專利名稱：：一種抗色散的光ofdm接收方法及裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明設計涉及一種抗色散的光OFDM接收方法及裝置，屬于光通信領域，尤其涉及光的正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex,OFDM)傳輸領域。
背景技術：
：作為一種多載波傳輸模式，OFDM技術通過將一組高速傳輸的數據流轉換為一組低速并行傳輸的數據流，使得采用OFDM技術的光通信系統(tǒng)對色散、偏振模式色散等的敏感度大大降低，而OFDM符號中循環(huán)前綴(CP)的引入，又進一步增強了OFDM通信系統(tǒng)的抗色散等的能力。除此之外，OFDM通信系統(tǒng)的帶寬利用率高，實現簡單等特點使OFDM技術在光通信領域，尤其是100Gbit/s以上的高速光通信領域具有非常美好的應用前景。在高速光的OFDM系統(tǒng)，雖然采用CP可以增強抗色散能力，但作用也是有一定限度的，尤其是高速光系統(tǒng)(比如，100Gbit/s)中色散問題就更加嚴重，這主要是因為色散等對系統(tǒng)的影響以數據的速率平方關系增加，因此必須對色散進行補償。首先，數據速率翻倍將導致信號傅立葉變換頻譜寬度翻倍，從而使色散效應翻倍；其次，數據速率翻倍使得數據脈沖的時域寬度減半，也導致對色散引起的脈沖展寬的敏感度翻倍。更寬的頻譜和更小的脈沖寬度一起導致了整個二次方效應。比如說，對于標準單模光纖，信號波長為1550nm，色散系數D=17ps/(nm*km)，10Gbit/sIM-DD系統(tǒng)在出現明顯的功率代價前，最大傳輸距離為52km，而100Gbk/S系統(tǒng)未補償的色散導致的最大傳輸距離更加的小，因此必須在判決前進行色散補償。目前可以采用方法主要是兩種光域補償和電域補償，光域補償雖然效果好，但是控制復雜；而電域補償以其實現簡單，算法靈活等特點，越來越受到重視，尤其是光的OFDM系統(tǒng)，普遍釆用電域補償。目前，通信系統(tǒng)的最佳檢測技術是維特比(viterbi)算法實現極大似然序列估計(MaximumLikelihoodSequenceEstimate,MLSE)，它是對整個碼元序列進行均衡和判決，實踐和理論分析表明，采用MLSE可以取得比其他方式更好的結果。自從Forney用viterbi算法實現MLSE均衡后，MLSE己經成為一項重要的均衡技術廣泛地應用在通信的各個領域。但是這個算法在實用中存在幾個很嚴重的問題(1)光接收機中的噪聲不再是對稱的高斯白噪聲，而是非中心的chi-square(/)分布，不能在用最小歐式距離進行概率密度函數(PDF)的極大似然比較；(2)viterbi算法是以保留各個路徑有共同的初始部分才有判決輸出的，既判決要經過一段時間的延時，所以存在一個隨機性延時的問題；(3)算法要求網格(Trellist)圖中的每一個節(jié)點有兩個存儲器，一個用來存儲到達該點的相對最佳路徑的極大似然函數值，另一個是用來存儲到達該節(jié)點的相對最佳路徑。這就需要很大容量存儲空間來存儲，而且隨狀態(tài)數和輸入數據序列長度增加而急劇增加，同時也存在一個把存儲空間選定多大的問題。因此將其應用在高速光通信系統(tǒng)，特別是100Gbit/s系統(tǒng)存在很大實現困難。本發(fā)明主要是針對光的OFDM系統(tǒng)中的色度色散(以下簡稱色散)問題，結合OFDM信號的自身特點，采用電域補償方式，聯合頻域色散相移補償和基于直方圖估計的逐符號的極大似然軟判決，提供一種抗色散的接收機方案來解決色散引起的相移和干擾，大幅提高接收系統(tǒng)的性能，有效地在光的OFDM接收機系統(tǒng)中消除色散導致的信號損傷。本發(fā)明消除色散的影響的方法包括兩個步驟首先使用訓練序列得到光信道的OFDM各個子載波的相位偏移，形成各個子載波相移的補償表，并對輸入的各個子載波進行色散補償；然后送入逐符號極大似然判決器中，判決器首先使用直方圖進行概率密度估計，得到每一個符號的概率密度函數(PDF),然后進行逐個符號的極大似然軟判決。步驟一色散致相移補償光脈沖在單模光纖內的傳輸薛定諤方程中，如果僅考慮色度色散的影響，不考慮衰減和非線性效用，則時域內可以表示為，1Q勿1.o勿其中v為電場的復包絡，A和A分別為群速度色散系數和三階色散系數。對上式兩邊的"(z,r)進行傅立葉變換得到"，得到
