王錦仁

摘? 要： 傳統(tǒng)的檢測(cè)方法在檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時(shí)同步這一問(wèn)題上，花費(fèi)的檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，成本過(guò)高。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新的檢測(cè)技術(shù)，該檢測(cè)技術(shù)可以應(yīng)用于光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的直接檢測(cè)中。檢測(cè)技術(shù)由兩步組成，首先進(jìn)行光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的信道同步直接檢測(cè)，通過(guò)噪聲補(bǔ)償輔助判斷信道是否同步;然后進(jìn)行光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的時(shí)間頻率同步直接檢測(cè)，計(jì)算出各子載波的相位旋轉(zhuǎn)，由計(jì)算結(jié)果確定檢測(cè)結(jié)果;最后實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步檢測(cè)。為檢測(cè)方法效果，與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，給出的應(yīng)用于直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時(shí)同步技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)地檢測(cè)出光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)是否定時(shí)同步，檢測(cè)成本更低，該技術(shù)值得大力推廣使用。

關(guān)鍵詞： 定時(shí)同步檢測(cè); 光正交頻分復(fù)用系統(tǒng); 直接檢測(cè); 信道同步; 時(shí)間頻率同步; 對(duì)比驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN913?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）08?0089?04

Design of timing synchronization applied to direct detection of optical orthogonal frequency division multiplexing system

WANG Jinren

（Shijiazhuang Tiedao University Sifang College， Shijiazhuang 051132， China）

Abstract： Traditional detection methods spend too much time and cost in detecting the timing synchronization in the optical orthogonal frequency division multiplexing （OFDM） system. Therefore， a new detection technology is designed， which can be applied to the direct detection of optical OFDM system. The detection technology consists of two steps： the channel synchronization of the optical OFDM system is detected directly， and the noise compensation is used as an auxiliary means to judge whether the channel is synchronized or not; the time?frequency synchronization of the optical OFDM system is detected directly， the phase rotation of each subcarrier is calculated， and the detection results are determined according to the calculated results， so as to the timing synchronization detection is realized. The experimental comparison between the proposed method and the traditional detection technology was carried out to detect their detection effectiveness. The experimental results show that the timing synchronization technology applied to direct detection of the optical OFDM system can accurately detect whether its timing synchronization or not in a short time， and the detection cost is lower. The detection technology is worth spreading and using.

Keywords： timing synchronization detection; optical OFDM system; direct detection; channel synchronization; time?frequency synchronization; comparison validation

0? 引? 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求大幅增高，尤其是傳輸速率方面，建立高速、高容量的傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)十分必要，而數(shù)據(jù)網(wǎng)的建立又依賴于各種系統(tǒng)的支撐。其中，光正交頻復(fù)用系統(tǒng)是一種新型系統(tǒng)，該系統(tǒng)在速度、容量方面的優(yōu)點(diǎn)極為突出，被大量應(yīng)用于寬帶數(shù)字通信領(lǐng)域[1]。該系統(tǒng)利用物理層進(jìn)行多載波調(diào)制技術(shù)傳輸，對(duì)同步誤差非常敏感，易受到碼干擾和信道間干擾，可能嚴(yán)重?fù)p害系統(tǒng)性能，甚至引起整個(gè)系統(tǒng)的崩塌[2]。

目前光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的通信主要是由定時(shí)同步技術(shù)支撐，該技術(shù)對(duì)于頻率偏差要求極高，并需與頻率同步技術(shù)同時(shí)進(jìn)行[3]。光纖信道的損傷時(shí)刻影響著高速信號(hào)的傳輸，在完成數(shù)據(jù)傳輸后，要對(duì)信道的損傷進(jìn)行估計(jì)，檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時(shí)同步情況。本文研究同步算法和信道估計(jì)算法，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的信道同步技術(shù)和應(yīng)用于直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的時(shí)頻同步技術(shù)。

1? 信道同步技術(shù)設(shè)計(jì)

信道同步是從前面的光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)信號(hào)推出信道轉(zhuǎn)移函數(shù)，其用于信道均衡。而用于直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的信道序列如圖1所示。

