CN115296747B - 应用于光纤多载波***中的二维信噪比均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于光纤正交频分复用与滤波器组多载波***中的二维信噪比均衡方法，包括以下步骤：在发送机中，将用户比特数据映射后获得的正交幅度调制符号在频域进行线性预编码处理，并将预编码符号与数据子载波进行关联；对不同光纤OFDM、FBMC符号中同一数据子载波上的预编码符号进行不同程度的循环移位操作，以实现预编码符号间的交织；在接收机中，将获得的预编码符号进行相应的解交织与线性解码，恢复出正交幅度调制符号，实现不同光纤OFDM、FBMC符号间，以及同一光纤OFDM、FBMC符号不同数据子载波上信噪比SNR的均衡。本发明不仅可以实现二维信噪比均衡并降低信号的峰均功率比，从而可以减少非线性失真。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，特别涉及一种应用于光纤正交频分复用与滤波器组多载波***中的二维信噪比均衡方法。
背景技术
随着物联网、云计算、第五代移动网络等新业务的快速发展，人们对信息传输速率的要求越来越高。光纤OFDM与FBMC等多载波传输技术被认为是未来高效实现高速光网络中最有前景的技术之一，在学术与工业界均引起了广泛的关注和研究。
通常，在光纤OFDM/FBMC通信***中由于光电器件不理想的频率响应、非线性失真(如电光调制器与光纤引入非线性失真等)以及光电二极管的平方律检测特性等问题将导致数据子载波上的信噪比(SNR)分布不均，此外由于非线性失真或者***干扰等因素还将引起时变的SNR损伤。传统的自适应调制技术或者线性预编码技术均可以有效解决子载波SNR不平衡损伤的问题，但很难应对时变SNR损伤给***可靠性造成的影响。因此，探索可同时解决子载波间以及随时间变化的OFDM/FBMC符号间的二维SNR均衡方法，提高光纤OFDM/FBMC等多载波光纤通信***的可靠性具有重要意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种能实现二维信噪比均衡、减少非线性失真的应用于光纤正交频分复用与滤波器组多载波***中的二维信噪比均衡方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种应用于光纤正交频分复用与滤波器组多载波***中的二维信噪比均衡方法，包括以下步骤：
S1：在发送机中，将用户比特数据映射后获得的正交幅度调制QAM符号在频域进行线性预编码处理，并将预编码符号与数据子载波进行关联；
S2：对不同光纤正交频分复用OFDM、滤波器组多载波***FBMC符号中同一数据子载波上的预编码符号进行不同程度的循环移位操作，以实现预编码符号间的交织；
S3：在接收机中，将获得的预编码符号进行相应的解交织与线性解码，恢复出正交幅度调制QAM符号，实现不同光纤正交频分复用OFDM、滤波器组多载波***FBMC符号间，以及同一光纤正交频分复用OFDM、滤波器组多载波***FBMC符号不同数据子载波上信噪比SNR的均衡。
上述应用于光纤正交频分复用与滤波器组多载波***中的二维信噪比均衡方法，所述步骤S1中，记正交频分复用为OFDM，滤波器组多载波为FBMC；OFDM/FBMC符号需要进行组帧后发送，假定一帧中包括N个OFDM/FBMC符号，其中用于产生第n个OFDM/FBMC符号的M个QAM符号经用户比特数据映射后表示为Xn：
Xn＝[x1,n,x2,n,…,xM,n]T
式中，M指数据子载波的数量，T为矩阵转置操作，第n个OFDM/FBMC符号中第m个子载波上关联的QAM符号为xm,n；
线性预编码矩阵定义如下：
式中，P为预编码矩阵，该预编码矩阵P为正交矩阵；
