)為符號(hào)開始點(diǎn)；另一方面通過求定時(shí)度量以及早晚門同步器(Early-late gate synchronizers)來定義相位偏移度量，然后通過相位偏移度量來計(jì)數(shù)采樣點(diǎn)數(shù)差，然后得到采樣頻差。缺點(diǎn)是該方法估計(jì)的準(zhǔn)確性直接與訓(xùn)練符號(hào)的個(gè)數(shù)有關(guān)，當(dāng)頻偏較大導(dǎo)致采樣點(diǎn)數(shù)差較大時(shí)，訓(xùn)練符號(hào)的數(shù)量就要增加，所以會(huì)適用過多訓(xùn)練符號(hào)造成數(shù)據(jù)冗余。

華為L(zhǎng)in Cheng等在Optics Express期刊發(fā)表的在色散光傳輸系統(tǒng)位前綴估計(jì)采樣頻偏(Binary prefix for sampling frequency offset estimation in dispersive optical transmissions)，華為提出了用唯一的二進(jìn)制前綴(identical binary prefix)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的循環(huán)前綴CP，在接收端通過信號(hào)處理BP部分得到含頻偏的余弦波形，求FFT得到頻偏。其缺點(diǎn)是，采用FFT來確定頻偏，F(xiàn)FT的頻率分辨率影響精度，信號(hào)處理得到的是取絕對(duì)值的余弦信號(hào)，所以無法確定是正負(fù)頻偏。

調(diào)研中的論文所公開的方法只適用于基帶的OFDM系統(tǒng)，沒有考慮由于采樣時(shí)鐘頻率有頻差導(dǎo)致上下變頻后OFDM時(shí)域信號(hào)有余弦包絡(luò)，因?yàn)橛邪j(luò)，導(dǎo)致FFT解調(diào)后，不僅有SFO引起的相位旋轉(zhuǎn)，還有余弦包絡(luò)引起的幅度周期變化，對(duì)OFDM系統(tǒng)性能有很大影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種采用無數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法的光OFDM系統(tǒng)，補(bǔ)償上下變頻采樣頻偏影響及基帶OFDM信號(hào)采樣頻偏的影響。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種采用無數(shù)據(jù)輔助頻偏估計(jì)算法的光OFDM系統(tǒng)，包括：OFDM發(fā)送端、上變頻、DAC、光調(diào)制、光纖傳輸、可變光衰減器VOA、光探測(cè)器、ADC、及OFDM接收端，其中，OFDM發(fā)送端實(shí)現(xiàn)基帶OFDM信號(hào)的產(chǎn)生；OFDM接收端包括下變頻、頻偏估計(jì)、再下變頻、信道估計(jì)和基帶頻偏補(bǔ)償，頻偏估計(jì)將下變頻后的基帶OFDM時(shí)域信號(hào)除以其絕對(duì)值，得到含符號(hào)位影響的頻偏因子，將含符號(hào)位影響的頻偏因子取平方消除符號(hào)位影響，得到2倍頻的頻偏因子，再通過求頻偏因子的自相關(guān)函數(shù)消除噪聲影響，然后求自相關(guān)函數(shù)的相角取平均得到頻偏估計(jì)子，最后通過調(diào)整采樣頻率，再下變頻消除上下變頻頻偏的余弦包絡(luò)，之后進(jìn)行信道估計(jì)和頻偏補(bǔ)償。

OFDM發(fā)送端產(chǎn)生的基帶OFDM信號(hào)由上變頻調(diào)到中頻，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再由光調(diào)制成光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸，通過可變光衰減器VOA改變光信號(hào)功率，光探測(cè)器檢測(cè)光信號(hào)并還原電信號(hào)，DAC還原數(shù)字信號(hào)到OFDM接收端，通過下變頻還原基帶OFDM信號(hào)，進(jìn)行頻偏估計(jì)。

OFDM發(fā)送端，數(shù)據(jù)源通過QAM映射、共軛對(duì)稱后經(jīng)IFFT調(diào)制，加循環(huán)前綴CP，上變頻到中頻，實(shí)現(xiàn)基帶OFDM信號(hào)的產(chǎn)生。

OFDM接收端還包括去循環(huán)前綴CP和FFT解調(diào)。

在OFDM發(fā)送端，OFDM符號(hào)中插入梳狀子載波導(dǎo)頻，到接收端，由于采樣頻偏導(dǎo)致FFT解調(diào)后產(chǎn)生的相位旋轉(zhuǎn)和子載波索引有線性關(guān)系，所以每個(gè)符號(hào)的梳狀子載波導(dǎo)頻，通過除以其絕對(duì)值得到頻偏因子，然后經(jīng)過線性插值，實(shí)現(xiàn)基帶頻偏補(bǔ)償。

頻偏估計(jì)具體算法如下：

OFDM發(fā)送端產(chǎn)生的OFDM基帶信號(hào)的數(shù)字信號(hào)，由于采用共軛矩陣進(jìn)行IFFT調(diào)制，所以O(shè)FDM時(shí)域信號(hào)只有實(shí)部I(n)，上變頻將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)