發(fā)明內容(^7>te，為入射場"(o,r)的傅立葉變換。由上式可知，p^,;(=pto,〗，色度色散改變了脈沖的每個頻譜分量的相位，改變量依賴于頻率和傳輸距離，但是不影響脈沖頻譜，但它卻可以改變脈沖的形狀。通過色散公式可知，接收到的第i個OFDM符號的第k個子載波數據可以表示為p=l……乂OFDM符號(symbol)數目h=X'*A.eXP(M)+&^=1……OFDM子載波(subcairiers)數目3^為接收到的第i個OFDM符號的第k個子載波上的數據，x,-,為發(fā)送的第i個OFDM符號的第k個子載波上的數據，A是由色散引起的相位移動，是加性噪聲。若不考慮加性噪聲，則其中，相位移動％可以表示為%=exp^72叫2z+士/A叫'、由上式可見，此相位移動只與脈沖傳輸長度z和相應的子載波頻率A有關，當光纖鏈路長度確定以后，接收端各個子載波所對應的相移基本上與子載波頻率叫對應。由于各個子載波的相移不同，這樣可以引起子載波間干擾(ICI)，嚴重影響系統(tǒng)性能；同時可以看到，只要得到每個子載波所對應的相移分量^，就可以把色散導致的相移分別的補償回來?；诖嗽?，我們提出首先使用訓練序列估計每個子載波上的相應的相移(^，然后對每一個子載波的數據分別進行補償，來抗ICI，發(fā)送足夠長的數據序列來估計OFDM信號各個子載波的對應相移，比如第k個子載波的估計相移為—1》〖p=l……MOFDM符號(symbol)數目A=^^^arg0;*)_arg(X*"|^=1……iV,OFDM子載波(subcarriers)數目其中，^為發(fā)送的訓練序列的OFDM符號的總個數，arg(.)是求信號符號的相角，&為接收到的第i個OFDM符號的第k個子載波上的數據，x,t為發(fā)送的訓練序列中第水OFDM符號的第k個子載波上的數據。由于色散僅與對應子載波的叫有關，因此對每一個子載波的色散致相移取^.個符號的均值來估計來消除干擾。此方法估計準確的條件是保證訓練數據序列的數量足夠多。訓練序列估計完各個子載波上相應的相移后，得到每一個子載波相移的估值表，可以對接收到OFDM各個子載波上的數據進行相應的色散相移補償，實現算法為—p=l……iV(OFDM符號(symbol)數目&=>Vexp(-^=i……OFDM子載波(subcarriers)數目乂,為接收到的第i個OFDM符號的第k個子載波上的數據，&為對發(fā)送的第OFDM符號的第k個子載波上的估計值，％是估計得到的色散致相移。步驟二逐符號的極大似然軟判決由乂f^A.exp(/^)可知，僅僅估計相移^還是不夠的，要恢復&還要知道信道響應&，但是這是OFDM系統(tǒng)中的一個難點，目前效果最好的估計判決方法是viterbi實現的MLSE算法，但是對于高速光通信系統(tǒng)，尤其是100Gbit/s以上的光系統(tǒng)，viterbi算法面臨前述實現困難，因此我們這里采用易實現、耗費資源很少的逐符號的極大似然判決?；舅枷胧羌俣–P已經補償了OFDM符號間干擾(ISI)，子載波相移外補償部分對抗ICI,所以在后續(xù)的判決中，只需要對單個符號進行判決就可以了。對接收的信號符號A計算其后驗條件概率密度，即當發(fā)送信號為、時，接收符號凡的概率密度為P(x"I凡)，從有限多個可能的發(fā)送信號中選取使得后驗條件概率密度(MAP)最大的那個作為對發(fā)送信號的估計。由貝葉斯規(guī)則如果每一個符號等概率發(fā)送，則所有發(fā)送的符號尸(x")相等，由于信道噪聲的隨機性，導致所有接收符號等概率出現，即所有尸oo相等。