用于产生第n个OFDM/FBMC符号的M个QAM符号经线性预编码处理后的频域数据表示为：
式中，表示第n个OFDM/FBMC符号中第m个线性预编码后的符号。
上述应用于光纤正交频分复用与滤波器组多载波***中的二维信噪比均衡方法，其特征在于，所述步骤S2中，对不同OFDM/FBMC符号中同一数据子载波上的预编码符号进行不同程度的循环移位来完成交织处理，其中对第m个子载波上的预编码符号进行交织后获得的符号定义为：
式中函数circshift(X,C)表示对行矩阵X进行C次循环移位，如果C大于0，表示向右移位，否则为向左移位；对所有数据子载波进行循环移位后得到的交织符号表示为：
将获得的交织符号基于FFT算法实现对第n个OFDM/FBMC符号的产生，经组帧后经数模转换、电光转换以及光纤传输至接收机。
上述应用于光纤正交频分复用与滤波器组多载波***中的二维信噪比均衡方法，其特征在于，所述步骤S3中，在接收机中将信道均衡后的第m个数据子载波上的交织符号ym,n进行相应解交织处理：
最后对解交织后的符号m∈[1,M],n∈[1,N]中第n个OFDM/FBMC符号携带的预编码符号进行相应的解码处理：
式中，为解码后恢复出来的第n个OFDM/FBMC符号中第m个QAM符号，P-1是预编码矩阵P的逆矩阵；由于P是正交矩阵，所以逆矩阵P-1也是P的共轭转置矩阵；经相应解交织与解码后实现OFDM/FBMC符号间与子载波间的二维信噪比均衡。
本发明的有益效果在于：本发明首先在发送机中将比特数据映射后获得的正交幅度调制(QAM)符号在频域进行线性预编码处理，并将预编码符号与数据子载波关联；然后对不同OFDM或者FBMC符号中同一个子载波上的预编码符号进行循环移位操作，以实现预编码符号间的交织，在此基础上利用IFFT算法实现OFDM或者FBMC信号产生、电光转换、光纤传输、光电转换与模数转换后在接收机中基于FFT算法恢复出频域预编码符号；最后在接收机中对恢复的预编码符号进行解交织，再对解交织符号进行相应地解码处理，从而同时实现不同子载波间与不同OFDM/FBMC符号间信噪比的均衡。本发明不仅可以实现二维信噪比均衡，还可以降低信号的峰均功率比(PAPR)，从而可以减少由诸多光电器件引入的非线性失真，适用于提高具有频率选择性衰落或者时变损伤特性的光纤OFDM/FBMC传输***性能。
附图说明
图1为本发明应用于光纤多载波***中基带收发机数字信号处理(DSP)流程图及其仿真条件示意图；
图2为传统不使用预编码技术(Original)、使用WHT预编码技术(WHT)以及使用本发明预编码与符号交织技术(WHT+SI)时产生OFDM信号的PAPR对比曲线图。
图3为图2中涉及到3种情况下不同OFDM子载波间SNR均衡效果对比图。
图4为图2中涉及到3种情况下不同OFDM符号间SNR均衡效果对比图。
图5为图2中涉及到3种情况下接收机恢复出来的16QAM星座图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种应用于光纤正交频分复用与滤波器组多载波***中的二维信噪比均衡方法，包括以下步骤：
S1：在发送机中，将用户二进制比特数据映射后获得的正交幅度调制QAM符号在频域进行线性预编码处理，并将预编码符号与数据子载波进行关联。
OFDM/FBMC符号通常需要进行组帧后发送，假定一帧中包括N个OFDM/FBMC符号，其中用于产生第n个OFDM/FBMC符号的M个QAM符号经用户比特数据映射后表示为Xn：
Xn＝[x1,n,x2,n,…,xM,n]T
式中，M指数据子载波的数量，T为矩阵转置操作，第n个OFDM/FBMC符号中第m个子载波上关联的QAM符号为xm,n；
线性预编码矩阵定义如下：
