一种CO-FBMC/OQAM的调制方法及系统与流程

本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种co-fbmc/oqam的调制方法及系统。
背景技术：
：传统的光通信中的相干光滤波器组多载波/偏移正交振幅调制(co-fbmc/oqam：coherentoptical-offsetquadratureamplitudemodulation-basedfilterbankmulticarrier)系统虽然省去了循环前缀在一定程度上优于co-ofdm系统，但是由于co-fbmc/oqam系统具有较长的符号长度和高的峰均功率比，而相位噪声主要来自激光器线宽和链路非线性，所以co-fbmc/oqam系统的传输性能易受相位噪声的影响，产生收端qam调制星座图的旋转与发散从而导致误码率的增加。因此，如何高效地监测和补偿相位噪声是co-fbmc/oqam系统的一个关键问题，其中，系统固有的虚部干扰成为了相位噪声处理算法必须要解决的难题。现有解决系统相位噪声估计及补偿的方案是基于盲判决的卡尔曼滤波算法补偿方案，该补偿方案不仅计算复杂度较高，而且由于用于盲判决的每个符号上都叠加系统固有干扰的影响，在激光器相位噪声较大的时候极易产生判决失误，因此该方案补偿范围极其有限。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于在系统发端的符号映射模块之后的固定子载波位置添加消扰导频模块，在系统收端的光域-频域转换模块之后在对应于导频添加的位置增加卡尔曼滤波处理模块，旨在解决系统固有虚部干扰给导频带来的估计误差和收端相应的相位噪声补偿问题。为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种co-fbmc/oqam的调制方法，包括：(1)将co-fbmc/oqam系统输入的比特信号转化为pam数据符号；(2)在pam数据符号的一端接入三列子载波，在中间列子载波的奇数位放置导频符号、偶数位放置置零符号及其余两列子载波均置零，完成pam数据符号与第一导频单元的接入；(3)在pam数据符号的另一端接入三列子载波，在中间列子载波的偶数位放置导频符号、奇数位放置置零符号及其余两列子载波均置零，完成pam数据符号与第二导频单元的接入；(4)第一导频单元和第二导频单元接收pam数据符号，消除系统固有虚部干扰，且记录导频位置的相位信息；(5)频域-时域转换模块接收经过导频单元处理后的频域信号，对其正交化预处理后进行调制，完成频域信号到时域信号的转换；(6)获取的时域信号经过并串转换和训练序列处理后进行iq调制使其信号传输至系统收端；(7)光域-频域转换模块将接收的光域信号通过相干探测平衡接收后得到的基带信号；(8)将基带信号通过定时同步和串并转换后解调得到频域信号；(9)提取导频位置的收端的测试导频信号；(10)将发端已知的导频信号与上一时刻的相位噪声估计值相乘获取该发端导频信号对应的收端导频信号的预测值；(11)将收端的测试导频信号与导频信号的预测值相减得到两者间的误差信号。(12)将所述误差信号与固定的卡尔曼增益相乘得到相位噪声的纠正值；(13)将所述相乘得到的值与上一时刻的相位噪声估计值相加得到当前时刻的相位噪声估计值；(14)将当前时刻的相位噪声估计值进行相位噪声的共轭处理；(15)将相位噪声的共轭值与收端的导频符号相乘获取相位噪声补偿后的估计值作为相位噪声补偿的信号；(16)将相位补偿的输出信号经过解映射后恢复比特信号；(17)当前时刻的相位噪声估计值进行延迟处理作为前一时刻的相位噪声估计值。