专利名称：一种功率可调的部分叠加训练序列光ofdm系统时间同步系统及方法
技术领域：
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种叠加训练序列的光OFDM系统时间同步方法。
背景技术：
在过去的20多年中，OFDM技术在射频领域已被广泛研究，并因为它具有能有效利用频宽、降低干扰及对抗多径效应等优势，被广泛应用于无线局域网、数字音频广播、数字视频广播、第四代移动通信技术等领域。而光OFDM系统则是一种新型的通信系统，将光纤通信技术与OFDM技术的双重优势结合在一起，利用OFDM在光通信中对光纤信道色散的良好鲁棒性，具有更高的频谱效率及更快的传输速率等技术特点。一个典型的强度调制直接检测(Intensity Modulation/Direct Detection, IM/DD)单模光纤OFDM系统由射频OFDM发射机、射频至光上变换器、光至射频下变换器和射频OFDM接收机组成，其中射频OFDM发射机和射频至光上变换器位于发射端，光至射频下变换器和射频OFDM接收机位于接收端。光OFDM系统优点突出，缺点也很明显，它对时间同步相当敏感。光OFDM系统要求接收端能够进行准确的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)窗口同步,如果不能准确确定FFT窗口的开始位置，则在FFT环节，接收信号会引入符号间串扰(InterSymbol Interference, ISI)和载波间串扰(Inter Carrier Interference, ICI)，所以保证光OFDM系统的时间同步准确性是整个通信系统可靠性传输的基本前提。目前，人们对于OFDM系统时间同步方法的研究主要集中于插入训练序列和叠加训练序列两个方向 上。ShuangTian 等人在〃Anovel timing synchronization method forAC0-0FDM-based optical wireless communications"IEEE Transactions on WirelessCommunications, 2008, 7 (12): 4958-4967文章中在 Schmidl> Minn、Park 三种经典算法的基础上提出利用反对称性进行训练序列构造，并提出三种可行的适用于AC0-0FDM系统标准的时间同步算法，这三种方法均是插入训练序列的时间同步方法。Chih-PengLi等人在 ^Super-1mposed Training Scheme for Timing and Frequency Synchronization inOFDM Systems"IEEE Transactions on Broadcasting, 2007，53 (2): 574-583文章中米用了在叠加训练序列的基础上利用接收信号包含的训练序列信息，并基于最大对数概似函数估计的时间同步方法，本方法是叠加训练序列的时间同步方法。虽然插入式训练序列时间同步算法能达到较好的同步性能，但这种同步方式存在训练序列独占发射机功率和频带资源，导致系统的发射机功率效率和频谱利用率均有所下降，且影响系统的传输速率的缺点。叠加训练序列时间同步算法将定时所需的训练序列整体叠加在数据符号之上，未独占频带资源，也不影响系统的传输速率，但是训练序列占用了原来分配给数据信息的功率资源，所以会对数据信息产生干扰，引起系统误码率的增大。如何在利用好叠加训练序列不占用功率及频带资源的优点的同时，又减少训练序列对数据信息的干扰，是目前亟待解决的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:在现有叠加训练序列时间同步方法中，如果训练序列仅叠加在OFDM循环前缀之上，因为循环前缀的长度有限，所以时间同步的准确性不高；如果训练序列叠加在OFDM符号的整个符号数据之上，因为训练序列占用了部分原本分配给该个OFDM符号数据的能量，所以会对数据信息产生很大的干扰。