一种低复杂度OFDM-PON系统采样时钟频率偏差补偿的方法与流程

本发明涉及一种低复杂度OFDM-PON(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Passive Optical Network，正交频分复用无源光网络)系统采样时钟频率偏差补偿的方法，属于数字技术领域。

背景技术：

OFDM-PON技术是OFDM系统与PON的融合。因其具有传输容量大(上下行速率可达到40Gbit/s甚至100Gbit/S)，能够提供各种类型、各种宽带和各种QoS要求的业务，业务调度及宽带管理非常灵活等优点，已经在下一代无源光网络-2(Next Generation Passive Optical Network 2，NG-PON2)中表现出巨大的潜力。

光OFDM的基本原理与电OFDM相似，二者区别在于信号由电域的无线信道传输变为光域的光纤信道传输，因此OFDM-PON存在OFDM技术的缺点，主要体现在OFDM-PON系统中的符号定时误差(Symbol Time Offset，STO)，载波频率偏移(Carrier Frequency Offset，CFO)以及采样时钟偏差(Sampling Frequency Offset，SFO)。采样时钟偏差主要源于发射机的数/模转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)和接收机的模/数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)的晶振不可能具有完全相同的时钟周期和相位，导致两者的采样间隔之间会产生偏差，从而对整个系统的性能带来严重的影响：一个是经过采样的子载波之间不再保持正交性，产生信道间干扰；另一个是采样频偏产生的时变定时偏差，经过离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transformation，DFT)后会导致时变的相位变化。

在高速的OFDM-PON数据传输系统中，用于发送端DAC和接收端ADC的采样时钟频率通常在数个GSps，而用于实时信号处理的FPGA的系统时钟只有几百MHz，要远小于采样时钟，因此OFDM-PON的数字信号处理需要使用并行处理技术。多路的并行处理意味着逻辑资源消耗的增加，因此使用低复杂度的信号处理算法在OFDM-PON中显得尤为重要。在大多数公开报道的OFDM-PON系统采样时钟偏差补偿方法中，大部分都是借鉴无线OFDM系统中采用的由Shafiee等人提出的经典同步算法，即利用导频信息对频率偏差进行估计。此同步算法需要计算每个OFDM符号的相位旋转因子exp(jdθl,k)，FPGA硬件实现时需要用到配置成cos&sin模式的CORDIC核，将导致资源的极大浪费以及实现的复杂度比较高。

技术实现要素：

针对现有的采样时钟补偿技术资源消耗较大的缺陷，本发明的目的在于提供一种低复杂度OFDM-PON系统采样时钟频率偏差补偿的方法。利用子载波采样频偏旋转增量消除掉采样时钟频率偏差引起的相位旋转因子，从而改进传统采样时钟频偏补偿方法中FPGA硬件计算每个OFDM符号的相位旋转因子exp(jdθl,k)时造成的资源浪费以及延时大等缺点；利用递推思想的算法获取初始OFDM符号子载波的频率信道响应，进而对每个OFDM符号进行采样时钟频率偏差补偿，将极大减少计算复杂度。

本发明方法假设OFDM系统已经实现了正确的符号同步，并得到了采样时钟频偏的估计值。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低复杂度OFDM-PON系统采样时钟频率偏差补偿的方法，具体步骤如下：

1)由OFDM-PON系统接收端估计得到的采样钟频偏估计值，得到每个子载波相邻OFDM符号间的相位旋转增量；

2)将每个子载波相邻OFDM符号间频域的旋转因子增量通过欧拉公式展开，并近似用相位旋转增量表示；

3)结合信道响应初值，根据相邻OFDM符号间的近似旋转因子增量采用递推的方式得到每个子载波在各OFDM符号处扩展后的信道响应；

4)根据扩展后的信道响应对采样钟频偏进行补偿。

所述步骤1)中相邻OFDM符号的第k个子载波的相位旋转增量θk通过如下公式得出：

式中Δ为采样时钟频率相对偏差，N为OFDM系统FFT/IFFT的计算点数，Ns为一个OFDM数据符号的长度，包括OFDM数据以及数据循环前缀。

所述步骤2)中相邻OFDM符号之间第k个子载波的相位旋转增量θk远小于0，且为固定值，相邻OFDM符号间的采样频偏引起的相位旋转因子由相邻OFDM符号之间的相位旋转增量θk近似表示：