其中f_c為中頻頻率，f_s為采樣時(shí)鐘頻率；

OFDM接收端，通過數(shù)字下變頻之后還原基帶信號(hào)后，由于存在頻率偏差的影響，OFDM基帶信號(hào)包含頻偏因子，如下式所示：

其中f_c是中頻頻率、f_o是基帶采樣頻率、f_s是采樣時(shí)鐘頻率、Δf是采樣頻差、η(n)是高斯白噪聲；

然后取頻偏因子，r(n)除以其絕對(duì)值得到z(n)

由于z(n)含r(n)的符號(hào)位影響，所以z(n)取平方得到2倍頻的頻偏因子

接著求z(n)的自相關(guān)函數(shù)得到R(m)，自相關(guān)函數(shù)可以消除噪聲影響

L_o為z(n)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，最后，取R(m)的相角并取平均得到頻偏的估計(jì)子，由此得到頻偏的估計(jì)值，

本發(fā)明具有如下的有益效果：

通過MATLAB程序模擬光OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采樣時(shí)鐘頻率頻差，并通過本發(fā)明估計(jì)出了頻差，通過頻偏補(bǔ)償上下變頻頻偏、解調(diào)后補(bǔ)償基帶OFDM頻偏，得到很好的BER、EVM數(shù)據(jù)和頻偏估計(jì)值。本發(fā)明有效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)采樣時(shí)鐘頻率頻差的估計(jì)，對(duì)于消除頻偏的影響有關(guān)鍵的作用，且本發(fā)明算法簡(jiǎn)易易懂，節(jié)省通常采樣頻偏估計(jì)時(shí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，本發(fā)明算法是無數(shù)據(jù)輔助來估計(jì)頻偏，故提高了數(shù)據(jù)利用率，不僅限于光強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IMDD，intensity-modulation and direct-detection)OFDM系統(tǒng)，也可以用于相干光OFDM系統(tǒng)，以及無線前傳中的頻偏問題，且估計(jì)精度高。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明所提供的光OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明頻偏估計(jì)算法的詳細(xì)推導(dǎo)過程；

圖3為頻偏估計(jì)值與實(shí)際頻偏比較曲線；

圖4.a為消除上下變頻頻偏的星座圖(SNR＝5dB)；

圖4.b為消除基帶OFDM頻偏的星座圖(SNR＝5dB)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合光OFDM系統(tǒng)及算法推導(dǎo)過程對(duì)本算法進(jìn)行詳細(xì)說明。以下說明將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本算法。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本算法的保護(hù)范圍。

本發(fā)明所提供的無數(shù)據(jù)輔助的頻偏估計(jì)光OFDM傳輸系統(tǒng)，如圖1所示，包括：OFDM發(fā)送端、上變頻、數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC、光調(diào)制、光纖傳輸、可變光衰減器VOA、光探測(cè)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC采樣、及OFDM接收端，其中OFDM發(fā)送端，數(shù)據(jù)源通過QAM映射、共軛對(duì)稱后IFFT調(diào)制，由于是共軛對(duì)稱，所以IFFT調(diào)制后是實(shí)數(shù)，加循環(huán)前綴CP，上變頻到中頻，實(shí)現(xiàn)OFDM信號(hào)的產(chǎn)生；OFDM接受端包括下變頻、頻偏估計(jì)、再下變頻、去CP、FFT解調(diào)、信道估計(jì)和基帶頻偏補(bǔ)償、QAM解映射和最后計(jì)算誤碼率BER及誤差向量誤差EVM，頻偏估計(jì)部分將下變頻后的基帶OFDM時(shí)域信號(hào)除以其絕對(duì)值，得到含符號(hào)位影響的頻偏因子，然后將含符號(hào)位影響的頻偏因子取平方消除符號(hào)位影響，得到2倍頻的頻偏因子，然后通過求頻偏因子的自相關(guān)函數(shù)，自相關(guān)函數(shù)可以消除噪聲影響，最后求自相關(guān)函數(shù)的相角取平均除以一些參數(shù)得到頻偏估計(jì)子。

頻偏估計(jì)算法過程如圖2所示，首先OFDM發(fā)送端產(chǎn)生的OFDM基帶信號(hào)的數(shù)字信號(hào)，由于采用共軛矩陣進(jìn)行IFFT調(diào)制，所以O(shè)FDM時(shí)域信號(hào)只有實(shí)部I(n)，上變頻將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)

其中f_c為中頻頻率，f_s為采樣時(shí)鐘頻率。

經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再由光調(diào)制成光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸，可變光衰減器VOA改變光信號(hào)功率，光探測(cè)器檢測(cè)光信號(hào)并還原電信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC還原數(shù)字信號(hào)，在OFDM接收端，通過數(shù)字下變頻之后還原基帶信號(hào)后，由于存在頻率偏差的影響，OFDM基帶信號(hào)包含頻偏因子，如下式所示：