针对以上两种缺陷，本发明提出了一种新的叠加训练序列模式，利用接收信号中包含的训练序列信息与本地训练序列的相关性，并联合最大似然估计方法获取时间同步信息。新的叠加训练序列模式在确定循环前缀长度L和OFDM符号长度N的前提下，仅将训练序列部分线性叠加OFDM符号数据的后L个点上，减小对数据信息的干扰，有效降低系统的误码率。新的同步算法充分利用循环前缀信息，通过联合最大似然法则来判断同步，获得较高的同步正确率。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括:设计一种功率可调的部分叠加训练序列光OFDM系统时间同步系统，在单模光纤OFDM系统的基础上增加发射端叠加训练序列生成模块、接收端本地训练序列生成模块和接收端时间同步运算模块。发射端叠加训练序列生成模块生成标记时间同步位置的叠加训练序列；接收端本地训练序列生成模块生成与发射端叠加训练序列相同的，用于互相关运算的本地训练序列；接收端时间同步运算模块对叠加训练序列和本地训练序列进行互相关运算，并搜索最大值产生的位置以确定时间同步位置。发射端叠加训练序列生成模块中伪随机序列(PN序列)经过串并转换和星座映射后，送入埃尔米特对称变换子模块进行变换，变换后的序列T(k)满足:T(k) = [a，T(l)，…，T(N/2-l)，b，T*(N/2-l)，...，T*(1)]，k=0, I,…N_l，且 a，b 为实数，* 为共轭运算符。T(k)经快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)输出，并进行并串变换后，得到双极性的实数训练序列t(n)，然后将其部分线性叠加在OFDM符号s(n)的后L个符号上，前N-L个符号上不叠加训练序列，再添加循环前缀，形成最终的发送信号，其中，OFDM系统子载波数为N，循环前缀的长度为L。叠加了训练序列的OFDM符号表示为:
,、(//)，// = 0，1，".，./V_/ —I
An) = I 1--厂其中，e表示功率分配因
y1- (3s(n) + y]l3/(n +1- JV), n二 N-U-\
子，s(n)为叠加前的OFDM符号，t(n+L-N)为长度为L的实数训练序列。互相关运算时，通过对数概似函数e获取时间同步，根据公式:O = Mg max {A0}
f I 9+Z-lI
_3] = argmax j ^ (/(^)'(;*(++ r(^)))r 来确定时间同步位置。式中，一
0 k=dJ6
表示e的估计值，arg max {A,}表示使A 0的值最大时的参数0的取值，P表示一个OFDM
符号的功率，用作归一化处理，r(k)，r(N+k) 为相隔N点的两个接收信号序列，t(k)为本地训练序列。
本发明还提出一种功率可调的部分叠加训练序列光OFDM系统时间同步方法，其特征在于:发射端叠加训练序列生成模块生成标记时间同步位置的叠加训练序列，并将其部分线性叠加到OFDM符号的循环前缀及部分数据信息之上；接收端本地训练序列生成模块生成与发射端叠加训练序列相同的，用于互相关运算的本地训练序列；时间同步运算模块对叠加训练序列和本地训练序列进行互相关运算，并搜索最大值产生的位置以确定时间同步位置。因为强度调制直接检测(頂/DD)的单模光纤OFDM系统是通过强度调制的方式调制发送数据，信道仅能传输单极性实信号，为此选用一段具有优良自相关性的PN序列A，经串并转换和星座映射，将它进行长度与光OFDM系统相同点数的快速傅里叶逆变换(IFFT)，而后进行并串转换，成为训练序列B。要求训练序列B的长度M等于OFDM循环前缀的长度L，或者nM=L，n为大于等于I的整数。时间同步运算模块:通过观察接收信号连续两倍OFDM符号长度、一个OFDM循环前缀长度之和，即2N+L个采样点。