于是當尸(凡l、)取得最大時，后驗概率P(Al凡)也取得最大。P(AlJcJ表示己知發(fā)送信號的條件概率密度。但是在光傳輸系統(tǒng)中，信號與噪聲(主要是放大器的自發(fā)輻射(ASE)噪聲，與信號相比，頻譜很寬，可以視為加性高斯白噪聲)經過帶通光濾波器后進入光接收機，其中光電二極管完成光電轉換，即將光功率轉化為電流，這個過程對于光場而言是非線性過程，再經過光電濾波，ASE噪聲不再是高斯的，若仍然采用高斯近似算法(如歐氏距離)來估算尸OJxJ，會產生很大的誤差。其分布為非中心的chi-square()分布，若令凡=、+~，x"為電域初始傳輸信號，^為ASE噪聲在電域采樣值，凡為電域接收值。則k條件概率密度函數(PDF)為見12exp0乂見vV。與ASE光域噪聲功率有關，M是光濾波器帶寬和信號速率決定的chi-square分布自由度參數，/^(0是第一類m階修正貝塞爾函數。由上式可知，此分布是一個非對稱概率分布，而且與發(fā)送信號相關，導致進行理論計算十分困難。所以我們首先通過直方圖的方法估計PDF分布，得到符號的PDF查找表(Lookuptable)，然后通過査找表得到每個符號的概率密度函數U凡U)，取其中最大值作為估計得到的輸入符號。其中査找表是關鍵功能單元，關系到估計的準確與否。本算法首先采用訓練序列進行直方圖的y;卜.(凡l、)估計，當接收信號序列足夠長時，根據接收信號的統(tǒng)計特性得到的直方圖可以認為是近似的概率密度函數曲線。其原理是計數器統(tǒng)計發(fā)送序列中每一個符號的個數，同時記錄每一個符號的對應的接收采樣值，接收信號的采樣被劃分為多個數值區(qū)間，計算各個采樣值在劃分的采樣區(qū)間的出現的概率，當訓練序列足夠長時，每一個采樣區(qū)間的概率值就是查表中需要的似然PDF函數值。查找表的結構如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>)得到查找表后，進行符號判決。首先根據輸入的符號數據的采樣值，確定其所屬的采樣區(qū)間，也就是確定在査找表中的列地址(即確定此時輸入對應那個凡》。然后查表得到每一個輸入符號的相應估計概率密度值，取其中最大PDF所對應的符號作為接收符號的估計值，即上式中，^為接收的采樣值，x(meM，M為輸入符號總數)為所有可能的輸入符號，/0^l&)為對應的查表值，￡為對輸入符號的估計判決值。査找表中的初始參數首先通過訓練序列得到，在隨后的判決算法的運行中，不斷根據判決輸出進行自動更新，使本算法具有自適應調整的能力，更新得到的新值可以表示為入=(1一義)/;+義.義^更新前的PDF值，/符號判決后的得到的PDF值，義為在表更新過程中新值的權重。圖l:應用本發(fā)明接收機方案的OFDM系統(tǒng)總體框架示意圖，其中虛線框內是本發(fā)明接收機；圖2:本發(fā)明提供的接收機內部基本結構示意圖，由虛線框所示兩部分組成；圖3:本發(fā)明提供的接收機中色散導致相移補償部分的結構示意圖4:本發(fā)明提供的接收機中逐符號判決部分的結構示意圖5:本發(fā)明提供的接收機內部結構具體實現圖，由虛線框所示兩部分組成；圖6:本發(fā)明提供的接收機中補零(Zero-Padding)后數據子載波(128個)色散導致相移補償圖；實驗條件相干光CO-OFDM系統(tǒng)，比特率100Gbit/s，光纖長度L=50km，激光器線寬Av=100kHz，信噪比OSNR^40dB,插入循環(huán)前綴CP=6.25%，子載波數為256(128進行補零(Zero-Padding))，子載波調制格式16QAM;圖7:在圖6所述實驗條件下，相移補償前16QAM星座圖；圖8:在圖6所述實驗條件下，相移補償后16QAM星座圖9:在圖6所述實驗條件下，逐符號判決部分的直方圖估計得到的16QAM的實部的概率密度函數曲線；圖10:在圖6條件下，逐符號判決部