另一方面，本发明提供了一种co-fbmc/oqam系统，包括符号映射模块、消扰导频模块、频域-时域转换模块、iq调制模块、光域-频域转换模块、卡尔曼滤波补偿模块和符号解映射模块；所述符号映射模块用于接收经过串并转换的比特数据，输出信号经过复数转实数，将实值信号传递给消扰导频模块；所述消扰导频模块用于接收符号映射模块传递的实值信号，输出消除导频固有干扰的频域信号，同时在符号映射模块两端加入导频信号，用于记录导频信号中的相位信息获取相位噪声对系统的影响；优选地，所述消扰导频模块包括第一导频单元和第二导频单元；所述第一导频单元和第二导频单元均包括3列子载波，位于中间列的子载波导频符号与置零符号相间，其余两列子载波均置零，所述第一导频单元和第二导频单元的导频符号分别放置在对应子载波的奇数位置和偶数位置；所述频域-时域转换模块用于接收导频模块传递的频域信号，输出时域信号；所述iq调制模块用于接收时域信号，输出光域信号；所述光域-频域转换模块用于接收光域信号，输出频域信号；所述卡尔曼滤波补偿模块基于所述的消扰模块消除导频符号固有干扰的状态，用于计算导频符号位置上的相位噪声值，从而进行相位噪声的补偿，最终输出相位补偿后的频域信号；优选地，所述的卡尔曼滤波补偿模块包括：导频提取单元，减法器，第一乘法器，加法器，延迟单元，第二乘法器，共轭处理单元，第三乘法器；所述导频提取单元输入端连接光域-频域转换模块，输出端连接减法器；所述减法器输入端连接导频提取单元的输出端和第二乘法器的输出端，输出端连接第一乘法器的输入端；所述第一乘法器输入端连接减法器的输出端，接收固定卡尔曼增益；输出端连接连接加法器的输入端；所述加法器的输入端连接第一乘法器的输出端和延迟单元的输出端，输出端连接延迟单元的输入端和共轭处理单元的输入端；所述延迟单元输入端连接加法器的输出端，输出端连接加法器的输入端和第二乘法器的输入端；所述第二乘法器输入端连接延迟单元的输出端；所述共轭处理单元输入端连接加法器的输出端，输出端连接第三乘法器的输入端；所述第三乘法器的输入端连接共轭处理单元的输出端，输出端连接实复数转换模块；所述导频提取单元用于在收端导频中提取导频信号；所述减法器用于将收端的导频信号与预测的导频信号相减得到两者间的误差信号；所述第一乘法器用于将误差信号与固定卡尔曼增益相乘；所述加法器用于将乘法器得到的结果与上一时刻的相位噪声估计值相加，得到当前时刻的相位噪声估计值；所述延迟单元用于将当前时刻的相位噪声估计值转化为前一时刻的相位噪声估计值；所述第二乘法器用于将发端导频信号与上一个时刻相位噪声估计值相乘，得到预测的导频符号对应的接收导频值；所述共轭处理单元用于得到当前时刻的相位噪声的共轭值；所述第三乘法器用于将当前时刻的相位噪声的共轭值与收端的导频符号相乘得到相位噪声补偿后的估计值；所述符号解映射模块用于接收频域信号经实数转复数后的频域信号，输出比特数据。通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：(1)本发明采用消扰导频模块可以使导频符号不受到co-fbmc/oqam系统中固有的虚部干扰的影响，从而提高了系统对相位噪声估计的准确性。(2)本发明采用的消扰导频模块，可以保证对每一个fbmc符号仅仅采用一个导频来记录相位噪声，可以避免盲判决算法中所需的对每一个子载波均要进行计算求解其上的相位噪声的弊端，从而可以极大的减少计算复杂度。(3)本发明采用了基于导频的卡尔曼滤波算法来进行相位噪声的估计，可以避免盲估计中所需的判决过程，从而避免了判决误差的引入。附图说明图1是本发明实施例提供的消扰导频模块的结构设计图；图2是本发明提供的卡尔曼滤波处理模块结构图；图3是本发明提供的co-fbmc/oqam系统示意图；图4是本实施例提供的16qam调制的co-fbmc/oqam系统示意图；图5是本发明实施例提供的仿真结果。