式中，P为预编码矩阵，该预编码矩阵P为正交矩阵，可由离散傅里叶变换(DFT)矩阵、恒幅零自相关序列(CAZAC)、Zadoff-Chu序列、离散余弦变换(DCT)矩阵、离散哈特莱变换(DHT)矩阵以及沃尔什-哈达玛变换(WHT)等矩阵构造而成，其中前三者具有较好信号峰均功率比(PAPR)抑制能力，而WHT则具有最低的硬件实现复杂度，可根据实际需要进行适当选择。
用于产生第n个OFDM/FBMC符号的M个QAM符号经线性预编码处理后的频域数据表示为：
式中，表示第n个OFDM/FBMC符号中第m个线性预编码后的符号。
S2：对不同光纤正交频分复用OFDM、滤波器组多载波***FBMC符号中同一数据子载波上的预编码符号进行不同程度的循环移位操作，以实现预编码符号间的交织。
对不同OFDM/FBMC符号中同一数据子载波上的预编码符号进行不同程度的循环移位来完成交织处理，其中对第m个子载波上的预编码符号进行交织后获得的符号定义为：
式中函数circshift(X,C)表示对行矩阵X进行C次循环移位，如果C大于0，表示向右移位，否则为向左移位；对所有数据子载波进行循环移位后得到的交织符号表示为：
将获得的交织符号基于FFT算法实现对第n个OFDM/FBMC符号的产生，经组帧后经数模转换、电光转换以及光纤传输至接收机。
S3：在接收机中，将获得的预编码符号进行相应的解交织与线性解码，恢复出正交幅度调制QAM符号，实现不同光纤正交频分复用OFDM、滤波器组多载波***FBMC符号间，以及同一光纤正交频分复用OFDM、滤波器组多载波***FBMC符号不同数据子载波上信噪比SNR的均衡。
在接收机中将信道均衡后的第m个数据子载波上的交织符号ym,n进行相应解交织处理：
最后对解交织后的符号m∈[1,M],n∈[1,N]中第n个OFDM/FBMC符号携带的预编码符号进行相应的解码处理：
式中，为解码后恢复出来的第n个OFDM/FBMC符号中第m个QAM符号，P-1是预编码矩阵P的逆矩阵；由于P是正交矩阵，所以逆矩阵P-1也是P的共轭转置矩阵；经相应解交织与解码后实现OFDM/FBMC符号间与子载波间的二维信噪比均衡。
为验证本发明的有效性，基于Matlab软件编程实现了如图1所示的OFDM收发机DSP算法，建立传输信道模型，进行数值仿真分析。其中OFDM信号参数如下：IFFT/FFT点数为256，数据子载波数量为192，其他子载波置零，循环前/后缀均为16，8个训练序列用于符号同步与信道均衡，一帧信号中包括2000个OFDM符号。传输信道由数字限幅、低通滤波以及加性高斯白噪声三部分组成，分别模拟放大器与电光调制器的非线性失真、光电器件带限效应、以及光电检测器或者光放器等噪声影响。其中数字限幅率为6dB；低通滤波由一个三阶FIR滤波器实现；仿真***SNR设置为30dB。
图2为100000个OFDM符号经4倍过采样后统计获得的PAPR互补累积分布函数曲线，采用本发明提出的预编码(以WHT预编码为例)结合符号交织方法可以获得与传统预编码类似的PAPR性能，且在CCDF为1e-4时，***PAPR相比传统方法可以降低2dB。
图3为一帧OFDM信号经信道传输后接收机利用恢复出来的QAM符号估计的不同数据子载波上的SNR分布图。从中可知本发明所提出的预编码与符号交织方法可与传统预编码方法获得类似的SNR均衡效果，且相比传统无预编码方法可以显著均衡SNR的分布。
图4为一帧OFDM信号经信道传输后接收机利用恢复出来的QAM符号估计的不同OFDM符号间SNR分布图。其中部分PAPR较高的传统无预编码技术的OFDM符号由于受数字限幅噪声影响较大，导致低SNR符号较多；在使用传统预编码后，信号PAPR得到一定程度的抑制，但仍有少部分高PAPR的OFDM符号受限幅噪声的影响导致低SNR；相比之下，在使用本发明提出的预编码结合符号交织技术后，符号间的SNR可获得更好的SNR均衡效果。