其中f_c是中頻頻率、f_o是基帶采樣頻率、fs_s是采樣時(shí)鐘頻率、Δf是采樣頻差、η(n)是高斯白噪聲。

然后取頻偏因子，r(n)除以其絕對(duì)值得到z(n)

由于z(n)含r(n)的符號(hào)位影響，所以z(n)取平方得到2倍頻的頻偏因子

接著求z(n)的自相關(guān)函數(shù)得到R(m)，自相關(guān)函數(shù)可以消除噪聲影響

L_o為z(n)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，最后，取R(m)的相角并取平均得到頻偏的估計(jì)子，由此得到頻偏的估計(jì)值，

估出頻偏后，通過調(diào)整采樣頻率，再下變頻消除上下變頻頻偏的包絡(luò)，之后FFT解調(diào)后進(jìn)行信道估計(jì)和頻偏補(bǔ)償。在OFDM發(fā)送端OFDM符號(hào)中插入梳狀子載波導(dǎo)頻，到接收端，由于采樣頻偏導(dǎo)致FFT解調(diào)后而產(chǎn)生的相位旋轉(zhuǎn)與子載波索引有線性關(guān)系，所以每個(gè)符號(hào)插入梳狀子載波導(dǎo)頻，通過除以其絕對(duì)值得到基帶頻偏因子，然后經(jīng)過線性插值，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償相位線性變化。

進(jìn)一步地，進(jìn)行仿真，通過對(duì)上變頻之后的數(shù)據(jù)通過sinc函數(shù)插值實(shí)現(xiàn)頻偏，插值上采樣M倍，下采樣M-1倍，采樣頻率變?yōu)閒_sM/M-1，頻差為f_s/M-1，本次頻差估計(jì)值通過估計(jì)插值點(diǎn)數(shù)M來確定頻偏。

仿真關(guān)鍵步驟如下，先取頻偏因子，下變頻后

f_c是中頻頻率、f_o是基帶采樣頻率、η(n)是高斯白噪聲，然后取頻偏因子，r(n)除以其絕對(duì)值得到z(n)

z(n)取平方得到2倍頻的頻偏因子

求z(n)的自相關(guān)函數(shù)得到R(m)，自相關(guān)函數(shù)可以消除噪聲影響

L_o為z(n)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，最后取R(m)的相角并取平均得到頻偏的估計(jì)子，由此得到插值點(diǎn)的估計(jì)值。

仿真得到的有頻偏和頻偏補(bǔ)償后的BER和EVM表格分別如表1和表2所示：

表1為不同信噪比的頻偏估計(jì)、BER和EVM表格，梳狀導(dǎo)頻間隔為3，表2位為不同信噪比的BER和EVM表格，梳狀導(dǎo)頻間隔為8。

表1

表2

可以看出，頻偏估計(jì)值在不同SNR情況下非常精確，表1信道估計(jì)時(shí)導(dǎo)頻間隔為3，表2導(dǎo)頻間隔為8，導(dǎo)頻間隔變大EVM會(huì)有所增加。消除上下變頻頻偏的星座圖(SNR＝5dB)和消除基帶OFDM頻偏的星座圖(SNR＝5dB)如圖4.a和圖4.b所示，消除上下變頻頻偏的星座圖是旋轉(zhuǎn)的，消除基帶OFDM頻偏后，星座圖恢復(fù)正常。頻偏估計(jì)值與實(shí)際頻偏的比較曲線如圖3所示，可以看到頻偏估計(jì)值均在實(shí)際頻偏的直線上。

本算法提供數(shù)據(jù)輔助的頻偏估計(jì)算法，采用將下變頻后的基帶OFDM時(shí)域信號(hào)除以其絕對(duì)值，得到含符號(hào)位影響的頻偏因子，然后將含符號(hào)位影響的頻偏因子取平方消除符號(hào)位影響，得到2倍頻的頻偏因子，然后通過求頻偏因子的自相關(guān)函數(shù)，自相關(guān)函數(shù)可以消除噪聲影響，最后求自相關(guān)函數(shù)的相角取平均除以一些參數(shù)得到頻偏估計(jì)子。OFDM接收端，在頻偏估計(jì)后，經(jīng)過再下變頻消除上下變頻導(dǎo)致的余弦包絡(luò)，信道估計(jì)和頻偏補(bǔ)償，在OFDM發(fā)送端OFDM符號(hào)中插入梳狀子載波導(dǎo)頻，到接收端，由于采樣頻偏導(dǎo)致FFT解調(diào)而產(chǎn)生的相位旋轉(zhuǎn)和子載波索引有線性關(guān)系，所以每個(gè)符號(hào)的梳狀子載波導(dǎo)頻，通過除以其絕對(duì)值得到基帶頻偏因子，然后經(jīng)過線性插值，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償相位線性變化。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述的詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。