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供了一种co-fbmc/oqam系统的调制方法，包括：s1：符号映射模块接收经串并转换后的二进制输入比特信号，输出的信号经过复数转实数转化为pam数据符号；s2：在pam数据符号的两端分别接入消扰导频模块的第一导频单元和第二导频单元；s3：频域-时域转换模块接收经过导频单元处理后的频域信号，对其正交化预处理后进行调制，完成频域信号到时域信号的转换；s4：获取的时域信号经过并串转换和训练序列处理后进行正交(iq：in-phaseandquadraturemodulation)调制使其信号传输至系统收端s5：光域-频域转换模块将接收的光域信号转换成频域信号，通过卡尔曼滤波补偿模块对相位噪声进行补偿；s6：将相位补偿的输出信号经过符号解映射模块后恢复比特信号。图1为本发明提供的消扰导频模块与脉冲幅度调制(pam:pulseamplitudemodulation)数据符号之间的连接关系，由图1可知，所述步骤s2具体包括如下步骤：s2.1：设置三列载波使中间列子载波的奇数位放置导频符号、偶数位放置置零符号及其余两列子载波均置零，完成第一导频单元的设置；s2.2：设置三列载波使中间列子载波的奇数位放置导频符号、偶数位放置置零符号及其余两列子载波均置零，完成第一导频单元的设置；s2.3：第一导频单元和第二导频单元分别连接在pam数据符号两端。图2为本发明提供的卡尔曼滤波补偿模块计算的具体结构示意图，根据图2所示的卡尔曼相位补偿方法所述步骤s5具体包括如下步骤：s5.1：导频提取单元提取导频位置收端的测试导频信号；s5.2：将发端已知的导频信号与上一时刻的相位噪声估计值相乘获取该发端导频信号对应的收端导频信号的预测值；s5.3：将收端的测试导频信号与导频信号的预测值相减得到两者间的误差信号。s5.4：所述误差信号与固定的卡尔曼增益相乘得到相位噪声的纠正值；s5.5：所述相乘得到的值在与上一时刻的相位噪声估计值相加作为当前时刻的相位噪声估计值；s5.6：将当前时刻的相位噪声估计值进行相位噪声的共轭处理；s5.7：将相位噪声的共轭值与收端的导频符号相乘获取相位噪声补偿后的估计值作为相位噪声补偿的信号；s5.8：当前时刻的相位噪声估计值进行延迟处理作为前一时刻的相位噪声估计值。图3为本发明提供的co-fbmc/oqam系统示意图，从图3可以看出，co-fbmc/oqam系统发端包括符号映射模块、消扰导频模块和频域-时域转换模块，收端包括光域-频域转换模块、卡尔曼滤波补偿模块和符号解映射模块，系统发端和收端通过iq调制模块连接，将发端的时域信号转换为光域信号传递到收端；优选地，所述符号映射模块用于接收经过串并转换的比特数据，输出信号经过复数转实数，将实值信号传递给消扰导频模块；所述消扰导频模块用于接收符号映射模块传递的实值信号，输出消除导频固有干扰的频域信号，同时用于记录导频信号中的相位信息，从而获取相位噪声对系统的影响；所述频域-时域转换模块用于接收导频模块传递的频域信号，输出时域信号；所述iq调制模块用于接收时域信号，输出光域信号；所述光域-频域转换模块用于接收光域信号，输出频域信号；所述卡尔曼滤波补偿模块基于所述的消扰模块消除导频符号的固有干扰的状态，用于计算导频符号位置上的相位噪声值，从而进行相位噪声的补偿，最终输出相位补偿后的频域信号；所述符号解映射模块用于接收频域信号经实数转复数后的频域信号，输出比特数据。优选地，消扰导频模块的结构如图1所示，所述消扰导频模块包括第一导频单元和第二导频单元；优选地，所述第一导频单元和第二导频单元均包括3列子载波，位于中间列子载波的导频符号与置零符号相间，所述第一导频单元和第二导频单元的导频符号分别放置在对应子载波的奇数位置和偶数位置，其余两列子载波均置零；所述消扰导频模块可以有效去除导频位置处的固有虚部干扰，保证导频上的值不受到固有干扰的影响并且保证每一个co-fbmc/oqam符号均存在一个导频符号记录其上面叠加的相位噪声。