让本地产生的训练序列与接收信号进行滑动相关运算，计算相关运算之和，再搜索最大值产生的位置，取得最大值时的滑动位置即为时间同步位置。本发明的有益效果:本发明的叠加训练序列模式在确定循环前缀长度L和OFDM符号长度N的前提下，仅将训练序列线性叠加在OFDM符号的后L个点和循环前缀L个点之上。因为叠加在循环前缀上的训练序列信息可以通过移除循环前缀进行消除，不会对数据信息产生干扰。相关运算时，却仍然可以用到该部分训练序列的全部信息。相当于使用两倍有用的同步信息时，对数据符号只引入了单倍的干扰，而且干扰仅限于OFDM数据符号的后L个点，对解调的影响极小。这使得叠加训练序列功率分配因子的选择具有很好的鲁棒性，系统可以根据需要更加灵活的选取合适的功率分配因子，在实际使用中，可实现在一定范围内随机调整部分置加的训练序列功率占比。
图1强度调制直接检测的单模光纤OFDM系统框图；图2功率可调的部分叠加训练序列的光OFDM系统时间同步系统框图；图3训练序列部分叠加方法与其它时间同步方法对比示意图；图4叠加功率分配因子及相关性运算观察窗口示意图；图5叠加训练序列功率分配因子与BER性能仿真图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施方式作具体描述。图1是强度调制直接检测(IM/DD)的单模光纤OFDM系统框图。IM/DD单模光纤OFDM系统主要由射频OFDM发射机，射频至光上变换器，光至射频下变换器和射频OFDM接收机四大模块构成。因为射频器件较相应的光学器件更成熟，所以这个系统将所须的信号处理大都放在射频域中实现。图2是上述系统加入了本发明的时间同步方案后的光OFDM系统框图，即功率可调的部分叠加训练序列的光OFDM系统时间同步方法框图。在图1的基础之上，在发射端增加叠加训练序列生成模块，在接收端增加本地训练序列生成模块，和时间同步运算模块。
叠加训练序列生成模块用以生成标记时间同步位置的叠加训练序列，该模块放在发射端添加循环前缀环节之前，部分线性叠加子模块将叠加训练与数据信号糅合在一起。接收端本地训练序列生成模块用以生成与发射端叠加训练序列相同的，用做互相关运算的本地训练序列，该模块的输出作为时间同步运算模块的两个输入信号之一，被用于与接收信号进行相关性运算。接收端时间同步运算模块用以进行相关性运算，并进行搜索最大值产生的位置以确定时间同步位置，本地训练序列和接收信号为本模块的两个输入信号，该模块的输出则反馈给系统接收端的去除循环前缀子模块，用于时间同步。在发射端叠加训练序列生成模块中，选用一段具有优良自相关性的伪随机序列(PN序列)A，先进行串并转换，再经过星座映射，进行埃尔米特对称变换，并进行长度与光OFDM系统相同点数的快速傅里叶逆变换(IFFT)，然后进行并串转换，成为训练序列B，要求训练序列B的长度M等于一个OFDM循环前缀的长度L，或者nM=L，n为大于等于I的整数。将训练序列叠加到OFDM循环前缀L个点及OFDM数据符号的后L个点上，而数据符号的前N-L个点上不叠加训练序列，且叠加到OFDM循环前缀L个点及OFDM数据符号的后L个点上的训练序列完全相同。用于标识同步位置的序列和用于互相关运算的序列，均需要与待传输的数据一
样，在经过串并转换后，进行星座映射，星座映射的方式取决于系统的需要，可采用BPSK、
QPSK、16QAM、64QAM等。星座映射后的数据应送入埃尔米特对称变换子模块进行对称
变换，变换后的序列 T(k)满足:T(k) = [a，T(l)，…，T(N/2-l)，b，T*(N/2-l)，…，T*(1)]，
k=0，1，…N-1，且a，b为实数，*为共轭运算符。T(k)经IFFT输出，并进行并串变换
后，得到双极性的实数训练序列t(n)，然后将其部分线性叠加在OFDM符号s(n)的
后L个符号上，前N-L个符号上不叠加训练序列，再添加循环前缀，形成最终的发送