分的直方圖估計得到的16QAM的實部的"-3"的概率密度函數曲線；圖ll:本發(fā)明提供的接收機傳輸仿真實驗誤碼率(BER)與光纖傳輸長度的關系曲線，實驗條件相干光CO-OFDM系統(tǒng)，比特率為100Gbit/s，光纖為標準單模光纖(S-SMF)，激光器線寬Av-100kHz，信噪比OSNR=40dB，插入循環(huán)前綴CP=6.25%,子載波數256(128補零(zero-padding))，子載波調制格式16QAM;具體實施例方式下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例也僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明實施例適用于100Gbit/s光的相干OFDM接收系統(tǒng)(CO-OFDM)調制解調系統(tǒng)。圖1為OFDM系統(tǒng)的結構示意圖。100Gbit/s的二進制數據序列首先經過16QAM調制(在所發(fā)送的二進制序列里要包含一定數量的訓練序列)，然后進行數據補零(zero-padding)形成保護間隔，然后經過反傅立葉變換(IFFT)和加循環(huán)前綴(CP)運算得到電域OFDM信號，再經過數字/模擬轉換、IQ調制器后調制到光域，得到相干光OFDM信號。發(fā)射機發(fā)送的相干光信號經過光纖傳輸到接收機后，經過IQ解調器和模擬/數字轉換后得到電域信號，再經過去CP、傅立葉變換(FFT)和去除補零值(zero-padding)后送入本接收機部分。圖2為本發(fā)明算法實現基本結構示意框圖。整個算法由色散相移補償模塊202和極大似然軟判決模塊201組成，色散相移補償模塊202主要是完成色散致相移的補償。首先由訓練序列估計得到每一個子載波的相移，得到相移査找表，然后根據查找表對接收的每一個子載波數據進行補償。202由兩部分相移估計算法206和相移補償算法205。極大似然軟判決模塊201主要是完成色散相移補償后的符號判決。這部分首先由訓練序列估計得到每一個符號的概率密度函數(PDF)，得到PDF査找表，然后根據查找表對接收的每一個符號數據進行判決。201由兩部分PDF估計算法204和符號判決算法203。圖3為本發(fā)明算法中色散相移補償模塊202的結構示意框圖，由三部分組成。302為色散相移估計算法模塊，由訓練序列數據進行OFDM信號的各個子載波的相移估計，實現算法其中，A^為發(fā)送的訓練序列的OFDM符號的總個數，arg(.)是求信號符號的相角，&為接收到的第i個OFDM符號的第k個子載波上的數據，x,,為發(fā)送的訓練序列中第i個OFDM符號的第k個子載波上的數據。303為302模塊估計得到的相移補償表，存儲的是OFDM每一個子載波都對應一個相移補償值^。301為根據303的相移查找表進行子載波色散補償算法模塊。實現算法A為接收到的第i個OFDM符號的第k個子載波上的數據，^為對發(fā)送的第i個OFDM符號的第k個子載波上的估計值，％是估計得到的色散致相移。。圖4為本發(fā)明算法中逐符號極大似然軟判決模塊201結構示意框圖，由五部分組成。405為PDF估計算法模塊，本部分為軟判決的關鍵部分。實現如下根據輸入的訓練序列，采用直方圖方法統(tǒng)計估計算法來模擬符號的概率密度函數。404為由405估計得到符號PDF査找表，列為符號采樣區(qū)間，行為符號值。401為極大似然判決算法，根據404進行判決的實現算法如下式中，；^為接收的采樣值，xm(meM，M為輸入符號總數)為所有可能的輸入符號，/(Xjxj為對應的查表值，^為對輸入符號的估計判決值。402為自適應PDF估計算法，使本算法具有自適應能力，根據401判決的輸出，利用405算法估計得到最新的PDF分布。403為更新PDF査找表的算法，由402估計得到的最新的PDF值對查找表進行更新。實現算法如下義)入+義.