更为具体的工作原理如下：考虑存在相位噪声和ase噪声的co-fbmc/oqam系统的收端解调信号可以写为：其中,m0表示第m0个子载波，l0为第l0个fbmc/oqam符号，lg＝km为滤波器长度，k为重叠因子，m为总的子载波个数，g(n)代表滤波器的时域响应函数，gm,l代表该滤波器的时频偏移式，为ase噪声，代表泡利多相调制因子；令为系统自带的叠加在的固有干扰，则上式可以简化为：由上式可以发现固有干扰会叠加在接收符号上，影响相位噪声值的正常判定，且该固有干扰是一个与信号本身值大小强相关的值，其大小无法判定，必须消除。表1为在co-fbmc/oqam系统中传输导频时收发器的脉冲响应，由表1可知，导频位置的固有干扰主要来自于该导频所处子载波上与该导频间隔为奇数位置的符号，以及该导频相邻的两列子载波上的符号。因此本发明的消扰导频模块在虚部干扰大的位置置零的操作，可以极大的消除虚部干扰的影响。表1n-4n-3n-2n-1nn+1n+2n+3n+4m-10.00540.0429j-0.1250-0.2058j0.23930.2058j-0.1250-0.0429j0.0054m0-0.06680.0002j0.564410.56440.0002j-0.06680m+10.0054-0.0429j-0.12500.2058j0.2393-0.2058j-0.12500.0429j0.0054根据表1且利用设计的特殊导频结构，公式(3)可简化为：优选地，所述卡尔曼滤波补偿模块的结构如图2所示，包括：导频提取单元1，减法器2，第一乘法器3，加法器4，延迟单元5，第二乘法器6，共轭处理单元7，第三乘法器8。所述导频提取单元1输入端连接光域-频域转换模块的输入端，输出端连接减法器2；所述减法器2输入端连接导频提取单元1的输出端和乘法器6的输出端，输出端连接乘法器3的输入端；所述第一乘法器3输入端连接减法器2的输出端，接收固定卡尔曼增益；输出端连接加法器4的输入端；所述加法器4的输入端连接第一乘法器3的输出端和延迟单元5的输出端，输出端连接延迟单元5的输入端和共轭处理单元7的输入端；所述延迟单元5输入端连接加法器4的输出端，输出端连接加法器4的输入端和乘法器6的输入端；所述第二乘法器6输入端连接延迟单元5的输出端；所述共轭处理单元7输入端连接加法器4的输出端，输出端连接第三乘法器8的输入端；所述第三乘法器8的输入端连接共轭处理单元7的输出端，输出端连接实复数转换模块；优选地，所述导频提取单元1用于将收端频域信号中的导频信号提取出来，即完成：其中，zn表示第n个co-fbmc/oqam符号，表示第n个fbmc/oqam符号中对应于导频位置p的符号值。所述减法器2用于将收端实际接收到的导频符号与卡尔曼滤波算法中预测的收端导频符号值作对比，得到预测误差信号en，即：该误差信号中包含了无法预测的信息，因此也将误差信号称为新息。该新息主要用于纠正相位噪声的预测值；所述第一乘法器3用于将输入的新息en与卡尔曼增益kn相乘，即：用合适的系数kn对新息进行加权得到测量过程对预测过程得到的预测值的修正值knen；、优选地；其中，kn为卡尔曼增益；r为测量过程协方差，可在前期通过训练序列得到，为一个固定值，kn的计算值可根据新息的最小均方误差准则获取，即：所述加法器4用于将修正值knen与预测值相加，得到对相位噪声的基于卡尔曼滤波算法的最优估计值：所述延迟单元5用于将基于卡尔曼滤波算法的最优估计值进行一个时刻的延时，得到根据预测方程(4)：可知最终得到上一时刻对该时刻的相位噪声的预测值所述第二乘法器6用于将已知的发端导频信号与预测值相乘得到收端导频信号的预测值所述共轭处理单元7用于对输入的相位噪声取共轭的操作：其中，j代表虚数；所述第三乘法器8用于将输入的相位噪声的共轭与fbmc/oqam的频域信号相乘得到相位噪声补偿后的结果：综上，卡尔曼滤波补偿模块的算法处理方法如下：首先建立卡尔曼滤波算法所需的预测方程和测量方程：首先提取出收端符号中的导频符号和其对应的发端导频符号然后初始化相位噪声预测误差协方差p(0)＝0。