所述步骤3)中OFDM符号处的信道响应由前一个OFDM符号信道响应给出，依据信道响应初值以及递推公式得到每个OFDM符号的信道响应，具体由如下公式给出，

其中l为接收到的OFDM符号的索引号，H(0,k)为系统信道响应初值。

所述步骤4)更新的系统信道响应系数对系统采样钟频偏引起的相位旋转进行补偿，具体由如下公式给出：

其中Y1(l,k)为未补偿的频率偏差的接收频率响应，H(l,k)为第l个OFDM符号第k个子载波的频率信道响应，由此完成了采样频偏补偿。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：

(1)本发明提出了一种易于硬件实现的采样时钟频率补偿方法，特别涉及利用子载波采样频偏旋转增量消除掉采样时钟频率偏差引起的相位旋转因子，并且利用递推思想的算法获取初始OFDM符号子载波的频率信道响应，进而对每个OFDM符号进行采样时钟频偏补偿，极大地节约了资源，降低了复杂度。

(2)本发明提出的采样时钟频率偏差补偿方法兼容现有的OFDM-PON系统，使用此低复杂度的信号处理算法避免了OFDM-PON中多路的并行处理造成的逻辑资源消耗的增加。

附图说明

图1是本发明实施例中OFDM帧结构示意图。

图2是本发明所述的采样钟频偏补偿方法流程图。

图3是本发明实施例中的算法实现结构示意图。

图4是本发明所述的信道响应更新流程示意图。

图5是本发明实施例中的实验结果误码率图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

本实例所采用的帧结构如图1所示，主要有训练序列和OFDM符号组成。训练序列和OFDM符号都包含循环前缀，其中训练序列用来实现OFDM系统的信道均衡以及信道补偿。本实例采用的FFT/IFFT点数为64，循环前缀的长度为16点，每帧包含的OFDM符号数N为100。

如图2所示为本发明实施所述的OFDM系统采样钟频偏补偿方法的流程图，图3为本发明实例中的实现结构示意图。结合图2和图3，具体过程如下：

1、本方法假设已经得到了采样钟频偏的估计值Δ。首先根据采样时钟频偏值Δ得到每个子载波的相位旋转增量，具体实现依据如下公式：

2、在接收端对ADC采集到的数据进行符号同步，找到FFT窗口的位置，分别提取出训练序列和数据符号。对提取出的训练序列和OFDM数据符号做FFT变换，得到频域的训练序列值Rtrs和数据Xl,k。其中l表示接收到的OFDM数据符号的索引号，k为OFDM数据的子载波。

3、本地的训练序列是存储在发送端的训练序列，利用提取得到的训练序列频域值Rtrs和本地的训练序列频域值Ltrs估计出系统的信道响应初值H(0,k)。具体实现依据如下公式：

4、利用系统的信道响应初值经递推的方式得到每个符号处的信道响应更正值。模块的结构如图4所示，由一个乘法器和延时器组成，具体实现依据如下公式：

5、依据更新的系统信道响应系数对数据进行均衡，均衡的同时也是对系统采样钟频偏引起的相位旋转进行补偿，具体实现依据公式如下：

如图5所示为本实例的补偿性能验证结果，系统采样强度调制直接检测光OFDM系统。系统的数据调制格式为16QAM，发射光功率为7.5dBm，经过25Km单模光纤后以及光衰减器后接收光功率为-13dBm。在不同的采样钟频偏情况下，系统补偿前和补偿后的误码率性能如图5所示，从图中可以看出，在没有补偿的情况下，系统的误码率随着采样钟频偏的增加急剧增加，而在对采样钟频偏补偿后，系统的性能得到有效改善，当采样钟频偏在-150ppm到150ppm之间时，补偿后的误码率几乎与0频偏时相等。采用本发明方法补偿和理想补偿的效果几乎一样。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限制本发明的范围，凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均含于本发明的保护范围之内。