在序列端首先發(fā)送OFDM信號(hào)，接收機(jī)計(jì)算初始值，用于信道轉(zhuǎn)移矩陣使用;接收端根據(jù)初始信道矩陣進(jìn)行信道均衡，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行判決，并反饋到估計(jì)模塊，作導(dǎo)頻使用，掌握當(dāng)前信號(hào)狀態(tài)，利用估計(jì)值進(jìn)行均衡與調(diào)制，同時(shí)獲得新估計(jì)值，循環(huán)進(jìn)行到將所有接收的信息讀出[4]。信道同步流程如圖2所示。

根據(jù)圖2流程可知，信道估計(jì)計(jì)算無(wú)論使用哪種算法都會(huì)以判決值為導(dǎo)頻，反饋給估計(jì)器，避免持續(xù)出錯(cuò)[5]。信道估計(jì)的判決反饋在初始階段須有導(dǎo)頻序列，一步步實(shí)時(shí)跟蹤信道數(shù)據(jù)變化。當(dāng)判斷錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)，信道估計(jì)也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，要想信道估計(jì)算法效果發(fā)揮到最好，需確保判決無(wú)誤[6]。

檢測(cè)信道同步，還需噪聲補(bǔ)償輔助[7]。光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)一旦工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，光正交頻分復(fù)用會(huì)與相位噪聲產(chǎn)生反應(yīng)，在用光正交頻分復(fù)用傳輸系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于發(fā)送的載波和數(shù)據(jù)會(huì)離散導(dǎo)致相位噪聲出現(xiàn)，信道檢測(cè)時(shí)惡化，調(diào)制誤碼率升高，此時(shí)進(jìn)行噪聲信號(hào)檢測(cè)最佳[8]。

2? 時(shí)間同步技術(shù)設(shè)計(jì)

在完成信道檢測(cè)后，對(duì)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)[9]。子載波數(shù)與寬帶較寬對(duì)光通信信道造成壓力，由白色散產(chǎn)生的相位旋轉(zhuǎn)與光正交頻分復(fù)用信號(hào)發(fā)生敏感反應(yīng)，出現(xiàn)光纖色散不足，為估計(jì)出傳輸信道的狀態(tài)，需有效補(bǔ)償光纖色散，在發(fā)射端發(fā)射OFDM符號(hào)時(shí)，間接性加入導(dǎo)頻符號(hào)。時(shí)間頻率填充幀如圖3所示。

通過(guò)接收端計(jì)算出各子載波的相位旋轉(zhuǎn)，將發(fā)送端加入導(dǎo)頻符號(hào)就可獲得子載波的相位旋轉(zhuǎn)，根據(jù)其他的OFDM符號(hào)數(shù)量再分別補(bǔ)償給每個(gè)子載波一個(gè)相位旋轉(zhuǎn)，大小約等于所有子載波對(duì)應(yīng)的相位旋轉(zhuǎn)值相反數(shù)。通過(guò)光纖通信系統(tǒng)的色散特性，加入兩個(gè)導(dǎo)頻補(bǔ)償光纖就可實(shí)現(xiàn)[10]。時(shí)間同步工作流程如圖4所示。

首先，利用重復(fù)序列和前綴的頻率估計(jì)，將接收信號(hào)乘以訓(xùn)練序列進(jìn)行消除;然后，利用CAZAC序列頻率進(jìn)行偏移估計(jì);最后，利用多徑衰落信道途徑并結(jié)合重復(fù)序列的頻率進(jìn)行高度分析。據(jù)此建立定時(shí)同步檢測(cè)框，完成直接檢測(cè)。定時(shí)同步檢測(cè)如圖5所示。

