一种适用于PON系统的多用户双频段收发机设计方法

一种适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法
技术领域
1.本发明涉及光通信的技术领域，尤其涉及一种适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法。


背景技术：

2.随着5g和大数据的时代的到来，高清晰度音视频、数据流、云数据存储/计算等多种互联网应用对数据传输容量的巨大需求日益迫切。具有大容量和高频谱效率的光通信系统成为中短距离场景的研究热点，其中无源光网络(passive optical network，pon)被认为是一种很有前途的候选方案。而正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)无源光网络由于具有频谱效率高、抗色散能力强、星座调制格式灵活、成本低等特点，吸引了越来越多的研究者。考虑到低成本和低复杂性的要求，与相干系统相比，强度调制和直接检测(intensity modulation direct detection,imdd)系统目前更适合满足这些需求，因此在下一代光接入网中的应用得到了广泛的研究。
3.为了提升单频段光ofdm系统的传输容量，组件带宽必须与网络总容量成比例增加，这需要昂贵的宽带组件，所以单频段光ofdm系统的成本较高，无法满足用户的性价比需求。采用双频段来代替单频段，多个ofdm信号在电域中被频分复用，可以有效提高光ofdm系统容量。一方面，在双频段光ofdm系统中，数模转换/模数转换上的带宽要求仅由子带带宽决定，不再依赖系统总的传输容量，这种可对组件进行灵活选择的方案，适用于对成本约束要求严格的系统。另一方面，双频段光ofdm系统可以通过降低数字信号处理的复杂度来降低收发器设计的复杂度，而数字信号处理复杂度的降低与逆快速傅里叶变换和快速傅里叶变换特别相关，因为处理单个子带所需的ifft/fft算法的输入大小与子带的数量成反比。此外，双频段子载波调制技术也实现了光ofdm系统的高速率传输。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明提供了一种适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法，能够灵活调节系统的传输容量，避免了收发机复杂度的增加。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，一种适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法，其特征在于：包括，对四用户的伪随机二进制序列进行16qam编码及串并转换，获得n个子载波；对所述n个子载波进行三次快速傅里叶逆变换，输出复值子载波；将复值子载波信号分i、q两路并行传送至发送机数字信号处理模块，通过所述发送机数字信号处理模块产生a路电信号和b路电信号，并通过理想光强度调制器分别对所述a路电信号和b路电信号进行电光转换，获得a路光信号和b路光信号；利用25km标准单模光纤
将所述a路光信号和b路光信号传输至pin光电探测器，通过所述pin光电探测器获得c路电信号和d路电信号；对所述c路电信号和d路电信号进行过降噪处理，而后将降噪处理得到的信号输入至接收机数字信号处理模块；将接收机数字信号处理模块输出的信号进行三次快速傅立叶变换，而后进行16qam解码，恢复原始的四用户数据；其中，i路是复值子载波信号的实数部分，q路是复值子载波信号的虚数部分。
8.作为本发明所述的适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法的一种优选方案，其中：所述串并转换包括，设计承载数据的子载波数为32，将1组串行数据改为32组并行数据。
9.作为本发明所述的适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法的一种优选方案，其中：快速傅里叶逆变换的变换规则包括，
10.a
n
+b
n
11.其中，a
n
和b
n
分别代表子载波{a}和{b}的第n个元素，n＝0,1,
…
,n
‑
1；
[0012][0013]
其中，n＝n,n+1,
…
,2n
‑
1。
[0014]
作为本发明所述的适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法的一种优选方案，其中：所述发送机数字信号处理模块包括，利用所述发送机数字信号处理模块对所述复值子载波信号进行循环前缀插入、数模转换、过采样和上变频处理。
[0015]
作为本发明所述的适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法的一种优选方案，其中：所述降噪处理包括，过滤、下变频、降采样和模数转换。
[0016]
作为本发明所述的适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法的一种优选方案，其中：所述接收机数字信号处理模块包括，利用所述接收机数字信号处理模块对所述降噪处理得到的信号进行循环前缀去除、信道估计与均衡处理。
[0017]
作为本发明所述的适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法的一种优选方案，其中：所述快速傅立叶变换包括，
[0018][0019][0020]
其中，s
′
n
和s
′
2n
‑1‑
n
分别表示快速傅立叶变换输出的第n个和第(2n
‑1‑
n)个双频段光ofdm系统子载波。
[0021]
作为本发明所述的适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法的一种优选方案，其中：还包括，利用matlab随机生成四用户的伪随机二进制序列。
[0022]
本发明的有益效果：本发明采用多用户并行传输来代替单一用户的串行传输，可以有效提高光ofdm系统的数据传输速率，四用户双频段光ofdm在25km ssmf
‑
imdd
‑
pon系统上支持4*20.85gbit/s的高速率信号传输；采用双频段光ofdm方法替代单频段光ofdm的方
法，降低了收发机设计的复杂度，在完成同等大容量传输的情况下，多用户双频段光ofdm能够有效节约组件，从而节约整个pon系统成本；且具有很高的灵活性，能够根据用户的需求来自由调节用户个数，同时提升传输容量。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0024]
