一种IM/DD-OFDM无源光网络接收机的同步方法与流程

本发明涉及一种同步方法，特别是一种IM/DD-OFDM无源光网络接收机的同步方法。

背景技术：

为了应对高清视频、云计算等其他高带宽新兴业务，正交频分复用(OFDM)技术被引入到无源光网络(PON)中。OFDM PON具有高频谱效率、子载波分配灵活、抗色散等优势。其中强度调制直接检测(IM/DD)结构的OFDM PON非常适用于低成本PON应用。因此OFDM PON成为了下一代最具前景的接入网解决方案。

在基于OFDM技术的通信系统中，符号定时同步(STS)对系统的误码率(BER)性能有很大影响。若产生符号定时偏差(STO)则会引起符号间干扰(ISI)。对于这一问题，目前主流的方案是发送OFDM帧前先发送特定结构的同步训练序列，接收端做相关运算来检测幅度峰值，包括自相关运算和互相关运算。

自相关运算利用OFDM帧起始位置训练序列的重复结构，接收端通过两个长度相同的窗口对接收数据进行延迟自相关。只有在两个窗口与训练序列位置对齐时，会有较大的相关峰值，由此可索引出帧起始位置。而互相关不需带有重复结构的训练序列，通过一个窗口对接收数据与本地序列做互相关运算即可找到相关峰值。

上述两类相关方式中，由于IM/DD-OFDM PON系统中只传输实数信号，因此自相关运算会导致噪声叠加，难以产生尖锐的相关峰值。而互相关运算可以解决此问题，但是其相关峰值严重依赖于接收功率，这对接收机的帧起始位置判决带来了困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种IM/DD-OFDM无源光网络接收机的同步方法，避免了相关峰值受距离因素的影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种IM/DD-OFDM无源光网络接收机的同步方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：无源光网络接收机接收OFDM帧结构；

步骤二：对步骤一接收的OFDM帧结构进行相关运算；

步骤三：对步骤二计算结果做归一化处理，得到比例相对值。

进一步地，所述步骤一中OFDM帧结构包含循环前缀CP、同步训练序列和正交频分复用符号OFDM Symbol。

进一步地，所述同步训练序列包含幅度为a的双极性非归零码和连零，连零设置在双极性非归零码后面用于使接收端的互相关峰值幅度迅速衰减。

进一步地，所述步骤二具体为

对步骤一接收的OFDM帧结构进行相关运算：

其中，s(k)是在接收端存储的与双极性非归零码部分一样的序列，r(k)表示接收数据，N为滑动窗口大小，d和k分别代表当前时刻以及相关窗口内位置序号。

进一步地，当对应位置本地序列为1，累加项取接收数据本身；当本地序列为0，则累加项是接收数据的相反数。

进一步地，所述步骤三具体为

对步骤二的计算结果做归一化处理，得到比例相对值：

其中，N和m依次是平均窗口的大小和位置序号，d代表当前时刻。

进一步地，所述N取2的整数次幂。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明经过归一化的计算，从而避免了相关峰值受距离因素的影响，即：PON系统中不同距离用户导致的不同接收功率并不影响本项目开发的符号定时同步系统；

2、本发明的同步方法对传统的相关运算做了简化，由取相反数代替本地序列与接收数据乘法，可以在不损失接收数据幅度信息的同时降低算法在实时硬件系统中所占用的资源。

附图说明

图1是本发明的一种IM/DD-OFDM无源光网络接收机的同步方法的OFDM帧结构示意图。

图2是本发明的实施例的OFDM-PON的光纤传输实验结构示意图。

图3是本发明的实施例的不同光纤距离下的相关峰值示意图。

图4是本发明的实施例的相关峰值随光纤长度增加曲线示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种IM/DD-OFDM无源光网络接收机的同步方法，包含以下步骤：

步骤一：无源光网络接收机接收OFDM帧结构；OFDM帧结构包含循环前缀CP、同步训练序列和正交频分复用符号OFDM Symbol。在同步序列后面，添加OFDM符号(OFDM Symbol)信息。总长度与一个OFDM数据符号长度一致。同步训练序列包含幅度为a的双极性非归零码和连零，连零设置在双极性非归零码后面用于使接收端的互相关峰值幅度迅速衰减。

