應(yīng)用于直接檢測光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的 定時同步設(shè)計

王錦仁

摘? 要： 傳統(tǒng)的檢測方法在檢測光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時同步這一問題上，花費的檢測時間過長，成本過高。針對上述問題，設(shè)計一種新的檢測技術(shù)，該檢測技術(shù)可以應(yīng)用于光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的直接檢測中。檢測技術(shù)由兩步組成，首先進行光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的信道同步直接檢測，通過噪聲補償輔助判斷信道是否同步;然后進行光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的時間頻率同步直接檢測，計算出各子載波的相位旋轉(zhuǎn)，由計算結(jié)果確定檢測結(jié)果;最后實現(xiàn)定時同步檢測。為檢測方法效果，與傳統(tǒng)檢測技術(shù)進行實驗對比，結(jié)果表明，給出的應(yīng)用于直接檢測光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時同步技術(shù)可以在短時間內(nèi)精準地檢測出光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)是否定時同步，檢測成本更低，該技術(shù)值得大力推廣使用。

關(guān)鍵詞： 定時同步檢測; 光正交頻分復(fù)用系統(tǒng); 直接檢測; 信道同步; 時間頻率同步; 對比驗證

中圖分類號： TN913?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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)利用物理層進行多載波調(diào)制技術(shù)傳輸，對同步誤差非常敏感，易受到碼干擾和信道間干擾，可能嚴重損害系統(tǒng)性能，甚至引起整個系統(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同步技術(shù)支撐，該技術(shù)對于頻率偏差要求極高，并需與頻率同步技術(shù)同時進行[3]。光纖信道的損傷時刻影響著高速信號的傳輸，在完成數(shù)據(jù)傳輸后，要對信道的損傷進行估計，檢測光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時同步情況。本文研究同步算法和信道估計算法，設(shè)計了應(yīng)用于直接檢測光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的信道同步技術(shù)和應(yīng)用于直接檢測光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的時頻同步技術(shù)。

1? 信道同步技術(shù)設(shè)計

信道同步是從前面的光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)信號推出信道轉(zhuǎn)移函數(shù)，其用于信道均衡。而用于直接檢測光正交頻分復(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，接收機計算初始值，用于信道轉(zhuǎn)移矩陣使用;接收端根據(jù)初始信道矩陣進行信道均衡，對所得結(jié)果進行判決，并反饋到估計模塊，作導(dǎo)頻使用，掌握當前信號狀態(tài)，利用估計值進行均衡與調(diào)制，同時獲得新估計值，循環(huán)進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，信道估計計算無論使用哪種算法都會以判決值為導(dǎo)頻，反饋給估計器，避免持續(xù)出錯[5]。信道估計的判決反饋在初始階段須有導(dǎo)頻序列，一步步實時跟蹤信道數(shù)據(jù)變化。當判斷錯誤出現(xiàn)時，信道估計也會出現(xiàn)問題，要想信道估計算法效果發(fā)揮到最好，需確保判決無誤[6]。

檢測信道同步，還需噪聲補償輔助[7]。光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)一旦工作時間過長，光正交頻分復(fù)用會與相位噪聲產(chǎn)生反應(yīng)，在用光正交頻分復(fù)用傳輸系統(tǒng)進行檢測時，由于發(fā)送的載波和數(shù)據(jù)會離散導(dǎo)致相位噪聲出現(xiàn)，信道檢測時惡化，調(diào)制誤碼率升高，此時進行噪聲信號檢測最佳[8]。

2? 時間同步技術(shù)設(shè)計

在完成信道檢測后，對光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的時間進行檢測[9]。子載波數(shù)與寬帶較寬對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)用信號發(fā)生敏感反應(yīng)，出現(xiàn)光纖色散不足，為估計出傳輸信道的狀態(tài)，需有效補償光纖色散，在發(fā)射端發(fā)射OFDM符號時，間接性加入導(dǎo)頻符號。時間頻率填充幀如圖3所示。

通過接收端計算出各子載波的相位旋轉(zhuǎn)，將發(fā)送端加入導(dǎo)頻符號就可獲得子載波的相位旋轉(zhuǎn)，根據(jù)其他的OFDM符號數(shù)量再分別補償給每個子載波一個相位旋轉(zhuǎn)，大小約等于所有子載波對應(yīng)的相位旋轉(zhuǎn)值相反數(shù)。通過光纖通信系統(tǒng)的色散特性，加入兩個導(dǎo)頻補償光纖就可實現(xiàn)[10]。時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，將接收信號乘以訓(xùn)練序列進行消除;然后，利用CAZAC序列頻率進行偏移估計;最后，利用多徑衰落信道途徑并結(jié)合重復(fù)序列的頻率進行高度分析。據(jù)此建立定時同步檢測框，完成直接檢測。定時同步檢測如圖5所示。

定時同步檢測時，先對符號是否粗同步進行判斷，分析保護間隔中所帶的冗余信息，進行相關(guān)計算，采用的算法為最大似然估計算法，通過該算法得到符號正確起始位置，在時域、頻域中同時檢測頻率是否同步，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，可選取相鄰的兩個頻域進行估計，在確保頻域正常時，進行符號細同步，由此實現(xiàn)定時同步估計。

3? 實驗研究

3.1? 實驗設(shè)計

為檢測本文同步技術(shù)的有效性，與傳統(tǒng)應(yīng)用于直接檢測光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時同步技術(shù)設(shè)計實驗對比。其中，實驗參數(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)同時檢測一個分析對光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的定時同步情況。

3.2? 實驗結(jié)果

1） 檢測時間對比

檢測時間對比如圖6所示，隨著頻率偏移增加，檢測時間也逐漸增加。

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

2） 檢測成本試驗測試

檢測成本試驗測試如表2所示。

根據(jù)表2可知，本文研究的檢測技術(shù)檢測成本遠遠低于傳統(tǒng)技術(shù)檢測成本。當頻率偏移上升5 dB時，傳統(tǒng)檢測技術(shù)成本就會增加200 000元，而本文檢測技術(shù)成本增加150 000元，更加經(jīng)濟實用。

3） 檢測結(jié)果準確率對比

檢測結(jié)果準確率如圖7所示。分析圖7可知，當檢測時間為1 s時，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測準確率為92.18%，本文技術(shù)的準確率為95.21%;當檢測時間為3 s時，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測準確率為92.45%，本文技術(shù)的準確率為98.62%;當檢測時間為5 s時，傳統(tǒng)技術(shù)的檢測準確率為92.00%，本文技術(shù)的準確率為99.46%，準確率更高。

3.3? 實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗結(jié)果，得到如下實驗結(jié)論：傳統(tǒng)的定時同步檢測技術(shù)和本文研究的定時同步檢測技術(shù)都能夠?qū)庹活l分復(fù)用系統(tǒng)進行檢測，但傳統(tǒng)技術(shù)檢測時間過長，成本過高，且得到的檢測精準度難以滿足大眾要求，本文研究的檢測技術(shù)同時從信道、時間、頻率三方面有效縮短檢測時間，降低檢測成本，提高檢測精度，具有很強的工作能力。

4? 結(jié)? 語

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

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