图1为本发明第二个实施例所述的一种适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法的四用户双频段光ofdm imdd pon传输系统示意图；
[0025]
图2为本发明第二个实施例所述的一种适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法的25km ssmf imdd pon系统四个用户的ber与接收光功率的关系曲线示意图。
具体实施方式
[0026]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0027]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0028]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0029]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0030]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0031]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0032]
实施例1
[0033]
提高系统收发机的灵活性，也是在降低系统复杂度之外的另一个研究重点；本发
明采用多用户oofdm系统，通过增加用户的个数来灵活调节系统的传输容量，避免了收发机复杂度的增加。
[0034]
本实施例提供了一种适用于pon系统的多用户双频段收发机设计方法，包括：
[0035]
s1：对四用户的伪随机二进制序列进行16qam编码及串并转换，获得n个子载波。
[0036]
在发送机中，利用matlab随机生成四用户的伪随机二进制序列，接着根据承载数据的子载波数设定进行串并转换，本实施例设定承载数据的子载波数为32，因此将1组串行数据改成32组并行数据。
[0037]
s2：对n个子载波进行三次快速傅里叶逆变换，输出复值子载波。
[0038]
由于每次ifft变换只能输入两组数据，所以四用户系统需要进行三次ifft变换。
[0039]
其中，快速傅里叶逆变换的变换规则为：
[0040]
a
n
+b
n
[0041]
其中，a
n
和b
n
分别代表子载波{a}和{b}的第n个元素，n＝0,1,
…
,n
‑
1；
[0042][0043]
其中，n＝n,n+1,
…
,2n
‑
1。
[0044]
s3：将复值子载波信号分i、q两路并行传送至发送机数字信号处理模块，通过发送机数字信号处理模块产生a路电信号和b路电信号，并通过理想光强度调制器分别对a路电信号和b路电信号进行电光转换，获得a路光信号和b路光信号。
[0045]
其中，i路是复值子载波信号的实数部分，q路是复值子载波信号的虚数部分。
[0046]
利用发送机数字信号处理模块对复值子载波信号进行循环前缀插入、数模转换、过采样和上变频处理，其中，循环前缀系数为12.5％，数模转换的采样率为12.5ghz/s、位分辨率为11bits和限幅率为15db，过采样率为100ghz/s；
[0047]
a路信号的射频频率为25ghz/s，b路信号的射频频率为37.5ghz/s。
[0048]
s4：利用25km标准单模光纤将a路光信号和b路光信号传输至pin光电探测器，在接收机中，通过pin光电探测器获得c路电信号和d路电信号。
[0049]
s5：对c路电信号和d路电信号进行过降噪处理，而后将降噪处理得到的信号输入至接收机数字信号处理模块。
[0050]
考虑散粒噪声和热噪声的影响，本实施例采用带通滤波器进行过滤，并进行下变频、降采样和模数转换的后续降噪处理。
[0051]
其中，下变频是将c路电信号25ghz和d路电信号37.5ghz重新变成基带信号0ghz，降采样是将过采样率100ghz/s恢复原样，设置模数转换的采样率为12.5ghz/s、位分辨率为11bits和限幅率为15db。
[0052]
进一步的，利用接收机数字信号处理模块对降噪处理得到的信号进行循环前缀去除、信道估计与均衡处理。
[0053]
其中，均衡处理是将时域变成频率，在频率内采用ls算法，再恢复到时域。
[0054]
s6：将接收机数字信号处理模块输出的信号进行三次快速傅立叶变换，而后进行16qam解码，恢复原始的四用户数据。
[0055]
其中，快速傅立叶变换的规则为：
[0056][0057][0058]
其中，s
′
n
和s
′
2n
‑1‑
n
分别表示快速傅立叶变换输出的第n个和第(2n
‑1‑
n)个双频段光ofdm系统子载波。
[0059]
较佳的是，本实施例采用双频段光ofdm方法替代单频段光ofdm的方法，降低了收发机设计的复杂度。
[0060]
实施例2
[0061]
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例通过仿真验证本方法所具有的真实效果。
[0062]
如图1所示，在matlab软件中，进行收发机信号的调制与解调、处理的模拟仿真，其过程按照图1所示流程进行；在由vpi光通信仿真软件提供的标准单模光纤仿真模型上进行25km光纤模拟传输；在仿真实施过程中所涉及的参数设置如表1所示。
[0063]
表1：收发机和传输系统参数。
[0064]
参数值ifft/fft总点数64承载数据的子载波数32调制格式16qam伪随机二进制序列长度500,000bits循环前缀12.5％dac&adc采样频率12.5ghz/sdac&adc位分辨率11bits限幅率15db过采样率100ghz/si信道射频频率25ghz/sq信道射频频率37.5ghz/spin探测器灵敏度
‑
17dbmpin响应度0.8a/w1550nm处的ssmf色散斜率0.07ps/nm/km线性光纤衰减0.2db/kmkerr系数2.35
×
10
‑
20
m2/w
[0065]
如图2所示，可以看到：随着接收光功率的增加，四个用户的ber曲线呈下降趋势；用户1与用户2的曲线基本重合；相比用户1和用户2，用户3和用户4分别具有约9db和17db的接收光功率增益。
[0066]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。