義外=IZ{arg(h)—arg(x*)}/=1……K.OFDM符號(symbol)數目&=1……OFDM子載波(subcarriers)數目,m-exp(-M)7V、.OFDM符號(symbol)數目A^OFDM子載波(subcarriers)數目厶更新前的PDF值，/符號判決后的得到的最新PDF值，義為在表更新過程中新值的權重。圖5為由圖3和圖4組成的本發(fā)明具體實施框圖。為了驗證本接收機的效果，根據圖1我們搭建了100Gbit/s超高速相干光CO-OFDM系統(tǒng)，具體實驗參數設置如下比特率100Gbit/s，光纖長度L=50km標準單模光纖(S-SMF)，激光器線寬Av二100kHz，信噪比OSNR=40dB，插入循環(huán)前綴CP=6.25%，子載波數256(128補零(Zero-Padding))，子載波調制格式16QAM，不使用任何光域色散補償模塊，實驗結果如下圖6為色散相移估計算法得到的OFDM信號各個子載波的相移圖。由圖可以看出，色散致相移與子載波頻率成比例關系。圖7為100Gbit/s信號傳輸50km的S-SMF后進行色散相移補償前的16QAM星座圖?？梢?，由于色散的作用，星座點己經發(fā)生了旋轉模糊。圖8為100Gbit/s信號傳輸50km(約850ps/ns的累積色散)的S-SMF進行色散相移補償后的16QAM星座圖，由圖可見，本色散相移補償算法很好的將圖7色散致相位旋轉給補償回來，具有很好的色散相移補償特性。圖9為采用直方圖算法估計得到的16QAM的I路的三個符號-3，-1，1，3的PDF分布，圖IO為其中符號"-3"的PDF分布?？梢姡邮諜C中電域的信號概率密度函數并不是對稱高斯分布，而且與信號有關。圖11為采用本算法進行補償和判決的100Gbit/s的OFDM系統(tǒng)的BER和光纖長度的關系曲線?？梢姡?00Gbit/s的高速光信號傳輸了70km(約1200ps/ns的累積色散)，經過補償后，BER仍然可以達到10—3。由圖6到圖11的一系列實驗結果可以明顯看出，本接收機有很好抗色散能力，能很好地提高系統(tǒng)的性能。以上是采用本發(fā)明的一種OFDM系統(tǒng)的具體實施例的詳細介紹和仿真，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。主要技術優(yōu)勢目前OFDM已經廣泛應用在無線和有線(銅線)通信領域。而OFDM技術運用于光通信領域是一個具有廣闊發(fā)展前景的研究方向。本發(fā)明主要是針對光OFDM系統(tǒng)中的色散致相移進行估計補償和判決。針對光OFDM技術的固有特點結合光色散的性質提出的本發(fā)明具有實現簡單，可以很有效的抑制色散，適用于高速光傳輸系統(tǒng)。與其它方式相比，本發(fā)明具有如下特點采用訓練序列可以很好的估計得到色散致相移，并進行補償，算法實現簡單，估計準確，可以對色散相移進行很好的補償；采用訓練序列可以很好地估計得到各個符號的概率密度函數曲線，避免了理論求解的復雜性;采用逐符號軟判決，降低了高速光系統(tǒng)對數字信號處理器(DSP)和存儲器等的要求，易于實現。權利要求1.一種應用于光OFDM系統(tǒng)的抗色散接收方法及裝置，其特征在于，所述的方法包括以下步驟發(fā)送訓練序列估計得到OFDM子載波色散相位移動查找表；由查找表對各個子載波數據進行相移補償；發(fā)送訓練序列得到信源符號的概率密度查找表；逐個符號進行極大似然軟判決；更新概率密度查找表以實現自適應。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述發(fā)送訓練序列估計得到OFDM子載波色散相移查找表的具體實現通過計算接收符號和發(fā)送符號的相位差，取得色散相移。3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述發(fā)送訓練序列估計得到OFDM子載波色散相移査找表的具體實現根據色散的性質，由訓練序列求得第k個子載波的估計相移為1》p=l……7VVOFDM符號(symbol)數目%=iyarg")_arg(X'J}……OFDM子載波(subcarriers)數目其中，^.