对每一个fbmc/oqam符号，依次计算其预测过程和测量过程：所述预测过程的方程为：其中，q＝2πδvt为预测过程协方差；δv为联合激光器线宽；t＝ts/m为归一化的fbmc/oqam符号周期；所述测量过程的方程为：经过上述迭代可得到对应于每一个的相位噪声，根据得到经过相位补偿后的信号。如图4所示为本实施提供的一种具体的co-fbmc/oqam系统，本实施例中的co-fbmc/oqam系统的总子载波数为256，有效子载波数为250，符号速率为20gs/s，16qam调制且携带导频信号。co-fbmc/oqam系统的发端工作机理如下：输入的二进制信息比特首先通过串并转换、16qam映射和复数到实数的处理，完成oqam的预处理，形成250列并行的pam数据符号，再在该并行数据符号的两端加上本发明设计的消音导频结构d1单元和d2单元，d1单元和d2单元混合250列并行的pam数据符号一同形成256列并行的数据结构，接下来再经过泡利多相调制模块进行系统的正交化预处理，进入综合滤波器组模块中通过ifft转换和综合滤波器组调制把该256列并行数据的每一列加载在256列不同的子载波上且完成频域到时域转换，最后通过并串转换且加上训练序列形成fbmc/oqam基带信号，接下来经iq调制实现由电域-光域的上变频，形成可以在光纤中传输的信号；co-fbmc/oqam系统的收端工作机理如下：调制在光域的发端fbmc/oqam信号通过相干探测平衡接收后得到的基带信号首先经过定时同步，串并转换，分析滤波器组和信道估计后，将得到的频域信号送入滤波补偿模块。在这个模块中经过提取导频单元1提取收端的导频符号，再提取经延迟单元5处理的前一个时刻相位噪声估计值与发端导频符号相乘得到的收端导频符号预测值，然后将收端的测试导频符号与收端导频符号预测值在减法器2中相减得到测量值与预测值之间的误差信号，乘法器3接收该误差值与卡尔曼增益进行相乘得到测量过程对预测过程的纠正值，获取的纠正值与上一个时刻的相位噪声值在加法器4中相加得到由卡尔曼算法得到的相位噪声估计值，再经过共轭处理单元7处理最终得到相位噪声补偿值与收端的符号相乘得到经过相位补偿的信号输出。输出的相位噪声补偿信号再经过取实复转换单元、并串转换单元和16qam星座解映射后得到恢复的比特信号输出。本实施例分别对经本方案提供的co-fbmc/oqam系统处理过的信号和经过基于盲判决的卡尔曼相位噪声补偿装置处理过的信号进行性能仿真，图5是两种不同方法在不同的激光器线宽下系统的ber性能对比图，其中，p-ekf为本发明提出的co-fbmc/oqam系统，设置总的子载波个数为256，有效子载波个数250，其中接近直流偏置的6个子载波用来放置该方案提出的导频结构，而b-ekf为用于性能对比的基于盲判决的卡尔曼滤波算法结构的系统，总的子载波个数为256，有效子载波个数256，图中分别对比了两种方案在背靠背传输的条件下和经过400km的光纤传输之后的性能对比。由图可见，在两种条件下，本方案的相位噪声容忍度均较基于盲判决的方案提高了1000khz左右，极大的证明了本方案的优越性。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12