信号。此叠加方案在后文结合图3详细说明。叠加了训练序列的OFDM符号表示为
权利要求
1.一种功率可调的部分叠加训练序列光OFDM系统时间同步系统，其特征在于:在单模光纤OFDM系统发射端增加叠加训练序列生成模块，在接收端增加本地训练序列生成模块，和时间同步运算模块；发射端叠加训练序列生成模块生成标记时间同步位置的叠加训练序列；接收端本地训练序列生成模块生成与发射端叠加训练序列相同的，用于产生互相关运算的本地训练序列；接收端时间同步运算模块对叠加训练序列和本地训练序列进行互相关运算，并搜索最大值产生的位置以确定时间同步位置。
2.根据权利要求1所述的时间同步系统,其特征在于:发射端叠加训练序列生成模块中，伪随机序列PN经过串并转换，星座映射，埃尔米特对称变换，变换后的序列T (k)经IFFT输出，并进行并串变换后，得到双极性的实数训练序列t(n)，然后将t(n)部分线性叠加在OFDM符号s (n)的后L个符号上，前N-L个符号上不叠加训练序列，再添加循环前缀，形成最终的发送信号。
3.根据权利要求1所述的时间同步系统，其特征在于:互相关运算时，通过对数概似函数e获取时间同步位置，根据公式:
4.根据权利要求2所述的时间同步系统，其特征在于，变换后的序列T(k)满足:T (k) = [a, T⑴，…，T (N/2-1)，b, T* (N/2-1)，…，T*⑴]，其中，OFDM系统子载波数为N，循环前缀的长度为L, k=0, I,…N-l, a, b为实数，*为共轭运算符。
5.根据权利要求2所述的时间同步系统，其特征在于:叠加实数训练序列后的OFDM符号表不为:
6.一种功率可调的部分叠加训练序列光OFDM系统时间同步方法，其特征在于:发射端叠加训练序列生成模块生成标记时间同步位置的叠加训练序列，并将其线性叠加到OFDM符号的循环前缀及部分数据信息之上；接收端本地训练序列生成模块生成与发射端叠加训练序列相同的，用于互相关运算的本地训练序列；时间同步运算模块对叠加训练序列和本地训练序列进行互相关运算，并搜索最大值产生的位置以确定时间同步位置。
7.根据权利要求6所述的时间同步方法，其特征在于:所述线性叠加具体为，将训练序列叠加到OFDM循环前缀L个点及OFDM符号的后L个点上，而OFDM符号的前N-L个点上不置加训练序列。
8.根据权利要求6所述的时间同步方法，其特征在于:发射端叠加训练序列生成模块中，伪随机序列PN经过串并转换，星座映射，埃尔米特对称变换，获得变换后的序列T (k)经IFFT输出，并进行并串变换后，得到双极性的实数训练序列t (n)，然后将其部分线性叠加在OFDM符号s (n)的后L个符号上，前N-L个符号上不叠加训练序列，再添加循环前缀，形成最终的发送信号，其中，OFDM系统子载波数为N，循环前缀的长度为L。
9.根据权利要求6所述的时间同步方法，其特征在于:互相关运算时，通过对数概似函数e获取时间同步位置，根据公式:
10.根据权利要求8所述的时间同步方法，叠加训练序列后的OFDM符号表示为:
全文摘要
本发明涉及一种功率可调的部分叠加训练序列光OFDM系统时间同步系统及方法，涉及光通信技术领域。本发明针对当前光OFDM系统同步性能低，对传输数据干扰大的缺陷，提出了一种新的叠加训练序列时间同步方法，充分利用循环前缀信息进行同步信息的获取。在循环前缀长度L确定的情况下，将训练序列线性叠加在OFDM符号的后L个采样点及循环前缀上，克服了叠加长序列时对数据的干扰。本方法时间同步正确率高，对OFDM数据干扰小，而且叠加训练序列功率分配因子的选取更加灵活。
文档编号H04L27/26GK103152312SQ20131009955
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者王汝言, 王钦波, 赵辉, 戈勇华, 吴大鹏 申请人:重庆邮电大学