為發(fā)送的訓練序列的OFDM符號的總個數，arg(O是求信號符號的相角，&為接收到的第i個OFDM符號的第k個子載波上的數據，&為發(fā)送的訓練序列中第i個OFDM符號的第k個子載波上的數據。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述由查找表對各個子載波數據進行相移補償的具體實現用估計得到OFDM各個子載波的色散相移表進行OFDM數據的色散相移補償。5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述由查找表對各個子載波數據進行相移補償的具體實現_.=1……乂OFDM符號(symbol)數目&=>Vexp(—<^=i……OFDM子載波(subcarriers)數目h為接收到的第i個OFDM符號的第k個子載波上的數據，3^為對發(fā)送的第i個OFDM符號的第k個子載波上的估計值，％是估計得到的色散致相移。6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述發(fā)送訓練序列得到信源符號的概率密度査找表的具體實現用訓練序列進行直方圖的符號概率密度函數的估計。7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述發(fā)送訓練序列得到信源符號的概率密度查找表的具體實現-計數器統(tǒng)計發(fā)送序列中每一個符號的個數，同時記錄每一個符號的對應的接收采樣值，接收信號的采樣被劃分為多個數值區(qū)間，計算各個采樣值在劃分的采樣區(qū)間的出現的概率，當訓練序列足夠長時，每一個采樣區(qū)間的概率值就是査表中需要的概率密度函數(PDF)的似然函數值。。8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，逐個符號進行極大似然軟判決的具體實現由似然概率密度函數查找表進行符號的極大似然判決。9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，逐個符號進行極大似然軟判決的具體實現查表得到接收信號的概率密度函數值，進行極大似然判決，具體算法如下；i=arg{max,EM(/(;^|xm))}式中，J^為接收的采樣值，xm(weM，M為輸入符號總數)為所有可能的輸入符號，/0^1xj為對應的查表值，；^為對輸入符號的估計判決值。10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，更新概率密度查找表以實現自適應的具體實現符號判決后進行概率密度函數的查找表更新。11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，更新概率密度查找表以實現自適應的具體實現力=(卜義)力".義厶更新前的PDF值，/符號判決后的得到的PDF值，義為在表更新過程中新值的權重。全文摘要本發(fā)明涉及一種抗色散的光OFDM接收方法及裝置，屬于通信傳輸領域。本接收機方案步驟如下首先由訓練序列提取色散所導致的各個子載波的相位移動，形成相移補償表，利用相移補償表消除色散導致的子載波間干擾；然后進入軟判決部分，在這部分首先利用訓練序列得到符號的概率密度函數，形成概率密度函數查找表，然后依據查找表進行軟判決，最終得到估計符號序列。本方案能有效地提取和補償色散致相移，消除色散對光OFDM系統(tǒng)的影響。文檔編號H04B10/18GK101621338SQ200910076419公開日2010年1月6日申請日期2009年1月7日優(yōu)先權日2009年1月7日發(fā)明者喬耀軍,劉學君,婧寧,曉杜,紀越峰申請人:北京郵電大學