图5为采用3种不同方法对经信道传输后的一帧OFDM信号利用接收机DSP算法处理恢复出来的QAM符号的星座图。从中可以看出，本发明所提出的方法相比其他两种方法由于具有出色的二维SNR均衡能力，从而使得星座更加收敛，进而改善传输***的误码率性能(图5(a)、5(b)与5(c)星座符号经解映射后的误码率分别为1.5e-4、1.06e-5与0)。
综上，本发明不仅可以实现二维信噪比均衡，还可以降低信号的峰均功率比(PAPR)，从而可以减少由诸多光电器件引入的非线性失真，适用于提高具有频率选择性衰落或者时变损伤特性的光纤OFDM/FBMC传输***性能。
Claims (2)
1.一种应用于光纤正交频分复用与滤波器组多载波***中的二维信噪比均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在发送机中，将用户比特数据映射后获得的正交幅度调制QAM符号在频域进行线性预编码处理，并将预编码符号与数据子载波进行关联；
S2：对不同光纤正交频分复用OFDM、滤波器组多载波***FBMC符号中同一数据子载波上的预编码符号进行不同程度的循环移位操作，以实现预编码符号间的交织；
所述步骤S2中，对不同OFDM/FBMC符号中同一数据子载波上的预编码符号进行不同程度的循环移位来完成交织处理，其中对第m个子载波上的预编码符号进行交织后获得的符号定义为：
式中表示第n个OFDM/FBMC符号中第m个线性预编码后的符号，函数circshift(X,C)表示对行矩阵X进行C次循环移位，如果C大于0，表示向右移位，否则为向左移位；对所有数据子载波进行循环移位后得到的交织符号表示为：
将获得的交织符号基于FFT算法实现对第n个OFDM/FBMC符号的产生，经组帧后经数模转换、电光转换以及光纤传输至接收机；
S3：在接收机中，将获得的预编码符号进行相应的解交织与线性解码，恢复出正交幅度调制QAM符号，实现不同光纤正交频分复用OFDM、滤波器组多载波***FBMC符号间，以及同一光纤正交频分复用OFDM、滤波器组多载波***FBMC符号不同数据子载波上信噪比SNR的均衡；
所述步骤S3中，在接收机中将信道均衡后的第m个数据子载波上的交织符号ym,n进行相应解交织处理：
最后对解交织后的符号中第n个OFDM/FBMC符号携带的预编码符号进行相应的解码处理：
式中，为解码后恢复出来的第n个OFDM/FBMC符号中第m个QAM符号，P-1是预编码矩阵P的逆矩阵；由于P是正交矩阵，所以逆矩阵P-1也是P的共轭转置矩阵；经相应解交织与解码后实现OFDM/FBMC符号间与子载波间的二维信噪比均衡。
2.根据权利要求1所述的应用于光纤正交频分复用与滤波器组多载波***中的二维信噪比均衡方法，其特征在于，所述步骤S1中，记正交频分复用为OFDM，滤波器组多载波为FBMC；OFDM/FBMC符号需要进行组帧后发送，假定一帧中包括N个OFDM/FBMC符号，其中用于产生第n个OFDM/FBMC符号的M个QAM符号经用户比特数据映射后表示为Xn：
Xn＝[x1,n,x2,n,…,xM,n]T
式中，M指数据子载波的数量，T为矩阵转置操作，第n个OFDM/FBMC符号中第m个子载波上关联的QAM符号为xm,n；
线性预编码矩阵定义如下：
式中，P为预编码矩阵，该预编码矩阵P为正交矩阵；
用于产生第n个OFDM/FBMC符号的M个QAM符号经线性预编码处理后的频域数据表示为：
式中，表示第n个OFDM/FBMC符号中第m个线性预编码后的符号。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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