定時(shí)同步檢測(cè)時(shí)，先對(duì)符號(hào)是否粗同步進(jìn)行判斷，分析保護(hù)間隔中所帶的冗余信息，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，采用的算法為最大似然估計(jì)算法，通過(guò)該算法得到符號(hào)正確起始位置，在時(shí)域、頻域中同時(shí)檢測(cè)頻率是否同步，快速捕獲跟蹤頻率，分析頻率的偏離狀況。由于頻率連續(xù)性，可選取相鄰的兩個(gè)頻域進(jìn)行估計(jì)，在確保頻域正常時(shí)，進(jìn)行符號(hào)細(xì)同步，由此實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步估計(jì)。

3? 實(shí)驗(yàn)研究

3.1? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為檢測(cè)本文同步技術(shù)的有效性，與傳統(tǒng)應(yīng)用于直接檢測(cè)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時(shí)同步技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比。其中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)上述參數(shù)，傳統(tǒng)技術(shù)和本文技術(shù)同時(shí)檢測(cè)一個(gè)分析對(duì)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時(shí)同步情況。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1） 檢測(cè)時(shí)間對(duì)比

檢測(cè)時(shí)間對(duì)比如圖6所示，隨著頻率偏移增加，檢測(cè)時(shí)間也逐漸增加。

當(dāng)頻率偏移為5 dB時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)檢測(cè)時(shí)間為1.17 s，本文技術(shù)檢測(cè)時(shí)間為1.02 s;當(dāng)頻率偏移為10 dB時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間為1.24 s，本文技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間為1.07 s;當(dāng)頻率偏移為15 dB時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間為1.31 s，本文技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間為1.12 s;當(dāng)頻率偏移為20 dB時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間為1.34 s，本文技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間為1.14 s;當(dāng)頻率偏移為25 dB時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間為1.38 s，本文技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間為1.17 s;當(dāng)頻率偏移為30 dB時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間為1.39 s，本文技術(shù)的檢測(cè)時(shí)間為1.21 s。

2） 檢測(cè)成本試驗(yàn)測(cè)試

檢測(cè)成本試驗(yàn)測(cè)試如表2所示。

根據(jù)表2可知，本文研究的檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)技術(shù)檢測(cè)成本。當(dāng)頻率偏移上升5 dB時(shí)，傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)成本就會(huì)增加200 000元，而本文檢測(cè)技術(shù)成本增加150 000元，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

3） 檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率對(duì)比

檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率如圖7所示。分析圖7可知，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間為1 s時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測(cè)準(zhǔn)確率為92.18%，本文技術(shù)的準(zhǔn)確率為95.21%;當(dāng)檢測(cè)時(shí)間為3 s時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測(cè)準(zhǔn)確率為92.45%，本文技術(shù)的準(zhǔn)確率為98.62%;當(dāng)檢測(cè)時(shí)間為5 s時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測(cè)準(zhǔn)確率為92.00%，本文技術(shù)的準(zhǔn)確率為99.46%，準(zhǔn)確率更高。

3.3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：傳統(tǒng)的定時(shí)同步檢測(cè)技術(shù)和本文研究的定時(shí)同步檢測(cè)技術(shù)都能夠?qū)庹活l分復(fù)用系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，但傳統(tǒng)技術(shù)檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，成本過(guò)高，且得到的檢測(cè)精準(zhǔn)度難以滿足大眾要求，本文研究的檢測(cè)技術(shù)同時(shí)從信道、時(shí)間、頻率三方面有效縮短檢測(cè)時(shí)間，降低檢測(cè)成本，提高檢測(cè)精度，具有很強(qiáng)的工作能力。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

光正交頻分復(fù)用技術(shù)是目前公認(rèn)最有發(fā)展力的技術(shù)之一，相比其他技術(shù)更具研究?jī)r(jià)值，本文對(duì)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時(shí)同步基本原理和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上研究了光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時(shí)同步的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的信道、時(shí)間、頻率進(jìn)行檢測(cè)。本文研究的檢測(cè)技術(shù)在分析復(fù)用系統(tǒng)是否定時(shí)同步上有著很大的優(yōu)勢(shì)，但是由于研究時(shí)間有限，所以在未來(lái)需要進(jìn)行更加深入的分析與探討，確保該技術(shù)可以很好地應(yīng)用到實(shí)際生活中。

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