應用于直接檢測光正交頻分復用系統的定時同步設計

2020-08-03 07:58:33王錦仁

現代電子技術 2020年8期

王錦仁

摘? 要：傳統的檢測方法在檢測光正交頻分復用系統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，設計一種新的檢測技術，該檢測技術可以應用于光正交頻分復用系統的直接檢測中。檢測技術由兩步組成，首先進行光正交頻分復用系統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用系統的時間頻率同步直接檢測，計算出各子載波的相位旋轉，由計算結果確定檢測結果;最后實現定時同步檢測。為檢測方法效果，與傳統檢測技術進行實驗對比，結果表明，給出的應用于直接檢測光正交頻分復用系統的定時同步技術可以在短時間內精準地檢測出光正交頻分復用系統是否定時同步，檢測成本更低，該技術值得大力推廣使用。

關鍵詞：定時同步檢測; 光正交頻分復用系統; 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

隨著互聯網快速發展，人們對數據業務要求大幅增高，尤其是傳輸速率方面，建立高速、高容量的傳輸數據網十分必要，而數據網的建立又依賴于各種系統的支撐。其中，光正交頻復用系統是一種新型系統，該系統在速度、容量方面的優點極為突出，被大量應用于寬帶數字通信領域[1]。該系統利用物理層進行多載波調制技術傳輸，對同步誤差非常敏感，易受到碼干擾和信道間干擾，可能嚴重損害系統性能，甚至引起整個系統的崩塌[2]。

目前光正交頻分復用系統中的通信主要是由定時同步技術支撐，該技術對于頻率偏差要求極高，并需與頻率同步技術同時進行[3]。光纖信道的損傷時刻影響著高速信號的傳輸，在完成數據傳輸后，要對信道的損傷進行估計，檢測光正交頻分復用系統的定時同步情況。本文研究同步算法和信道估計算法，設計了應用于直接檢測光正交頻分復用系統的信道同步技術和應用于直接檢測光正交頻分復用系統的時頻同步技術。

1? 信道同步技術設計

信道同步是從前面的光正交頻分復用系統信號推出信道轉移函數，其用于信道均衡。而用于直接檢測光正交頻分復用系統的信道序列如圖1所示。

在序列端首先發送OFDM信號，接收機計算初始值，用于信道轉移矩陣使用;接收端根據初始信道矩陣進行信道均衡，對所得結果進行判決，并反饋到估計模塊，作導頻使用，掌握當前信號狀態，利用估計值進行均衡與調制，同時獲得新估計值，循環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頻，反饋給估計器，避免持續出錯[5]。信道估計的判決反饋在初始階段須有導頻序列，一步步實時跟蹤信道數據變化。當判斷錯誤出現時，信道估計也會出現問題，要想信道估計算法效果發揮到最好，需確保判決無誤[6]。

檢測信道同步，還需噪聲補償輔助[7]。光正交頻分復用系統一旦工作時間過長，光正交頻分復用會與相位噪聲產生反應，在用光正交頻分復用傳輸系統進行檢測時，由于發送的載波和數據會離散導致相位噪聲出現，信道檢測時惡化，調制誤碼率升高，此時進行噪聲信號檢測最佳[8]。

2? 時間同步技術設計

在完成信道檢測后，對光正交頻分復用系統的時間進行檢測[9]。子載波數與寬帶較寬對光通信信道造成壓力，由白色散產生的相位旋轉與光正交頻分復用信號發生敏感反應，出現光纖色散不足，為估計出傳輸信道的狀態，需有效補償光纖色散，在發射端發射OFDM符號時，間接性加入導頻符號。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，將發送端加入導頻符號就可獲得子載波的相位旋轉，根據其他的OFDM符號數量再分別補償給每個子載波一個相位旋轉，大小約等于所有子載波對應的相位旋轉值相反數。通過光纖通信系統的色散特性，加入兩個導頻補償光纖就可實現[10]。時間同步工作流程如圖4所示。

首先，利用重復序列和前綴的頻率估計，將接收信號乘以訓練序列進行消除;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合重復序列的頻率進行高度分析。據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，由此實現定時同步估計。

3? 實驗研究

3.1? 實驗設計

為檢測本文同步技術的有效性，與傳統應用于直接檢測光正交頻分復用系統的定時同步技術設計實驗對比。其中，實驗參數如表1所示。

根據上述參數，傳統技術和本文技術同時檢測一個分析對光正交頻分復用系統的定時同步情況。

3.2? 實驗結果

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，傳統技術檢測時間為1.17 s，本文技術檢測時間為1.02 s;當頻率偏移為10 dB時，傳統技術的檢測時間為1.24 s，本文技術的檢測時間為1.07 s;當頻率偏移為15 dB時，傳統技術的檢測時間為1.31 s，本文技術的檢測時間為1.12 s;當頻率偏移為20 dB時，傳統技術的檢測時間為1.34 s，本文技術的檢測時間為1.14 s;當頻率偏移為25 dB時，傳統技術的檢測時間為1.38 s，本文技術的檢測時間為1.17 s;當頻率偏移為30 dB時，傳統技術的檢測時間為1.39 s，本文技術的檢測時間為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。

根據表2可知，本文研究的檢測技術檢測成本遠遠低于傳統技術檢測成本。當頻率偏移上升5 dB時，傳統檢測技術成本就會增加200 000元，而本文檢測技術成本增加150 000元，更加經濟實用。

3）檢測結果準確率對比

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

3.3? 實驗結論

根據上述實驗結果，得到如下實驗結論：傳統的定時同步檢測技術和本文研究的定時同步檢測技術都能夠對光正交頻分復用系統進行檢測，但傳統技術檢測時間過長，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? 語

光正交頻分復用技術是目前公認最有發展力的技術之一，相比其他技術更具研究價值，本文對光正交頻分復用系統的定時同步基本原理和相關技術進行分析，在此基礎上研究了光正交頻分復用系統的定時同步的檢測技術，對系統的信道、時間、頻率進行檢測。本文研究的檢測技術在分析復用系統是否定時同步上有著很大的優勢，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，確保該技術可以很好地應用到實際生活中。

參考文獻

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