步骤二：步骤一接收的OFDM帧结构进行相关运算：

其中，s(k)是在接收端存储的与双极性非归零码部分一样的序列，r(k)表示接收数据，N为滑动窗口大小，d和k分别代表当前时刻以及相关窗口内位置序号。当对应位置本地序列为1，累加项取接收数据本身；当本地序列为0，则累加项是接收数据的相反数。上式中对相关运算做了简化，由取相反数代替本地序列与接收数据乘法。可以在不损失接收数据幅度信息的同时降低算法在实时硬件系统中所占用的资源。

步骤三：对步骤二计算结果做归一化处理，得到比例相对值：

其中，N和m依次是平均窗口的大小和位置序号，d代表当前时刻。由于互相关运算无法像自相关运算那样将相关结果除以接收数据功率，因此直接将后N个绝对相关结果的均值作为分母，求得比例相对值。其中N取2的整数次幂，可在硬件中用移位操作代替额外的除法运算，降低资源占用率。当比例相对值大于判决阈值，则当前数据为帧头同步训练序列第一个采样点，去除训练序列以及每个OFDM符号前的CP即可找到OFDM符号起始位置，完成同步。

下面通过具体的实施例对本发明做进一步说明：

图2展示的是OFDM-PON的光纤传输实验结构及相应的数字信号处理(DSP)操作。发送端添加帧前同步训练序列，接收端完成本文提出的比例符号位互相关STS。其中，OFDM-Transmitter:OFDM发射机；offline:离线数据处理部分；PRBS：伪随机二进制序列；QAM Mapping：正交振幅调制映射；Hermitian Symmetry：厄米特对称；IFFT：逆快速傅里叶变换，Add head：增加同步头；Add CP：增加循环前缀；AWG：任意波发生器；ECL：外腔激光器；MZM：马赫曾德尔调器制；VOA：可调节光衰减器；SSMF：标准单模光纤；OFDM-Receiver:OFDM接收机；PD：光电探测器；Oscilloscope：实时示波器；Symbol Time Synchronization：符号定时同步；Remove CP：移除循环前缀；FFT：快速傅里叶变换，Channel Estimation：信道估计，QAM demapping：正交振幅调制解映射。

进入标准单模光纤(SSMF)的功率由可调节光衰减器(VOA)固定衰减为0dBm，使后续实验条件保持一致。这里使用7km 24km30km三种长度的SMF模拟距离光线路终端(OLT)不同的光网络单元(ONU)。

如图3是信号经过0km、7km、24km和30km光纤后，测量的接收信号相关峰值结果。其中第一行为传统互相关运算得到的峰值，第二行是比例符号位互相关运算获得峰值。

图3中可看出，利用本项目提出方法，计算出的峰值幅度不受因传输距离不同引起的接收功率不一致的影响。接收机可以做到对传输距离透明的STS。

为了进一步验证STS算法的正确性，图4绘制了相关峰值随光纤长度增加的变化曲线，如图所示。从0km到30km的光纤传输，本文提出算法的峰值幅度仅衰减了1.98％，且解调星座图正确，证明后端DSP操作是在准确找到每个OFDM符号起始位置的前提下完成的。其中，Length of optical fiber：光纤长度；Peak amplitude:相关峰值。Pr(dBm)：不同光纤距离对应的接收光功率，对应点插入该光纤距离下的信号星座图。

PON广泛用于用户网络接入和工业控制、视频监控等需要多点传输的场合。基于OFDM技术的PON系统可以应对当前多种复杂业务的高带宽传输、灵活调度资源的需求。符号定时同步技术是OFDM PON物理层接收机内第一步DSP操作，只有准确找到接收数据帧起始位置，才有可能正确恢复原始数据。IM/DD-OFDM PON结构简单，具有较低成本，适合广泛部署。本发明设计的PS-CC STS算法解决了IM/DD-OFDM PON系统中由于节点间距离不一致，接收功率差异较大，可能导致的数据帧起始位置误判的问题。

本发明归一化的计算结果避免了相关峰值受由于距离不同引起的接收功率不一致的影响。经过实验证明，该算法可以在信号经过不同距离光纤传输后准确找到OFDM符号起始位置。由于其结构简单，复杂度较低，适用于基于现场可编程门阵列(FPGA)的实时OFDM PON系统。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。